中小型灌區(qū)不同空間尺度的凈灌溉水量估算

呂鵬程

（新賓滿族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 撫順 113200）

為加強(qiáng)限制納污、用水效率和水資源開發(fā)利用管理，我國(guó)先后出臺(tái)雙控行動(dòng)方案、最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法及工作實(shí)施方案等，突出強(qiáng)調(diào)水資源管理制度考核的全面實(shí)施。效率紅線和總量控制控制的重要指標(biāo)有灌溉水有效利用系數(shù)、農(nóng)業(yè)用水總量等，這也是全面落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理的重要內(nèi)容。

目前，主要利用觀測(cè)分析法和直接測(cè)量法來(lái)測(cè)算凈灌溉用水量。然而撫順市中小型灌區(qū)較多，其中純井灌區(qū)93 處，小型灌區(qū)597 處，中型灌區(qū)6 處，這些灌區(qū)普遍缺少計(jì)量設(shè)施，試驗(yàn)觀測(cè)工作量較大，周期較長(zhǎng)，加之缺乏專業(yè)技術(shù)人員和工作經(jīng)費(fèi)，實(shí)際開展難度較大。隨著雙控行動(dòng)方案以及最嚴(yán)格水資源管理的落實(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)采集精度的要求不斷提高，測(cè)算工作量也明顯增多。因此，未來(lái)通過(guò)遙感蒸散發(fā)模型來(lái)測(cè)算灌溉水有效利用系數(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，比較常用的測(cè)算灌溉水有效利用系數(shù)和提取區(qū)域蒸發(fā)量的模型有TSEB、SEBS、SEBAL 等遙感蒸散發(fā)模型。例如郭二旺等、王行汗利用SEBAL 模型測(cè)算區(qū)域農(nóng)田蒸散發(fā)量和灌溉水有效利用系數(shù)；李杰等將數(shù)據(jù)綜合分析—計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型測(cè)算—實(shí)地監(jiān)測(cè)—遙感反演相結(jié)合，以遙感蒸散發(fā)模型為基準(zhǔn)提出測(cè)算用水效率的框架；溫媛媛等利用SEBS 模型揭示了小流域蒸散量的變化特征及分布規(guī)律；丁杰等采用SEBS 模型分析了生育期內(nèi)冬小麥蒸散發(fā)總量和地表水熱通量；陳鶴等基于SEBS 模型計(jì)算灌區(qū)蒸散發(fā)量，并進(jìn)一步探討了衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的瞬時(shí)值到日蒸散發(fā)、全年尺度估算方法；蔣磊等以河套灌區(qū)為例，應(yīng)用SEBAL 模型分析生育期灌溉水有效利用系數(shù)和蒸散發(fā)量，并利用遙感蒸散發(fā)模型估算了玉米日蒸散發(fā)量和產(chǎn)量；Yang 等利用SEBAL 模型模擬分析了2000-2010 年河套灌區(qū)蒸散發(fā)時(shí)空分布規(guī)律[1-8]?？傮w而言，雖然已經(jīng)開始將遙感蒸散發(fā)模型用于蒸散發(fā)量的提取和用水效率估算，但實(shí)際應(yīng)用度較低，特別是北方缺水應(yīng)用更少，對(duì)不同尺度用水效率的估算研究還鮮有報(bào)道。鑒于此，本文從不同空間尺度利用遙感解譯—試驗(yàn)觀測(cè)等技術(shù)計(jì)算遙感蒸散發(fā)量，與凈灌溉水量直接量測(cè)數(shù)據(jù)建立線性關(guān)系，并結(jié)合相關(guān)系數(shù)確定誤差最小的空間尺度，建立更有效、快速、準(zhǔn)確的最優(yōu)空間尺度下區(qū)域凈灌溉水量估算方法，以期為科學(xué)管理農(nóng)業(yè)水資源及最嚴(yán)格水資源管理考核提供一定支持。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

以2021 年現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值作為水稻試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源，對(duì)于未測(cè)到的作物按撫順市發(fā)布的作物灌溉定額及周邊試驗(yàn)站歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定。本研究取市用水定額中的偏高值作為未實(shí)測(cè)作物凈灌溉用水定額，即玉米1500m3/hm2、蔬菜3000m3/hm2和其它1500m3/hm2。由撫順市試驗(yàn)站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提供作物灌溉面積，遙感數(shù)據(jù)利用成像光譜儀MODIS提供的地表反照率、植被指數(shù)、覆蓋、溫度和反射率數(shù)據(jù)。DEM 數(shù)據(jù)是結(jié)合研究區(qū)范圍，經(jīng)Arc GIS 軟件拼接和最鄰近法重采樣操作，將下載的地理空間數(shù)據(jù)云轉(zhuǎn)變成1km 分辨率的DEM 數(shù)據(jù)，通過(guò)該數(shù)據(jù)糾正空氣溫度受研究區(qū)地形起伏變化的影響。

