華北平原大型灌區(qū)生態(tài)水文綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

呂華芳，雷慧閩，楊大文，薄宏波

（1.水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084；2.山東省聊城市位山灌區(qū)管理處，山東聊城 252000）

華北平原大型灌區(qū)生態(tài)水文綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

呂華芳1，雷慧閩1，楊大文1，薄宏波2

（1.水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084；2.山東省聊城市位山灌區(qū)管理處，山東聊城 252000）

清華大學(xué)水利水電工程系在華北平原地區(qū)建立生態(tài)水文綜合觀測(cè)網(wǎng)，進(jìn)行農(nóng)田生態(tài)水文綜合試驗(yàn)研究。該觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)通過對(duì)不同空間和時(shí)間尺度的水、熱、物質(zhì)循環(huán)的連續(xù)觀測(cè)，形成對(duì)不同時(shí)間和空間尺度水循環(huán)機(jī)理的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，為現(xiàn)代水文學(xué)與水資源科學(xué)的發(fā)展提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，將該網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星遙感觀測(cè)相結(jié)合，可以將田間觀測(cè)推廣到全灌區(qū)，對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理和制定社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃具有重要的實(shí)踐意義。該觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量項(xiàng)目完整，觀測(cè)手段先進(jìn)，可為其他類似站網(wǎng)的建設(shè)提供參考。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；水文綜合觀測(cè)站；水熱循環(huán)；通量觀測(cè)；多尺度

我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)占國土面積的19%，是我國第3大植被生態(tài)系統(tǒng)［1］。農(nóng)業(yè)用水占到總用水量的63%，且有效利用率僅為40%左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家，農(nóng)業(yè)生態(tài)節(jié)水已引起國家的高度重視。華北平原是我國最大的糧食產(chǎn)區(qū)，占我國農(nóng)田總面積的18.6%［2］，而水資源量?jī)H占全國水資源量的3%（1956—2000年平均），提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率不僅可以減少農(nóng)業(yè)水資源的消耗，同時(shí)還有利于控制農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)環(huán)境和生態(tài)的影響，因此農(nóng)業(yè)生態(tài)用水的合理高效利用在華北平原尤為重要。

目前，我國有關(guān)農(nóng)業(yè)生態(tài)節(jié)水應(yīng)用基礎(chǔ)理論與試驗(yàn)研究方面比較薄弱，缺乏農(nóng)業(yè)生態(tài)節(jié)水發(fā)展所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累［3］。尺度理論將是農(nóng)業(yè)生態(tài)節(jié)水領(lǐng)域解決實(shí)際問題的關(guān)鍵，需要利用先進(jìn)的觀測(cè)手段和全方位的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，從具有代表性的點(diǎn)尺度（小尺度）上的研究著手，找出水資源消耗的機(jī)理，將得到的研究結(jié)果擴(kuò)展到區(qū)域上（大尺度上）。

1 總體設(shè)計(jì)

山東省聊城市位山灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積33.87萬hm2（508萬畝），是華北平原半干旱半濕潤(rùn)區(qū)、黃河下游的大型引黃灌區(qū)，多年平均引黃水量約10億m3，是我國第5大灌區(qū)，在我國北方農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中具有較好的代表性。在該地區(qū)建立生態(tài)水文綜合觀測(cè)網(wǎng)，進(jìn)行農(nóng)田生態(tài)水文綜合試驗(yàn)研究，通過對(duì)常規(guī)氣象因子、水循環(huán)、能量循環(huán)和物質(zhì)（碳、水質(zhì)）循環(huán)等項(xiàng)目在不同空間和時(shí)間尺度上的連續(xù)觀測(cè)，定量分析灌區(qū)水分消耗、能量循環(huán)和物質(zhì)（碳、水質(zhì)）循環(huán)的變化規(guī)律，為現(xiàn)代水文學(xué)與水資源科學(xué)的發(fā)展提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理和制定社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃具有重要的實(shí)踐意義。

