赵　峥, 潘竞虎,王迎晨

(1.中铁西北科学研究院有限公司,甘肃兰州　730030;2.西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃兰州　730070)



近30年石羊河流域潜在蒸散量变化特征及时空格局变化研究

赵峥1, 潘竞虎2,王迎晨1

(1.中铁西北科学研究院有限公司,甘肃兰州730030;2.西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃兰州730070)

根据石羊河流域10个气象站点1980—2010年近30年的逐日气象资料，应用彭曼-孟蒂斯公式计算潜在蒸散量，并在此基础上使用ArcGIS 克里格插值分析生成石羊河流域潜在蒸散量的空间分布图.结果表明，石羊河流域近30年平均潜在蒸散量空间分布格局受气候、地形等各种因素的影响，自西南至东北方向逐渐递增，具有明显的差异.从时序变化上来看，1980—2010年，石羊河流域潜在蒸散量总体上趋势较为平稳,四季变化为夏季>春季>秋季>冬季.

石羊河流域；潜在蒸散量；彭曼-孟蒂斯公式；克里格；时空格局

潜在蒸散量，又可称作参考作物蒸散量，是实际蒸散量理论值的上限，也是计算实际蒸散量的基础，广泛应用于水资源利用、评价，农业作物需水量研究以及生产管理中.潜在蒸散量的计算方法主要为推荐的彭曼-孟蒂斯公式(Penman-Monteith equation)[1].该公式拥有比较完整充分的理论依据，是目前计算潜在蒸散量(E0)较为可靠的方法之一[2].石羊河流域水资源利用问题是目前西北地区水资源利用研究的热点[3-7]，文中以石羊河流域为具体研究对象，利用彭曼-孟蒂斯公式计算潜在蒸散量，生成近似均匀区域的E0分布图.并在此基础上，分析E0的时空分布规律，旨在探讨在各种相关因子变化的背景下石羊河流域潜在蒸散量时间、空间的变化特征，为石羊河流域水资源的合理开发利用提供科学依据.

1　研究区概况

石羊河流域位于东经101°40′～104°20′、北纬36°30′～39°30′，地处祁连山北麓，甘肃省河西走廊东部，东侧紧邻黄土高原，西侧为乌稍岭，总面积约4.16万km2，西南高东北低，是河西走廊地区三大内陆河之一(图1).石羊河流域大致划分为3个气候区：① 南部祁连山高寒半干旱半湿润区，区内海拔在2 000～5 000 m之间，年降水量约300～600 mm，年蒸发量700～1 200 mm，区域干旱指数为1～4；② 中部走廊平原温凉干旱区，区内海拔在1 500～2 000 m，年降水量150～300 mm，年蒸发量1 300～2 000 mm，区域干旱指数4～15；③ 北部温暖干旱区，区内海拔在1 300～1 500 m之间，年降水量<150 mm，部分地区降水量<50 mm，蒸发量较大，2 000～2 600 mm，干旱指数15～25.

图1　石羊河流域地理位置

2　研究方法及数据来源

2.1研究方法

2.1.1潜在蒸散量(E0)的计算潜在蒸散量是指某种特定矮杆绿色作物(高约0.12 m，地面反射率为0.23)将假设平坦的地面全部遮蔽，同时保持土壤的充分湿润下的蒸散量，也可称为可能蒸散量或参考蒸散量.国际上潜在蒸散量(E0)的计算方法有多种，我国常用的潜在蒸散量的计算方法为彭曼(Penman)模型和谢良尼诺夫(Selianinov)模型.文中应用彭曼模型来计算石羊河流域E0.彭曼模型所运用的方法是以水汽扩散论以及能量平衡作为基础，在计算中考虑作物生理特征的同时，又兼顾空气动力学参数的变化，具有较为完整及充分的理论依据，同时具有较高的计算精度[8].

彭曼-孟蒂斯公式为[2]37

(1)

(2)

其中，E0为潜在蒸散量(mm·d-1)；Rn为参考作物的表面净辐射(MJ·m-2·d-1);G为土壤热通量密度(MJ·m-2·d-1);Ti+1,Ti-1为(i+1),(i-1)月的气温(℃);U2为2 m高处的风速(m·s-1);es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa·℃-1);γ为干湿表常数(kPa·℃-1).

辐射平衡计算中太阳总辐射Rs的计算为[2]67

(3)

其中，Ra为天文辐射；n/N为日照百分率；as,bs为线性参数，文中未采用FAO推荐的as=0.25,bs=0.5，根据祝昌汉等的研究[9]，对西北干旱区as=0.23，bs=0.53，该取值更加符合研究区域的实际情况.

