遙感監(jiān)測ET技術(shù)在區(qū)域水資源量核定中的應(yīng)用研究

王文生，付貴增，閻戰(zhàn)友，王志良

（水利部海河水利委員會，天津 300170）

海河流域水資源短缺。在水資源開發(fā)利用過程中，受自然和人為因素的綜合影響，地表水可利用量減少，地下水嚴(yán)重超采，加劇了水資源的供需矛盾。在現(xiàn)有的條件下，應(yīng)加強水資源管理，實行最嚴(yán)格的水資源管理制度，嚴(yán)格用水總量控制，合理開發(fā)利用水資源，提高用水效率，最大限度地支撐流域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，通過衛(wèi)星影像的信息分析，并經(jīng)相關(guān)的理論模型計算，可以得到某一特定區(qū)域的實際消耗水量，即獲得遙感監(jiān)測ET，該數(shù)據(jù)可反映不同時段不同區(qū)域的ET變化。以此為基礎(chǔ)，可以開展該區(qū)域?qū)嶋H總用水量的有效監(jiān)控，為水資源的總量控制和水資源的高效利用提供強有力的技術(shù)支持。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對遙感ET方面的研究日益關(guān)注，但對于利用遙感ET數(shù)據(jù)開展水資源量核定的應(yīng)用研究甚少。利用獲得遙感ET及降水量、水資源量、用水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)等開展基于遙感ET的水資源量核定應(yīng)用研究，以利于對研究區(qū)水資源狀況進行總體把握，為區(qū)域水資源合理利用提供支撐。

1 研究區(qū)概況

館陶縣位于海河流域南部，屬河北省邯鄲市，總面積456 km2，耕地面積占總面積的80%以上，是典型的農(nóng)業(yè)縣。1980—2005年多年平均降雨量531.6 mm，水面蒸發(fā)量1 515.6 mm。

根據(jù)邯鄲市水利統(tǒng)計年報和水資源公報，館陶縣2004—2008年來水量、排水量數(shù)據(jù)見表1。利用水平衡方程計算得出館陶縣年均ET統(tǒng)計為3.043 3億m3。

表1 館陶縣2004一2008年來水量和排放量統(tǒng)計 104m3

2 區(qū)域ET消耗特征

2.1 ET空間分布特征

遙感監(jiān)測ET最大的特點之一就是將蒸騰蒸發(fā)這無形的概念進行了直觀的反映，突出了空間區(qū)域上的分布特點。從館陶縣遙感ET分布圖可直觀地反映出水分蒸發(fā)的空間分布差異，以及年際間某一區(qū)域的變化情況。2007、2008年的年度遙感ET空間分布如圖1所示。

總體上，館陶縣ET值東北高、西南較低，耕地ET較高、城區(qū)ET較低。從館陶縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)對比而言，徐村鎮(zhèn)和路橋鄉(xiāng)ET較高，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)差別不大。館陶縣主要作物為小麥、玉米和棉花，在各自生長季期間，3種作物2002—2008年年均蒸散量分別為 354.4、384.8和501.9 mm。

2.2 ET不同時段分布特征

利用已有的ET成果，統(tǒng)計2002—2008年各月份的ET，得到如圖2的變化曲線：

圖2 館陶縣2002—2008年各月份ET消耗變化曲線

區(qū)域遙感ET的年內(nèi)變化呈M型，兩個波峰出現(xiàn)在5月和8月，6月稍有回落。從影響ET數(shù)值的因素上分析，地表植被的變化是造成這種消耗變化的最關(guān)鍵因素。館陶縣大部分耕地是小麥與玉米輪作種植。小麥的生長期從當(dāng)年10月開始，至來年6月上旬收割。其中，5月份是小麥生長最旺季節(jié)，對水分的需求也最大。6月上旬，小麥?zhǔn)崭钔戤?，種植玉米。8月份，玉米生長旺盛，田間蒸發(fā)量再度達到峰值。9月份，溫度有所下降，蒸發(fā)量隨之減少。10月上旬，玉米基本收割完畢，蒸發(fā)量迅速回落。圖2中ET曲線變化十分吻合當(dāng)?shù)刈魑锏姆N植特點，說明ET受地表植被的影響很大。

3 區(qū)域水資源量核定

3.1 區(qū)域水分盈缺分析

一個地區(qū)水資源盈缺性質(zhì)，就是通過降水量與該地區(qū)的蒸騰蒸發(fā)量的對比，以求得水量盈余狀況。從長期來看，當(dāng)區(qū)域降水量Pm大于等于綜合蒸發(fā)量（ET綜合）時為天然水資源有余或者達到平衡；當(dāng)區(qū)域降水量Pm小于綜合蒸發(fā)量（ET綜合），該地區(qū)為資源型缺水地區(qū)，天然水資源不足。

