中小型灌區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服務中心，遼寧 撫順 113200）

為加強限制納污、用水效率和水資源開發利用管理，我國先后出臺雙控行動方案、最嚴格水資源管理制度考核辦法及工作實施方案等，突出強調水資源管理制度考核的全面實施。效率紅線和總量控制控制的重要指標有灌溉水有效利用系數、農業用水總量等，這也是全面落實最嚴格水資源管理的重要內容。

目前，主要利用觀測分析法和直接測量法來測算凈灌溉用水量。然而撫順市中小型灌區較多，其中純井灌區93 處，小型灌區597 處，中型灌區6 處，這些灌區普遍缺少計量設施，試驗觀測工作量較大，周期較長，加之缺乏專業技術人員和工作經費，實際開展難度較大。隨著雙控行動方案以及最嚴格水資源管理的落實，對數據采集精度的要求不斷提高，測算工作量也明顯增多。因此，未來通過遙感蒸散發模型來測算灌溉水有效利用系數具有廣泛的應用前景。

根據現有研究成果，比較常用的測算灌溉水有效利用系數和提取區域蒸發量的模型有TSEB、SEBS、SEBAL 等遙感蒸散發模型。例如郭二旺等、王行汗利用SEBAL 模型測算區域農田蒸散發量和灌溉水有效利用系數；李杰等將數據綜合分析—計量經濟學模型測算—實地監測—遙感反演相結合，以遙感蒸散發模型為基準提出測算用水效率的框架；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律；丁杰等采用SEBS 模型分析了生育期內冬小麥蒸散發總量和地表水熱通量；陳鶴等基于SEBS 模型計算灌區蒸散發量，并進一步探討了衛星過境時刻的瞬時值到日蒸散發、全年尺度估算方法；蔣磊等以河套灌區為例，應用SEBAL 模型分析生育期灌溉水有效利用系數和蒸散發量，并利用遙感蒸散發模型估算了玉米日蒸散發量和產量；Yang 等利用SEBAL 模型模擬分析了2000-2010 年河套灌區蒸散發時空分布規律[1-8]。總體而言，雖然已經開始將遙感蒸散發模型用于蒸散發量的提取和用水效率估算，但實際應用度較低，特別是北方缺水應用更少，對不同尺度用水效率的估算研究還鮮有報道。鑒于此，本文從不同空間尺度利用遙感解譯—試驗觀測等技術計算遙感蒸散發量，與凈灌溉水量直接量測數據建立線性關系，并結合相關系數確定誤差最小的空間尺度，建立更有效、快速、準確的最優空間尺度下區域凈灌溉水量估算方法，以期為科學管理農業水資源及最嚴格水資源管理考核提供一定支持。

1 研究方法

1.1 數據來源

以2021 年現場試驗監測值作為水稻試驗數據來源，對于未測到的作物按撫順市發布的作物灌溉定額及周邊試驗站歷史監測數據確定。本研究取市用水定額中的偏高值作為未實測作物凈灌溉用水定額，即玉米1500m3/hm2、蔬菜3000m3/hm2和其它1500m3/hm2。由撫順市試驗站統計數據提供作物灌溉面積，遙感數據利用成像光譜儀MODIS提供的地表反照率、植被指數、覆蓋、溫度和反射率數據。DEM 數據是結合研究區范圍，經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據云轉變成1km 分辨率的DEM 數據，通過該數據糾正空氣溫度受研究區地形起伏變化的影響。

1.2 區域概況

撫順市地處遼寧省東部，下轄三縣四區(撫順縣、清原縣、新賓縣、新撫區、望花區、順城區、東洲區)，總面積11271km2。該區域屬于季風型大陸氣候，多年平均降水量650～800mm，上游大于下游，南側大于北側，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%。

撫順市主城區位于渾河流域中上游，渾河是其最大的河流，撫順段河長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，其農田有效灌溉2.28 萬hm2，節水灌溉7867hm2，其中噴灌1553hm2、微灌1338hm2、管灌4820hm2及其它節水灌溉427hm2，主要農作物包括水稻、大豆、玉米、薯類、蔬菜、水果和油料等。

1.3 計算方法

對于作物蒸發蒸騰量利用遙感蒸散發模型進行計算，通過建立實測凈灌溉水量與蒸散發量之間的線性關系計算確定凈灌溉水量，并與試驗監測數據對比分析確定不同時空尺度下的計算誤差，在此基礎上明確誤差最小的空間尺度，運算流程見圖1。

圖1 技術路線

1.3.1 遙感蒸散發量

根據研究區實際情況和國內外研究成果，采用SEBAL 模型和潛熱通量及逐日蒸散發量，詳細流程見文獻[9]。研究表明，蒸滲儀監測日蒸散發量與該方法計算的遙感反演結果之間存在線性相關性，相關系數0.98，通過顯著性檢驗。