2.1.2空间分析插值方法克里格(Kriging)插值的基础为结构分析和变异函数理论，是指在某一特定区域内，对变量进行的一种无偏最优的估计方法，是地统计学研究中的主要内容.它是根据测试样点在有限邻域内的已测定的其他样点数据，并加以考虑各个样点的大小以及空间位置关系，以及变异函数所提供的结构信息之后，对该测试样点进行线性的无偏最优的估计[10].克里格方法对于待测试样点的估值较其他方法相比，是较为优越的，由于其估值精度较高，避免了系统误差的出现.通过运用该方法的制图，成为从图像上对区域内描述土地物理性质及气象要素等空间分布特征的一个有效工具被广泛使用[11-12].其计算公式为[12]65

(4)

其中，Z为待测试样点的值；Zi为待测试样点周围的已知样点的值；N为已知的样点个数；wi为第i个样点权重值,通过半方差图分析来确定，根据无偏和最优要求，利用拉格朗日极小化原理，推导权重值和半方差之间的公式.

2.2资料来源与处理

文中利用资料序列较长的1980—2010年石羊河流域10个气象站点(表1)的经纬度及各类气象要素，如气温、2m高处风速、日照时数、相对湿度等.在数据的处理上，首先按照各气象站点对逐日数据进行统计，得到各月、各季节和各年份的数据，其中季节的划分为：春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11、冬季12月至翌年2月.然后对上述各项数据作处理，分别得到逐月、各季节和各年份的平均值，并进行进一步的分析.文中采用Excel2007进行数据的基本处理工作，运用SPSS18.0软件进行相关数据的统计分析，并采用ArcGis9.3软件进行空间插值分析.

表1　石羊河流域气象台站方位

3　结果与讨论

3.1石羊河流域蒸散量的空间变化格局

石羊河流域北部区域为干旱气候，中部区域属半干旱气候，南部区域属半湿润半干旱气候.石羊河流域多年平均潜在蒸散量为1 085.29 mm.整个区域内潜在蒸散量的分布受气候、地形等地理环境的影响，存在较为明显的地区性差异.从空间格局上看，区域内海拔高度越高，潜在蒸散量越低(图2).潜在蒸散量空间分布的总趋势是北部高南部低，东部高西部低，自东北侧向西南侧逐级递减.全流域多年平均潜在蒸散量在759～1 351 mm.流域南部地区小于1 000 mm，尤其在肃南裕固族自治县北部北滩、东滩等地及天祝藏族自治县北部毛藏、哈溪、安远镇，古浪县西南部黄羊川、十八里铺等局部地区在900 mm以下；潜在蒸散量较高的地区大部分集中于民勤县境内，一般在1 200 mm以上，其中民勤县北部的花儿园等地部分地区最高潜在蒸散量达到1 350 mm以上.潜在蒸散量分布不均，最高与最低之比大于1.778，空间分布如图3所示.

图2　石羊河流域潜在蒸散量与海拔关系

图3　石羊河流域各站点多年平均潜在蒸散量

3.2石羊河流域潜在蒸散量的时序变化

3.2.1年际变化石羊河流域潜在蒸散量的年际变化基本处于一个相对稳定的趋势(图4).1980—1990年前后各站点多年平均潜在蒸散量在915.9～1 092.2 mm，平均为1 025.9 mm； 1991—2000年各站点多年平均潜在蒸散量在897.3～994.9 mm，平均为950.3 mm；2000—2010年各气象站点平均潜在蒸散量在937.1～1 018.2 mm，平均为979.5 mm.

图4　石羊河流域潜在蒸散量年际变化

从石羊河流域各气象站点1980—2010年多年平均潜在蒸散量的变化情况来看，不同区域之间也存在着差异.石羊河流域各气象站点多年平均潜在蒸散量的变化也较为悬殊(图5)，年潜在蒸散量的变异系数为3.86%～7.09%.

图5　石羊河流域各站点多年平均潜在蒸散量及变异系数

3.2.2季节变化石羊河流域从1—12月各月的潜在蒸散量基本呈正态分布趋势，按季节划分，为夏季>春季>秋季>冬季.由于石羊河流域的潜在蒸散量主要受气象、地形等因素造成蒸散量的不均匀分布，表现出夏季蒸散量较高，冬季蒸散量相对较小的特征.在一年之中，石羊河流域潜在蒸散量高度集中在 3—9月，即春夏季， 10月至翌年2月的秋冬季潜在蒸散量较低.潜在蒸散量逐月及按季节分布情况(图6).

