EPIC模型在遼寧中部平原區(qū)潛水蒸發(fā)時(shí)空分布計(jì)算中的應(yīng)用研究

習(xí)麗麗

(遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

遼寧中部平原區(qū)是糧食主要產(chǎn)地，在國(guó)家東北四省“節(jié)水增糧行動(dòng)方案”背景下，需要對(duì)區(qū)域潛水蒸發(fā)進(jìn)行有效計(jì)算，從而對(duì)區(qū)域“節(jié)水增糧行動(dòng)方案”下的水量進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)潛水蒸發(fā)計(jì)算應(yīng)用較多的為P- M公式[1- 3]及雙源蒸發(fā)模型[4- 6]，其中雙源蒸發(fā)模型由于可以考慮植被和土壤兩個(gè)源項(xiàng)蒸發(fā)，在區(qū)域潛水蒸發(fā)計(jì)算效果好于單一源項(xiàng)的P- M公式，但是雙源蒸發(fā)模型在計(jì)算時(shí)需要輸入植被葉面積指數(shù)，傳統(tǒng)方法主要是下載植被葉面指數(shù)進(jìn)行輸入，而不能實(shí)現(xiàn)葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算。近些年來(lái)，美國(guó)學(xué)者研究的EPIC可實(shí)現(xiàn)植被葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)計(jì)算，在許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用[7- 9]，為此本文將EPIC模型和雙源蒸發(fā)模型進(jìn)行耦合，對(duì)遼寧中部某平原區(qū)的潛水蒸發(fā)進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合區(qū)域?qū)崪y(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行適用性分析。

1 EPIC模型計(jì)算原理

本文將EPIC模型和雙源蒸發(fā)模型進(jìn)行耦合計(jì)算平原區(qū)的潛水蒸發(fā)，雙源蒸發(fā)模型需要輸入植被葉面積指數(shù)，而EPIC可實(shí)現(xiàn)植被葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)計(jì)算，植被葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算方程為：

(1)

式中，frPHU—植物生長(zhǎng)過(guò)程中中截止到某一天的植物潛在積熱量與植物潛在總積熱的比值，稱為潛在積熱率；frLAlm x—在適宜葉面積發(fā)展曲線對(duì)應(yīng)某一潛在積熱率的葉面積指數(shù)和植物最大與葉面積指數(shù)的比值，稱為葉面積指數(shù)率；l1和l2—適宜植物生長(zhǎng)曲線的兩個(gè)形狀系數(shù)。在式(1)中的潛在積熱率可由下式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程如下：

(2)

式中，frPHU—植物從開始生長(zhǎng)到d天植物生長(zhǎng)的潛在積熱率；HU—截止到第d天植物生長(zhǎng)的所需的熱量；PHU—植物生長(zhǎng)過(guò)程總的潛在積熱量。

而植物適宜葉面積指數(shù)發(fā)展曲線中的兩個(gè)形狀系數(shù)l1和l2則通過(guò)曲線兩個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)(frLAI，1，frPHU，1)、(frLAI，2，frPHU，2)進(jìn)行計(jì)算，兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)是模型的輸入項(xiàng)，兩個(gè)形狀系數(shù)計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中，frPHU，1和frLAI，1—適宜葉面積發(fā)展曲線植物生長(zhǎng)過(guò)程中第一個(gè)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的潛在積熱率和葉面積指數(shù)率；frPHU，2和frLAI，2—適宜葉面積發(fā)展曲線植物生長(zhǎng)過(guò)程中第二個(gè)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的潛在積熱率和葉面積指數(shù)率。

ΔLAIi=(frLAlm x，i-1-frLAlm x，i-1)·LAImx·(1-exp(5(LAIi-1-LAImx))

(5)

式中，ΔLAIi—植物第i天與第i-1天植物葉面積指數(shù)變化值；LAIi和LAIi-1—植物第i天和第i-1天所對(duì)應(yīng)的葉面積指數(shù)；frLAlm x，i和frLAlm x，i-1—植物生長(zhǎng)過(guò)程中第i天與第i-1天植物葉面積指數(shù)率；LAImx—植物生長(zhǎng)過(guò)程中所能達(dá)到的最大葉面積指數(shù)。

