貴州山區(qū)作物需水量計算修正系數(shù)的擬定

張友賢，馮 誠，方小宇

(貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002)

作物需水量(ET0)又稱蒸發(fā)蒸騰量、蒸散量等，指作物在無病蟲危害、土壤水分和土壤肥力合適時取得豐產(chǎn)的需水量。為了合理開發(fā)水土資源、管好用好灌排工程，必須掌握各種作物的需水量及其變化規(guī)律，探求作物生長期間的總需水量和各階段的需水量，以及適宜的灌水時間、次數(shù)和水量。作物需水量可以通過器測法、坑測法、田測法等實測得到，也可通過參考作物法估算得到[1-3]。

聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦采用彭曼(Penman)公式計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量，需要的氣象資料包括計算時段的平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均相對濕度、2 mm平均風(fēng)速和平均日照時數(shù)等，需要的氣象資料較多，計算繁瑣，但精度高。在不具備上述氣象資料的情況下，F(xiàn)AO又推薦了哈格里夫斯(Hargreaves)公式計算參考作物需水量，此方法需要的氣象資料只包括計算時段的平均最高、最低氣溫[4-5]。但計算結(jié)果由于未考慮相對濕度、風(fēng)速以及日照時數(shù)影響，對不同的地區(qū)需要進(jìn)行線性校正。利用彭曼公式和哈格里夫斯公式同時計算出對應(yīng)時段的ET0，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬定出在貴州黔中地區(qū)應(yīng)用哈格里夫斯公式計算參考作物需水量時的修正系數(shù)，供貴州山區(qū)計算ET0參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地點為全國節(jié)水教育基地貴州省灌溉試驗中心站(修文節(jié)水示范園)，位于東經(jīng)106°37′，北緯26°52′，地處烏江水系貓?zhí)拥囊患壷Я?，海? 270～1 300 m，多年平均降雨量為1 235 mm，平均徑流深550 mm，平均氣溫12.6℃，年日照時數(shù)1 324 h，年活動積溫4 097℃，無霜期270 d，多年平均風(fēng)速2.3 m/s，強(qiáng)風(fēng)以南風(fēng)為主。山地和丘陵面積占土地總面積的90%以上，屬于典型的喀斯特低山丘陵地貌區(qū)；氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，土壤為黃壤土，耕地以緩坡地和臺地為主，在貴州具有典型代表意義[6]。

1.2 資料來源

資料為貴州省灌溉試驗中心站2007—2011年逐旬平均氣象觀測資料，包括旬平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、2 m平均風(fēng)速以及日照時數(shù)。

1.3 研究方法

首先用彭曼公式和哈格里夫斯公式計算出2007—2009年3 a的逐旬參考作物需水量，通過數(shù)據(jù)對比分析，確定線性關(guān)系，得出修正系數(shù)，然后再用 2010—2011年資料驗證其準(zhǔn)確性。

1.3.1 彭曼公式 該公式之所以被FAO推薦采用，是因為該方法以能量平衡和水汽擴(kuò)散論為基礎(chǔ)，綜合考慮空氣動力學(xué)參數(shù)的變化和作物的生理特性，在實踐過程中又得到了不斷的修正，故具有可靠的理論依據(jù)和較高的精度。

式中，ET0為用彭曼公式計算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)，△為溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率(kPa/℃)，T為平均氣溫(℃)，eα和ed均為飽和水汽壓(kPa)，G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；γ為濕度表常數(shù)(kPa/℃)，u2為2 m處風(fēng)速(m/s)；Rn為凈輻射[MJ/(m2·d)]，根據(jù)地區(qū)所處的緯度進(jìn)行計算得出。

1.3.2 哈格里夫斯公式 需要根據(jù)地區(qū)進(jìn)行線性修正，其公式為：

ETh=0.000 939(Tmean+17.8)(Tmax-Tmin)0.5Ra

式中，ETh為用 Hargreaves公式計算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)，Tmean=(Tmax+Tmean)/2為平均氣溫(℃)；Tmax和Tmean分別為計算時段內(nèi)的平均最高、最低氣溫(℃)；Ra為大氣層頂輻射[MJ/(m2·d)]，由大氣層頂輻射表查得。

