安貴陽，郝振純

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江杭州 310002；2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山 316000；3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098)

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流域參考作物騰發(fā)量分布式計(jì)算模型

安貴陽1，2，郝振純3

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江杭州 310002；2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山 316000；3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098)

地形(坡度、坡向、地形遮蔽等)對(duì)太陽輻射的空間分布影響顯著，并進(jìn)而造成了參考作物騰發(fā)量(ET0)空間分布的巨大差異。基于淮河史灌河流域數(shù)字高程模型(DEM)對(duì)參考作物騰發(fā)量計(jì)算模型中所涉及的幾個(gè)參數(shù)(包括氣壓、溫度、輻射)進(jìn)行地形校正，改進(jìn)并建立了考慮地形影響的流域參考作物騰發(fā)量計(jì)算模型。結(jié)果表明，改進(jìn)的參考作物騰發(fā)量計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果的空間分布差異顯著，更好地反映了地形對(duì)于ET0空間分布的影響。輻射和ET0隨著坡向的變化由南坡至北坡依次減少。該研究結(jié)果提高了起伏地形影響下ET0空間分布估算的精度，并為流域水資源綜合規(guī)劃和利用提供重要依據(jù)。

參考作物騰發(fā)量；數(shù)字高程模型；分布式模型；史灌河流域

參考作物騰發(fā)量(ET0)是水文循環(huán)過程最重要的組成部分之一，同時(shí)也是作物需水量計(jì)算的關(guān)鍵因子，其計(jì)算精度顯著影響作物需水量估算的準(zhǔn)確程度[1-2]。參考作物騰發(fā)量的時(shí)空變化特性對(duì)生態(tài)和水文過程的影響也非常顯著。1990年，聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)根據(jù)Penman-Monteith公式的假定，給出了計(jì)算參考作物騰發(fā)量的標(biāo)準(zhǔn)化公式，并形成一套完整的相關(guān)處理方法[3]。該方法使參考作物騰發(fā)量和作物需水量的計(jì)算有了統(tǒng)一的基礎(chǔ)。但是，這套方法在計(jì)算中僅考慮了海拔的影響，對(duì)地形的影響考慮較少，而流域下墊面中除地質(zhì)、土壤、植被等因素外，地形對(duì)水文過程的影響較大，其坡度、坡向和小地形因素的不同都會(huì)直接造成土壤水分再分配以及坡面接收太陽輻射能量的空間差異[4-5]，進(jìn)而影響到蒸散發(fā)的空間分布。以前的改進(jìn)模型在地形對(duì)于參考作物騰發(fā)量的影響方面考慮較少，并且一般尺度偏大，在某些臺(tái)站稀疏地區(qū)插值精度也普遍偏低。筆者利用Penman-Monteith公式，基于淮河史灌河流域數(shù)字高程模型(DEM)的改進(jìn)并建立了流域參考作物騰發(fā)量分布式計(jì)算模型，并利用該模型對(duì)地形(坡度、坡向、地形遮蔽等)影響下的氣壓、溫度、輻射進(jìn)行了校正，并綜合這些校正后的因素計(jì)算出流域參考作物騰發(fā)量，綜合考慮了地形對(duì)氣壓、輻射和蒸散發(fā)等的影響，以期提高流域參考作物騰發(fā)量的計(jì)算精度。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況淮河史灌河是淮河一級(jí)河流，位于115°17′～115°55′ E，31°12′～32°18′ N。地跨安徽省金寨縣、河南省商城縣和固始縣。入淮河口以上全長211 km，流域內(nèi)蔣集站控制面積5 930 km2，整個(gè)流域呈南北走向。流域內(nèi)地形復(fù)雜，既有高山峻嶺，主峰金剛臺(tái)海拔1 576 m，又有低山丘陵，還有廣闊的平原，山區(qū)水流湍急，平原河網(wǎng)發(fā)育。史灌河上游為深山區(qū)，下墊面覆蓋良好；下游為丘陵平原區(qū)，地勢低。

