免费文献传递   相关文献

Improvement of HIMS evapotranspiration module and its application in Haihe River Basin

HIMS模型蒸散发模块的改进及在海河流域的应用



全 文 :中国生态农业学报 2015年 10月 第 23卷 第 10期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Oct. 2015, 23(10): 13391347


* 国家自然科学基金项目(41271048, 41330529)资助
** 通讯作者: 王中根, 主要研究方向为水循环模拟和水资源管理。E-mail: wangzg@igsnrr.ac.cn
刘丽芳, 主要研究方向为水文模拟。E-mail: liulifang198160@163.com
收稿日期: 20150302 接受日期: 20150601
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150252
HIMS模型蒸散发模块的改进及在海河流域的应用*
刘丽芳1 刘昌明1,2 王中根2** 白 鹏2
(1. 北京师范大学水科学研究院 北京 100875;
2. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室 北京 100101)
摘 要 利用流域分布式水文模型精确模拟计算和分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空分布特征,
是当前流域蒸散发研究的一个前沿与难点问题。本文基于点尺度蒸散发观测试验与机理研究 , 对
HIMS(Hydro-Informatic Modelling System)日过程模型蒸散发模块进行改进, 考虑流域内植被空间分布和生长
变化特性及灌溉措施的影响, 利用分类汇总和分段单值作物系数法计算流域实际蒸散发, 并在海河流域进行
验证分析。研究结果表明: 流域实际蒸散发模拟值与水量平衡法计算值相差 3.4%, 与原 HIMS模型相比, 蒸散
发模拟精度提高 9.2%; 改进的模型对原有模型的模拟内容有所扩展, 能够模拟林地蒸散发、草地蒸散发、冬
小麦夏玉米农田总蒸散发、作物有效蒸腾和土壤无效蒸发。改进后的 HIMS模型能够快速模拟分析流域内不
同植被类型实际蒸散发量及其时空分布特性, 可为海河流域蒸散发管理提供技术支撑。
关键词 HIMS模型 蒸散发模拟 植被类型 分类汇总法 作物系数 海河流域
中图分类号: P344 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)10-1339-09
Improvement of HIMS evapotranspiration module and its
application in Haihe River Basin
LIU Lifang1, LIU Changming1,2, WANG Zhonggen2, BAI Peng2
(1. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2. Key Laboratory of Water Cycle and Related
Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100101, China)
Abstract Evapotranspiration (ET) is an vital element of the hydrological cycle and energy budget, and it is closely related to
plant/crop growth. Accurate estimation and spatio-temporal distribution of ET in different vegetation types in river basins are
critical for water resources research and sustainable water resources management. Distributed hydrological models are among
the promising approaches to the simulation and estimation of actual ET in river basins. However, distributed models are
limited in the estimation accuracy of the spatio-temporal distribution of ET in different vegetation types. The Hydro-Informatic
Modelling System (HIMS), a modular framework for distributed hydrological models, has proven very efficient in simulating
streamflow. It has a simple structure and has been successfully used in China and Australia. To improve the ability to estimate
actual ET using HIMS, we modified daily ET module in HIMS by demanding detailed description of evapotranspiration
processes and adopting recent findings about filed ET observations. The spatial distribution and seasonal variations in land
cover in the investigated basin and the effects of irrigation on actual ET were considered in the modified module. In the
modified ET module, vegetation types were classified and actual ET derived as the residual sum of each vegetation type. Then
ET for each vegetation type was calculated using the single crop coefficient method. Next, leaf area index calculated by the
crop model was applied to separately estimate soil evaporation and plant transpiration. Vadose zone was divided into two (root
zone and transition zone) and root zone soil water used to calculate soil water stress coefficient. The relationship between root
and transition zone soil water storage was modeled through a linear function. Seepage from the root zone to transition zone
was considered in the soil moisture calculation module. The modified ET module was validated and applied in Haihe River
1340 中国生态农业学报 2015 第 23卷


