孟瑋 孫西歡 郭向紅 馬娟娟
摘 要:為了利用有限的氣象數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)蓄水坑灌果園的日參考作物需水量,利用蓄水坑灌試驗(yàn)基地逐日溫度與濕度數(shù)據(jù),構(gòu)建了基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的ET0 預(yù)測(cè)模型,并將其模擬結(jié)果及Hargreaves、Priestley-Taylor 兩種常用ET0 計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果同FAO-56 Penman-Monteith(FAO56-PM) 公式計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明:徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的模擬結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法FAO56-PM 公式的計(jì)算結(jié)果最接近,而Hargreaves、Priestley-Taylor 兩個(gè)常用計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)值偏大,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行校正。
關(guān)鍵詞:蓄水坑灌;日參考作物需水量;徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);Hargreaves 公式;Priestley-Taylor 公式
中圖分類號(hào):S274.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.04.019
引用格式:孟瑋,孫西歡,郭向紅,等.基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)日參考作物需水量[J.]人民黃河,2024,46(4):117-120.
0 引言
黃土高原大部分地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),風(fēng)沙大,雨水少,水資源短缺是限制該區(qū)域農(nóng)林經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。針對(duì)上述問(wèn)題,Sun[1]提出了一種新型的果園灌溉方式:蓄水坑灌,即在距離果樹60~80 cm 處均勻布置若干個(gè)直徑為25~30 cm、深度為40~60 cm 的圓柱形蓄水坑,灌溉時(shí)直接將灌溉水施灌于蓄水坑內(nèi),減少了地表的濕潤(rùn)面積,提高了水分的利用效率。近些年來(lái),關(guān)于蓄水坑灌已做了大量的研究[1-5] ,但是對(duì)于蓄水坑灌灌溉制度的研究還未開展,而合理制定灌溉制度的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)作物的需水量,其中參考作物需水量ET0 是計(jì)算作物需水量的關(guān)鍵參數(shù)之一。該參數(shù)是反映不同氣象條件、不同下墊面、不同時(shí)期、不同地域大氣的蒸散能力的重要指標(biāo),準(zhǔn)確估算ET0 對(duì)農(nóng)林生產(chǎn)有十分重要的意義。
鑒于ET0 在制定作物灌溉制度過(guò)程中的重要作用,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)ET0 的計(jì)算方法進(jìn)行了分析,并對(duì)每一種方法的適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)與比較。白一茹等[6] 以FAO-56 Penman-Monteith(FAO56-PM)公式為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)10 種ET0 計(jì)算模型在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的應(yīng)用前景進(jìn)行了對(duì)比分析;高飛等[7] 利用8 種ET0公式計(jì)算了塔里木盆地綠洲棉區(qū)的參考作物蒸散量,結(jié)果表明在估算該區(qū)域的參考作物蒸散量時(shí),可選用1972 Kimberly Penman 公式;崔偉敏等[8] 以FAO56-PM 公式為標(biāo)準(zhǔn),基于9 個(gè)不同氣候典型區(qū)的氣象站多年資料,利用8 種常用ET0 計(jì)算方法,探索不同氣候區(qū)適宜的參考作物需水量計(jì)算方法;朱瀟梟等[9] 以FAO56-PM 公式為基準(zhǔn),探究不同參考作物需水量ET0 計(jì)算方法在海南省的適用性,并對(duì)其進(jìn)行了誤差分析和相關(guān)性分析。為研究適合于黃土高原區(qū)蓄水坑灌果園參考作物需水量的計(jì)算方法,本研究以FAO56-PM 公式的計(jì)算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),在有限氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的ET0 預(yù)測(cè)模型,并對(duì)3種常用的ET0 計(jì)算方法的適用性進(jìn)行分析,探索適合該區(qū)域參考作物需水量的預(yù)測(cè)方法,以期為黃土高原區(qū)蓄水坑灌果園的田間推廣起到積極作用。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)為山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹所蓄水坑灌果園試驗(yàn)基地,位于山西省晉中市太谷縣,北緯37°23′,東經(jīng)112°32′,平均高程為781.9 m,年平均氣溫9.8 ℃,年平均降水量459.6 mm,無(wú)霜期175 d,土壤類型主要為粉沙壤土,其平均密度為1.47 g/ cm3。該試驗(yàn)基地的光熱資源比較適宜多種果樹種植[10] 。