2 模型應(yīng)用

2.1 區(qū)域概括

本文以遼寧中部某平原區(qū)為研究區(qū)域，區(qū)域主要用地方式為林地、耕地、城鎮(zhèn)用地，區(qū)域多年蒸發(fā)量為350mm，區(qū)域內(nèi)有3個(gè)蒸發(fā)觀測(cè)站點(diǎn)，結(jié)合區(qū)域內(nèi)3個(gè)蒸發(fā)站點(diǎn)的蒸發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)比分析模型的適用性。

2.2 平原區(qū)潛水蒸時(shí)空分布計(jì)算

2.2.1 日尺度計(jì)算

本文結(jié)合區(qū)域內(nèi)日蒸發(fā)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析模型在日蒸發(fā)計(jì)算的適用性，對(duì)比分析結(jié)果見表1,如圖1所示。

表1 模型日尺度潛水蒸發(fā)計(jì)算適用性分析

圖1 典型年份日過(guò)程潛水蒸發(fā)計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從表1中可以看出，EPIC模型在區(qū)域潛水蒸發(fā)計(jì)算具有較好的適用性，模型計(jì)算的潛水蒸發(fā)和實(shí)測(cè)蒸發(fā)的相關(guān)系數(shù)在0.62～0.75之間，各年份的相關(guān)系數(shù)均值達(dá)到0.67，相對(duì)誤差均小于20%。從圖1中可以看出，模型計(jì)算的典型年份日過(guò)程潛水蒸發(fā)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值在過(guò)程上吻合度較高，過(guò)程總體上具有較好的相似性和一致性。

2.2.2 月尺度計(jì)算F檢驗(yàn)

在日尺度適用性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合F檢驗(yàn)對(duì)模型不同季節(jié)計(jì)算的潛水蒸發(fā)進(jìn)行回歸分析，并進(jìn)行F檢驗(yàn)，檢驗(yàn)分析結(jié)果見表2,如圖2所示。

表2 蒸發(fā)皿日資料與各蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)蒸散發(fā)能力在不同季節(jié)內(nèi)回歸分析

注：P值為F檢驗(yàn)的顯著性水平

圖2 不同季節(jié)模型潛水蒸發(fā)自回歸計(jì)算結(jié)果

圖3 模型在不同季節(jié)內(nèi)散點(diǎn)圖及其相關(guān)分析

從表2中可以看出，在各蒸發(fā)皿測(cè)站中，EPIC在夏季的自回歸系數(shù)均值較高達(dá)到0.64，這主要是因?yàn)樵谙募窘邓蜌鉁氐碾p重影響，使得自回歸系數(shù)較高。而在冬季，由于降水偏少，植被較為稀疏，使得在冬季的自回歸系數(shù)較低。從模型F檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，均通過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn)。表明建立的各個(gè)季節(jié)自回歸方程均具有較好的適用性。

2.2.3 月尺度計(jì)算T檢驗(yàn)

采用T檢驗(yàn)對(duì)模型不同季節(jié)的潛水蒸發(fā)進(jìn)行相關(guān)分析，分析結(jié)果見表3和圖3。

表3 蒸發(fā)皿月資料與計(jì)算的月蒸散發(fā)能力在各季節(jié)內(nèi)相關(guān)分析

從表3中可以看出和F檢驗(yàn)一致，EPIC模型在區(qū)域夏季潛水蒸發(fā)相關(guān)系數(shù)較高，冬季相關(guān)系數(shù)較低，從T值檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，其T值分布在3.21～12.35之間，P值分布在0.003～0.009之間，均可通過(guò)T的一致性檢驗(yàn)，從T檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，EPCI計(jì)算的區(qū)域潛水蒸發(fā)在時(shí)間上和實(shí)測(cè)蒸發(fā)具有較好的一致性和相似性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文將EPIC應(yīng)用于遼寧中部平原區(qū)潛水蒸發(fā)計(jì)算，并結(jié)合區(qū)域?qū)崪y(cè)蒸發(fā)對(duì)比分析模型的適用性，分析取得以下結(jié)論。

(1)EPIC適用于遼寧中部平原區(qū)的潛水蒸發(fā)計(jì)算，但模型在夏季計(jì)算的精度要明顯高于冬季，可以用作平原區(qū)的潛水蒸發(fā)計(jì)算。

(2)模型可動(dòng)態(tài)考慮農(nóng)作物生長(zhǎng)葉面指數(shù)的變化，可將模型拓展用于農(nóng)作物葉面蒸發(fā)的計(jì)算。

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