在使用遙感數據前必須做預處理，前期處理有圖像掩膜、圖像鑲嵌、幾何校正以及輻射標定等，可利用下式計算作物蒸散發量，即：

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

1.3.2 試驗水田凈灌溉水量

1）樣點田塊凈灌溉水量。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確定，其表達式為：

式中：h2、h1——典型田塊灌水前、后的田面水深(mm)。

2）樣點灌區凈灌水量。設wij、Aij為片區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為作物種類和片區數量，利用下式計算樣點灌區年凈灌溉用水量，即：

3）區域凈灌水量。結合測算的單位面積水稻作物凈灌溉水量分片區、全區等計算典型區域凈灌溉用水量，采用撫順農業灌溉定額按作物種植面積及結構推算未實測的旱作凈灌溉水量。

2 結果與分析

2.1 試驗測算

2.1.1 樣點灌區選擇

遵循可行性、代表性和穩定性原則合理選擇樣點灌區，并充分考慮市級區域內灌區節水改造、灌溉面積分布等情況，盡可能選擇能夠反映市級區域灌區整體特征的樣點灌區。最終選擇樣點灌區31個，其中中型灌區6 處，小型灌區19 處，純井灌區6 處，樣點灌區情況如表1 所示。

表1 樣點灌區基本情況

2.1.2 樣點灌區凈灌溉水量

根據撫順試驗站的常年歷史研究資料和樣點灌區的實測凈灌溉水量數據，依據《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》中公式計算出各樣點灌區年凈灌溉用水量，如表2 所示。結果顯示，水稻畝均凈灌溉用水量w田凈處于682.98～447.95m3范圍。

表2 樣點灌區凈灌溉水量

2.1.3 市級區域凈灌溉水量

市級區域灌溉水有效利用系數η市是指市級區域年凈灌溉用水量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、小灌區和純井灌區的年毛灌溉用水量(萬m3)和灌溉用水有效利用系數。

經計算，2021年撫順市農業灌溉用水量為24070萬m3，其中中型灌、小型灌區、純井灌區毛灌溉用水量依次為19393.29萬m3、4302.57萬m3、459.99萬m3，所對應的農田灌溉水有效系數0.578、0.622、0.589，如表3所示。從小到大排序為中型＜小型＜純井灌區，這符合灌區系數的變化規律，說明撫順市不同規模灌區的系數變化規律合理。

表3 2021 年市級區域灌溉水有效利用系數

2.2 遙感測算

2.2.1 遙感蒸散發量

采用SEBAL 模型和2021 年MODIS 衛星數據源，計算2021 年撫順市逐日蒸散發量和年尺度蒸散發總量時空分布特征，如圖2 所示。結果顯示，2021 年撫順市年蒸散發總量處于480～1700mm 之間，在空間分布上渾河上游小于下游，南側小于北側，集中連片區域較明顯，年蒸發量主要集中于1100 附近，最大值發生于5 月，最小值發生在1 月，總體呈正態分布特征。

圖2 2021 年蒸散發量統計值

2.2.2 遙感蒸散發量與試驗值關系

根據Arc GIS 軟件平臺和空間點位數據提取方法確定多期遙感反演日蒸散發量值，建立各樣點灌區空間點位一致的遙感蒸散發量與同一時間試驗監測灌溉水深的關系圖，如圖3 所示。結果顯示樣點灌區試驗監測值與遙感蒸散發量的相關性較低，相關系數處于0.58～0.72 范圍。

圖3 樣點灌區遙感蒸散發量與實測凈灌溉水量的關系

通過分析撫順市遙感蒸散發量與同一時間試驗監測灌溉水深的關系圖發現，兩者的相關系數達到0.8561，遙感蒸散發量與同一時間試驗監測灌溉水深高度相關。

2.2.3 遙感測算凈灌溉水量

依據2021 年灌區種植結構空間分布特征和年蒸散發量計算結果，采用遙感蒸散發量與實測凈灌溉用水量之間的關系式計算出2021 年灌區種植結構下的總灌溉用水量為24150 萬m3，對比遙感估算與實測結果，遙感測算誤差不超過0.5%，說明遙感測算具有較高的可信度與可行性。

3 結論

為解決作物凈灌溉水量測算受人為主觀影響大、測算難度高等問題，本文提出一種有效、快速、準確的最優空間尺度下區域凈灌溉水量估算方法，主要結論如下：

1）對撫順市尺度上，遙感蒸散發量與凈灌溉用水量的線性關系明顯，相關系數較高為0.8561，通過建立校正關系能夠保證凈灌溉用水量估算的精準度。對樣點灌區尺度上，試驗監測值與遙感蒸散發量的相關性較高，相關系數處于0.58～0.72 范圍，對凈灌溉用水量可以利用遙感蒸散發量進行推算。

2）采用遙感蒸散發量與實測凈灌溉用水量之間的關系式計算灌區種植結構下的總灌溉用水量，并對比遙感估算與實測結果，結果顯示誤差不超過0.5%，說明遙感測算具有較高的可信度與適用性。