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        新疆車爾臣河流域ET0計算方法的適用性評價

        2016-03-22 06:54:02新疆兵團勘測設計院集團有限責任公司烏魯木齊830002
        節(jié)水灌溉 2016年11期
        關鍵詞:計算精度適用性計算結(jié)果

        魏 賓(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司,烏魯木齊 830002)

        參考作物蒸散量ET0是作物耗水量計算的重要參數(shù),其準確計算對區(qū)域水資源評價與農(nóng)業(yè)水資源的高效利用意義重大[1]。目前ET0的確定方式主要為實際測定或數(shù)學模擬,前者工作量大且局限于一定的區(qū)域,結(jié)論難以推廣,后者基于各種氣象因子建立數(shù)學模型估算,適用性廣、工作量相對較小,已發(fā)展出溫度法、輻射法、經(jīng)驗法和綜合法等[2,3]4種類型,50多種計算方法。

        聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agricult Organization,F(xiàn)AO)1998年推薦使用的Penman-Monteith(PM)法較為全面地考慮了影響蒸散的各種因素,應用在氣候差異較大的區(qū)域時表現(xiàn)較好,具有普遍的適用性[4]。然而,PM法需要較多的氣象數(shù)據(jù),許多地區(qū)難以滿足,因而很多簡化的估算方法應運而生,例如溫度法中的Hargreaves法[5],輻射法中的Makkink法[4]、Priestley-Taylor法[6],經(jīng)驗法中的Irmark-Allen法,綜合法中的Penman-VanBavel法[7]等。但這些方法受自然地理、氣候條件及模型數(shù)學機理的影響,在不同區(qū)域的計算精度差異較大,選擇時須進行適應性評價。Xystrakis[8]研究了Hargreaves、Makkink等13種方法在希臘南部的適用性,最終認為輻射法的計算精度高于溫度法;Tabari[9]評估了Makkink、Turc、Priestley-Taylor和Hargreaves等4種方法在伊朗的適用性,發(fā)現(xiàn)Turc法可作為推薦方法;Azhar等[10]評估了Hargreaves、Ritchi-type和FAO-24 Radiation等10種模型在澳大利亞的適用性,認為FAO-24 Radiation方法表現(xiàn)較好;李志[4]評價了Turc、Makkink、Priestley-Taylor等7種方法在黃土高原的適用性,推薦使用FAO-24 Blaney-Criddle法和Hargeraves法;胡慶芳等[11]對Hargreaves法進行了全局校正和適用性評價;趙璐等[2]對Irmark-Allen等4種方法在川中丘陵區(qū)的適用性進行了比較和改進。以上研究表明,現(xiàn)有ET0簡化計算方法是在特定的自然地理與氣候條件下發(fā)展的,有明顯的地區(qū)性,尤其在區(qū)域范圍較廣、地理、氣候條件復雜的地區(qū),空間變異性較大,使用時應根據(jù)實際情況評估選優(yōu)。

        目前,針對新疆車爾臣河流域ET0計算的簡化算法研究鮮見報道,本文將流域按照行政區(qū)劃劃分為2個區(qū)域(上游與下游),采用6種方法[即Penman-Monteith(PM)法、Hargreaves-Samani(HS)法、Pristley-Taylor(PT)法、Irmark-Allen(IA)經(jīng)驗法、Makkink(MAK)法和Penman-Van Bavel(PVB)法]對各區(qū)的參考作物蒸散量進行日尺度和月尺度均值模擬,并以1998 FAO-56 PM法作為標準對其他5種方法的結(jié)果進行相關性分析和變異性評價,從而獲得研究區(qū)不同區(qū)域適宜的參考作物蒸散量簡化計算方法,以期為該流域農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化調(diào)度與高效利用提供科學指導。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

        車爾臣河位于新疆塔里木盆地東南緣,巴音郭楞蒙古自治州且末縣與若羌縣境內(nèi)。河流出山口(大石門水庫處)多年平均徑流量7.96億m3。截止2013年年底,流域內(nèi)共有耕地6.4萬hm2,人口16.5萬人,GDP總值85.15億元,其中第一產(chǎn)業(yè)增加值28.38億元,第二產(chǎn)業(yè)增加值43.42億元,第三產(chǎn)業(yè)增加值13.35億元。車爾臣河流域氣候干燥,降水稀少,蒸發(fā)強烈,風沙頻繁,為典型的干旱區(qū)大陸性氣候。