位山灌區(qū)生態(tài)水文綜合觀測(cè)網(wǎng)（見圖1）由3部分組成：通量觀測(cè)塔（見圖2），控制試驗(yàn)場(chǎng)（見圖3）和灌區(qū)水文氣象觀測(cè)網(wǎng)。其中，通量觀測(cè)塔位于作物均一的大田中，進(jìn)行農(nóng)田實(shí)際狀況的觀測(cè)，觀測(cè)項(xiàng)目包括水文、氣象及生態(tài)學(xué)研究中所涉及的要素，為氣象-水文-生態(tài)過程的機(jī)理研究，模型的輸入、率定和驗(yàn)證提供必要和完整的數(shù)據(jù)。控制試驗(yàn)場(chǎng)由若干控制測(cè)坑組成，進(jìn)行水肥耦合控制試驗(yàn)，用于掌握不同水分和養(yǎng)分條件下的作物耗水機(jī)理、作物產(chǎn)量形成過程和水質(zhì)運(yùn)移規(guī)律。灌區(qū)水文氣象觀測(cè)網(wǎng)包括地下水位、水質(zhì)、降雨、溫濕度、灌溉量、常規(guī)氣象要素、河道流量等項(xiàng)目，用于觀測(cè)這些要素的空間變化規(guī)律，為研究整個(gè)位山灌區(qū)生態(tài)水文循環(huán)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。三部分觀測(cè)從點(diǎn)到面，從地下到地上，組成了不同尺度灌區(qū)生態(tài)水文過程的綜合觀測(cè)體系。

圖1 位山引黃灌區(qū)生態(tài)水文綜合觀測(cè)網(wǎng)

1.1 通量觀測(cè)塔

水資源量與氣候變化密切相關(guān)［4］，CO2作為最主要的溫室氣體，它所引起的全球變暖及其可能的影響在全球引起了高度關(guān)注，CO2減排成為國際氣候談判的關(guān)鍵議題。因此，探尋陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2減排的有效方法成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而了解不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程及機(jī)理，量化各生態(tài)系統(tǒng)CO2吸收和排放狀況，是實(shí)現(xiàn)CO2減排、保護(hù)全球氣候環(huán)境的關(guān)鍵問題［5］。研究表明，農(nóng)田是區(qū)域碳循環(huán)的一個(gè)重要組成部分［6］。對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)而言，蒸散發(fā)和碳通量與區(qū)域耗水、糧食產(chǎn)量及CO2排放等緊密相關(guān)，在太陽輻射的能量驅(qū)動(dòng)下，以植物光合作用為主要途徑，水循環(huán)、能量循環(huán)以及碳循環(huán)三者緊密耦合在一起，在此背景下，水分及碳循環(huán)為核心的農(nóng)田生態(tài)水文過程研究成為生態(tài)水文學(xué)的前沿和熱點(diǎn)問題之一［7］。

以渦度相關(guān)技術(shù)為核心的通量觀測(cè)是國際上測(cè)定蒸散發(fā)和碳通量的標(biāo)準(zhǔn)方法［8-9］，其最大優(yōu)點(diǎn)是在配合凈輻射和土壤熱通量觀測(cè)的情況下，可通過地表能量平衡閉合度評(píng)價(jià)系統(tǒng)的觀測(cè)精度［10］，這也是評(píng)價(jià)渦度相關(guān)技術(shù)精度的主要方法，也使該技術(shù)成為唯一能夠?qū)崿F(xiàn)自我精度評(píng)價(jià)的觀測(cè)手段。

通量觀測(cè)塔（高10m）位于灌區(qū)的中心（N 36°38′55.5″，E 116°03′15.3″），其下墊面為一個(gè)約400m× 500m的矩形農(nóng)田，其土質(zhì)均勻、種植結(jié)構(gòu)為單一的冬小麥和夏玉米，田間的氣象條件、灌溉條件及種植條件與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況相符，在灌區(qū)內(nèi)具有代表性，觀測(cè)設(shè)備布置在試驗(yàn)田的中心位置［11］，其具體配置見圖2。

觀測(cè)均采用全球主流儀器生產(chǎn)商制造的儀器設(shè)備，開展標(biāo)準(zhǔn)化的項(xiàng)目觀測(cè)，保證了數(shù)據(jù)觀測(cè)的精度以及不同站點(diǎn)間數(shù)據(jù)的可比性。

核心觀測(cè)：采用Campbell Scientific公司生產(chǎn)的超聲風(fēng)速計(jì)與LICOR公司生產(chǎn)的CO2／H2O分析儀組成的渦度相關(guān)系統(tǒng)，進(jìn)行CO2、顯熱（由于垂向溫度梯度造成的熱通量）、潛熱（作物及地表的蒸發(fā)和騰發(fā)）和土壤中的熱通量的連續(xù)觀測(cè)。這與傳統(tǒng)的測(cè)坑法觀測(cè)作物耗水量的方法不同，它不改變土壤和大氣條件，直接觀測(cè)田間的蒸發(fā)和騰發(fā)量，實(shí)施長(zhǎng)期的、連續(xù)的和非破壞性的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)［12］。

輔助觀測(cè)包括：常規(guī)氣象觀測(cè)（降雨、空氣溫／濕度、輻射、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速／風(fēng)向等），植被狀態(tài)觀測(cè)（葉面積指數(shù)、生物量等），2個(gè)0～1.6m深的土壤觀測(cè)剖面進(jìn)行土壤狀態(tài)觀測(cè)（土壤熱通量、土壤溫度、土壤水分、土壤水勢(shì)、地下水埋深）。

