宁夏引黄灌区几种参考作物蒸散量计算方法适用性及修正研究

2019-11-28李王成赵自阳董亚萍高海燕

中国农村水利水电 2019年11期

李晨，李王成,2,3，赵自阳，董亚萍，高海燕

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021；4. 北京师范大学水科学研究院，北京 100875)

0 引言

参考作物蒸散量(ET0)在地球的大气圈-水圈-生物圈中发挥着重要的作用，是与作物类型、生长状况、土壤状况和管理水平相独立的表征大气蒸发能力的气象参数[1]，与降水共同决定区域干湿状况，并且是估算生态需水关键因子[2]，对于制定作物灌溉制度、规划区域农业用水等方面均存在直接影响[3]。

目前，国内外学者应用较多的计算方法是联合国粮农组织(FAO)于1998 年推荐使用的Penman-Monteith(P-M)公式，P-M基于空气动力学和能量平衡原理，考虑了大量的气象因素，结果计算较为准确[4]，但需要的气象参数比较多，在很多气象资料短缺的地区很难获取。因此，在过去的几十年里，许多学者提出了简化的ET0计算方法，主要有辐射法、温度法(HS)[5]、蒸发皿法[6,7]，综合法[8]等，但这些计算方法有一定的适应区域和气候条件，因此，需针对不同研究区域对其进行适应性评价及修正[9]。国内有许多学者对不同计算ET0的简化方法适应性评价及其修正进行了研究，李晨等[7]人通过将四川省划分为四个区域，研究了6种简化计算方法在四川的适应性，结果表明：6种计算方法在四川省不同区域计算差异比较明显；杨永刚等[6]人基于8种温度法研究了中国三大灌区(都江堰灌区、河套灌区和淠史杭灌区)简化ET0的计算公式，认为推荐 IA-Du法、HS 法和 IA-Pi法分别为三大灌区的简化计算公式；杜加强等[10]人研究了黄河上游地区几种参考作物蒸散量计算方法的适用性比较，结果表明：Priestley-Taylor和Makkink方法与P-M方法具有一致性；赵捷等[11]人研究了基于辐射法的参考作物蒸散量计算方法在黑河流域的适用性研究，认为经过修正的Makkink法估算精度最高。以上研究表明，简化的ET0计算公式存在着很明显的地区差异性，在不同的气候条件下，应该根据实际情况评选应用。

目前，简化的计算ET0计算方法在国内很多区域都有所研究[6-10]，但是，对于缺少气象宁夏引黄灌区的研究比较少见。因此，本文在宁夏引黄灌区5个国家级气象站的多年日气象资料的基础资料上，以Penman-Monteith公式为标准，分别研究了Priestley-Taylor(P-T)、FAO-24Radiation(FAO-24)、1948Penman-Monteith(1948P-M)、Hargreave-Samani(H-S)、Makkink(M-A)等五种简化计算方法在宁夏引黄灌区的适用性，并对其做了修正，以期为宁夏引黄灌区精准预测农业用水等提供理论与数据支持。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

宁夏引黄灌区位于宁夏回族自治区北部，总面积5.18 万km2，是中国的古老灌区之一，有2 000多年的灌溉历史，素有“塞上江南”美称，目前是中国重要的商品粮生产基地之一[12]。宁夏引黄灌区降雨量少、年均降水量180～200 mm，主要集中于7-9月份，占年总降雨量的70%左右，分配极不均匀，干、湿季节明显，灌区年均蒸发量1 100～1 600 mm[]，昼夜温差大，年极差在24.6～33.7 ℃左右。

1.2 数据来源

本文气象数据源于中国气象科学数据网(http:∥data.cma.cn/)，为保证所选气象数据资料的均一和稳定，剔除数据年限较少以及缺测较多的站点，选取宁夏回族自治区数据较完整的5个气象站点进行研究，所选气象站分别为：惠农、陶乐、银川、中卫、吴忠。主要包括各站逐日最高气温、最低气温、日照时间、相对湿度、平均风速。对缺测数据，本文采用处理如下：对于日值缺失但有相应实测月值数据的，用月均值代替该月每日相应的气象要素值；其他缺测数据均用该日气象要素的多年平均值代替[14]。