http://www.ecoagri.ac.cn
Basin. The results suggested that the modified module improved the precise estimation of ET. The relative error of annual
mean actual ET between the improved module simulation and water budget estimation was 3.4%. The relative error was 12.6%
for the original HIMS model estimation, which was 3.4% for the modified HIMS model. Compared with the original HIMS
module, the modified module improved capacities of simulation of actual ET of forest and grassland, total field ET for rational
wheat-maize fields, and separation of soil evaporation and crop transpiration. The modified ET module quantified actual ET
and accurately characterized temporal and spatial variations in ET. This was critical for the accurate management of ET in
Haihe River Basin.
Keywords HIMS model; Evapotranspiration simulation; Vegetation type; Collect classified method; Crop coefficient; Haihe
River Basin
(Received Mar. 2, 2015; accepted Jun. 1, 2015)
海河流域是我国政治文化的中心地区、粮食主
要生产基地之一, 受高强度人类活动的影响, 其水
问题十分突出[1]。目前, 海河流域农业用水的比重在
60%以上, 流域蒸散发是降雨量的 1.03倍[2]。如何准
确计算流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空
分布, 对海河流域水资源合理开发、利用与保护具
有重要意义[35]。
关于流域蒸散发的计算, 目前一般采用的方法
有水量平衡法、遥感反演法、互补相关法、水文模
型法等[611]。其中, 流域分布式水文模型能够同时满
足水量和能量平衡的约束, 考虑流域气象、土壤、
植被等的时空变化对蒸散发的影响, 为准确模拟计
算流域内不同下垫面条件下蒸散发提供了一条可行
的技术途径。利用流域分布式水文模型, 模拟计算
和分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空
分布特征, 是当前流域蒸散发研究的一个前沿与热
点问题。
HIMS(Hydro-Informatic Modelling System)是中
国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室自主研
发的一个流域分布式水循环综合模拟系统, 已成功
应用于国内外多个流域[1213], 但 HIMS 在流域蒸散
发模拟计算时, 不能考虑灌溉对流域蒸散发的影响,
且只能输出流域总蒸散发, 没有分不同植被类型进
行蒸散发模拟计算, 不能对流域蒸散发管理提供有
效支撑。目前国内外已积累了大量点尺度植被实际
蒸散发[如森林、草地、冬小麦(Triticum aestivum L.)
夏玉米(Zea mays L.)农田]研究成果[6]。如何将这些
研究成果与 HIMS 模型蒸散发模拟过程相结合, 进
而改进 HIMS模型, 是需要进一步研究的问题。
本文根据点尺度实际蒸散发研究成果, 考虑流
域内植被空间分布和生长变化特性, 对原 HIMS 日
过程模型进行模型结构、蒸散发计算流程和方法的
改进, 利用分类汇总和分段单值作物系数法计算流
域实际蒸散发, 并在海河流域进行验证分析。以期
改进后的 HIMS 模型能够快速模拟分析流域内不同
植被类型实际蒸散发量及其时空分布特性, 满足流
域蒸散发管理需求。
1 模型原理及蒸散发模块的改进
1.1 模型原理
HIMS日过程模型单元计算主要包括潜在蒸发、
实际蒸发、下渗、地表径流、壤中流、地下水补给、
基流、河道汇流等过程。其模型结构和各部分主要
计算公式见文献[12]。其中实际蒸散发 ETa以子流域
为单元进行计算, 先采用 Hargreaves & Samani公式
计算潜在蒸发 ET0, 再采用概念性模型计算子流域
ETa, 具体公式如下:
   max0 max minRAET 17.8 ba T T TL
         (1)
s
a 0
sm
ET ET 1 1
W
W
          
(2)
式中: a、b为系数, a参数取值 0.002 3, b参数取值
0.5; RAmax为太阳最大可能辐射量(MJ·m2·d1); L为
蒸发潜热(MJ·kg1); T、Tmax、Tmin 分别为日均、最
高和最低气温(℃); Ws 为非饱和带土壤蓄水量(mm);
Wsm 为非饱和带土壤最大蓄水量(mm); ε 为蒸散发
系数。
1.2 蒸散发模块改进
为完善HIMS蒸散发计算过程, 对原HIMS日过
程模型进行了 4个方面的改进: 1)将非饱和带进一步
细分为根区和过渡带; 2)与作物生长模型耦合, 计算
冬小麦夏玉米叶面积指数变化过程; 3)采用分类汇
总的方法计算子流域实际蒸散发; 4)采用 FAO-56推
荐的分段单值作物系数法[14]计算不同植被类型实际
蒸散发, 并利用计算的冬小麦、夏玉米叶面积指数
对冬小麦夏玉米农田土壤无效蒸发和作物有效蒸
腾进行分割; 作物系数反映了植被类型、生育阶段
等对植被实际蒸散发的影响。单一植被实际蒸散发
计算流程见图 1, 计算公式如下。
第 10期 刘丽芳等: HIMS模型蒸散发模块的改进及在海河流域的应用 1341


http://www.ecoagri.ac.cn

图 1 修改后 HIMS模型中植被实际蒸散发计算流程图
Fig. 1 Flowchart of the evapotranspiration calculation for each vegetation type in the improved HIMS model
1.2.1 根区、过渡带土壤蓄水量与非饱和带蓄水量
的转换
根区、过渡带土壤蓄水量与降雨入渗公式中的
非饱和带蓄水量之间的关系采用线性公式表示:
m
m
RW FW
SW SW
SAT FW
t t
t
   (3)
式中 : SW 为非饱和带蓄水量(mm), SWm为非饱和
带最大蓄水容量(mm), RW为根区土壤蓄水量(mm),
SAT 为根区饱和土壤蓄水量(mm), FW 为过渡带蓄
水量(mm), FWm为过渡带最大蓄水容量(mm), t 为
日序号。
1.2.2 根区土壤蓄水量的计算
根据流域土壤分布图确定根区深度, 根区土壤
蓄水量采用水量平衡方程进行演算, 用方程表示为:
1 atRW RW RMO ETt t t t tI D      (4)
式中 : RMO 为降雨入渗水量(mm), I 为灌溉水量
(mm), D 为根区向过渡带的渗漏量(mm), 其余符号
意义同上。
根区向过渡带渗漏量的计算参考了 APSIM 模
型[15], 表示为:

      
0 RW RMO DUL
RW RMO DUL SWCON
DUL RW RMO SAT
(RW RMO SAT) SAT DUL
SWCON SAT RW RMO
t t t t
t t t t
t t t
t t t t
t t t
D I
D I
I
D I
I
                   

≤ ≤

(5)
式中 : DUL为根区田间持水量对应的土壤蓄水量
(mm), SWCON为根区土壤的出流系数, 其余符号意
义同上。
1.2.3 冬小麦夏玉米叶面积生长的计算
作物生长模块参考了 EPIC 模型[16]中的作物生
长模块, 它以积温为基础模拟作物的物候发育过程,
其中冬小麦夏玉米 LAI 的计算包含于作物生长计
算中。LAI采用分段函数表示, 与热量单元、作物胁
1342 中国生态农业学报 2015 第 23卷


http://www.ecoagri.ac.cn
迫和作物发育阶段有关。从出苗到叶面积指数开始
下降, 采用下式计算 LAI:
     
 
1 max
1 2
1
5.0 LAI LAI
max
HUI
LAI LAI LAI
LAI HUF LAI 1 e
REG
HUI
HUF
HUI e
t
t
t t
t
t
t ab ab
t

 
 
              
(6)
式中: LAI 为当天叶面积的变化量; LAImax为作物
叶面积指数最大值; REGt为第 t 天最小作物胁迫因
子值, 与温度、实际作物蒸腾有关; HUIt是第 t天的
热量单元系数, 范围从 0~1, 受第 t 天平均气温与作
物生长基温差值的影响, 当第 t 天平均气温降至作
物基温以下时, 热量单元系数不变化, 此时叶面积
指数不变化; a1和 a2为作物参数; HUFt为中间变量;
其余符号意义同上。
从叶面积指数开始下降到生长期结束, LAI 采
用下式计算:
RLAD
0
0
1 HUI
LAI LAI
1 HUI
t
t
    
(7)
式中: RLAD为表示 LAI衰减速率的参数; LAI0表示
实际最大叶面积指数 , 之后叶面积指数开始下降 ;
HUI0为初始热量单元系数; 其余符号意义同上。
1.2.4 实际蒸散发的计算
计算林地、草地、果树等植被实际蒸散发的公
式如下:  c c 0a s cET ETET ETKK    (8)
式中: ET0为参考作物腾发量, 采用 Penman-Montheith
公式[14]计算(mm); ETc 为作物腾发量(mm); Kc 为作
物系数; Ks 为土壤水分修正系数, 与根区实际土壤
含水量 θ有关; 其余符号意义同上。
对于冬小麦夏玉米农田实际蒸散发的模拟 ,
参考Goudriaan[17]和Belmans等 [18]提出的方法, 采用
叶面积指数将作物腾发量分割为潜在土壤蒸发(Ep)
和潜在作物蒸腾(Tp), 公式如下:
LAI
p c
p c p
ET exp
ET
tE
T E
     
(9)
式中: β为太阳辐射消光系数, 通常取值0.39; LAI为
叶面积指数, 随时间变化; 其余符号意义同上。
实际土壤蒸发(Ea)和作物蒸腾(Ta)还需考虑根区
实际土壤含水量的影响 , 分别采用公式 (10)[19]和
(11)[20]计算:
p s
3
r
a p r s
s r
r
( )
( )
0 ( )
E
E E
 
     
 
     
≤ ≤ (10)
a w p
1
1
2 1
2 1
w 3 2
4
4 3
3 4
4
0 ( )
( )
1 ( )
( )
0 ( )
T T
                
             

≤ ≤ (11)
式中: θr为根区残留含水量(cm3·cm3); θs为根区饱和
含水量(cm3·cm3); αω为土壤水分胁迫系数, 表示土
壤过干和过湿都会导致根系吸水速率降低; θ1为作
物厌氧含水量 (cm3·cm3); θ2为作物最适含水量
(cm3·cm3); θ3为水分胁迫含水量(cm3·cm3); θ4为作
物凋萎点(cm3·cm3)。
2 海河流域蒸散发计算
2.1 流域概况
海河流域位于东经 112°~120°、北纬 35°~43°之间,
东临渤海, 西倚太行, 南界黄河, 北接蒙古高原, 涉及
京、津、翼等 8省市。流域总面积 31.82万 km2, 西北
高东南低, 属温带半湿润、半干旱大陆性季风气候, 多
年平均降雨量为 534 mm, 多年平均温度 11.4 ℃。
流域内包括海河、滦河、徒骇马颊河三大水系、
七大河系、十条骨干河流, 滦河山区、北三河山区
等 15 个水资源三级分区; 水资源开发利用程度很
高。海河流域平原区以潮土为主, 主要种植冬小麦
夏玉米、棉花等农作物; 山区以褐土、栗钙土为主,
主要被森林、灌丛、草地覆盖, 也种植春玉米等一
年 1熟作物。
2.2 数据资料
收集的数据资料包括: DEM、水文气象、土地利
用、土壤分布、遥感反演蒸散发——ETWatch 等信
息[10,21], 以及冬小麦夏玉米农田和小叶杨(Populus
simonii Carr)林、刺槐(Robinia pesudoacacia L.)林样
地耗水试验数据、海河流域各省市经济统计年鉴。
冬小麦夏玉米农田试验数据包括通州、栾城、洪门、
曲周、禹城 5个试验站日降水量、土壤物理属性, 以
及不同处理的种植制度、灌溉制度、根区实测土壤
含水量、叶面积指数、地上生物量及产量等[2225]; 小
叶杨林和刺槐林样地试验数据主要包括上辛庄小流
域的降水量、实际蒸散发等[26]。各地级市耕地面积、
灌溉面积来源于各省市经济统计年鉴。海河流域水
系、气象站、雨量站、水文站等的空间分布见图 2。
海河流域土壤分布图中包含根区深度和 2 层土
壤(0~30 cm, 30 cm以下)的土壤机械组成信息, 使用
SPAW软件[27]生成各层土壤的饱和导水率、田间持
第 10期 刘丽芳等: HIMS模型蒸散发模块的改进及在海河流域的应用 1343


