基于ET 技術的水資源管理方法研究——以山西省潞城市為例

畢小雪，楊士斌，王玉芳，許新宜，楊 薇

（1.海河水利委員會海河下游管理局，天津 300061；2.北京師范大學，北京 100875）

1 引言

全球環境基金 （Global Environment Facility，簡稱GEF）支持下的“海河流域水資源與水環境綜合管 理 ” （Integrated Water and Environment Management，IWEM）項目（以下簡稱GEF海河項目）旨在海河流域范圍內探討水資源與水環境綜合管理的協調機制和行動計劃，提高海河流域水資源與水環境的綜合管理水平，減輕流域水污染狀況，從而改善渤海的水環境質量。

按照項目總體設計要求，漳衛南運河子流域是整個項目中以污染防治為重點的子流域級水資源和水環境綜合管理項目，其主要內容是編制水資源與水環境綜合管理戰略行動計劃（SAP），潞城市作為該子流域上游一個重要的縣級市開展水資源與水環境綜合管理規劃（IWEMP）的編制[1]。

世界銀行水資源專家提出，在流域水量平衡關系中，只有ET才是閉合區域內水資源的凈消耗量，即ET是一個區域的“真實”耗水量[2]。只有控制區域的ET量，才能從根源上控制水的損耗，終止地下水的過度開采，使全流域在可持續發展的同時，逐漸達到一個較合理的用水平衡并恢復良好的生態環境[3]。加強ET管理是促進水資源合理規劃的有效手段[4]。因此，結合海河流域水資源管理的需要和遙感技術的發展，GEF海河項目提出了一種基于ET技術的水資源管理方法，主要體現在遙感ET的應用、目標ET理論、SWAT模型在ET模擬中的應用以及ET平衡分析。

筆者從基于ET技術的水資源管理方法出發，首先分別從供耗平衡原理、SWAT模型[5-7]、遙感ET 3個方面計算出潞城市的基準年綜合ET，進而推算出規劃年的目標ET。通過構建潞城市SWAT模型，設置不同的農業管理方式，得到不同情景下的模擬ET，并將其與相應的目標ET進行平衡分析。充分將ET技術應用到潞城市水資源管理中，為調整潞城市水資源利用與分配方式、制定合理的IWEMP提供一定的決策依據。

2 研究區概況

潞城市域全境屬海河流域漳衛南運河子流域，地處山西省東南部，西北與襄垣縣以山為界，東北與黎城縣隔河相望，東南與平順縣谷嶺交錯，西南與長治市郊區垣川接壤。市境輪廓呈不規則四方形狀，面積為614.94 km2。境內氣候屬中溫帶大陸性氣候；多年平均年氣溫為9.2℃；多年平均年降雨量為501.6 mm；多年平均年蒸發量為1 559.3 mm。常流河有濁漳南源和濁漳干河，其他均為季節性河流。潞城市轄4個鎮（店上鎮、翟店鎮、微子鎮、辛安泉鎮）、3個鄉（史回鄉、合室鄉、黃牛蹄鄉）、2個辦事處（潞華辦事處、成家川辦事處），共202個行政村。

隨著潞城市經濟的發展，水資源問題日益嚴峻。地表水可利用率低，河流污染嚴重，導致地表水可供水量日趨衰減，水資源的供需矛盾日益突出。

3 潞城市目標ET的確定

3.1 基準年綜合ET計算

根據文獻[1]，2004年作為該項目基準年。筆者分別從供耗平衡原理、SWAT模型和遙感ET 3個方面計算基準年的綜合ET值。

3.1.1 基于供耗平衡原理的ET計算

供耗平衡原理是指在實際水資源消耗量和總的目標消耗量 （或稱之為水資源允許最大消耗量ET）間的平衡。潞城市的最大可用ET，是指當地所有可以用于蒸散發的水量，用本地降水量與其他可以蒸發的水量之和減去通過徑流方式流出本地的水量。根據潞城市2004年基線調查報告可知，該地區雖有出入境河流，但多數為過境流量，2004年尚未開始建立污水處理廠（2005年興建），且沒有境外調水，因此以上部分不納入計算。按照現狀水權分配，潞城市可利用水資源量為0.44億m3；考慮到河道生態需水的因素，假定由于降水形成的自產徑流量的10%作為區域內河道的生態需水量，通過供耗平衡原理計算得到全市的最大可用ET為510.70 mm。

