解放閘灌域農田耗水時空變化特征及灌溉效率評價

白亮亮，蔡甲冰，劉 鈺，陳 鶴，張寶忠(1．中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2．國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京 100048)

0 引 言

自引黃水量統一調配及大型灌區節水改造實施以來，河套灌區引水量減少，水量分配發生改變，其水循環要素必然受到影響[1]。蒸散發量作為水量循環重要組成部分，是灌區水平衡分析、灌溉用水效率評價、水資源管理和高效利用等方面研究的基礎和支撐。

利用遙感資料反演區域蒸散發量近20年來有了很大的發展[2]，為蒸散發的定量計算提供了數據支持。隨著遙感技術的不斷成熟，大量蒸散發模型被廣泛應用[3]。常見的遙感蒸散發模型包括基于能量平衡的SEBAL[4]、S-SEB[5]、SEBS[6]模型和基于特征空間法的三角形空間法[7]和梯形空間法[8]等模型。楊雨亭[1]等利用MODIS數據和SEBAL模型反演了河套地區不同土地利用類型蒸散發變化，并應用于年際變化分析當中；夏婷[9]等利用SEBAL模型反演了黃河流域河龍區間蒸散發，并研究了模型對輸入參量的敏感性；陳鶴[3]利用SEBS模型有效反演了位山灌區小麥-玉米生育期蒸散發變化，并對模型參數進行敏感性分析，反演結果較好；Jiang等[10]利用Ts/NDVI三角形關系，逐像元估算P-T(Priestly Taylor)系數，估算了美國南大平原的蒸發。王文[11]等將地表溫度和植被指數梯形空間方法擴展到Priestly-Taylor系數的估算，并利用Priestly-Taylor公式進行實際蒸散發估算，該方法在Walnut Gulch流域取得較理想的精度。

目前針對區域蒸散發年際變化以及單一年份空間分布研究較多，而對蒸散發空間分布的差異性隨時間的變化研究相對較少。本文對解放閘灌域作物生育期(4-10月)蒸散發在年際變化、空間分布特征以及其與地下水埋深空間分布的相關性進行了分析。并在此基礎上通過遙感蒸散發和水量平衡模型，對研究區域灌溉水利用效率年際變化進行了評價。同時，對大型灌區節水改造以來研究區域灌溉引水量、地下水等水循環要素年際變化進行了分析，研究解放閘灌域節水改造所取得的成效。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究區概況

本文以河套灌區解放閘灌域灌溉農田為研究對象，見圖1。解放閘灌域(106°43′～107°27′E，40°34′～41°14′N)為河套灌區第二大灌域，地處干旱半干旱內陸地區，海拔高程在1 030～1 046 m之間，年平均降雨量151.3 mm，年均蒸發量(20 cm蒸發皿)達2 300 mm，年內平均氣溫9 ℃。灌域總土地面積約2 345 km2，其中60%以上為耕地，土壤類型為潮灌淤土和鹽化土，糧食作物以夏玉米和春小麥為主，經濟作物以向日葵為主，伴有一定比例的瓜果、蔬菜[12]。

圖1 解放閘灌域農田分布圖

1.2 數據來源

研究區域所采用的農田蒸散發數據由楊雨亭等[1]采用SEBAL模型計算的河套灌區蒸散發數據，經過裁剪掩膜生成。遙感影像采用MODIS傳感器數據，空間分辨率為250 m～1 km，時間分辨率為每日，估算結果為250 m分辨率每日數據，模型估算ET與實測值吻合。地下水和降水數據由解放閘灌域沙壕渠實驗站提供，其中本灌域地下水監測井共56眼，文中采用4月份生育期初期(灌水前)平均埋深數據。解放閘灌域灌溉排水數據來源于河套灌區解放閘灌域管理局(http:∥www.htgq.gov.cn/jfz)。

1.3 遙感蒸散發模型

蒸散發估算采用基于能量平衡的單源遙感蒸散發SEBAL模型，通過能量余項法計算，即：

λET=Rn-G-H

(1)