館陶縣位于華北平原南部傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植區(qū)，屬于典型的資源型缺水地區(qū)，多年平均降水量小于蒸發(fā)量。為保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水，一直大量開采利用地下水。館陶縣的降水，除一部分補給地下水后，大部分以地表土壤水分蒸發(fā)和植物水分蒸騰的形式形成ET，很少量以徑流形式排放入河道中。館陶縣水分盈余的計算結(jié)果見表2。

表2 2004—2008年館陶縣水分盈缺計算結(jié)果

館陶縣2004—2008年的年度降水變化較大，但各年度的蒸發(fā)量變化較小，均在660 mm以上。5年年均蒸發(fā)量為688 mm，折合水量為3.1億m3。5年年均降水量為528 mm，折合水量為2.4億m3，年均蒸發(fā)量比降水量多7 279萬m3，即可認(rèn)為實際發(fā)生耗水量比年均降水量多7 279萬m3，該部分水量需要通過地下水開采、外區(qū)域引水等方式來獲得。

3.2 遙感ET與統(tǒng)計ET對比分析

遙感ET是根據(jù)地面能量平衡原理，由遙感獲取的影像資料借助模型進行解譯而獲取的蒸散發(fā)量。統(tǒng)計ET是根據(jù)區(qū)域水量平衡的原理計算的ET。使用兩種方法對館陶縣2004—2008年各年度蒸發(fā)耗水進行對比分析，各年度的遙感ET與水平衡計算的ET統(tǒng)計之間差別較大，最大差值出現(xiàn)在2006年，高達0.75億m3，該年的降水量僅有1.4億m3；其他各年兩種ET的相對誤差均超過了10%。從多年總數(shù)和平均數(shù)值分析，其總量差值為4 631萬m3，均值差值為926萬m3，誤差僅為2.95%。上述分析說明，從多年平均情況看，遙感蒸發(fā)ET與水平衡計算ET基本接近，遙感ET的數(shù)據(jù)精度較為可靠，且可以代表ET消耗的實際情況。

3.3 遙感ET與地下水凈使用量對比分析

地下水凈使用量（NGU）是地下水抽取量Itw和地下水回補量qnr之間的差值：NGU=Itw-qnr。地下水凈使用量充分反映了自然和人類活動雙重因素影響下的地下水儲量變化。

地下水的抽取量是指通過機井抽取的地下水，主要用于田間灌溉、工業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水。地下水的回補量是指地下水的總補給量，包括降水、灌溉、地表水體等的下滲回補給地下水，即通常所說的地下水回歸水量。

地下水凈使用量絕大部分通過灌溉形式，在田間的地表土壤、植被的作用下形成了凈蒸發(fā)，是水分消耗的重要來源之一。根據(jù)遙感監(jiān)測ET與地下水凈使用量、降水量、水平衡統(tǒng)計ET，得到數(shù)據(jù)分析見表3。遙感ET與降水量的差值年均值為7 187.5萬m3，地下水凈使用量為5 196萬m3，兩者比值為72.3%。由此看出，遙感監(jiān)測ET和降水量的差值與地下水凈使用量存在正相關(guān)關(guān)系。

表3 ET與地下水凈使用量、降水量的對比分析104m3

3.4 利用遙感ET核定耕地的實際用水總量

（1）核定實際用水總量。耕地上的用水總量核定分為兩步完成：第一步，計算除降水形成的ET消耗以外的用水形成的消耗。計算公式為：非降水形成的ET 消耗（非降水 ET）=實際消耗（ET）-降水形成的消耗（降水ET）。第二步，結(jié)合供用水的地下水補給量數(shù)據(jù)，核算耕地上的用水總量（假設(shè)區(qū)域土壤水蓄變量不變）。計算公式為：用水總量=其非降水形成的ET消耗（非降水ET）+相應(yīng)的地下水補給量。

按上述分析，經(jīng)計算得出館陶縣耕地實際總用水量為1.252 2億m3。

（2）核定的耕地用水總量與統(tǒng)計量的差值分析：遙感ET核算耕地上用水總量為1.252 2億m3。換言之，要產(chǎn)生耕地上的總ET水分消耗，除了降水產(chǎn)生的蒸發(fā)量以外，還有其他用水產(chǎn)生的蒸發(fā)，包括機井地下水開采、衛(wèi)運河引水灌溉等。

根據(jù)館陶縣水資源公報數(shù)據(jù)，2008年館陶縣耕地上用水總量為8 482萬m3，其中打井取水灌溉8 222萬m3、衛(wèi)運河引水灌溉260萬m3。利用遙感ET核定的實際用水總量與統(tǒng)計的用水總量存在4 000多萬m3的差值，統(tǒng)計的用水總量小于實際用水總量。

通過遙感ET核定的耕地用水總量不等于通過統(tǒng)計得到的用水量，主要是因為：一是統(tǒng)計的用水總量數(shù)據(jù)比實際用水量偏小。通過實際調(diào)查，一小部分灌溉的地下水取用量未統(tǒng)計；此外衛(wèi)運河引水量數(shù)據(jù)偏小。衛(wèi)運河沿河農(nóng)民有利用揚水站直接提水灌溉的習(xí)慣，該部分的水量沒有統(tǒng)計在水資源公報數(shù)據(jù)中。二是由于土壤水蓄變量的不同造成土壤水分散失量年際間的變化。土壤水分像個小水庫一樣，承擔(dān)著調(diào)節(jié)作用，豐水年儲存較多的水分，在平水年和枯水年期間提供植被和地表的水分蒸發(fā)。