http://www.ecoagri.ac.cn

图 2 海河流域地理位置和试验及观测站点分布
Fig. 2 Geographic location of Haihe River Basin and distribution of the experiment and observation stations
水量、凋萎点等。在 Arcgis 10.2平台上, 根据 DEM、
河网图、水资源三级分区界、省界、水文站等数据
将海河流域划分为 283 个子流域; 再根据土壤图、
土地利用图等划分各子流域的计算单元。各子流域
旱地灌溉百分比根据各地级市旱地面积、耕地面积、
灌溉面积确定; 各子流域耕地农作物种植制度、比
例根据各地级市农作物播种面积和种植时间确定 ;
平原区冬小麦夏玉米灌溉制度根据文献[28]确定。
采用反距离平方法将日降雨、参考作物腾发量、最
高和最低气温、太阳辐射插值到各子流域。
2.3 模型参数确定
修改后的 HIMS模型包括 3类参数: 作物系数、
作物生长参数、产汇流参数。不同植被类型的作物
系数、冬小麦夏玉米作物生长参数根据点尺度试验
结果确定, 其中冬小麦夏玉米作物系数、作物生长
参数通过在点尺度率定和验证改进后 HIMS 模型对
5 个农田试验站不同处理根区土壤蓄水量、叶面积
指数、地上生物量和产量的模拟效果确定。落叶针
叶林、阔叶林、灌丛、草甸草地、典型草地、果树、
春玉米、沼泽的作物系数参考文献[2935]。在点尺
度运行改进后 HIMS 模型时, 只考虑蒸散发、降雨
入渗、根区土壤水运动和作物生长模块。改进后
HIMS模型模拟的冬小麦夏玉米根区土壤蓄水量与
实测值间的均方误差在 3.5%之内, 模拟的产量与实
测值间的相对误差基本都在 10%之内, 模拟的叶面
积指数、地上生物量与实测值吻合良好。
产汇流参数利用 11个水文站 1995—2000年 5年
的月径流资料及 1998—2000 年水资源公报河川径流
量资料进行率定, 使用 2001—2003 年河川径流量资
料对模型进行验证。改进后 HIMS 模型模拟的 11 个
水文站月径流过程的平均效率系数为 0.8, 模拟的河
川径流量和水资源公报值量级上吻合、趋势上一致。
2.4 模拟结果
2.4.1 改进前后 HIMS模型模拟蒸散发结果对比
改进前、后 HIMS模型模拟的 1995—2005年多
年平均实际蒸散发分别为 451 mm和 498 mm, 水量
平衡法计算的值为 516 mm[2], 改进前模型模拟值与
水量平衡法计算值相差 12.6%, 改进后的值与水量
平衡法计算值相差 3.4%, 说明改进后 HIMS 模型对
蒸散发模拟精度有所提高。
改进前、后 HIMS模型模拟的海河流域 1995—
2005 年年实际蒸散发与水量平衡计算值[2]的对比见
图 3, 改进前、后 HIMS模型模拟的海河流域 2002—
2005 年月实际蒸散发与 ETWatch 值[10]的对比见图 4;
可以看出模拟值与水量平衡值、ETWatch 估算值
随时间的变化趋势基本一致。并且经计算, 改进前
1344 中国生态农业学报 2015 第 23卷


http://www.ecoagri.ac.cn

图 3 1995—2005年模型计算的海河流域年实际蒸散发与水量平衡结果的年际变化对比
Fig. 3 Comparison of inter-annual variations between model simulated evapotranspiration and water balance estimated
evapotranspiration from 1995 to 2005
OHM: HIMS模型; IHM: 改进的 HIMS模型; WB: 水量平衡; 下同。OHM: HIMS model; IHM: improved HIMS model; WB: water
balance. The same below.