3.1.2 基于SWAT模型的ET計算

利用北京師范大學水科學研究院開發的潞城市SWAT模型應用工具，建立潞城市SWAT模型，模擬基準年ET值[8-10]。根據潞城市數字高程模型（DEM）和數字河網圖，利用ArcGIS9.2版本的空間分析模塊，將潞城市劃分為64個子流域。輸入土地利用圖和土壤圖，按照模型要求進行重分類并疊加，生成413個水文響應單元（HRU），構建SWAT模型參數庫。將其與氣象、降雨信息等輸入到潞城市SWAT模型應用工具中，設置基準年的作物種植結構、灌溉制度和灌溉水源，最終得到模擬ET結果為462.61 mm。

3.1.3 基于遙感技術的ET計算

中科院遙感所提供了基于ETWatch系統生產的30m×30m分辨率的2003、2007、2008年的山西省潞城市全市的遙感ET，見表1。

表1 2003、2007、2008年潞城市遙感ET數據

由表1可知，潞城市高分辨率的遙感ET數據缺乏長時間序列，只有2003、2007、2008年3年的數據。考慮到缺少基準年2004年的遙感數據，且現有3年的數據差別較大，這里暫取其平均值，約為448.3 mm。而綜合ET為遙感ET與工業及生活耗水ET之和，根據基線調查結果，現狀工業與生活耗水量約為2 586萬m3，折合ET值為42.06 mm，因此由遙感數據得到的綜合ET值為490.36 mm。

3.1.4 潞城市基準年綜合ET值的確定

由以上3種方法計算得到的綜合ET值差別較大，其中的任何一個結果均不能完全代表基準年的實際綜合ET值。因此，筆者綜合考慮了以上3種方法的差異性及潞城市的產業結構和農業種植特點，結合GEF海河項目要求，對上述3個計算結果進行加權平均作為潞城市基準年的綜合ET值，即為487.9 mm。

3.2 規劃年目標ET確定

目標ET理論是水資源管理研究的前沿，受到世行項目專家組的高度推崇，被確定為GEF海河項目的重要基礎理論。目標ET是指在一個特定發展階段的流域或區域內，以其水資源條件為基礎，以生態環境良性循環為約束，滿足經濟持續向好發展與和諧社會建設要求的可消耗水量。

由前述研究結果可知，基準年綜合ET為487.9 mm。參考《海河流域節水和高效用水戰略研究》的研究成果，潞城市2020年目標ET為467.00 mm。依據文獻[1]，至2010、2020年分別完成削減ET量的40%與100%，從而得到2010、2020年的目標ET分別為480、467 mm。

4 規劃年模擬ET計算

依據文獻[1]，結合潞城市基準年水資源利用現狀，對 2010年平水年 （P=50%）、2010年枯水年（P=75%）、2020年平水年 （P=50%）、2020年枯水年（P=75%）4個情景進行設置，分別采用不同的作物種植結構、灌溉制度以及灌溉水源[11]，利用潞城市SWAT模型應用工具進行情景模擬，情景設置及模擬結果見表2。

5 ET平衡分析計算

ET平衡分析計算，即為規劃年的模擬ET與相應的目標ET間的平衡分析計算，所得到的差值即為削減ET值。不同情景下的潞城市ET平衡分析計算結果見表3，如圖1所示。

結果表明，在情景年2010年，不同水平年的模擬ET均低于目標ET。這說明了調整作物種植結構，加大節水灌溉力度，可減少農業耗水量。而枯水年的模擬值大于平水年的模擬值，這是由于枯水年降雨較平水年減少，導致灌溉水量加大，從而使無效ET增多。因此，針對不同的作物類型，需要實施不同的灌溉方式，積極實行覆蓋保墑措施，提高作物的水分利用效率，從而減少無效ET的產生。