        本研究所用氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng),包括車爾臣河流域上游典型氣象站且末站與下游典型氣象站若羌站1961-2013年逐日最高氣溫Tmax、最低氣溫Tmin、2 m處風速(u2,采用FAO推薦的風廓線關系由10 m處風速換算得到)、日照時數(shù)n和相對濕度RH等數(shù)據(jù)。

        1.2 研究方法

        1.2.1蒸散量計算方法

        本文采用6種方法對ET0進行模擬計算,其具體公式見文獻[12],其中PM法和PVB法為綜合法,考慮了多個氣象因子對ET0的影響,適用范圍較廣;PT法、MAK法為輻射法,簡化了空氣動力學項,尤其PT法以蒸發(fā)平衡理論為基礎,將空氣動力學項折算為輻射值的0.26倍,計算簡便;HS法為溫度法,僅以最高、最低氣溫和宇宙輻射為計算參數(shù),對數(shù)據(jù)資料缺測的地區(qū)更為實用;IA法則為Irmark和Allen等人根據(jù)美國濕潤地區(qū)資料得到的擬合模型。在這些方法中,PM法以能量平衡和空氣動力學原理為基礎,綜合考慮了影響ET0的幾乎所有氣象因子,理論依據(jù)比較完整,具有較高的計算精度,因此FAO推薦其為ET0計算的標準模型和評價氣候資料缺乏條件下評價其他ET0計算模型的標準,對其他5種簡易計算方法進行評估。

        1.2.2評價方法

        本文以PM公式的計算結(jié)果為基礎,對5種方法的計算結(jié)果進行日值的相關性分析和月均值模擬,采用Matlab R2012b分析均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)、平均絕對誤差(Mean Absolute Error,MAE)、平均相對誤差(Mean Relative Error,MRE)以及Nash-Sutcliffe效率指數(shù)E,其計算公式如下:

        (4)

        2 結(jié)果與分析

        2.1 車爾臣河流域ET0逐日值模擬

        選用且末氣象站和若羌氣象站2個站點分別作為車爾臣河流域上、下游代表站,利用HS法、PT法、IA法、MAK法和PVB法計算其1961-2013年逐日ET0值,并與PM法結(jié)果進行相關性分析,如表1所示。從表1可以看出,2個站點中HS法的決定系數(shù)分別為0.84、0.79,斜率分別為0.76、0.83,模型計算結(jié)果偏??;PT法決定系數(shù)分別為0.79、0.76,斜率分別為1.05、0.94,模型計算結(jié)果較為準確;IA法決定系數(shù)分別為0.55、0.57,斜率分別為0.48、0.51,模型計算結(jié)果偏?。籑AK法決定系數(shù)分別為0.49、0.51,斜率分別為0.52、0.48,模型計算結(jié)果明顯偏小;PVB法決定系數(shù)分別為0.80、0.72,斜率分別為0.81、0.85,模型計算結(jié)果相對來說較為準確。

        表1 研究區(qū)典型站點5種方法與PM法逐日ET0計算結(jié)果對比

        注:表1中“k”為相關性分析擬合直線的斜率;R2為決定系數(shù);“**”為1%水平上極顯著相關。

        2.2 研究區(qū)ET0月均值模擬及年內(nèi)變化

        采用上述6種方法分別計算車爾臣河流域上、下游逐日ET0,并分別求出各月的平均值(見表2與表3)。6種方法計算結(jié)果的年內(nèi)變化趨勢相同,均呈開口向下的拋物線,六七月蒸散發(fā)量最大,1、12月最小。以PM法作為參考標準,可以看出:PT法計算結(jié)果在PM法之上,結(jié)果偏大;HS法、IA法、MAK法與PVB法計算結(jié)果偏小。

        2.3 不同簡化方法的評價指標表現(xiàn)

        對車爾臣河流域上、下游2個區(qū)域典型站點ET0不同簡化算法的評價指標分別計算,如表4所示。

        在流域上游各項指標中,HS法、PT法、PVB法表現(xiàn)良好,這3種方法的均方根誤差均小于0.55,平均絕對誤差為0.25~0.44 mm/d,平均相對誤差為-9%~13%,納什效率系數(shù)E為0.69~0.74;其中HS法最優(yōu),其均方根誤差僅為0.52 mm/d,平均相對誤差只有7%,且納什效率系數(shù)E為0.73,其次是PVB法和PT法,其他2種方法(IA法與MAK法)則偏離程度較大。