以上均為自動(dòng)觀測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和存儲(chǔ)。此外，還配有土壤呼吸以及植物光合作用的觀測(cè)進(jìn)行碳循環(huán)研究；配有土壤蒸發(fā)、植物蒸騰等觀測(cè)進(jìn)行水分循環(huán)觀測(cè)。

圖2 通量觀測(cè)塔儀器配置圖及實(shí)物圖

1.2 控制試驗(yàn)場(chǎng)

控制試驗(yàn)對(duì)于研究農(nóng)業(yè)節(jié)水、施肥控制以及減少農(nóng)肥污染具有重要意義。試驗(yàn)場(chǎng)（見圖3）位于灌區(qū)內(nèi)許營(yíng)鄉(xiāng)堌堆王村，占地3.32公頃（49.8畝），試驗(yàn)區(qū)3.05公頃（45.8畝），包括27塊灌溉試驗(yàn)測(cè)坑和常規(guī)氣象觀測(cè)場(chǎng)。試驗(yàn)測(cè)坑包括9塊有底測(cè)坑（規(guī)格是4 m×4m×2m）和18塊無底測(cè)坑（規(guī)格是4m×4m）。測(cè)坑進(jìn)行冬小麥和夏玉米的輪番種植，開展的觀測(cè)項(xiàng)目有：灌溉量、施肥量、測(cè)坑土壤水分、土壤水水質(zhì)等。設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案為：將27塊試驗(yàn)田分成9組進(jìn)行不同施肥灌溉條件的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每組包括3塊試驗(yàn)田，相當(dāng)于設(shè)置3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)以減小誤差。

表1 灌溉控制試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

圖3 堌堆王灌溉試驗(yàn)站

1.3 水文氣象觀測(cè)網(wǎng)

研究位山灌區(qū)生態(tài)水文過程的空間分布，需要掌握水文氣象要素的空間變化規(guī)律，為模型的輸入、率定和檢驗(yàn)提供必要的數(shù)據(jù)。水文氣象觀測(cè)網(wǎng)各站點(diǎn)均勻分布在灌區(qū)的內(nèi)外。其中，氣象站、降雨和溫濕度站用于觀測(cè)常規(guī)氣象要素，可作為水文模型的輸入數(shù)據(jù)，為便于數(shù)據(jù)采集，儀器均為自記式（每1h測(cè)量1次），可根據(jù)實(shí)際需求，定期采集存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)。灌溉測(cè)流站用于測(cè)量不同地段的渠道流量，該數(shù)據(jù)也是水文模型的必要輸入量。渠道放水期間，采用自動(dòng)水位計(jì)連續(xù)監(jiān)測(cè)各斷面的水位，并根據(jù)水位-流量關(guān)系得到通過斷面的流量。地下水觀測(cè)井和水文站則提供地下水埋深、水質(zhì)和河道徑流的觀測(cè)數(shù)據(jù)，用于水文模型的率定和驗(yàn)證，其中地下水埋深的觀測(cè)同樣采用自記式地下水位儀（每6h測(cè)量1次）。水質(zhì)則通過人工定期采集地下水，依托其他專業(yè)單位通過水質(zhì)分析獲得，而河道流量的觀測(cè)則依托聊城市水文局，采用標(biāo)準(zhǔn)的水文測(cè)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量。

2 代表性成果及社會(huì)效益

（1）經(jīng)過多年的連續(xù)觀測(cè)，位山引黃灌區(qū)生態(tài)水文綜合觀測(cè)站積累了大量的水分、能量、碳通量觀測(cè)資料，從蒸散發(fā)、能量分配、碳通量傳輸?shù)幕疽?guī)律以及三者之間的耦合關(guān)系，分析并揭示了農(nóng)田生態(tài)水文過程的機(jī)理。

（2）基于位山通量觀測(cè)站和觀測(cè)網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在陸面過程模型SiB2的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了用于模擬田間尺度水分-能量-碳通量的水文強(qiáng)化陸面過程模型（HELP）；與作物生長(zhǎng)模型耦合，進(jìn)一步建立了田間尺度生態(tài)水文模型（HELP-C），實(shí)現(xiàn)了對(duì)作物與水文循環(huán)之間相互作用的模擬；利用衛(wèi)星遙感資料及GIS數(shù)據(jù)，將HELP（或HELP-C）與分布式水文模型相耦合，構(gòu)建了灌區(qū)尺度的生態(tài)水文模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌區(qū)水分、能量和碳循環(huán)的耦合模擬。并采用構(gòu)建的灌區(qū)生態(tài)水文模型模擬了位山灌區(qū)蒸散發(fā)及碳通量的歷史變化過程，預(yù)測(cè)了在未來氣候及灌溉情景下灌區(qū)作物耗水、灌溉需水、糧食產(chǎn)量以及CO2通量的可能變化［7］。