图6　石羊河流域多年平均潜在蒸散量逐月变化分布

春季(3—5月)石羊河流域内风大、升温快，随着气温的回升，气候干燥，潜在蒸散大，变化范围在248～399 mm.从多年平均来看，春季潜在蒸散量约占全年的22.86%～36.77%.石羊河流域远离海洋，位于中国西部地区，夏季(6—8月)较为炎热，潜在蒸散量随着气温的逐渐升高而增大，总体趋势为北部区域高于南部区域.多年平均潜在蒸散量为303.9～589.9 mm，约占全年潜在蒸散量的28.0%～54.4%.秋季(9—11月)由于气温下降，日照时间逐渐减少，潜在蒸散量的趋势为东北部区域高于西南部区域，多年平均潜在蒸散量在142.8～251.8 mm，约占全年潜在蒸散量的13.2%～23.2%.冬季(12月至翌年2月)晴冷少雪，因此降水量较少[13]，而且该地区气候较为干燥，相对湿度较低，从而导致潜在蒸散低下，多年平均潜在蒸散量为73.2～102.7 mm，冬季潜在蒸散量约占全年潜在蒸散量的6.7%～9.5%.

石羊河流域气候干旱指数较高，流域处于干旱程度较重状态.流域内潜在蒸散量的变化及未来趋势存在这一定的复杂性，不同天气影响或局部地理差异等均会造成潜在蒸散量的不同，此外，土地利用条件的改变也会通过影响大气温度、湿度、城市热岛环流效应等因素导致潜在蒸散量发生变化.

4　结论

1)石羊河流域多年平均潜在蒸散量在759～1 351 mm之间.年潜在蒸散量空间分布的总趋势是：东部、北部高，西部、南部低，潜在蒸散量由西南向东北部逐级递增，具有明显的地域差异.

2)流域南部地区小于1 000 mm；潜在蒸散量较高的地区大部分集中于民勤县境内，一般在1 200 mm以上，部分地区潜在蒸散量最高可达到1 350 mm以上.潜在蒸散量分布不均，最高最低比大于1.778.

3)石羊河流域潜在蒸散量的年际变化基本处于一个相对稳定的趋势.1980—1990年前后各站点多年平均潜在蒸散量为1 025.9 mm；1991—2000年各站点多年平均潜在蒸散量为950.3 mm；2000—2010年各气象站点平均潜在蒸散量为979.5 mm.从石羊河流域主要气象站点各年代潜在蒸散量的时序变化情况来看，差异较大，年际变化的变异系数为3.86%～7.09%.

4)潜在蒸散量的月际变化为：以7月份最多，向两侧递减，1月及12月最低.偏高主要是因为对应时段日照时间较长、温度较高，延长了白天的蒸散时间并提高蒸散的效率，从而导致潜在蒸散量偏高.

5)潜在蒸散量的季节变化为春夏季(3—9月)比重大，秋冬季(10月—翌年2月)比重较小.

`[1]顾世祥,王士武,袁宏源.参考作物腾发量预测的径向基函数法[J].水科学进展,1999,10(2):123.

[2]ALLEN R G,PEREIRAL L S,RAES D,et al.Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirements[C]//FAOIrrigationandDrainagePaper56,Rome:FAO,1998,11.

[3]孙佳.47年来石羊河流域气候变化趋势及突变分析[D].兰州大学,2008.

[4]佟玲.西北干旱内陆区石羊河流域农业耗水对变化环境响应的研究[D].杨凌：西北农林科技大学,2007.

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(责任编辑惠松骐)

Study on spatiotemporal change of potential evapotranspiratio in Shiyang River Basin for 30 years

ZHAO Zheng1，PAN Jing-hu2，WANG Ying-chen1

(1.Northwest Research Institute Limited Company of CREC,Lanzhou 730000,Gansu,China; 2.College of Geography and Environmental Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,Gansu,China)

Based on the meteorological data from 10 meteorological stations in Shiyang River Basin 1980—2010,using Penman-Monteith equation to calculate potential evapotranspiration,Shiyang River potential evapotranspiration distribution map is given by using Kriging spatial interpolation method in ArcGIS.The results show that the average spatial distribution pattern of potential evapotranspiration are influenced by climate,topography and other factors in Shiyang River Basin in recent 30 years,potential evapotranspiration are gradually increasing from the southwest to the northeast,it has obvious difference.On timing variation of annual potential evapotranspiration in Shiyang River Basin from 1980—2010,the overall trend is relatively stable,the seasonal changes are spring >summer>autumn>winter.

Shiyang River Basin;potential evapotranspiration;Penman-Monteith equation;Kriging;spatial-temporal pattern

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.05.026

2015-06-25;修改稿收到日期:2016-02-04

甘肃省自然科学基金资助项目(1208RJZA159)

赵峥(1985—)，男，甘肃兰州人，工程师，硕士.主要研究方向为环境影响评价.

E-mail:andriy2003@126.com

P 332.2

A

1001-988Ⅹ(2016)05-0125-05