灌區潛水蒸發有效性評價

羅玉峰,李 思,彭世彰,鄭 強,馮躍華,朱非林,繳錫云

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 3.河南省豫東水利工程管理局惠北水利科學試驗站,河南開封 475101)

灌區潛水蒸發有效性評價

羅玉峰1,2,李 思1,2,彭世彰1,鄭 強1,2,馮躍華3,朱非林1,繳錫云1,2

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 3.河南省豫東水利工程管理局惠北水利科學試驗站,河南開封 475101)

為了提高潛水蒸發有效利用率,以河南省柳園口灌區為例,基于GIS的區域潛水蒸發計算方法,從潛水蒸發有效利用的必要條件入手,提出潛水蒸發有效性評價標準,區分了灌區的有效和無效潛水蒸發。結果表明:柳園口灌區多年平均潛水蒸發量為0.508億m3,其中無效潛水蒸發量為0.262億m3,占51.6%;有效潛水蒸發主要集中在3—5月,6—8月次之,10月的無效潛水蒸發最多,其他月份也都有一定的無效潛水蒸發量;2—5月的潛水蒸發主要發生在灌區中部和北部,麥地的為有效潛水蒸發,非農業用地的為無效潛水蒸發;提出的灌區潛水蒸發有效性評價方法簡單實用,易于區域化。

灌區;潛水蒸發;地下水管理;土地利用類型;土壤類型

潛水蒸發可為作物或生態植被提供水分,但同時也會引起大量的水分損失[1]。在地下水埋深較淺(埋深3～5m)的地區,區域性的潛水蒸發量不可忽視[2]。海河流域東部平原的無效潛水蒸發量達80億m3,約為水資源總量的1/5,如果能有效利用這部分潛水,華北地區的水資源供需狀況將大為改善[3]。河套灌區義長灌域多年平均潛水蒸發量達355.5萬m3,至少有36.6%不能被作物利用。新疆全區地下水埋深小于2m的面積有3.9萬km2,年潛水蒸發量達269億m3,占地下水補給總量的68%。近年來,潛水蒸發引起的水量損失問題越來越多地受到重視,在農業用水日益緊缺的形勢下,提高灌區潛水蒸發有效性具有重要意義。

由于潛水蒸發能被作物和生態植被利用,達到減少灌溉水量和保持生態平衡的效果,潛水蒸發的有效利用較早地受到關注[4-5]。對于潛水蒸發有效利用或減少無效損失,目前提出了一些調控措施,關于調控機理也有了初步研究。區分有效和無效潛水蒸發是進行調控機理研究的基礎,因此有必要進行潛水蒸發有效性評價研究。王曉贊[6]以小麥為例,認為有效潛水蒸發是指能被小麥吸收利用并蒸騰掉的那部分潛水蒸發量,并注意到土壤蒸發和小麥的蒸騰是同時存在的,但在試驗過程中無法將二者區分開,為此提出了有效潛水蒸發系數的概念,并以此指導小麥灌溉,但這種方法需要大量試驗數據支撐,在實際中由于作物種類多樣和地下水位的時空變化,采用這種方法需要在灌區內布置眾多試驗點,不可避免地產生較高的試驗成本。本文從潛水蒸發有效利用的必要條件入手,提出潛水蒸發有效性評價標準,區分有效和無效潛水蒸發,為灌區潛水蒸發調控研究提供依據。

1 灌區概況

柳園口灌區地處河南省開封市境內,位于東經114°21′～114°47′、北緯34°35′～34°53′之間,屬于淮河流域惠濟河水系,東至圈章河中支以西,西至開封市郊區,南至惠濟河,北到黃河大堤。灌區從黃河柳園口閘引水灌溉,灌區內渠系與水系如圖1所示。灌區控制面積為40724 hm2,耕地面積為30900 hm2。灌區屬半濕潤半干旱氣候帶,氣候溫和,無霜期長,多年平均降水量627 mm,多年平均蒸發量為1316 mm。土壤質地為輕壤土和砂壤土,地下水平均埋深為2～4 m。灌區內以種植水稻、小麥及玉米為主。羅玉峰[7]研究表明,柳園口灌區由于潛水蒸發引起的水量損失約為0.35億m3/a,為引黃水量的44%,基于灌區潛水蒸發的有效性評價,可進一步研究灌區潛水蒸發有效性調控策略。

