水库消落带温室气体净通量的评估方法技术

本发明专利技术提供一种水库消落带温室气体净通量的评估方法，包括：采用三维地下水流运动模型模拟水库水位季节性变化下消落带土壤湿度及地下水位动态变化过程；采用考虑环境因子的经验模型模拟消落带植被生态系统碳循环过程；采用水、热运动方程估算水库季节性调蓄影响下土壤温度变化；基于步骤1、步骤2以及步骤3中得到的数据，建立水库季节性调蓄影响下消落带土壤质地、土壤温度和土壤氧化还原电位与土壤厌氧状态的关系函数。本发明专利技术考虑了水库水体与消落带之间的水量交换，构建综合考虑水库季节性调蓄和碳循环过程之间相互作用的水库消落带温室气体净通量评估模型，使模型比现有模型更适合于探究水库季节性调蓄同消落带温室气体的迁移和转化关系。的迁移和转化关系。的迁移和转化关系。

【技术实现步骤摘要】
水库消落带温室气体净通量的评估方法


[0001]本专利技术属于水碳模拟的
，具体涉及一种水库消落带温室气体净通量的评估方法。

技术介绍

[0002]筑坝蓄水是水电开发的主要方式，其不可避免地改变流域和区域的水循环与碳循环特性。在我国加快推进水利水电工程建设的过程中，水库修建和运行的温室效应也备受国际社会的关注。水库消落带作为衔接水、陆生态系统的过渡带，其物质的迁移和转化过程受水库水位季节性变动影响剧烈，是水库温室气体排放的重点区域。
[0003]水库消落带温室气体净通量可通过涡度相关技术直接监测得到。然而，受监测技术和成本的限制，仅极少数的水库开展了消落带温室气体净通量监测工作。此外，由于植被、土壤和大气等环境因素随时空变化，单凭特定站点监测资料难以预测水库消落带温室气体净通量在变化环境下的波动规律。为此，许多科技工作者致力于水库消落带温室气体净通量评估方法的研究，提出的方法大致分为基于统计的经验模型方法和基于生物地球化学循环过程的机理模型方法两大类。虽然基于统计的经验模型在输入方面较为简单，在应用上也相对方便，但绝大多数经验模型都是针对几个特定监测站点的监测数据拟合得到的，能否推广应用于其它水库还有待检验。基于生物地球化学循环过程的机理模型，能够模拟水库消落带温室气体源、汇过程，是探索水库消落带温室气净通量的有效研究手段。然而，水库消落带生态系统受水库水位季节性波动的干扰剧烈，碳循环与水循环密不可分，目前主流的机理模型多半以消落带为独立研究对象，尚缺乏考虑水库水位季节性变化影响研究，即水库与消落带之间的水量交换考虑不足，导致在评估水库季节性调蓄对消落带温室气体源、汇特征的影响方面存在一定的局限。因此，急需研发一种将水库水体与消落带作为一个整体，构建综合考虑水库季节性调蓄和碳循环过程之间相互作用的水库消落带温室气体净通量的评估模型，以解决上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种水库消落带温室气体净通量的评估方法，该方法将水库水体与消落带作为一个整体，考虑了水库水体与消落带之间的水量交换，构建综合考虑水库季节性调蓄和碳循环过程之间相互作用的水库消落带温室气体净通量评估模型，使模型比现有温室气体净通量评估模型更适合于探究水库季节性调蓄同消落带温室气体的迁移和转化关系。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种水库消落带温室气体净通量的评估方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1、建立地下水模块；采用三维地下水流运动模型模拟水库水位季节性变化下消落带土壤湿度及地下水位动态变化过程，其中，土壤湿度用于建立植被光合作用对土壤湿度的响应函数，地下水位动态变化过程用于建立土壤氧化还原电位与土壤厌氧状态的关
系函数；
[0008]步骤2、建立植被模块；基于步骤1中得到的消落带土壤湿度，采用考虑环境因子的经验模型模拟消落带植被生态系统碳循环过程，其中，消落带植被生态系统碳循环过程包括光合作用固碳和自氧呼吸排碳，并采用产生的净初级生产力表征土壤有机质密度；
[0009]步骤3、建立土壤水
‑
热模块；采用水、热运动方程估算水库季节性调蓄影响下土壤温度变化，用于计算植被维持呼吸和建立水库季节性调蓄影响下消落带土壤温度与土壤厌氧状态的关系函数，用于计算植被维持呼吸和建立水库季节性调蓄影响下消落带土壤温度与土壤厌氧状态的关系函数；
[0010]步骤4、建立厌氧模块；基于步骤1、步骤2以及步骤3中得到的数据，建立水库季节性调蓄影响下消落带土壤质地、土壤温度和土壤氧化还原电位与土壤厌氧状态的关系函数，该函数用于量化甲烷CH4的产生和排放。
[0011]进一步地，步骤1中，采用三维地下水流运动模型模拟水库水位变化情况下消落带地下水位动态，表达式如下：
[0012][0013]式中，Q代表地下水源汇项；K
x
、K
y
、K
z
分别代表含水层在x、y、z方向上的渗透系数；μ代表孔隙介质的含水率，用于表征消落带土壤湿度；H代表潜水位标高，用于计算土壤氧化还原电位；t代表时段。
[0014]进一步地，步骤1中采用三维地下水流运动模型模拟消落带地下水位需给定以下条件：
[0015]初始条件：
[0016]H(x,y,z,0)＝H0(x,y,z)；