图 4 2002—2005年模型模拟月实际蒸散发与 ETWatch估算值对比图
Fig. 4 Comparison of simulated month evapotranspiration and ETWatch estimation evapotranspiration data from 2002 to 2005
HIMS 模型模拟月实际蒸散发与 ETWatch 值的相关
性系数为 0.87, 改进后的值与 ETWatch 值的相关性
系数为 0.96, 说明改进后的 HIMS 模型能够更好地
模拟实际蒸散发。
改进前、后 HIMS模型模拟的海河流域 2002—
2005年多年平均实际蒸散发与ETWatch值[10]的空间
分布(图 5)可以看出, 海河流域多年平均蒸散发空间
差异较大, 最小值位于海河流域西北山区, 最大值
位于海河流域下游平原区; 并且改进后模型模拟值
的空间分布与遥感监测值更接近。

图 5 海河流域 2002—2005年模型模拟和 ETWatch年均蒸散发空间分布
Fig. 5 Spatial distributions of annual evapotranspiration estimated by models and ETWatch-ET during 1995 to 2005
第 10期 刘丽芳等: HIMS模型蒸散发模块的改进及在海河流域的应用 1345


http://www.ecoagri.ac.cn
2.4.2 不同植被类型蒸散发模拟结果
改进后 HIMS 模型对子流域 37(上辛庄小流
域)2003年 7—10月林地蒸散发的模拟值与上辛庄小
流域小叶杨林和刺槐林样地实测值[26]的对比见表 1,
扣除降雨误差后, 模拟值与实测值的相对误差小于
表 1 2003年 7—10月子流域 37林地与上辛庄小流域模
拟和实测蒸散发的比较
Table 1 Comparison of measured and simulated forest
evapotranspiration in sub-basin #37 and Shangxinzhuang small
watershed from July to October in 2003
降雨量
Precipitation
蒸散发
Evapotranspiration
上辛庄小流域
Shangxinzhuang small
watershed (mm)
231.8 215.3
子流域 37 Sub-basin #37 (mm) 218.3 182.8
误差 Error (mm) 13.5 32.5
相对误差 Relative error (%) 5.8 15.0

10%, 说明改进后的 HIMS 模型能够较好在模拟林
地蒸散发。
改进后 HIMS模型模拟的 1995—2005年冬小麦
夏玉米农田多年平均蒸散发最大, 为 754 mm; 林地
次之, 为 466 mm; 草地相对较小, 为 443 mm。在冬
小麦夏玉米农田 , 土壤无效蒸发约占总蒸散发的
41%, 作物有效蒸腾约占总蒸散发的 59%, 与田间
监测结果相似[2225]。
改进后 HIMS模型模拟的海河流域 1995—2005
年多年平均林地蒸散发、草地蒸散发、冬小麦夏玉
米农田蒸散发、作物有效蒸腾和土壤无效蒸发的空
间分布见图 6。可以看出, 与原 HIMS模型相比, 改
进后的 HIMS 模型不仅能够分类计算不同植被的蒸
散发 , 并且还能将冬小麦夏玉米农田总蒸散发分
割为作物有效蒸腾和土壤无效蒸发。

图 6 改进的 HIMS模型模拟的海河流域不同植被类型 1995—2005年年均蒸散发空间分布
Fig. 6 Spatial distribution of mean annual evapotranspiration (ETa) of different vegetation types estimated by improved HIMS
during 19952005 in Haihe River Bbasin
In figure d and e, Ea and Ta are soil evaporation and crop transpiration of wheat-maize field, respectively.
1346 中国生态农业学报 2015 第 23卷


http://www.ecoagri.ac.cn
上述研究结果表明, 改进后的 HIMS 模型能够
与点尺度植被蒸散发研究成果相结合, 考虑灌溉对
蒸散发的影响, 快速模拟分析流域内不同植被类型
实际蒸散发量及其时空分布特性, 满足流域“ET”管
理需求。
3 结语
利用流域分布式水文模型估算流域尺度内不同
植被类型实际蒸散发量及其时空分布, 是当前流域
蒸散发研究的一个前沿与难点问题。本文根据点尺
度实际蒸散发研究成果, 考虑流域内植被时空变化
特性以及灌溉的影响, 对原 HIMS 日过程模型进行
了蒸散发计算流程和方法的改进, 在改进后 HIMS
模型中利用分类汇总和分段单值作物系数法计算子
流域实际蒸散发 , 利用叶面积指数对冬小麦夏玉
米土壤蒸发和作物蒸腾进行分割, 并在海河流域进
行了应用验证。
在海河流域的模拟试验中, 改进后 HIMS 模型
模拟的多年平均蒸散发与水量平衡法计算值相差
3.4%, 与原 HIMS 模型相比, 蒸散发模拟精度提高
9.2%; 模拟的多年平均蒸散发空间分布与遥感监测
结果相似; 改进的模型对原有模型的模拟内容有所
扩展, 能够模拟林地蒸散发、草地蒸散发、冬小麦
夏玉米农田总蒸散发、作物有效蒸腾和土壤无效蒸
发, 并且模拟结果与田间监测结果相似。与原 HIMS
模型相比 , 改进后 HIMS 模型从蒸散发机理出发 ,
对农田蒸散发过程提供更加细致的描述, 且考虑了
灌溉对实际蒸散发的影响, 因此改进后的 HIMS 模
型能够更好地模拟流域实际蒸散发的过程, 快速模
拟分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空
分布特性, 为海河流域“ET”管理提供技术支撑。
作物生长的影响因素较多, 包括水、肥、温等, 本
模型中假设作物充分供肥, 未考虑氮、磷胁迫对作物
生长和蒸散发的影响, 未来可做进一步的研究。