圖1 柳園口灌區渠系與水系

2 灌區潛水蒸發計算

2.1 土地利用類型

對柳園口灌區近30年的遙感數據(影像為ETM+數據,分辨率為30 m×30 m)進行解譯,所選用的遙感數據時相在水稻生育期,2000年的解譯結果如圖2(a)所示。將所得土地利用類型圖輸入ArcGIS 10.0系統,采用系統的“重采樣”功能將柵格(分辨率)大小設置為500 m×500 m[8],如圖2(b)所示。采用系統的“重分類”功能將柳園口灌區的土地利用類型分為兩類:6—9月為水田、旱地及其他用地(包括裸地、建筑用地、水域、林地等);10月至次年5月為小麥地及其他用地。

圖2 2000年不同分辨率的土地利用

2.2 地下水埋深

根據柳園口灌區1981—2010年的逐月地下水埋深資料,分析地面高程與地下水位的關系,采用考慮地面高程的協克里金法對灌區地下水埋深進行柵格化插值,即首先對地下水位進行插值計算,然后通過地面高程減去地下水位即可得到地下水的埋深。選取500 m×500 m柵格大小,得到柳園口灌區30年逐月地下水埋深分布圖,圖3為2000年1月和6月的地下水埋深分布。

圖3 2000年地下水埋深分布(單位:m)

2.3 土壤類型

通過實地調查來驗證收集到的土壤類型矢量圖(1∶20萬分縣土壤類型圖)。在此矢量圖的基礎上,使用ArcGIS10.0的 Conversion Tools模塊中的“轉為柵格-面轉柵格”工具,將土壤類型矢量圖轉化為500 m×500 m柵格圖,實現與土地利用/覆被變化圖、地下水埋深圖格式與柵格大小的統一,得到灌區土壤類型柵格分布圖。柳園口灌區土壤類型主要為砂壤土和輕壤土。

2.4 水面蒸發

水面蒸發綜合反映了氣象因素的變化,因而可用水面蒸發表征氣象因素對潛水蒸發的影響。灌區內只有河南省豫東水利工程管理局惠北水利科學試驗站內的一個氣象站觀測水面蒸發,收集到1981—2011年的逐日水面蒸發量,整理成逐月水面蒸發量用于潛水蒸發計算。由于灌區面積并不太大,可采用這一站點的數據代表整個區域水面蒸發量。

2.5 公式參數

作物種植條件是影響潛水蒸發的主要因素之一。采用最小二乘法,運用改進的阿維里揚諾夫潛水蒸發公式[9]計算裸地條件和作物種植條件下的潛水蒸發公式參數值(表1),其中 Kc,ini、Kc,mid、Kc,end分別為作物生長初期、中期和末期的作物影響系數;h0為潛水蒸發極限埋深(地下水埋深大于該值時,潛水蒸發微弱,可忽略不計);n為經驗指數,一般取1～3。

表1 不同條件下潛水蒸發公式參數值

2.6 計算方法

灌區潛水蒸發計算采用羅玉峰等[10]提出的基于GIS的區域潛水蒸發計算方法,該方法首先確定灌區適合的柵格大小,并對該區域進行柵格劃分;然后分析土地利用類型、地下水埋深、土壤類型、水面蒸發等控制因素對潛水蒸發的影響,將這些因素以柵格的形式輸入ArcGIS系統,再通過基于VBA的Arcobjects編程[11]計算各柵格的潛水蒸發量,進而計算灌區的總潛水蒸發量。采用改進的阿維里揚諾夫公式逐柵格計算潛水蒸發量:

式中:Ec為潛水蒸發強度,mm/d;Kc為作物影響系數,裸地時Kc=1;E0為水面蒸發強度,mm/d;h為地下水埋深,m。

2.將服務功能與教育功能相結合。輔導員應利用每學期開學伊始或畢業生離校之際，針對各年級學生，通過召開主題班會、舉辦模擬招聘會、組織學生參加職業能力測試等形式，對大學生開展職業生涯規劃教育，結合就業指導的服務功能和教育功能，培養大學生的職業意識和規劃意識，進而引導大學生樹立正確的擇業觀和成才觀。

3 潛水蒸發有效性評價

作物生長需要的水分主要來自潛水、降水和灌溉水[6]。在作物生長條件下的潛水蒸發可分為兩部分:一部分通過作物的莖葉蒸騰散失到大氣中;另一部分通過土壤表面蒸發到大氣中。王曉贊[6]通過試驗方法來區分有效和無效潛水蒸發,這種方法需要觀測作物耗水量、土壤水損失量、地下水深層滲漏量及水平滲漏量等諸多參數,且難以提升到區域尺度。這里從潛水蒸發有效利用的必要條件入手,逐個柵格單元定量區分有效和無效潛水蒸發,最初始的區分標準為