1.2 研究方法
本研究涉及的ET0 計(jì)算方法有以下3 種。
1)FAO56-PM 公式[11] :
式中: ET0 為參考作物蒸散量,Δ 為飽和水汽壓梯度,Rn 為凈輻射值, G 為土壤熱通量, γ 為空氣干濕表常數(shù), T 為日平均氣溫, u2 為2 m 高處的風(fēng)速, es 、ea 分別為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓。
2)Hargreaves 公式[12] :
ET0 = CRa (Tmax - Tmin)m(Tmean + a) (2)
式中: Ra 為大氣頂太陽(yáng)輻射值; Tmax 為最高氣溫; Tmin為最低氣溫; Tmean 為日平均氣溫; C 、m 、a 分別為溫度系數(shù)、溫度指數(shù)、溫度常數(shù),推薦取值分別為0.0023、0.5、17.8。
3)Priestley-Taylor 公式[13] :
式中:λ 為水的汽化潛熱。
1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)
本文數(shù)據(jù)分析與計(jì)算采用MATLAB R2014b 軟件,圖表制作采用excel 軟件。模型預(yù)測(cè)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括均方根誤差RMSE 和平均相對(duì)誤差MAPE,計(jì)算公式如下:
式中: Pi 、Oi 分別為標(biāo)準(zhǔn)值、模型預(yù)測(cè)值, N 為觀測(cè)總數(shù)。
2 ET0 預(yù)測(cè)模型構(gòu)建
2.1 數(shù)據(jù)集
本文的徑向基函數(shù)(Radial Basis Function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中數(shù)據(jù)集分成兩個(gè)子集,數(shù)據(jù)集的選擇見(jiàn)表1。
大氣平均溫度可以間接反映太陽(yáng)輻射等相關(guān)因素對(duì)參考作物需水量的影響,而大氣相對(duì)濕度可反映蒸散表面與大氣間水勢(shì)梯度對(duì)參考作物需水量的影響,同時(shí)這兩個(gè)氣象指標(biāo)數(shù)據(jù)較易獲取,因此輸入樣本選擇為大氣平均溫度和大氣相對(duì)濕度。
2.2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建
RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種單隱層的3 層前饋網(wǎng)絡(luò),由感知單元組成的輸入層、計(jì)算節(jié)點(diǎn)的隱含層和輸出層3 個(gè)部分組成,具有最佳逼近和全局最優(yōu)的性能。輸入層與隱含層之間不需要權(quán)值連接,直接將輸入向量映射到隱含層,這種映射屬于非線性,即隱含層的變換函數(shù)為一個(gè)非線性函數(shù)。隱含層與輸出層之間有連接權(quán)值,從隱含層到輸出層的映射是線性的,即整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出是隱含層輸出結(jié)果的線性加權(quán)之和。
第一層為輸入層,設(shè)有N 個(gè)樣本:
X = (X1,X2,…,XN )T (6)
第二層為隱含層,設(shè)隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為J,隱含層則是通過(guò)映射將I 維的輸入矢量映射到J 維空間內(nèi)。隱含層第j 個(gè)神經(jīng)元的輸出為
式中: cj 為第j 個(gè)神經(jīng)元的中心, cj 的維度與輸入節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)是相同的,也是一個(gè)I 維向量; σj 為第j 個(gè)神經(jīng)元的寬度,反映了徑向基函數(shù)的衰減速度,本研究隱含層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)為30,神經(jīng)元的中心寬度為0.4; φ()為徑向基函數(shù),本研究隱含層激活函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的Gauss 函數(shù)。
第三層為輸出層,其輸出結(jié)果表達(dá)式為
式中: ωjk 為第j 個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)到第k 個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值。
3 結(jié)果與分析
3.1 蓄水坑灌果園日參考作物需水量趨勢(shì)分析