致谢 本文部分数据来源于海河 GEF项目、北京师
范大学刘海军副教授和中国科学院遗传与发育生物
学研究所农业资源研究中心孙宏勇副研究员, 特此
感谢!
参考文献
[1] 贾绍凤 , 张士锋 . 海河流域水资源安全评价[J]. 地理科学
进展, 2003, 22(4): 379–387
Jia S F, Zhang S F. Water resources security appraisement of
Haihe Basin[J]. Progress in Geography, 2003, 22(4): 379–387
[2] 刘小莽 . 海河流域水热平衡及其对气候变化的响应研
究 [D]. 北京 : 中国科学院地理科学与资源研究所 , 2009:
89
Liu X M. Water and heat balance and its response to climate
change in Haihe River Basin of China[D]. Beijing: Institute of
Geographic Sciences and Natural Resources Research,
Chinese Academy of Sciences, 2009: 89
[3] 赵玲玲, 夏军, 许崇育, 等. 水文循环模拟中蒸散发估算方
法综述[J]. 地理学报, 2013, 68(1): 127–136
Zhao L L, Xia J, Xu C Y, et al. A review of evapotranspiration
estimation methods in hydrological models[J]. Acta
Geographica Sinica, 2013, 68(1): 127–136
[4] 刘钰 , 彭致功 . 区域蒸散发监测与估算方法研究综述 [J].
中国水利水电科学研究院学报, 2009, 7(2): 96–104
Liu Y, Peng Z G. A review of monitoring and estimating
methods for regional evapotranspiration[J]. Journal of China
Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2009,
7(2): 96–104
[5] 张淑兰, 于澎涛, 王彦辉, 等. 泾河上游流域实际蒸散量及
其各组分的估算[J]. 地理学报, 2011, 66(3): 385–395
Zhang S L, Yu P T, Wang Y H, et al. Estimation of actual
evapotranspiration and its component in the upstream of
Jinghe Basin[J]. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(3):
385–395
[6] 杨邦, 任立良, 王贵作, 等. 基于水文模型的流域蒸散发规
律[J]. 农业工程学报, 2009, 25(Z2): 18–22
Yang B, Ren L L, Wang G Z, et al. Estimation of
evapotranspiration in catchment based on distributed
watershed hydrological model[J]. Transactions of the Chinese
Society of Agriculture Engineering, 2009, 25(Z2): 18–22
[7] 蔡锡填, 徐宗学, 苏保林, 等. 区域蒸散发分布式模拟及其
遥感验证[J]. 农业工程学报, 2009, 25(10): 154–160
Cai X T, Xu Z X, Su B L, et al. Distributed simulation for
regional evapotranspiration and verification by using remote
sensing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agriculture
Engineering, 2009, 25(10): 154–160
[8] Gao G, Xu C Y, Chen D L, et al. Spatial and temporal
characteristics of actual evapotranspiration over Haihe River
Basin in China[J]. Stochastic Environmental Research and
Risk Assessment, 2012, 26(5): 655–669
[9] Li X C, Gemmer M, Zhai J Q, et al. Spatio-temporal variation
of actual evapotranspiration in the Haihe River Basin of the
past 50 years[J]. Quaternary International, 2013, 304:
133–141
[10] 吴炳方, 熊隽, 闫娜娜, 等. 基于遥感的区域蒸散量监测方
法——ETWatch[J]. 水科学进展, 2008, 19(5): 671–678
Wu B F, Xiong J, Yan N N, et al. ETWatch for monitoring
regional evapotranspiration with remote sensing[J]. Advances
in Water Science, 2008, 19(5): 671–678
[11] 孙琛. 海河流域地表水资源量和蒸散发及作物水分生产力
的模拟研究[D]. 北京: 中国农业大学, 2012
Sun C. Simulation of surface water resources and evapotran-
spiration and crop water productivity in the Haihe River
Basin[D]. Beijing: China Agricultural University, 2012
[12] 刘丽芳, 刘昌明, 王中根, 等. 流域面积和降水量对中小流
域水文效果影响分析[J]. 北京师范大学学报: 自然科学版,
2013, 49(2/3): 157–163
Liu L F, Liu C M, Wang Z G, et al. Impacts of catchment area
第 10期 刘丽芳等: HIMS模型蒸散发模块的改进及在海河流域的应用 1347