1.2數(shù)據(jù)來源模型計(jì)算采用的氣象資料是研究區(qū)域內(nèi)固始站的氣象觀測數(shù)據(jù)，選擇日期為1959～2009年6月15日的平均氣象資料，包括日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)。

1.3氣壓校正在參考作物騰發(fā)量的計(jì)算中，若有實(shí)測的氣壓資料最好，但很多情況下氣壓資料獲得較難，所以在沒有大氣壓資料的情況下，基于海拔的大氣壓估算公式如下：

(1)

式中，P為校正大氣壓，z為海拔高度。

1.4考慮遮蔽的輻射校正太陽輻射能量空間分布不僅與緯度和高度有關(guān)，而且受局部地形因素的影響，這些地形因素包括坡度、坡向、地形遮蔽等。這些因素對(duì)地表實(shí)際接收太陽輻射量的影響很大，進(jìn)而極大地影響蒸散發(fā)的分布。根據(jù)布格-蘭伯特定律，可以推出坡地與水平面輻射通量比值等于坡地與水平面上天文輻射通量之比值。因此，在我國范圍內(nèi)可近似認(rèn)為[6]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，I0為太陽常數(shù)，E0為地球軌道修正因子，δ為太陽赤緯，T為日長，φ為地理緯度，α為坡度，β為坡向，n為可照時(shí)角離散數(shù)目，n=36。ωr,i和ωs,i為微分時(shí)段內(nèi)的日出日沒時(shí)角，gi為地形遮蔽度。地形遮蔽系數(shù)gi的取值依據(jù)以下法則：

(6)

式中，表示在(ωi-1,ωi)時(shí)段內(nèi)，研究點(diǎn)的日照狀況完全取決于兩端點(diǎn)時(shí)刻的日照狀況。若兩端點(diǎn)時(shí)刻可照(遮蔽)，則整段可照(遮蔽)；若一時(shí)刻可照，另一時(shí)刻遮蔽，則整段有一半時(shí)間可照(遮蔽)。具體計(jì)算過程參見文獻(xiàn)[8]。

1.5地形影響下溫度校正理論上認(rèn)為，太陽輻射分布緯帶性和海陸分布的影響分別決定了溫度分布的緯帶性和經(jīng)向變化，海拔高度決定了大氣溫度的垂直梯度[9]，而研究區(qū)在經(jīng)向影響上可忽略不計(jì)，所以其多元一次回歸方程為：

T=a0+a1φ+a2H

(7)

式中，a0、a1、a2為回歸系數(shù)，φ和H分別為觀測站點(diǎn)的緯度和海拔高度。根據(jù)來自史灌河流域周圍14個(gè)氣象站點(diǎn)(武漢、英山、黃石、安慶、黃山、信陽、阜陽、固始、壽縣、蚌埠、六安、霍山、合肥、麻城)1959～2009年的日平均氣溫。建立史灌河流域1959～2009年6月15日平均溫度的回歸方程依次如下：

T=31.199-0.666×φ-10.033×H

(8)

式中，回歸系數(shù)負(fù)相關(guān)指數(shù)R為0.995，通過了F=0.01的顯著性檢驗(yàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1氣壓校正結(jié)果淮河史灌河流域內(nèi)地形的相對(duì)高差變化較大，北部平原區(qū)與南部山區(qū)海拔差異明顯，而地形中海拔高度與氣壓之間具有顯著的相關(guān)性。氣壓的校正如公式(1)所示，基于DEM的氣壓校正結(jié)果如圖1所示，研究區(qū)氣壓值將由單一站點(diǎn)氣壓值變成全流域分布的氣壓值，變化范圍為84.08～101.04 kPa，其空間分布差異與海拔具有明顯的相關(guān)性，也因?yàn)檫@樣的相關(guān)性進(jìn)而影響研究區(qū)ET0的空間分布。