1.3 研究方法

1.3.1 计算方法

由于P-M公式结合了能量平衡和空气动力学原理，其拥有精度比较高等特点而被广泛使用，因此本文以P-M公式为标准，采用五种简化的计算方法，计算宁夏引黄灌区的ET0(表1)。

表1 ET0的计算方法Tab.1 Calculation method of ET0

1.3.2 精度评价

采用平均绝对误差(MAE)、平均相对百分误差(MRPE)、Nash-Sutcliffe系数(NS)评价各简化算法及一致性，其中、MAE和MRPE越小，NS越接近于1，说明其精度越高，计算公式分别为：

(1)

(2)

(3)

式中：ET0PM(i)为P-M公式计算结果；ET0x(i)为五种简化计算公式所得结果。

自2008年，胶州市开展优质生产示范区项目，进行胶州市大白菜试验中心建设。胶州市联合胶州大白菜协会，从育种、种子、收获、包装等环节对胶州大白菜进行优化。截止2010年底，有4家胶州大白菜种子开发企业注册资金超过550万元，有6家胶州大白菜加工企业其加工能力超过1200吨。

1.3.3ET0估算方法修正

根据宁夏引黄灌区所有气象站资料，分别使用P-M公式和5种简化算法计算出1962-2000年多年日均ET0。以P-M公式为基础，分别与5种简化算法进行线性拟合，并根据最小二乘法确定出斜率k和经验系数c，然后利用该式对2001-2017年的ET0进行检验并分别计算MAE、MRPE和NS，公式如下：

ET0PM(i)=kET0x(i)+c

(3)

2 结果与分析

2.1 未修正前ET0计算结果分析

2.1.1 未修正前ET0日值计算结果分析

选取宁夏引黄灌区所有气象站点，分别使用5种简化计算方法和P-M法计算1962-2000年多年日均值ET0，并与P-M法进行相关性分析，分析结果见表1，从表1中可以看出，P-T法的多年均值为2.65～2.75，k为1.01～1.20，计算结果偏大；M-A法的均值为2.37～2.42，k为0.74～0.84，计算结果偏小；H-S法的均值为2.89～3.01，k为1.05～1.17，计算结果偏大；1948P-M法的均值3.30～3.74，k为1.11～1.12，计算结果偏大；FAO-24法均值为3.62～4.29，k为1.16～1.23，计算结果偏大。P-T法和H-S法的c值为负值，而1948P-M法和FAO-24法中c为正，M-A法中，仅吴忠气象站点为负值，其余站点均为正。

表3为各气象站点5种简化计算方法与P-M公式计算结果精度分析，分析可知：5种简化计算方法中，P-T、M-A和H-S法较为精确，其中H-S 法最为精确，其中，MAE为0.22～0.67，MRPE为9.96%～15.59%，NS为0.94～0.98。而FAO-24法与PM公式偏差较大，其中MAE、MRPE和NS在一些站点分别达到了1.10、4.091%和0.72。

表2 修正前5种简化计算方法与P-M公式多年日值计算结果比较分析Tab.2 Comparative analysis of the five simplified calculation methods and the multi-year daily calculation results of the P-M formula

注：表中“k”表示相关分析的斜率，“c”表示经验系数，“*”表示1%水平上显著相关。

表3 修正前5种简化计算方法与P-M法日均值计算精度比较Tab.3 Comparison of the accuracy of the five simplified calculation methods and the daily average of the P-M method

2.1.2 未修正前ET0月值计算结果分析

2.2 修正后ET0计算结果分析

根据前文所述，采用宁夏引黄灌区5个气象站点1962-2000年多年平均日均值和月均值分别拟合5种简化计算方法并计算其斜率k和经验系数c，计算结果见表6，使用所拟合的公式对2001-2017年多年日均值和月均值进行计算处理并与本阶段P-M公式进行对比计算和精度检验。