http://www.ecoagri.ac.cn
and rainfall on hydrological simulation in middle or small
catchment[J]. Journal of Beijing Normal University: Natural
Science, 2013, 49(2/3): 157–163
[13] 刘丽芳, 刘昌明, 王中根, 等. HIMS 模型参数的不确定性
及其影响因素[J]. 地理科学进展, 2013, 32(4): 532–537
Liu L F, Liu C M, Wang Z G, et al. Parameter uncertainty of
HIMS model and its influence factor analysis[J]. Progress in
Geography, 2013, 32(4): 532–537
[14] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration:
Guidelines for Computing Crop Water Requirements[M].
Rome: FAO-Food and Agriculture Organization Press, 1998:
23–27, 97–134
[15] Keating B A, Carberry P S, Hammer G L, et al. An overview
of APSIM, a model designed for farming systems
simulation[J]. European Journal of Agronomy, 2003, 18(3/4):
267–288
[16] Williams J R. The EPIC model[C]//Singh V P. Computer
Models of Watershed Hydrology. Highlands Ranch, CO:
Water Resources Publications, 1995: 909–1000
[17] Goudriaan J. Crop Meteorology: A Simulation Study[M].
Pudoc, Wageningen: Simulation Monographs, 1977
[18] Belmans C, Wesseling J G, Feddes R A. Simulation model of
the water balance of a cropped soil: SWATRE[J]. Journal of
Hydrology, 1983, 63(3/4): 271–286
[19] 王相平 . 区域农田水氮利用效率及氮素淋失风险模拟研
究 [D]. 北京: 中国农业大学, 2010
Wang X P. Simulation of water and nitrogen use efficiency
and nitrogen leaching risk in a regional farmland[D]. Beijing:
China Agricultural University, 2010
[20] Fedds R A, Kowalik P J, Zaradny H. Simulation of Field
Water Use and Crop Yield[M]. New York: John Wiley and
Sons, 1978
[21] 王中根, 朱新军, 夏军, 等. 海河流域分布式 SWAT模型的
构建[J]. 地理科学进展, 2008, 27(4): 1–6
Wang Z G, Zhu X J, Xia J, et al. Study on distributed
hydrological model in Hai River Basin[J]. Progress in
Geography, 2008, 27(4): 1–6
[22] 亢连强 . 不同地下水埋深条件下再生水灌溉的试验研
究 [D]. 杨凌: 西北农林大学, 2007
Kang L Q. Experiment research on reclaimed water irrigation
under the conditions of different groundwater depths[D].
Yangling: Northwest A & F University, 2007
[23] 乔玉辉 . 土地利用系统分析模型试验及应用研究——以河
北省曲周县冬小麦为例[D]. 北京: 中国农业大学, 1999
QiaoY H. Experimental and application study on land use
analysis model — A case study on winter wheat in Quzhou,
Hebei Province[D]. Beijing: China Agricultural University,
1999
[24] 金梁. 基于 SPWS 模型的华北平原农田水氮利用效率及环
境效应分析[D]. 北京: 中国农业大学, 2007
Jin L. Analysis of water and nitrogen use efficiency and
environmental effect based on the SPWS model in North
China Plain[D]. Beijing: China Agricultural University, 2007
[25] 尹志芳. CERES-Wheat, Maize 模型的实验研究[D]. 北京:
中国科学院地理科学与资源研究所, 2005
Yin Z F. An experimental validation of CERES-wheat and
maize[D]. Beijing: Institute of Geographic Sciences and
Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences,
2005
[26] 叶兵. 北京延庆小叶杨与刺槐林的蒸腾耗水特性与水量平
衡研究[D]. 北京: 中国林业科学研究院, 2007
Ye B. Studies on the water consumption characteristics and
water balance of the stands of Populussimonii and
Robiniapseudoacacie in Yanqing, Beijing[D]. Beijing: Chinese
Academy of Forestry, 2007
[27] Saxton K. Soil water characteristics hydraulic properties
calculator[EB/OL]. USDA-Agricultural Research Service in
cooperation with Department of Biological Systems
Engineering. Pullman, WA: Washington State University,
2006. [2009-10-29]. http://hydrolab.arsusda.gov/soilwater/
Index.htm
[28] 张喜英 , 裴冬 , 由懋正 . 太行山前平原冬小麦优化灌溉制
度的研究[J]. 水利学报, 2001(1): 90–95
Zhang X Y, Pei D, You M Z. Field studies on optimum
irrigation scheduling for winter wheat in the piedmont of Mt.
Taihang[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001(1): 90–95
[29] 王瑶. 气候变化背景下潮白河流域森林植被变化及其耗水
规律研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2014
Wang Y. The forest vegetation change and its water
consumption research in Chaobai River Basin under the back
ground of climate change[D]. Beijing: Beijing Forestry
University, 2014
[30] 王力飞, 朝伦巴根, 王亚娟, 等. 草甸草原区羊草生育期蒸
散量变化规律研究[J]. 节水灌溉, 2008(5): 1–5
Wang L F, Chaolun B G, Wang Y J, et al. Study on
evapotranspration variation law of Leymus chinensis in
growth period in meadow grassland[J]. Water Saving
Irrigation, 2008(5): 1–5
[31] 侯琼, 王英舜, 师桂花, 等. 内蒙古典型草原作物系数的试
验研究[J]. 草业学报, 2011, 20(4): 34–41
Hou Q, Wang Y S, Shi G H, et al. Studies on crop coefficients
of typical steppe in Inner Mongoli[J]. Acta Prataculturae
Sinica, 2011, 20(4): 34–41
[32] 胡永翔. 陕北黄土高原区坡地枣树灌溉制度及作物系数研
究[D]. 杨凌: 西北农林大学, 2010
Hu Y X. Study on irrigation schedule and crop coefficient of
drip irrigation jujube on sloping fields of Loess Plateau[D].
Yangling: Northwest A & F University, 2010
[33] 陈玉民 , 郭国双 , 王广兴 , 等 . 中国主要作物需水量与
灌溉 [M]. 北京: 中国水利电力出版社, 1995
Chen Y M, Guo G S, Wang G X, et al. Main Crop Water
Requirement and Irrigation of China[M]. Beijing: China
Water Power Press, 1995
[34] 冉新军 , 沈利 , 李新虎 . 博斯腾湖沼泽芦苇需水规律研
究 [J]. 水资源与水工程学报, 2010, 21(3): 66–69
Ran X J, Shen L, Li X H. Study on the rule of water demand
of swamp reed in Bosten Lake[J]. Journal of Water Resources
& Water Engineering, 2010, 21(3): 66–69
[35] 刘大庆 , 许士国 . 扎龙湿地水量平衡分析[J]. 自然资源学
报, 2006, 21(3): 341–348
Liu D Q, Xu S G. Analysis of water balance in Zhalong
Wetland[J]. Journal of Natural Resources, 2006, 21(3): 341–348
1348 中国生态农业学报 2015 第 23卷