2.2輻射校正結(jié)果小地形因素(坡度、坡向、地形遮蔽)對(duì)輻射有顯著的影響，從而在一定程度上影響溫度和ET0的空間分布。從圖2可以看出，坡面輻射的最小值和最大值分別為13.13和44.21 MJ/m2。由于北部平原區(qū)相互遮蔽較少，輻射值普遍較大，而南部山地區(qū)域由于海拔差異較大，地形遮蔽較多，所以輻射值普遍較小。由于太陽高度的不同，其入射角的變化往往與有角度的南坡形成直角照射，所以南部山地地區(qū)無遮蔽的南坡所接受的輻射相對(duì)其他坡向較大。

2.3溫度校正結(jié)果從圖3可以看出，溫度的校正與海拔高度相關(guān)性較大。南部山區(qū)由于海拔普遍較高，所以隨著海拔的提升，南部山區(qū)溫度比北部平原低，史灌河流域校正后的溫度的最小值和最大值分別為16.24和25.45 ℃。

2.4蒸發(fā)校正結(jié)果從圖4可以看出，與以前單一站點(diǎn)計(jì)算ET0相比，空間變異顯著增大，精度提高，解決了以前“以點(diǎn)帶面”過程中精度較低的問題，蒸發(fā)最小值和最大值分別為1.65和5.41 mm/d。

2.5不同坡向輻射和蒸散發(fā)統(tǒng)計(jì)坡向每45°為1個(gè)分區(qū)，分為8個(gè)坡向。選取90 m分辨率的流域DEM計(jì)算地形影響下的蒸散發(fā)值。平地情況下，無論輻射和蒸散發(fā)值都大于其他坡向值。南坡所接受的輻射量最大，達(dá)到36.33 MJ/m2；北坡輻射量最小，為22.78 MJ/m2。東南與西南，正東和正西，東北和西北3組坡向組內(nèi)差異較小，大多在1 MJ/m2以內(nèi)，而組與組之間的差異則相對(duì)較大。蒸發(fā)值的坡向分布與輻射值相類似，南坡的蒸發(fā)值最大，為4.20 mm/d；北坡的蒸發(fā)值最小，為2.44 mm/d(表1)。

圖1　基于DEM校正后氣壓的空間分布Fig.1　Spatial distribution of pressure after DEM correction

圖2　基于DEM校正后坡面輻射的空間分布Fig.2　Spatial distribution of slope radiation after DEM correction

圖3　基于DEM校正后溫度的空間分布Fig.3　Spatial distribution of temperature after DEM correction

圖4　基于DEM校正后ET0的空間分布Fig.4　Spatial distribution of ET0 after DEM correction

3　討論與結(jié)論

筆者改進(jìn)了參考作物騰發(fā)量計(jì)算模型，在原有基礎(chǔ)上考慮了坡度、坡向以及小地形中遮蔽對(duì)氣壓、坡面輻射、溫度和

表1　不同坡向的輻射和ET0均值

參考作物騰發(fā)量空間分布的影響。研究所用的資料包括DEM資料和氣象資料，二者都是相對(duì)比較容易獲得的資料。研究結(jié)果對(duì)地形影響下參考作物騰發(fā)量的計(jì)算進(jìn)行了較大改進(jìn)，推進(jìn)了地形條件較為復(fù)雜的山地地區(qū)空間蒸散發(fā)計(jì)算的研究，提高了區(qū)域空間蒸散發(fā)計(jì)算研究的精度，為水資源綜合規(guī)劃和農(nóng)業(yè)水管理等提供了依據(jù)。目前，對(duì)于地形影響下參考作物騰發(fā)量分布式計(jì)算模型的研究報(bào)道很少。牛振國等[7]基于內(nèi)蒙古考考賴溝流域DEM數(shù)據(jù)，建立了參考作物騰發(fā)量分布式計(jì)算模型，這與該研究結(jié)果相一致。目前，研究還處于模型建立和應(yīng)用階段，目前研究結(jié)果還缺少有力的驗(yàn)證，在今后的研究中還需要進(jìn)一步完善。

