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十六种参考作物蒸散量的方法在塞内加尔河流域的不同条件下的评价
摘要：
研究区域：参考作物蒸散量（ETO）在灌溉系统的设计，在灌溉和旱作中的水的生产管理中都起着关键作用。在萨赫勒条件下，在塞内加尔胡流域，其年平均降水量少于300mm，水稻作物用水应估计资源的可持续性。
研究重点：然而，彭曼 - 蒙特斯（PM）方程被揭示为最精确的方程式之一：它势必需要在发展中国家并不总是能得到的一些气候参数。此研究的目的是在萨赫勒地区的条件下，在Ndiaye和Fanaye（塞内加尔），为了找出需要更少气候参数的评估ET0的方程式，评估出这16个方程式的表现。结果表明，Hargreaves，修改后的Har-greaves，Ravazzani和Tralkovic方程式计算的结果最有错误，高估了ET0的值。相反，Makkink- Hansen，Oudin和Turc 方程式系统上低估了ET0.基于温度的方程式RomenenKo和Schendel的结果在Fanaye以5.5%和9.6%相对的好于其他方程式，各自的拟合斜率为0.92和1.05，各自的平均比率1.00和1.14.传质方程Trabert和Trabert也都比彭曼 - 蒙特斯方程有更好的结果。
对该地区的水文见解：总体上，Overall,Valiantzas ,Trabert,Romanenko, Schendel 和 Mahringer方程式都是比较理想的方程式，可以用来估计塞内加尔河流域的参考蒸散。
关键词 ：参考作物蒸发蒸散的方法，评价，塞内加尔流域，萨赫勒地区
- 简介
在萨赫勒地区的气候条件，水资源短缺是生产食品和纤维的最重要的限制因素，低且不稳定的降雨限制了旱作农业生产力及置广大的农业生产系统高风险的位置上。灌溉用水日益稀缺(Rij sberman, 2006)，在萨赫勒地区环境变的更加昂贵，如同在有效灌溉管理下，塞内加尔河流域（SRV）的水稻产量潜力可能高达12吨公顷。沿塞内加尔河流域年均降水量范围从270到1475毫米(FAO, 1997)，而用小降水（萨赫勒条件）的区域比一个具有高降水大得多。有效利用水的灌溉系统的发展在作物生产系统的可持续性至关重要，作物水分利用（蒸散）的精确估计也是实现有效和可持续灌溉的重要组成部分，也是稳定生产的基础。
蒸散是气候和水文研究中的一个重要参数，以及用来农业水资源管理。作物水分利用一般由预先确定的特定作物系数，它取决于许多因素，包括灌溉制度和管理（Djaman和Irmak，2013）乘以参考蒸散量来估计。
得到参考蒸散量的方法存在很多，从参考作物直接测量，如多年生草本植物(Doorenbos and Pruitt, 1977; Watson and Burnett, 1995)或者利用气象数据计算：（a）温度模型(Thornthwaite, 1948; Doorenbos and Pruitt, 1977),（b）辐射模型(Doorenbos and Pruitt, 1977; Hargreaves and Samani, 1985)，和（c）综合模型(FAO-56 PM) (Allen et al., 1998).标准化的Penman-Monteith公式已经被采用并建议用来估计参考蒸散（ASCE-EWRI，2005）。作物实际蒸散量（ETa）可以用蒸渗仪直接测量(Jia et al., 2006; Benli et al.,2006; Miranda et al., 2006; Williams and Ayars, 2005)，波文比能量平衡系统(Bowen,1926; Irmak and Irmak, 2008; Irmak et al., 2008, 2010, 2013; Kabenge et al., 2013),和涡度相关技术(Aubinet et al., 2000; Wilson et al., 2001;Baldocchi, 2003; Amayreh andAl-Abed, 2004; Schume et al., 2005; Kosugi and Katsuyama, 2007; Sun et al., 2008; Novick et al., 2009; Scott, 2010).蒸散也可以间接地通过水平衡法在没有前述的先进技术里被估算(Xu and Singly 2002; Azizi-Zohan et al., 2008; Senay et al., 2011;Djaman et al.,2013) and atmometers (ET gages) (Chen and Robinson, 2009; Irmaket al., 2005; Broner and Law, 1991).
全世界大量的研究已经表明，FAO-56 PM模型是各种气候条件下的最精确的方法(Jensen et al., 1990; Allen et al., 1998; Irmak et al., 2003,2008; Hargreaves andAllen, 2003; ASCE-EWRI, 2005; Jabloun and Sahli, 2008; Trajkovic and Kolakovic,2009; Martinez and Thepadia, 2010; Xystrakis and Matzarakis, 2011;Azhar and Perera, 2011;Tabariet al., 2011).然而，所有解决PM模型所需的气象数据是在许多发展中国家，如塞内加尔的往往是不完整和/或不可用。在有些缺少完整气象数据的地方，需要更少的气象参数的ET0应用方程式在有些情况下是被推荐的。
Trajkovic和Kolakovic，2009年报道称，PAN基方程在诺维萨德（塞尔维亚）可以成功替代FAO-56 Penman-Monteith方程。Martinez 和Thepadia (2010)声称，利用在佛罗里达州测到的最高最低气温和辐射估算参考蒸散的没有区域校准的Turc方程式被推荐。
Irmak et al. (2003) 和 Yoder et al. (2005)发现在数据有限的条件下，在美国东南部，基于辐射的Turc方法的结果是理想的。Jensen et al.(1990)报道说在20个模型当中，在估算月蒸散时，Turc方法排列在位于第一的Penman-Monteith公式之后。
从31种参考作物蒸散量方法的比较研究，Tabari et al. (2011)列出了五种最佳方法，与PM模型相比，他们发展的两个基于辐射的方法，基于温度的Blaney-Griddle方法，Hargreaves-M4方法，基于蒸发的Snyder pan方程。以前在四种气候下选出需要最少天气参数的四种评估参考蒸散的模型(Makkink, Turc, Priestley-Taylor and Hargreaves)，Tabari (2010)报道称Turc方法是最适合在寒冷潮湿和干旱的气候模型；在半干旱和半干旱条件下，Hargreaves方程是最准确的模型。Xystraks 和 Matzaraks(2011)报道称 在希腊，Hansen 和Turc方程式是在13个估算参考蒸散的经验方程式中出现最小平均月误差的两个方程式。Hargreaves方程是估计伊朗东部干旱和半干旱地区的最佳估算ETO的模式，然而，它在处于潮湿天气的路易斯安那的东北部会高估ETo值(Rojas and Sheffield, 2013).