式中:Ee為有效潛水蒸發量;E為潛水蒸發量。式(2)表明耕地和非耕地在非作物生長季節的潛水蒸發都為無效,其余則為有效。進一步考慮作物生長期內的無效潛水蒸發,則可以得到:

式中:ETa為作物耗水量(可采用聯合國糧農組織推薦的FAO-56方法計算[12])。

式(3)表明大于作物耗水量部分的潛水蒸發也是無效的。結合柳園口灌區實際情況,對不同土地利用類型及季節的潛水蒸發有效性進行分析。

如前所述,柳園口灌區土地利用類型劃分為兩類,其他用地包括裸地、建筑用地、水域、林地等,其中水域主要表現為水面蒸發,不產生潛水蒸發。林地由于發達的根系能利用深層地下水,且枝葉繁茂,通過蒸騰作用存在大量的潛水蒸發,將這類潛水蒸發近似歸類為裸地潛水蒸發,采用計算裸地時的阿維里揚諾夫潛水蒸發公式,此類潛水蒸發全年視為無效。

在6—9月,水田及灌區地下水埋深大于h0,該區域的潛水蒸發量為零;玉米地的潛水埋深小于h0,所產生的潛水蒸發皆為有效。每年的6—9月隴海鐵路以北大部分地區種植水稻,由于稻田大部分時間保持水層或土壤含水率較高,地表處較低的土水勢抑制了潛水蒸發,認為該地面上的潛水蒸發量為零。旱地主要種植玉米等作物,該時段地面上產生的潛水蒸發主要用于作物生長消耗,計為有效。

從10月至次年1月,小麥旱地產生的潛水蒸發皆視為無效。9月底水稻收割,10月初為小麥播種期,該階段田間大部分土地是裸露的,以裸地潛水蒸發為主,小麥對潛水蒸發影響很小,這一時期小麥需水量較小,降水即能滿足小麥的需水要求,此時發生的潛水蒸發視為無效。在小麥苗期——分蘗期,為保證小麥正常生長,需消耗一部分水分(灌溉水或為降水),按照習慣需對小麥進行冬灌,可將此階段的潛水蒸發視為無效。

每年2—5月小麥旱地所產生的潛水蒸發視為有效。小麥的返青——拔節期是小麥生長最旺盛的季節,在生長過程中需要消耗大量的水分,在沒有降水和降水較少的情況下,小麥生長所需的水分主要來源于潛水蒸發;另一方面,此階段小麥的根系也有了充分的發育,這也為小麥大量汲取水分提供了必要的條件,在此階段小麥葉片也已茂盛,基本遮蓋整個土面,土壤蒸發已不是主要方面。小麥的抽穗——成熟階段是潛水蒸發最大的季節,因小麥孕穗、成熟需要消耗大量的水分,在灌溉、降水不能滿足的情況下,就會大量吸收地下水,此時的潛水蒸發視為有效。

表2 不同土地利用類型及季節的潛水蒸發有效性評價標準

4 年際間潛水蒸發量變化

根據表2對灌區進行逐個柵格單元的統計分析,得到30年各年的有效和無效潛水蒸發量及其占全年潛水蒸發總量的比例,如表3所示。灌區的多年平均潛水蒸發總量為0.505億m3,其中多年平均無效潛水蒸發量為0.261億m3,占51.6%。由表3可知,1985年的潛水蒸發總量達到最大值,為0.886億m3,其中無效潛水蒸發量占56.4%,有效潛水蒸發量比例較小,而且2000—2010年的數據也顯示相同的規律,這個現象與不合理的灌溉方式有很大關系。1994年的潛水蒸發總量是第2次峰值,為0.861億m3,而此時無效潛水蒸發量占35.5%,比例有所減少。從1988—1994年,年潛水蒸發總量呈現逐年上升的趨勢,這是由于1988年引黃補源,地下水埋深變淺,地下水極限埋深以上的區域面積增大,從而增加了潛水蒸發的整體面積,而且1988年作物種植結構也發生了較大變化,冬小麥、蔬菜等耗水量大的作物播種面積大大增加,導致了有效潛水蒸發量的比例顯著增大。