該研究利用GIS技術(shù)，在數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)上，改進(jìn)并建立了基于DEM的流域參考作物騰發(fā)量分布式計(jì)算模

型。將該模型應(yīng)用于淮河史灌河流域，結(jié)果表明改進(jìn)的參考作物騰發(fā)量計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果的空間分布差異顯著，更好地反映了地形對(duì)ET0空間分布的影響。輻射和ET0隨著坡向的變化由南坡至北坡依次減少。該研究結(jié)果克服了以前參考作物騰發(fā)量計(jì)算中多依靠單點(diǎn)資料的缺點(diǎn)，將流域蒸散發(fā)的計(jì)算推進(jìn)到面的尺度，經(jīng)過校正得到的結(jié)果也更符合地形的分布，大大提高了流域參考作物騰發(fā)量的計(jì)算精度。

[1] 劉曉英，李玉中，王慶鎖.幾種基于溫度的參考作物蒸散量計(jì)算方法的評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(6)：12-18.

[2] ALLEN R G，PEREIRA L S，RAES D，et al.Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements：Irrigation and drainage paper 56[M].Rome，Italy：United Nations Food and Agriculture Organization，1998.

[3] WANG W G，PENG S Z，YANG T，et al.Spatial and temporal characteristics of reference evapotranspiration trends in the Haihe River Basin，China[J].Journal of hydrologic engineering，2011，16：239.

[4] 傅抱璞.不同地形下輻射收支各分量的差異與變化[J].大氣科學(xué)，1998，22(2)：178-190.

[5] 曾燕，邱新法，劉昌明，等.起伏地形下黃河流域太陽直接輻射分布式模擬[J].地理學(xué)報(bào)，2005，60(4)：680-688.

[6] 傅抱璞.山地氣候[M].北京：科學(xué)出版社，1983：61-72.

[7] 牛振國，李保國，張鳳榮，等.參考作物騰發(fā)量的分布式模型[J].水科學(xué)進(jìn)展，2002，13(2)：303-307.

[8] 曾燕，邱新法，繆啟龍.起伏地形下我國可照時(shí)間的空間分布[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2003，13(5)：545-549.

[9] 楊昕，湯國安，王春，等.基于DEM的山區(qū)氣溫地形修正模型[J].地理科學(xué)，2007，27(4)：525-530.

A Distributed Model of Reference Crop Evapotranspiration Based on the DEM of Shiguanhe River Basin

AN Gui-yang1,2, HAO Zhen-chun3

(1. Zhejiang Design Institute of Water Conservancy & Hydro-Electric Power, Hangzhou, Zhejiang 310002; 2.Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan, Zhejiang 316021; 3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 210098)

The spatial distribution of solar radiation is significantly impacted by topography (slope, aspect and terrain inter-shielding) and in turn makes large differences in spatial distribution of reference crop evapotranspiration. Parameters (vapor pressure, temperature and solar radiation) strongly related to topography were adjusted based on the digital elevation model (DEM) of Shiguanhe River Basin, then a distributed model of reference evapotranspiration was established to calculate reference crop evapotranspiration. The results showed that spatial variation of reference crop evapotranspiration is obvious for the reference evapotranspiration and is strongly related to the topography. Solar radiation and reference evapotranspiration in southern slope is bigger than others and in northern slope is smallest. The model is helpful for improving the estimation of regional reference evapotranspiration, water resources planning and utilization.

Reference crop evapotranspiration; Digital elevation model; Distributed model; Shiguanhe River Basin

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371047)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA05110102)；浙江省水利廳科技項(xiàng)目(RC1524)。

安貴陽(1986- )，男，江蘇贛榆人，工程師，博士，從事水文水資源與氣候變化影響研究。

2016-05-06

P 334+.1

A

0517-6611(2016)17-001-03