1.2 區(qū)域概況

撫順市地處遼寧省東部，下轄三縣四區(qū)(撫順縣、清原縣、新賓縣、新?lián)釁^(qū)、望花區(qū)、順城區(qū)、東洲區(qū))，總面積11271km2。該區(qū)域?qū)儆诩撅L(fēng)型大陸氣候，多年平均降水量650～800mm，上游大于下游，南側(cè)大于北側(cè)，豐、枯水年降水量相差3 倍以上，降水主要集中于6-9 月，約占全年總量的70%～80%。

撫順市主城區(qū)位于渾河流域中上游，渾河是其最大的河流，撫順段河長(zhǎng)38.5km，控制面積7353km2，渾河兩岸共有15 條支流河。左岸(南岸)從上～下依次為新泰河、東洲河、海新河、古城河，右岸(北岸)從上～下依次為章黨河、門進(jìn)河、李其河、鮑家河、詹家河、撫西河、將軍河、葛布東、葛布西、英石河、連島河。2020 年，其農(nóng)田有效灌溉2.28 萬(wàn)hm2，節(jié)水灌溉7867hm2，其中噴灌1553hm2、微灌1338hm2、管灌4820hm2及其它節(jié)水灌溉427hm2，主要農(nóng)作物包括水稻、大豆、玉米、薯類、蔬菜、水果和油料等。

1.3 計(jì)算方法

對(duì)于作物蒸發(fā)蒸騰量利用遙感蒸散發(fā)模型進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)建立實(shí)測(cè)凈灌溉水量與蒸散發(fā)量之間的線性關(guān)系計(jì)算確定凈灌溉水量，并與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析確定不同時(shí)空尺度下的計(jì)算誤差，在此基礎(chǔ)上明確誤差最小的空間尺度，運(yùn)算流程見圖1。

圖1 技術(shù)路線

1.3.1 遙感蒸散發(fā)量

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況和國(guó)內(nèi)外研究成果，采用SEBAL 模型和潛熱通量及逐日蒸散發(fā)量，詳細(xì)流程見文獻(xiàn)[9]。研究表明，蒸滲儀監(jiān)測(cè)日蒸散發(fā)量與該方法計(jì)算的遙感反演結(jié)果之間存在線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)0.98，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

在使用遙感數(shù)據(jù)前必須做預(yù)處理，前期處理有圖像掩膜、圖像鑲嵌、幾何校正以及輻射標(biāo)定等，可利用下式計(jì)算作物蒸散發(fā)量，即：

式中：λ、ET——蒸發(fā)潛熱(J/m3)和蒸散發(fā)量(m/s)；Rn、G、H——凈輻射量、土壤熱通量和顯熱通量(W/m2)。

1.3.2 試驗(yàn)水田凈灌溉水量

1）樣點(diǎn)田塊凈灌溉水量。某次單位面積凈灌溉用水量(w田凈i，mm)利用灌溉前、后典型田塊水深變化來(lái)確定，其表達(dá)式為：

式中：h2、h1——典型田塊灌水前、后的田面水深(mm)。

2）樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌水量。設(shè)wij、Aij為片區(qū)j作物i的單位面積景觀該用水量(m3/hm2)和灌溉面積(hm2)，m、n為作物種類和片區(qū)數(shù)量，利用下式計(jì)算樣點(diǎn)灌區(qū)年凈灌溉用水量，即：

3）區(qū)域凈灌水量。結(jié)合測(cè)算的單位面積水稻作物凈灌溉水量分片區(qū)、全區(qū)等計(jì)算典型區(qū)域凈灌溉用水量，采用撫順農(nóng)業(yè)灌溉定額按作物種植面積及結(jié)構(gòu)推算未實(shí)測(cè)的旱作凈灌溉水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)測(cè)算

2.1.1 樣點(diǎn)灌區(qū)選擇

遵循可行性、代表性和穩(wěn)定性原則合理選擇樣點(diǎn)灌區(qū)，并充分考慮市級(jí)區(qū)域內(nèi)灌區(qū)節(jié)水改造、灌溉面積分布等情況，盡可能選擇能夠反映市級(jí)區(qū)域灌區(qū)整體特征的樣點(diǎn)灌區(qū)。最終選擇樣點(diǎn)灌區(qū)31個(gè)，其中中型灌區(qū)6 處，小型灌區(qū)19 處，純井灌區(qū)6 處，樣點(diǎn)灌區(qū)情況如表1 所示。

表1 樣點(diǎn)灌區(qū)基本情況

2.1.2 樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉水量

根據(jù)撫順試驗(yàn)站的常年歷史研究資料和樣點(diǎn)灌區(qū)的實(shí)測(cè)凈灌溉水量數(shù)據(jù)，依據(jù)《全國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》中公式計(jì)算出各樣點(diǎn)灌區(qū)年凈灌溉用水量，如表2 所示。結(jié)果顯示，水稻畝均凈灌溉用水量w田凈處于682.98～447.95m3范圍。