2.2.1 修正后ET0日值计算结果分析

修正后，5种简化方法2001-2017年多年日均值计算结果和计算比较精度如表7～表8所示。修正后，5种简化计算方法的斜率都接近于1，其经验系数都接近于0，相较于修正之前比，均有很大的改进。其中，修正前和P-M公式偏差较大的1948P-M法和FAO-24法中，k为0.99～1.01，c为-0.09～0.02，相比较于P-M法较小的M-A法的k为0.95～1.02，c为-0.05～0.13。

站点P-TkcM-AkcH-Skc1948P-MkcFAO-24kc惠农0.970.620.730.461.040.211.080.891.181.19陶乐0.930.560.720.471.020.241.030.771.111.02吴忠0.820.700.700.500.970.290.910.940.941.26中卫0.880.440.710.460.970.270.980.651.030.83银川0.850.500.690.481.000.280.950.751.000.96

修正后，5种简化计算方法与P-M法的计算精度相比较与修正前均有很大的进步，NS均接近于1，MAE和MRPE均比较接近于1。其中，5种算法中，MAE为0.03～0.36，MRPE为2.05%～20.08%，NS为95～100。

表5 修正前5种简化计算方法与P-M法月均值计算精度比较Tab.5 Comparison of the accuracy of the five simplified calculation methods and the monthly average of the P-M method

表6 5种简化计算方法与P-M法相关性分析结果Tab.6 Results of correlation analysis between five simplified calculation methods and P-M method

2.2.2 修正后ET0月值计算结果分析

根据修正后的日均值可以计算出各月均值，气象站点5种简化计算方法与P-M法各月变化趋势如图2所示(由于篇幅有限，本文仅选取惠农气象站作为代表站)，计算结果和计算精度比较分析如图3和表9所示。修正后，各算法之间的变化趋势没有发生变化，代表站点5种简化计算法和P-M法几近重合，相似度很高，简化算法和P-M之间的斜率大部分都接近于1，仅仅有个别气象站点的个别计算方法大于1，经验系数大部分都接近于0，仅仅在陶乐站点个别算法与0差距较大。相比较于修正前月值精度而言，修正后，各站点算法的MAE为0.03～0.36，MRPE为0.02～0.14，NS为0.95～1.00。这说明，经过修正后的简化计算公式在引黄灌区有比较好的适用性。

表7 修正后5种简化计算方法与P-M公式多年日均值计算结果比较分析Tab.7 Comparative analysis of five simplified calculation methods and P-M formulas for multi-year daily average calculations

表8 修正后5种简化计算方法与P-M法日均值计算精度比较Tab.8 Comparison of 8 simplified calculation methods and P-M method daily average calculation accuracy

图2 修正后惠农气象站5种简化计算方法与P-M法各月均值结果比较Fig.2 Comparison of five simplified calculation methods and the average monthly results of P-M method after the revised Huinong weather station

图3 修正后各气象站点5种简化算法和P-M法的计算精度比较Fig.3 Comparison of the calculation accuracy of five simplified and P-M methods for each meteorological site after correction

表9 修正后5种简化计算方法与P-M法月值计算精度比较Tab.9 Comparison of 5 simplified calculation methods and P-M method monthly value calculation accuracy after correction

3 结论与讨论

3.1 讨论

准确预估参考作物蒸散量对农业生产、水资源调配、开发、利用有积极的作用，而P-M法综合了气温、湿度、辐射、风速和地域位置(海拔和纬度)的影响[]，已被证实在不同的研究区域有较高的精度，然而P-M公式有较高的数据要求，因此在不发达地区或者其他条件限制区很难满足。因此，国内外的专家学者通过多年的研究总结得出了一系列简化计算ET0的公式，但是研究区域和其他气象条件不同的情况下，其精度会有所降低。因此，在不同的研究区域需要对不同的简化计算方法进行修正。本研究基于5种简化计算方法，以P-M公式为基础，使用1962-2000年的气象数据，计算多年日均ET0，并通过日均值退求出年内月均值，对5种简化计算方法进行修正，使用2001-2017年的日均值和月均值进行验证其修正后的结果以及精度分析。结果表明，修正后的五种简化计算方法在引黄灌区可以有效的代替P-M公式。