5 年內潛水蒸量發變化

表3 多年有效和無效潛水蒸發量及其所占比例

表4 年內有效和無效潛水蒸發量及其所占比例

以1994年為代表年,對灌區年內有效和無效潛水蒸量發變化規律進行分析,如表4所示。該年的潛水蒸發總量為0.861億m3,其中無效潛水蒸發量為0.305億m3,占35.5%。由表4可知,10—12月、1月均為無效潛水蒸發。2—5月為小麥的返青——成熟期,該階段旱地所產生的潛水蒸發均視為有效潛水蒸發,其中4月的有效潛水蒸發量為0.139億m3,所占比例達到年內最大值,為85.5%;2月所占比例相對較小,為63.2%;該階段有效潛水蒸發量所占比例由大到小依次為4月、5月、3月、2月。6—9月為水稻、玉米生長期,其中8月的有效潛水蒸發量所占比例達最大值,為61.5%;6月所占比例相對較小,為47.8%;該階段有效潛水蒸發量所占比例由大到小依次為8月、7月、9月、6月。

6 潛水蒸發空間分布

本文以1994年2—9月為例,根據潛水蒸發有效性評判標準,在ArcGIS10.0系統中逐個對柵格單元進行判斷,最終得到每月的潛水蒸發空間分布,如圖4所示。從圖4可以看出,2—5月的潛水蒸發主要發生在灌區中部和北部,有效潛水蒸發主要為種植小麥的柵格,無效潛水蒸發主要為非農業用地柵格。在6—9月,種植水稻柵格由于田間水層的作用,潛水蒸發量為零;而淤泥河兩岸和引黃補源區由于地下水埋深淺而發生潛水蒸發,其中在非農業用地柵格產生的則為無效潛水蒸發。

圖4 2—9月潛水蒸發空間分布

根據以上灌區潛水蒸發的時空變化規律,為提高灌區尺度的潛水蒸發有效性,可采取以下3種措施來進行潛水蒸發調控:①灌區上游的水稻采用間歇灌溉技術;②現在有水稻改成旱稻;③在水稻生育期的后段抽取地下水進行灌溉,以降低地下水位,減少水稻收割后的無效潛水蒸發。當然這3種措施可以同時進行,即部分水稻改為旱稻,如位于渠道的末端引黃地表水灌溉條件較差的下游區域的水稻先行改為旱稻,同時,上游的水稻采用間歇灌溉技術,并且在水稻生育后期抽取地下水進行灌溉,形成三位一體的柳園口灌區潛水蒸發有效性調控模式。

7 結 論

a.從潛水蒸發有效利用的必要條件入手,提出潛水蒸發有效性評價標準,在計算出各柵格單元潛水蒸發量的基礎上,區分有效和無效潛水蒸發,方法簡單實用,易于區域化。

b.柳園口灌區多年平均潛水蒸發總量為0.508億m3,其中無效潛水蒸發量為0.262億m3,占51.6%;有效潛水蒸發主要集中在3—5月,6—8月次之,10月的無效潛水蒸發最多,其他月份也都有一定的無效潛水蒸發量。

c.2—5月的潛水蒸發主要發生在灌區中部和北部,麥地的為有效潛水蒸發,非農業用地的為無效潛水蒸發;在6—9月,稻田內大部分時間都保持有水層,潛水蒸發量為零;而河流兩岸和引黃補源區由于地下水埋深淺而發生潛水蒸發,在非農業用地產生的為無效潛水蒸發。

[1]雷志棟,胡和平,楊詩秀,等.塔里木盆地綠洲耗水分析[J].水利學報,2006,37(12):1470-1475.(LEI Zhidong,HU Heping,YANG Shixiu,et al.Analysis on water consumption in oases of the Tarim Basin[J].Journal of Hydraulic Engineering,2006,37(12):1470-1475.(in Chinese))

[2]YEH P J F,FAMIGLIETTI J S.Regional groundwater evapotranspiration in Illinois [J]. Journal of Hydrometeorology,2009,10(2):464-478.

[3]賈紹鳳,張士鋒.海河流域水資源安全評價[J].地理科學進展,2003,22(4):379-387.(JIA Shaofeng,ZHANG Shifeng.Water resources security appraisement of Haihe Basin[J].Progress in Geography,2003,22(4):379-387. (in Chinese)) [4]FENG L P,BOUMAN B A M,TUONG T P,et al.Effects of groundwater depth and water-saving irrigation on rice yield and water balance in the Liuyuankou Irrigation System, Henan, China [C]//Agricultural Water Management in China,ACIAR.Canberra Australia:[s. n.],2006:52-66.