應(yīng)用FAO56-PM 公式、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、Har?greaves 公式、Priestley-Taylor 公式4 種方法對(duì)蓄水坑灌果園試驗(yàn)基地2017 年的日參考作物需水量ET0 進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1 可知,不同方法計(jì)算的逐日ET0 變化趨勢(shì)相同,均呈現(xiàn)單峰趨勢(shì),即4—6 月呈上升趨勢(shì),在7 月達(dá)到峰值,8—9 月呈下降趨勢(shì)。然而,另3 種計(jì)算方法較FAO56-PM 公式的計(jì)算結(jié)果均偏大,其中RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的模擬結(jié)果較標(biāo)準(zhǔn)方法FAO56-PM 公式的計(jì)算結(jié)果偏大約5%,Hargreaves 公式、Priestley-Taylor 公式的計(jì)算結(jié)果分別偏大60%、78%,而且這種差異主要集中在4—8 月的日參考作物需水量的計(jì)算中。
3.2 參考作物需水量ET0 計(jì)算模型精度分析
圖2~圖4 分別為RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、Hargreaves公式、Priestley-Taylor 公式對(duì)蓄水坑灌試驗(yàn)基地日參考作物需水量的計(jì)算值與FAO56-PM 公式計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系。可以看出:RBF 模型、Hargreaves 公式、Priestley-Taylor 公式的計(jì)算值與FAO56-PM 標(biāo)準(zhǔn)值均成顯著的線性關(guān)系,方程斜率分別為1.01、1.24、0.77,決定系數(shù)R2 分別為0.91、0.76、0.65,RMSE 分別為0.56、4.04、3.00 mm/ d,MAPE 分別為12.6%、69.1%、85.8%,RBF 模型預(yù)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值的一致性最好。3 種方法計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)值的t 配對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知,RBF 模型對(duì)蓄水坑灌果園日參考作物需水量的計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)值之間無(wú)顯著性差異,而Hargreaves公式和Priestley-Taylor 公式的計(jì)算值與FAO56-PM標(biāo)準(zhǔn)值存在顯著性差異,因此Hargreaves 和Priestley-Taylor 這兩個(gè)公式不能直接應(yīng)用于該地區(qū)的日參考作物需水量的預(yù)測(cè),而需要根據(jù)氣象數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)校正。
4 結(jié)論
本文通過(guò)FAO56 - PM 公式、Hargreaves 公式、Priestley-Taylor 公式、RBF 模型4 種計(jì)算方法對(duì)山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹所蓄水坑灌試驗(yàn)基地的日參考作物需水量分別進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明,RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出是隱單元的線性加權(quán)和,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,訓(xùn)練簡(jiǎn)潔,學(xué)習(xí)速度快,預(yù)測(cè)精度較高,僅利用日平均氣溫及日大氣相對(duì)濕度就可對(duì)日參考作物需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此,在估算山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹所試驗(yàn)基地的參考作物需水量時(shí),建議選用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。Hargreaves 公式、Priestley-Taylor 公式計(jì)算結(jié)果較FAO56-PM 公式計(jì)算結(jié)果偏大,在應(yīng)用于當(dāng)?shù)厝諈⒖甲魑镄杷康挠?jì)算時(shí),應(yīng)利用氣象因素對(duì)其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行修訂。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬結(jié)果較標(biāo)準(zhǔn)值偏大約5%這一現(xiàn)象,可能與模型選擇的輸入項(xiàng)有較密切的關(guān)系,風(fēng)速對(duì)參考作物需水量的影響也較為突出,然而本研究?jī)H考慮了大氣平均溫度和大氣相對(duì)濕度這兩個(gè)較易獲取的數(shù)據(jù)作為模型輸入項(xiàng)。因此,在今后的研究中可以對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,以進(jìn)一步提高其模擬精度。
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【責(zé)任編輯 許立新】
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579168)