        在流域下游的各項指標中,PVB法、PT法、HS法計算結(jié)果最為接近標準值。其均方根誤差為0.41~0.57 mm/d,平均絕對誤差為0.35~0.46 mm/d,平均相對誤差為-13%~8%,納什效率系數(shù)E為0.66~0.74;HS法同樣表現(xiàn)最好,PT法次之。IA法與MAK法的MAE、RMSE、MRE及納什效率系數(shù)E這4項指標的計算值較為相近,與PM法計算結(jié)果差別較大,表明這兩種方法不適合用于研究區(qū)ET0計算。

        表2 不同計算方法年內(nèi)變化對比(流域上游) mm/d

        表3 不同計算方法年內(nèi)變化對比(流域下游) mm/d

        表4 車爾臣河流域上、下游不同計算方法的模擬精度

        3 討 論

        本文利用相關性分析研究了Makkink法等5種ET0簡化算法在車爾臣河流域上、下游的計算精度。結(jié)果顯示,在不同區(qū)域內(nèi),5種方法與PM法之間均有明顯的相關性,但HS法擬合較優(yōu)(R2為0.79~0.84,斜率為0.76~0.83),這是因為其使用的溫度參數(shù)易受天氣、風速和云層厚度變化的影響,而研究區(qū)多年來氣候干燥、降水稀少、日照優(yōu)良,在日尺度上浮動變化較小。同時,本文采用了“一站分析,代表全局”的方法還存在局限性,對整體區(qū)域的代表性還需商榷,需要在后期工作中繼續(xù)探究。

        本文研究還發(fā)現(xiàn),不同類型方法的空間適應性存在一定差異?;跍囟鹊腍S法在車爾臣河流域下游MRE為5%,在流域上游則為7%,計算誤差有隨海拔逐漸升高的趨勢;對比基于輻射值的PT法和MAK法可以發(fā)現(xiàn)其計算結(jié)果的MRE在下游誤差偏小,隨地勢向西逐漸增大;PVB法計算卻較為準確,誤差變化不大;IA法受地區(qū)氣候、地形的限制,在研究區(qū)計算結(jié)果較差。以上分析表明,簡化算法的空間差異性與所涉及的氣象因子和地形地貌密切相關。

        4 結(jié) 語

        本文采用Penman-Monteith法(PM)等6種方法對車爾臣河流域1961-2013年的參考作物蒸騰蒸散量的逐日結(jié)果進行了計算,分析了Hargreaves-Samani法(HS)、Pristley-Taylir法(PT)、Irmark-Allen法(IA)、Makkink法(MAK)與Penman-Van Bavel法(PVB)5種方法與PM法的相關性及均方根誤差、平均絕對誤差、平均相對誤差與Nash-Sutcliffe效率指數(shù)E,得出了以下結(jié)論。

        (1)研究區(qū)六七月蒸散發(fā)量最大,1、12月最小。以PM法作為參考標準,PT法計算結(jié)果在PM法之上,結(jié)果偏大;HS法、IA法、MAK法與PVB法計算結(jié)果均偏小。

        (2)HS法等5種簡化算法空間變異性明顯。HS法與PVB法在研究區(qū)上下游的整體計算精度較高,平均相對誤差均不超過15%;其中,HS法在流域上下游的計算精度較高,誤差不超過10%,PVB法計算結(jié)果稍遜于HS法,在流域上下游的計算精度誤差不超過15%。

        (3)車爾臣河流域上、下游最優(yōu)算法均為HS法(上游RMSE為0.52 mm/d,MAE為0.44 mm/d,MRE為0.07,E為0.69;下游RMSE為0.41 mm/d,MAE為0.46 mm/d,MRE為0.05,E為0.74);同時,PT法與PVB法在

        整個流域均有一定的適應性,將其予以修正和改進可作為研究區(qū)ET0簡化計算的補充算法。

        [1] 樊 軍,邵明安,王全九.黃土區(qū)參考作物蒸散量多種計算模型的比較研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2008,24(3):98-102.

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