EPIC模型在遼寧中部平原區潛水蒸發時空分布計算中的應用研究

習麗麗

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043)

遼寧中部平原區是糧食主要產地，在國家東北四省“節水增糧行動方案”背景下，需要對區域潛水蒸發進行有效計算，從而對區域“節水增糧行動方案”下的水量進行有效評價。當前，在國內潛水蒸發計算應用較多的為P- M公式[1- 3]及雙源蒸發模型[4- 6]，其中雙源蒸發模型由于可以考慮植被和土壤兩個源項蒸發，在區域潛水蒸發計算效果好于單一源項的P- M公式，但是雙源蒸發模型在計算時需要輸入植被葉面積指數，傳統方法主要是下載植被葉面指數進行輸入，而不能實現葉面積指數動態計算。近些年來，美國學者研究的EPIC可實現植被葉面積指數的動態計算，在許多領域中得到應用[7- 9]，為此本文將EPIC模型和雙源蒸發模型進行耦合，對遼寧中部某平原區的潛水蒸發進行計算，并結合區域實測蒸發數據，對模型進行適用性分析。

1 EPIC模型計算原理

本文將EPIC模型和雙源蒸發模型進行耦合計算平原區的潛水蒸發，雙源蒸發模型需要輸入植被葉面積指數，而EPIC可實現植被葉面積指數的動態計算，植被葉面積指數動態計算方程為：

(1)

式中，frPHU—植物生長過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—在適宜葉面積發展曲線對應某一潛在積熱率的葉面積指數和植物最大與葉面積指數的比值，稱為葉面積指數率；l1和l2—適宜植物生長曲線的兩個形狀系數。在式(1)中的潛在積熱率可由下式進行計算，計算方程如下：

(2)

式中，frPHU—植物從開始生長到d天植物生長的潛在積熱率；HU—截止到第d天植物生長的所需的熱量；PHU—植物生長過程總的潛在積熱量。

而植物適宜葉面積指數發展曲線中的兩個形狀系數l1和l2則通過曲線兩個已知坐標點(frLAI，1，frPHU，1)、(frLAI，2，frPHU，2)進行計算，兩個坐標點是模型的輸入項，兩個形狀系數計算公式如下：

(3)

(4)

式中，frPHU，1和frLAI，1—適宜葉面積發展曲線植物生長過程中第一個拐點所對應的潛在積熱率和葉面積指數率；frPHU，2和frLAI，2—適宜葉面積發展曲線植物生長過程中第二個拐點所對應的潛在積熱率和葉面積指數率。

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天植物葉面積指數變化值；LAIi和LAIi-1—植物第i天和第i-1天所對應的葉面積指數；frLAlm x，i和frLAlm x，i-1—植物生長過程中第i天與第i-1天植物葉面積指數率；LAImx—植物生長過程中所能達到的最大葉面積指數。

2 模型應用

2.1 區域概括

本文以遼寧中部某平原區為研究區域，區域主要用地方式為林地、耕地、城鎮用地，區域多年蒸發量為350mm，區域內有3個蒸發觀測站點，結合區域內3個蒸發站點的蒸發數據對比分析模型的適用性。

2.2 平原區潛水蒸時空分布計算

2.2.1 日尺度計算

本文結合區域內日蒸發實測數據，對比分析模型在日蒸發計算的適用性，對比分析結果見表1,如圖1所示。

表1 模型日尺度潛水蒸發計算適用性分析

圖1 典型年份日過程潛水蒸發計算與實測值對比

從表1中可以看出，EPIC模型在區域潛水蒸發計算具有較好的適用性，模型計算的潛水蒸發和實測蒸發的相關系數在0.62～0.75之間，各年份的相關系數均值達到0.67，相對誤差均小于20%。從圖1中可以看出，模型計算的典型年份日過程潛水蒸發計算值與實測值在過程上吻合度較高，過程總體上具有較好的相似性和一致性。

2.2.2 月尺度計算F檢驗

在日尺度適用性分析的基礎上，結合F檢驗對模型不同季節計算的潛水蒸發進行回歸分析，并進行F檢驗，檢驗分析結果見表2,如圖2所示。

表2 蒸發皿日資料與各蒸發皿實測蒸散發能力在不同季節內回歸分析

注：P值為F檢驗的顯著性水平

圖2 不同季節模型潛水蒸發自回歸計算結果

圖3 模型在不同季節內散點圖及其相關分析

從表2中可以看出，在各蒸發皿測站中，EPIC在夏季的自回歸系數均值較高達到0.64，這主要是因為在夏季降水和氣溫的雙重影響，使得自回歸系數較高。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較低。從模型F檢驗結果可以看出，均通過了95%的置信度檢驗。表明建立的各個季節自回歸方程均具有較好的適用性。

2.2.3 月尺度計算T檢驗

采用T檢驗對模型不同季節的潛水蒸發進行相關分析，分析結果見表3和圖3。

表3 蒸發皿月資料與計算的月蒸散發能力在各季節內相關分析

從表3中可以看出和F檢驗一致，EPIC模型在區域夏季潛水蒸發相關系數較高，冬季相關系數較低，從T值檢驗結果可以看出，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T的一致性檢驗，從T檢驗結果可以看出，EPCI計算的區域潛水蒸發在時間上和實測蒸發具有較好的一致性和相似性。

3 結語

本文將EPIC應用于遼寧中部平原區潛水蒸發計算，并結合區域實測蒸發對比分析模型的適用性，分析取得以下結論。

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

(2)模型可動態考慮農作物生長葉面指數的變化，可將模型拓展用于農作物葉面蒸發的計算。

[1] 唐英敏. P- M公式與雙源蒸散發模型在淮河流域上游地區的適用性及對比研究[J]. 水電能源科學, 2016(01): 15- 18.

[2] 徐繼紅. 基于ELM模型的孔雀河流域參考作物蒸散量研究[J]. 水利規劃與設計, 2016(04): 72- 74.

[3] 曾麗紅, 宋開山, 張柏, 等. 利用SEBAL模型與P- M公式估算烏裕爾河下游地表蒸散[J]. 干旱地區農業研究, 2009, 27(05): 216- 224+234.

[4] 孫玥. 氣象要素變化對區域潛在蒸散發時空分布特征影響的定量分析[J]. 水利技術監督, 2017(01): 104- 108.

[5] 陳蕓蕓, 王燁, 陸國賓, 等. 基于雙源蒸散發的新安江模型在淮河上游的應用[J]. 中國農村水利水電, 2016(03): 43- 46.

[6] 莫興國, 林忠輝, 劉蘇峽. 基于Penman- Monteith公式的雙源模型的改進[J]. 水利學報, 2000(05): 6- 11.

[7] 范蘭, 呂昌河, 王學春, 等. EPIC模型對華北平原冬小麥與夏玉米生長和產量模擬的適用性評價[J]. 麥類作物學報, 2014, 34(12): 1677- 1684.

[8] 范蘭, 呂昌河, 陳朝. EPIC模型及其應用[J]. 地理科學進展, 2012, 31(05): 584- 592.

[9] 賈慧聰, 王靜愛, 潘東華, 等. 基于EPIC模型的黃淮海夏玉米旱災風險評價[J]. 地理學報, 2011, 66(05): 643- 652.