[0017]式中，H0(x,y,z)代表含水层在点(x,y,z)处初始时刻的水位；
[0018]边界条件：
[0019][0020][0021]式中，г1、г2分别代表上、下边界；H1(x,y,z,t)代表给定水位；n代表下边界的外法线方向。
[0022]进一步地，步骤2中采用下式计算消落带植被光合作用强度：
[0023]GPP＝P
max
·
B
e
·
N
·
f1(L)
·
f2(T
air
)
·
f3(W)；
[0024]式中，GPP代表总初级生产力；P
max
代表最大净光合速率；N代表日照小时数；B
e
代表地面植被的有效光合生物量；f1(L)，f2(T
air
)，f3(W)，分别代表光合作用对光照、气温和土壤湿度的响应函数；
[0025]植被的呼吸作用采用如下公式计算：
[0026]R
p
＝R
g,p
+R
m,p
；
[0027]其中，
[0028]R
g,p
＝r
g
GPP；
[0029][0030]式中，R
p
代表植被呼吸作用；R
g,p
代表植被生长呼吸；R
m,p
代表植被维持呼吸；r
g
代表植被生长呼吸系数；R
m,Tr
代表参考温度(T
r
)下的维持呼吸；Q
10
代表温度系数；T
t
代表日平均气温；
[0031]净初级生产力采用如下公式计算：
[0032]NPP＝GPP
‑
R
p
；
[0033]式中，NPP代表净初级生产力，表征土壤有机质密度。
[0034]进一步地，步骤3中采用一维(垂直)水、热运动方程估计土壤日平均温度，表达式如下：
[0035][0036]式中，C代表土壤比定容热容；T
soil
代表土壤绝对温度；z代表土壤深度；λ代表土壤的热传导率。
[0037]进一步地，步骤3中采用一维(垂直)水、热运动方程估计土壤日平均温度，还需满足以下初始分布和上、下量个边界条件：
[0038]初始条件：
[0039]T
soil
(z,0)＝T
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水库消落带温室气体净通量的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立地下水模块；采用三维地下水流运动模型模拟水库水位季节性变化下消落带土壤湿度及地下水位动态变化过程；步骤2、建立植被模块；基于步骤1中得到的消落带土壤湿度，采用考虑环境因子的经验模型模拟消落带植被生态系统碳循环过程，其中，消落带植被生态系统碳循环过程包括光合作用固碳和自氧呼吸排碳；步骤3、建立土壤水
‑
热模块；采用水、热运动方程估算水库季节性调蓄影响下土壤温度变化，用于计算植被维持呼吸和建立水库季节性调蓄影响下消落带土壤温度与土壤厌氧状态的关系函数；步骤4、建立厌氧模块；基于步骤1、步骤2以及步骤3中得到的数据，建立水库季节性调蓄影响下消落带土壤质地、土壤温度和土壤氧化还原电位与土壤厌氧状态的关系函数，该函数用于量化甲烷CH4的产生和排放。2.如权利要求1所述的水库消落带温室气体净通量评估方法，其特征在于，步骤1中，采用三维地下水流运动模型模拟水库水位变化情况下消落带地下水位动态，表达式如下：式中，Q代表地下水源汇项；K
x
、K
y
、K
z
分别代表含水层在x、y、z方向上的渗透系数；μ代表孔隙介质的含水率，用于表征消落带土壤湿度；H代表潜水位标高，用于计算土壤氧化还原电位；t代表时段。3.如权利要求2所述的水库消落带温室气体净通量的评估方法，其特征在于，步骤1中采用三维地下水流运动模型模拟消落带地下水位需给定以下条件：初始条件：H(x,y,z,0)＝H0(x,y,z)；式中，H0(x,y,z)代表含水层在点(x,y,z)处初始时刻的水位；边界条件：边界条件：式中，г1、г2分别代表上、下边界；H1(x,y,z,t)代表给定水位；n代表下边界的外法线方向。4.如权利要求1所述的水库消落带温室气体净通量的评估方法，其特征在于，步骤2中采用下式计算消落带植被光合作用强度：GPP＝P
max
·
B
e
·
N
·
f1(L)
·
f2(T
air
)
·
f3(W)；式中，GPP代表总初级生产力；P
max
代表最大净光合速率；N代表日照小时数；B
e
代表地面植被的有效光合生物量；f1(L)、f2(T
air
)、f3(W)分别对应代表光合作用对光照、气温和土壤湿度的响应函数；植被的呼吸作用采用如下公式计算：
R
p
＝R
g，p
+R
m，p
；其中，R
g,p
＝r
g
GPP；式中，R
p
代表植被呼吸作用；R
g,p
代表植被生长呼吸；R
m,p
代表植被维持呼吸；r
g
代表植被生长呼吸系数；R
m,Tr
代表参考温度(T
r
)下的维持呼吸；Q
10
代表温度系数；T
t
代表日平均气温；净初级生产力采用如下公式计算：NPP＝GPP
‑
R
p
；式中，NPP代表净初级生产力，表征土壤有机质密度。5.如权利要求1所述的水库消落带温室气体净通量的评估方法，其特征在于，步骤3中采用一...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊立华，周密，周研来，陈华，郭生练，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：