[5]胡順軍,田長彥,宋郁東,等.裸地與檉柳生長條件下潛水蒸發計算模型[J].科學通報,2006,50(增刊1):36-41.(HU Shunjun,TIAN Changyan,SONG Yudong,et al. Calculation model of phreatic evaporation from bare soil and tamarix growth conditions[J].Chinese Science Bulletin,2006,50(Sup1):36-41.(in Chinese))

[6]王曉贊.農作物有效潛水蒸發試驗研究[J].徐州師范大學學報:自然科學版,1999,17(1):60-63.(WANG Xiaozan.A primary analysis on analable groundwater evaporation of crop[J].Journal of Xuzhou Normal University:Natural Science Edition,1999,17(1):60-63. (in Chinese))

[7]羅玉峰.灌區水量平衡模型及其應用研究[D].武漢:武漢大學,2006.

[8]LUO Yufeng,KHAN Shahbaz,PENG Shizhang,et al. Effects of the discretisation cell size on the output uncertainty ofregionalgroundwaterevapotranspiration modeling[J].Mathematical and Computer Modelling, 2012,56(1/2):1-13.

[9]羅玉峰,毛怡雷,彭世彰,等.作物生長條件下的阿維里揚諾夫潛水蒸發公式改進[J].農業工程學報,2013,29 (4):102-109.(LUO Yufeng,MAO Yilei,PENG Shizhang,et al.Modified Aver'yanov's phreatic evaporation equations under crop growing[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,29(4): 102-109.(in Chinese))

[10]羅玉峰,鄭強,彭世彰,等.基于GIS的區域潛水蒸發計算[J].水利學報.2014,45(1):79-86.(LUO Yufeng, ZHENG Qiang,PENG Shizhang,et al.Calculation of regional groundwater evaporation based on GIS[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2014,45(1):79-86. (in Chinese))

[11]CHANG K.基于VBA的Arcobjects編程:面向任務的方法[M].北京:科學出版社,2010.

[12]ALLEN R G,PEREIRA L S,RAES D,et al.Crop evapotranspiration:guidelines for computing crop water requirements[R].Rome:FAO,1998.

Assessment of effectiveness of groundwater evapotranspiration in an irrigation district//

LUO Yufeng1,2,LI Si1,2, PENG Shizhang1,ZHENG Qiang1,2,FENG Yuehua3,ZHU Feilin1,JIAO Xiyun1,2
(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China(Hohai University),Ministry of Education, Nanjing 210098,China;3.Huibei Water Science Experiment Station,East Henan Water Projects Management Bureau, Kaifeng 475101,China)

To improve the utilization efficiency ofgroundwater evapotranspiration, the regional groundwater evapotranspiration in the Liuyuankou Irrigation District was firstly calculated based on geographic information system (GIS).From the aspect of the requirements of effective use of groundwater evapotranspiration,the evaluation criteria of effectiveness of groundwater evapotranspiration was then proposed,and then the effective and non-beneficial groundwater evapotranspiration were distinguished.The results show that the annual groundwater evapotranspiration in the Liuyuankou Irrigation District is 5.08×107m3,among which 2.62×107m3,accounting for 51.6%,is non-beneficial.Most effective groundwater evapotranspiration occurs from March to May,followed by June to August and most non-beneficial groundwater evapotranspiration occurs in October,while there is some non-beneficial groundwater evapotranspiration in other months. From February to May,groundwater evapotranspiration mainly exists in the middle and north parts,among which the evapotranspiration in wheat land is effective while in non-agricultural land non-beneficial.The proposed method for evaluating effectiveness of groundwater evapotranspiration in irrigation districts is simple and practical,and is easy to be used in a regional scale.

irrigation district;groundwater evapotranspiration;groundwater management;type of land use;soil type

TV93

:A

:1006-7647(2014)04-0005-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.002

2013-0624 編輯:周紅梅)

河南省水利廳水利科技攻關項目(GG201428);水利部公益性行業科研專項(201301014)

羅玉峰(1977—),男,江西遂川人,副研究員,博士,主要從事灌區水循環模擬及水稻節水灌溉研究。E-mail:yfluo@hhu.edu.cn