表2 樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉水量

2.1.3 市級(jí)區(qū)域凈灌溉水量

市級(jí)區(qū)域灌溉水有效利用系數(shù)η市是指市級(jí)區(qū)域年凈灌溉用水量W 毛與年毛灌溉用水量W 凈的比值，按下式計(jì)算：

式中：W市中、W市小、W市井和η市中、η市小、η市井——中、小灌區(qū)和純井灌區(qū)的年毛灌溉用水量(萬(wàn)m3)和灌溉用水有效利用系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，2021年撫順市農(nóng)業(yè)灌溉用水量為24070萬(wàn)m3，其中中型灌、小型灌區(qū)、純井灌區(qū)毛灌溉用水量依次為19393.29萬(wàn)m3、4302.57萬(wàn)m3、459.99萬(wàn)m3，所對(duì)應(yīng)的農(nóng)田灌溉水有效系數(shù)0.578、0.622、0.589，如表3所示。從小到大排序?yàn)橹行停夹⌒停技兙鄥^(qū)，這符合灌區(qū)系數(shù)的變化規(guī)律，說(shuō)明撫順市不同規(guī)模灌區(qū)的系數(shù)變化規(guī)律合理。

表3 2021 年市級(jí)區(qū)域灌溉水有效利用系數(shù)

2.2 遙感測(cè)算

2.2.1 遙感蒸散發(fā)量

采用SEBAL 模型和2021 年MODIS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，計(jì)算2021 年撫順市逐日蒸散發(fā)量和年尺度蒸散發(fā)總量時(shí)空分布特征，如圖2 所示。結(jié)果顯示，2021 年撫順市年蒸散發(fā)總量處于480～1700mm 之間，在空間分布上渾河上游小于下游，南側(cè)小于北側(cè)，集中連片區(qū)域較明顯，年蒸發(fā)量主要集中于1100 附近，最大值發(fā)生于5 月，最小值發(fā)生在1 月，總體呈正態(tài)分布特征。

圖2 2021 年蒸散發(fā)量統(tǒng)計(jì)值

2.2.2 遙感蒸散發(fā)量與試驗(yàn)值關(guān)系

根據(jù)Arc GIS 軟件平臺(tái)和空間點(diǎn)位數(shù)據(jù)提取方法確定多期遙感反演日蒸散發(fā)量值，建立各樣點(diǎn)灌區(qū)空間點(diǎn)位一致的遙感蒸散發(fā)量與同一時(shí)間試驗(yàn)監(jiān)測(cè)灌溉水深的關(guān)系圖，如圖3 所示。結(jié)果顯示樣點(diǎn)灌區(qū)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值與遙感蒸散發(fā)量的相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)處于0.58～0.72 范圍。

圖3 樣點(diǎn)灌區(qū)遙感蒸散發(fā)量與實(shí)測(cè)凈灌溉水量的關(guān)系

通過(guò)分析撫順市遙感蒸散發(fā)量與同一時(shí)間試驗(yàn)監(jiān)測(cè)灌溉水深的關(guān)系圖發(fā)現(xiàn)，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8561，遙感蒸散發(fā)量與同一時(shí)間試驗(yàn)監(jiān)測(cè)灌溉水深高度相關(guān)。

2.2.3 遙感測(cè)算凈灌溉水量

依據(jù)2021 年灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)空間分布特征和年蒸散發(fā)量計(jì)算結(jié)果，采用遙感蒸散發(fā)量與實(shí)測(cè)凈灌溉用水量之間的關(guān)系式計(jì)算出2021 年灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)下的總灌溉用水量為24150 萬(wàn)m3，對(duì)比遙感估算與實(shí)測(cè)結(jié)果，遙感測(cè)算誤差不超過(guò)0.5%，說(shuō)明遙感測(cè)算具有較高的可信度與可行性。

3 結(jié)論

為解決作物凈灌溉水量測(cè)算受人為主觀影響大、測(cè)算難度高等問題，本文提出一種有效、快速、準(zhǔn)確的最優(yōu)空間尺度下區(qū)域凈灌溉水量估算方法，主要結(jié)論如下：

1）對(duì)撫順市尺度上，遙感蒸散發(fā)量與凈灌溉用水量的線性關(guān)系明顯，相關(guān)系數(shù)較高為0.8561，通過(guò)建立校正關(guān)系能夠保證凈灌溉用水量估算的精準(zhǔn)度。對(duì)樣點(diǎn)灌區(qū)尺度上，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值與遙感蒸散發(fā)量的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)處于0.58～0.72 范圍，對(duì)凈灌溉用水量可以利用遙感蒸散發(fā)量進(jìn)行推算。

2）采用遙感蒸散發(fā)量與實(shí)測(cè)凈灌溉用水量之間的關(guān)系式計(jì)算灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)下的總灌溉用水量，并對(duì)比遙感估算與實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)果顯示誤差不超過(guò)0.5%，說(shuō)明遙感測(cè)算具有較高的可信度與適用性。