在塞内加尔河流域，旱作农业是行不通的因为在雨季高蒸发需求和低而不规则的降雨（大概是300mm每年）。因此，农业活动主要是在灌溉条件下发展起来的，由于年降水量不足以满足季节性作物需水量。从2008年大米危机开始，SRV就开始为了增加粮食生产做出了显著的努力。在灌溉制度下增长耕地总量，和双季稻系统的发展(SHED, 2011)。然而，在很长一段时间里，水管理不被认为是一个重要的管理实践，在几年的培养后，由于塞内加尔河三角洲地区土壤盐分的累积及流域，灌溉计划被放弃了( Raes et al., 1995 ).总体上，在理想条件下，供水应遵循需求：但是，在小规模灌溉方案下，由于水应力，供需失衡会导致产量下降(Raes et al., 1994)，并使得盐度升高(OMVS-SOGREAH, 1998).据我们所知，在以灌溉水稻生产为主要活动的塞内加尔河流域尚未发现任何评价参考作物蒸散量方程的性能的研究。这个研究的目标有（i）比较ASCE-PM方法与别的估算ETo的方法的性能。（ii）在萨赫勒地区条件下，评估用最少的天气变量的ETO模式的可靠性。
2. 材料和方法
在Ndiaye(160 11 N, 160 15 W) 和Fanaye (16°32 N, 15° 11 W)的非洲水稻中心（萨赫勒区域站，塞内加尔）在2013年2月与2014年5月之间收集了天气变量。Ndiaye坐落于塞内加尔河三角洲35 km内陆：Fanaye则坐落于塞内加尔河流域，150 km内陆。实验地点的特征在于从7月至10月上旬有一个典型的萨赫勒气候的梅雨季节。包括风速，最高和最低空气温度，最高和最低相对湿度，太阳辐射和降水量的每日气象资料会用安装Ndiaye 和Fanaye.的在自动气象站（自动农业气象站）在一个精心浇灌草坪表面被测量。自动农业气象站CimAGRO是一个由Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)合伙设计的紧凑的系统，为了完成一个气象数据以及帮助个人或者集体提供决策工具。由于Cimel的独家MicroAmps技术，CimAGRO确保卓越可靠的计量以及实现好用且灵活。自动气象站利用太阳能发电机（内置微型防篡改太阳能电池板）工作，它符合WMO建议的测量质量要求。
配备了无需程序设计就能通用，极其可靠和稳定的传感器（支持热插拔连接）)，并且具有抵抗各种恶劣的天气条件的能力该结合的传感器有，自动雨量计，空气温度，外壳传感器下面的空气温度和湿度，热电堆辐射强度计和风传感器。所有的变量在每60s进行一次采样并以小时为单位记录。
2.1.参考蒸散量估算公式
16个参考蒸散的方程式是干燥的气候条件下由它们的性能测试和评估结果以及对解决问题所需要的气候参数的数目来选取的。
2.1.1. Penman-Monteit (ASCE-EWRI, 2005)
Penman-Monteith估算参考蒸散方程式草表面气孔固定电阻值：
(1)
ET0代表着参考蒸散，单位（mm/每天）。∆温度^饱和水汽压关系曲线在Tmean处的斜率（kPaC-1）。
Rn是在作物表面的净辐射（MJm-2d-1），G为在土壤表面土壤热通量密度（MJm-2d-1），Tmean为高度为1.5-2.5m的地方的最低气温（℃），u2为高度为2m的地方的平均风速（ms-1），es为饱和蒸气压（kPa），ea为实际水汽压（kPa），es-ea是饱和蒸气压亏损（kPa），为湿度常数（kPa℃-1），Cn是900℃mms3Mg-1d-1 对草地基准面以及 1600℃mms3Mg1d1对苜蓿参考面，Cd为0.34sm-1 对草地 以及对 0.38sm-1 for 苜蓿。计算ET0所需的所有参数被Allen et al.(1998)根据FAO-56开发的方法发展起来的。
2.1.2. Hargreaves 和Samani模型
The Hargreaves 和 Samani(1985)方程式是基于辐射的经验方法，它在有限的气象数据的情况下被广泛的应用。它表示为：
（2）
Ra为 宇宙辐射等水量（mm.day-1）;Tmean为日平均气温（℃）；Tmax 日平均最高气温 （℃）；Tmin 日平均最低气温（℃）。
（3）
2.1.4 Ravazzani et al.(2012)方法
（4）
2.1.5 Berti et al.(2014): 修改后的Hargreaves
（5）
2.1.6 Schendel（1967）方法
(6)
2.1.7 Trabert（1896）方法
（7）
2.1.8 Penman（1948）combination方法
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