表2 情景設置及模擬結果

表3 不同情景下潞城市ET平衡分析計算結果

在2010年基礎上，2020年將進一步調整作物種植結構，加大林地的種植面積，減少耕地面積，同時減少灌溉水量，但是模擬ET較2010年并沒有減少。這是因為林地面積的增加使得植物蒸騰量增加，從而導致ET總量并未降低。在這樣的情況下，應繼續加強對該地區農業種植結構的調整，積極發展溫室及其他高效農業。同時，計算結果表明，盡管2020年的模擬ET低于目標ET，但是兩者差距減小。因此，在進一步加大農業管理方式調整力度的基礎上，要注重其他水源的開發與利用，加強水資源的合理配置，降低耗水量，以提高地區水資源綜合利用水平。

圖1 不同情景下潞城市ET平衡分析

6 結論

根據GEF海河項目要求，結合潞城市的實際情況，開展了基于ET技術的水資源管理方法研究。從供耗平衡原理、SWAT模型和遙感ET 3個方面計算出基準年的綜合ET值。結合目標ET理論，計算出規劃年目標ET。從調整作物種植結構、灌溉制度和灌溉水源3個方面，設置不同的情景，利用潞城市SWAT模型應用工具模擬ET值，進行ET平衡分析計算，通過改善情景設置使模擬ET值達到水資源管理目標，從而為潞城市水資源管理提供科學的決策依據。

需要指出的是，目前可獲得的遙感解譯ET數據的精度還未達到較高的水平，因此在實際應用過程中需考慮其本身存在的誤差。并且針對像海河流域這樣高強度人類活動的地區，SWAT模型在水庫、灌溉、取用水模擬方面存在不足，今后需做進一步的改進。

[1]北京師范大學（BNU）.GEF項目報告：山西省潞城市水資源與水環境綜合管理規劃（IWEMP）[R].北京：北京師范大學，2011.

[2]王晶，袁剛，王金梁，等.ET管理在節水措施中的應用[J].水科學與工程技術，2009（1）：33-36.

[3]王介民，劉紹民，孫敏章，等.ET的遙感監測與流域尺度水資源管理[J].干旱氣象，2005，23（2）：1-7.

[4]李永根.加強ET管理，實現農業真實節水[J].河北水利，2007（2）：26-28.

[5]丁晉利，鄭粉莉.SWAT模型及其應用[J].水土保持研究，2004，11（4）：128-130.

[6]Neitsch， S.L.， Arnold， J.G.， Kiniry， J.R.， Srinivasan，R.&Williams， J.R. （2005） Soil and Water Assessment Tool User's Manual（Version 2005）[M].Grassland， Soil and Water Research Laboratory， Agricultural Research Service，Temple， Texas， USA，2005：1-520.

[7]Neitsch， S.L.， Arnold， J.G.， Kiniry， J.R.， &Williams，J.R.（2001） Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation （Version 2000） [M].Grassland， Soil and Water Research Laboratory， Agricultural Research Service，Temple， Texas， USA， 2005：1-483.

[8]王中根，朱新軍，夏軍，等.海河流域分布式SWAT模型的構建[J].地理科學進展，2008，27（4）：1-6.

[9]羅睿，徐宗學，程磊.SWAT模型在三川河流域的應用[J].水資源與水工程學報，2008，19（5）：28-33.

[10]羅慈蘭，葉水根，李黔湘.SWAT模型在房山區E T的模擬研究[J].節水灌溉，2008（10）：47-49.

[11]馬濟元.農業節水灌溉新的理念與實踐 [J].世界農業，2009（2）：52-55.