根據(jù)彭曼公式和哈格里夫斯公式計算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量數(shù)據(jù)，建立二者的線性關(guān)系式為ET0(h)=a+bETh，并確定出經(jīng)驗系數(shù)a、b，再用當(dāng)?shù)貐^(qū)的氣象資料對線性公式進(jìn)行驗證計算，若計算結(jié)果偏差較小，在氣象資料缺乏，但能觀測到平均最高氣溫和最低氣溫的情況下，可以利用該線性公式計算ET0。

2 結(jié)果與分析

2.1 ET0和ETh間的相關(guān)性

根據(jù)表1和圖1的計算結(jié)果，ET0和ETh之間的相關(guān)性較為顯著，相關(guān)系數(shù)(R2)達(dá)0.978 9?；貧w關(guān)系的經(jīng)驗系數(shù)a=0.028 8，b=0.814 2。由此得出，在當(dāng)?shù)貧庀筚Y料匱乏時，可用哈格里夫斯公式計算參考作物的蒸發(fā)蒸騰量，再用修正公式加以修正，便可以得到較為接近實際的參考作物蒸發(fā)蒸騰量。修正公式為ET0(h)=0.028 8+0.814 2ETh，式中，ET0(h)為修正后的參考作物蒸發(fā)蒸騰量。

表1 2007—2011年的作物蒸發(fā)蒸騰量Table 1 Evapotranspiration of crops from 2007 to 2011

圖1 ET0和ETh的相關(guān)性Fig.1 Correlation between ET0 and ETh

2.2 修正系數(shù)的驗證

從表1和圖2看出，沒有經(jīng)過修正的哈格里夫斯公式和彭曼公式有著明顯的差別，即全年ETh均大于ET0，在6—9月ET0和ETh偏差較大，其中最大誤差發(fā)生在7月上旬，最大絕對誤差為1.07 mm，最大相對誤差達(dá)42%，平均誤差達(dá)23.9%；1—5月、10—12月的ET0和ETh偏差相對較小，且在12月下旬，二者之間的誤差最小，最小絕對誤差為0.08 mm。這是由于貴州6—9月正處于汛期，降水較多，天氣變化快，天空云層較多較厚，空氣濕度較大，而哈格里夫斯公式又剛好沒有考慮到濕度對作物蒸發(fā)蒸騰量的影響。因此，在6—9月計算結(jié)果偏差較大，其余月份則較接近。說明，在濕度較大的情況下不宜采用哈格里夫斯公式直接計算參考作物的需水量。修正后的結(jié)果和用彭曼公式計算出的結(jié)果較為接近，最大誤差發(fā)生在5月上旬，最大絕對誤差為0.4 mm，最大相對誤差為17%，平均誤差2.4%，同比最大絕對誤差小0.67、最大相對誤差減小25百分點、平均誤差減小21.5百分點，與實際十分接近。

圖2 修正前(左)和修正后(右)的ET0和ETh(2010—2011)Fig.2 ET0 and ETh(2010-2011)before(left)and after(right)modification

3 結(jié)論

貴州屬于高原山區(qū)，雨量充沛，濕度較大，特別在汛期更為明顯，應(yīng)用哈格里夫斯公式計算參考作物需水量時，由于沒有考慮到相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象因素影響，計算出的參考作物需水量數(shù)值偏大，在汛期偏差達(dá)最大，與聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的缺乏日照時間和相對濕度等氣象資料時，應(yīng)用哈格里夫斯公式計算出的ET0數(shù)值偏大的結(jié)論一致。

貴州在缺少日照時數(shù)、相對濕度和風(fēng)速的情況下，可先利用哈格里夫斯公式計算出參考作物需水量ETh，然后再利用線性回歸方程ET0(h)=0.028 8+0.814 2ETh進(jìn)行校正，便可得出相對準(zhǔn)確的參考作物需水量ET0。貴州線性修正系數(shù)a=0.028 8，b=0.814 2。