（3）基于地下水位觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)，以地下水位變化為重點(diǎn)，得到了引黃灌溉條件下位山灌區(qū)的水循環(huán)特征，為該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)［13］。通過灌溉控制試驗(yàn)，積累了大量的不同灌溉量、施肥量的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了土壤剖面中水分、鹽分和氮素的詳細(xì)采樣分析，基于農(nóng)田觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬，得到了灌溉與施肥影響下，農(nóng)田鹽分與氮素的分布及運(yùn)移規(guī)律［13］。

此外，在觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，已經(jīng)發(fā)表系列學(xué)術(shù)論文［14-23］，獲得了國內(nèi)外同行的高度評(píng)價(jià)。試驗(yàn)站成果還被應(yīng)用于指導(dǎo)位山灌溉處編制灌區(qū)灌溉和抗旱規(guī)劃，取得良好效果，不僅提高了位山灌區(qū)的灌溉業(yè)務(wù)水平，也為探討灌區(qū)的節(jié)水灌溉新途徑提供了基礎(chǔ)，對(duì)促進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境效益顯著。

3 展望

隨著試驗(yàn)觀測(cè)的深入，認(rèn)識(shí)到以水為介質(zhì)的泥沙和水質(zhì)研究在灌區(qū)具有與水循環(huán)本身同樣重要的意義，認(rèn)識(shí)到已有試驗(yàn)設(shè)計(jì)存在一些不足。主要表現(xiàn)在：一是水質(zhì)測(cè)量的頻次太低，無法準(zhǔn)確掌握水質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律；二是缺乏泥沙方面的測(cè)量項(xiàng)目。為此，需以水質(zhì)和泥沙為核心，進(jìn)一步完善和擴(kuò)充其基本功能；計(jì)劃建立更多的標(biāo)準(zhǔn)氣象場(chǎng)；以通量觀測(cè)塔為中心，建立農(nóng)田水循環(huán)觀測(cè)系統(tǒng)，包括增加設(shè)置灌溉和排水的量水系統(tǒng)，修建具有防滲能力的灌溉毛渠和排水毛溝，設(shè)置超聲波流量計(jì)，用以精確測(cè)量進(jìn)入和流出田間的地表水量；建立具有適當(dāng)密度的土壤水分自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)；設(shè)置一個(gè)具備常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)（包括pH、水溫、濁度、電導(dǎo)率、硝酸鹽含量、DO、COD等）分析能力的水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)室；設(shè)置一個(gè)用于灌區(qū)泥沙數(shù)量和顆粒級(jí)配分析試驗(yàn)的泥沙分析實(shí)驗(yàn)室。從而使觀測(cè)內(nèi)容更加全面（包括標(biāo)準(zhǔn)氣象因子、水循環(huán)、能量循環(huán)和物質(zhì)（碳、泥沙和水質(zhì)）循環(huán)，并提高觀測(cè)設(shè)備的精度和自動(dòng)化水平，使之成為華北平原大型農(nóng)業(yè)灌區(qū)中一個(gè)典型的水文-氣象-泥沙-水質(zhì)綜合觀測(cè)與試驗(yàn)研究基地。

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Design of ecohydrological observation network in a large irrigation district of North China plain

LüHuafang1，Lei Huimin1，Yang Dawen1，Bo Hongbo2
（1.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Department of Hydraulic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Management Office of the Weishan Irrigation District，Liaocheng 252000，China）

The Weishan Irrigation District（Liaocheng，Shandong Province）is a typical irrigated area in the Northern China plain，and is the fifth largest region in China.In order to provide a platform for ecohydrological researches，an observation network is set up by the Department of Hydraulic Engineering of Tsinghua University，including the observation of water，energy，and carbon fluxes and other hydrometeorological elements.This network aims to understand the key processes which control the water cycle，and to provide a basic data set for modern hydrology and water resources studies.In combination with remote sensing data，this network can be extended to the entire irrigation district，which is meaningful for practical water management and sustainable development planning.This network contains comprehensive observation items with advanced techniques，and can be a reference for other similar hydrological observations.

agro-ecosystem；hydrological comprehensive observation；water-energy cycles；flux observation；multi-scale

S271-33

B

1002-4956（2013）05-0026-04

2013-01-23

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51209117）

呂華芳（1980—），女，山西臨汾，碩士，工程師，主要研究方向：水文水資源實(shí)驗(yàn)技術(shù).

E-mail：lvhf＠tsinghua.edu.cn