3.5 利用遙感ET核定區(qū)域土壤水資源變化量

土壤水是整個水循環(huán)最活躍的因素，是聯(lián)系地表水和地下水的紐帶，是影響植物生長期間水分利用的最關(guān)鍵因素，也是影響地表蒸發(fā)蒸騰的關(guān)鍵因素，其在區(qū)域水資源動態(tài)變化中最難以計算和測量?；谶b感監(jiān)測ET數(shù)值基礎(chǔ)，使土壤水分變化量的估算成為可能，在宏觀、整體角度，考慮區(qū)域（館陶縣）水量的動態(tài)平衡和變化，可推求各年度土壤含水量的變化量。

土壤水資源的定義：本文界定土壤水資源為存在于非飽和帶中，可以被農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境利用的水量。土壤水量平衡，如圖3所示。

圖3 土壤水量平衡示意

對于一特定區(qū)域來說，其來水和排水建立平衡關(guān)系如下：

將水平衡公式變化為：

其中，ΔW為區(qū)域內(nèi)的蓄變水量，包括蓄水工程的蓄水變量和土壤水分變化量。在館陶縣，沒有大型蓄水工程，因此ΔW約等于土壤水分變化量即土壤水資源變化量。

對于館陶而言，來水和排水采用地方水資源公報數(shù)據(jù)，地下水取用量采用每年機井取水總量，地下水回補量采用地方水資源公報數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式推求。當(dāng)ET蒸發(fā)量亦為已知的情況下（即為遙感ET），只有未知數(shù)ΔW，因此可利用該公式推求得到2004—2008年土壤每年的水資源變化量。

圖4 土壤水資源變化量各年度變化

在圖4中，ΔW是計算所得土壤水資源變化量。ΔW是負(fù)值，說明該年度土壤水資源提供的蒸騰蒸發(fā)量大于年度的土壤水的補給量，土壤水資源總量減少；ΔW是正值時，說明該年度土壤水從降水、灌溉等獲得的補給量大于從土壤水提供植被、地表的蒸發(fā)量，土壤水資源總量得到增加。

因此，通過對土壤水資源變化量的計算分析可以得出：

（1）總體上，2004—2008年5年的土壤水資源變化量很小，僅有131萬m3，年均為26萬m3，只占到多年平均蒸發(fā)量的0.08%，可以忽略不計。這個結(jié)果也可以說明，在區(qū)域水資源量核定中，對于多年長系列的水資源總量的計算，土壤含水量的變化是很小的，其影響可以不用考慮。

（2）從各年度分析來看，土壤水資源的年際變化量是很大的，尤其是豐水年和枯水年。在核算區(qū)域水資源總量的時候，應(yīng)考慮土壤水資源的變化量，這是個不可忽視的因素之一。

（3）從百分比數(shù)值分析來看，負(fù)值百分比可理解為土壤水資源的減少量所形成的蒸騰蒸發(fā)占整個蒸發(fā)量的比重，年度差異較大，如2004年占10%、2006年占20%、2008年只占8%。同時，百分比的數(shù)值也反映了土壤水資源的變化量占整個區(qū)域ET消耗總量的權(quán)重，這個權(quán)重區(qū)間在-8%～25%之間，年際間的差異很大，因此各年度的土壤水資源量的變化是非常劇烈的。

4 結(jié)語

ET耗水是區(qū)域水資源的真正消耗量，利用遙感技術(shù)求得真實耗水ET，其在時間連續(xù)和空間大尺度上的優(yōu)勢將是傳統(tǒng)水平衡ET很難達到和解決的，也是遙感監(jiān)測ET新技術(shù)在水利方面的具體應(yīng)用。本文在遙感ET和區(qū)域的水資源量尤其是用水總量和土壤水資源變化量方面做了一定的應(yīng)用研究，從遙感技術(shù)獲取的ET數(shù)據(jù)，不僅可以很好地監(jiān)測各區(qū)域的水分消耗總量，也可以監(jiān)測水分生產(chǎn)率的高低分布狀況，為水資源管理、高效用水提供新的高效的技術(shù)手段。

受當(dāng)前遙感監(jiān)測ET技術(shù)的發(fā)展階段、應(yīng)用研究現(xiàn)狀和技術(shù)能力的限制，其研究過程和應(yīng)用結(jié)果存在不盡完善之處，還需要繼續(xù)實踐和探索。隨著新技術(shù)的發(fā)展，會出現(xiàn)更高精度的影像數(shù)據(jù)和更加完善的ET計算模型，遙感ET數(shù)據(jù)成果精度會進一步提升，并應(yīng)用于水資源管理，為應(yīng)對水資源短缺提供支撐。