http://www.ecoagri.ac.cn
中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心
2016年硕士招生专业目录
中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心(以下简称中心)具有独立事业单位法人资格,
拥有中国科学院农业水资源重点实验室、河北省节水重点实验室, 及代表山地丘陵区—山前平原区—滨海平
原区不同生态类型的3个野外试验站, 为研究生培养提供了极具特色的科学研究基地。
我中心招收生态学、遗传学及生物工程全日制研究生, 鼓励学术型研究生硕博连读。欢迎生态学、资源
环境科学、农学、地球科学、生物学等相关专业背景的考生参加推免或统考。
中心具有一支结构合理、经验丰富、学术造诣深的导师队伍。目前有中国科学院院士1人, 国家“青年千
人计划”人才1名, 中国科学院“百人计划”人才6名, 博士生导师20人, 硕士生导师25人。研究生在学期间优厚
的奖助学金保证了研究生能够安心学业, 无后顾之忧: 硕士生每年33000元左右, 博士生每年45000元左右,
定向和委培生也可申请三助岗位津贴。
学生住宿条件优越, 宿舍宽敞明亮(每间两人), 具有独立卫生间、空调, 食堂伙食可口且价位适中。热
忱欢迎相关专业有志青年踊跃报考及推免!
单位代码: 80156 地址: 石家庄市槐中路286号 邮政编码: 050022
联系部门: 人教处 电话: 0311-85801050, 85814366 联系人: 王老师, 毛老师

学科、专业名称(代码)
研究方向
预计招
生人数 考试科目 备注
071007遗传学
01. 小麦分子遗传学 101① 思想政治理论 201② 英语一 611③ 生物化学(甲)
或612生物化学与分子生物学 848④ 植物生理学或 852
细胞生物学或 853遗传学
02. 小麦水分高效利用
分子设计育种
10① 1思想政治理论 201② 英语一 612③ 生物化学与分
子生物学 85④ 3遗传学
03. 小麦新基因发掘 10① 1思想政治理论 201② 英语一 6③ 10分子生物学或
611生物化学(甲)或 612生物化学与分子生物学 848④
植物生理学或852细胞生物学或853遗传学
04. 植物天然免疫 10① 1思想政治理论 20② 1英语一 61③ 1生物化学(甲)
或612生物化学与分子生物学 848④ 植物生理学或 852
细胞生物学或853遗传学
05. 作物高产分子解析 10① 1思想政治理论 20② 1英语一 61③ 2生物化学与分
子生物学 84④ 8植物生理学
071300生态学
01. 节水农业 10① 1思想政治理论 20② 1英语一 60③ 3高等数学(丙)
84④ 1生态学或848植物生理学
02. 农田碳氮过程与环
境效应
10① 1思想政治理论 20② 1英语一 60③ 3高等数学(丙)
84④ 1生态学
03. 山地生态系统管理 同上
04. 生态水文 10① 1思想政治理论 20② 1英语一 60③ 3高等数学(丙)
83④ 5自然地理学或 841生态学
05. 生态学 101① 思想政治理论 201② 英语一 603③ 高等数学(丙)
或 611生物化学(甲) 83④ 5自然地理学或 841生态学或
842土壤学或 848植物生理学
06. 水文循环与地下水
可持续利用
共 22人
10① 1思想政治理论 20② 1英语一 60③ 3高等数学(丙)
83④ 5自然地理学或 841生态学
实际招生人
数以国家下
达指标为准