式中：λ為蒸發潛熱，J/m3；ET為蒸散發量，m/s；Rn為凈輻射量，W/m2；G為土壤熱通量，W/m2；H為顯熱通量，W/m2。

(2)

式中：ρa為空氣密度，kg/m3;Cp為空氣的定壓比熱，J/(kg·K);rah為熱量傳輸的空氣動力學阻力，s/m；dT為地表溫度與空氣溫度差值，K。

Rn、G具體計算過程詳見文獻[13]。

1.4 灌溉水利用效率

灌溉效率采用蔣磊等提出的灌溉水利用系數評價方法[14,15]，該方法將土壤非飽和帶和飽和帶作為整體來研究，避免了根系層下邊界深層滲漏和補給，由于非飽和帶和飽和帶含水量年際變化不大，在研究中不予考慮。同時該方法借助遙感蒸散發來計算灌溉水的有效消耗量，將農田消耗的灌溉水量(蒸散發與降水量差值)表示灌溉水的有效利用量，其與灌區凈引水量的比值定義為灌溉水的有效利用系數。簡化后水量平衡方程為：

(I-D)=(ETI-PI)+(ETN-PN)

(3)

式中：I為時段內灌域毛引水量，m3；D為時段內灌域排水量，m3；ETI為灌溉地生育期蒸散發量，m3；PI為生育期時段灌溉地降水量，m3；ETN為非灌溉地生育期蒸散發量，m3；PN為生育期時段非灌溉地降水量，m3；本文中不考慮非灌溉的蒸散發及降水，灌溉地基本上為農田。

ηe=(ET-P)/(I-D)

(4)

式中：ET為農田生育期蒸散發量，m3；P為農田生育期時段降水量，m3；(I-D)為研究區凈灌溉引水量，m3；ηe為灌溉效率。

2 結果與分析

2.1 農田蒸散發年際變化

對2000-2014年農田蒸散發、降水量及灌溉水有效利用量(農田蒸散發與降水量差值)進行年際變化分析，見圖2。

由圖2可知，研究區農田蒸散發量2001年較2000年有所下降，2001-2005年呈穩中有升的變化趨勢，2005-2008年呈減小趨勢，在2008-2012年期間逐年增大，變化比較明顯，2012-2014年有所下降。就整體而言，蒸散發表現為上升趨勢，多年均值為8.56億m3(597.30 mm)。灌溉水有效利用量整體上呈增加的趨勢，均值6.63億m3(462.50 mm)，其變化趨勢與農田蒸散發量基本一致，在2005年和2009年灌溉水有效利用量較大，分別為7.51億m3(523.74 mm)和7.17億m3(499.77 mm)。

結合降水量年際變化可知，2005年和2009年降水量偏少，分別為77.9和72.1 mm，低于其他正常年份降水量為枯水年份，灌溉水有效利用量較其他年份大。

2.2 農田蒸散發空間分布特征

受篇幅限制，文中僅對解放閘灌域2000、2003、2006、2009、2012和2014年生育期(4-10月)農田蒸散發空間分布特征進行對比分析，見圖3。

2000、2003、2006、2009、2012和2014年研究區農田蒸散發均值分別為618.03、584.08、571.86、593.80、660.19和622.04 mm。2012年高值區域的范圍明顯大于其他年份，結合蒸散發年際變化可知，2012年平均蒸散發量為歷史最大，2000年、2006年和2014年次之，2003年和2009年高值區域的范圍明顯低于其他年份。由多年蒸散發空間分布相對差異性可以看出，高值區域均出現在西部和東北靠中部，均高于其他地區，農田蒸散發這一空間分布特征及相對差異性并未隨時間發生明顯變化，而是表現為相似的分布特征。

圖3 多年農田蒸散發空間分布

2.3 地下水空間分布及其對農田蒸散發的影響

地下水埋深采用普通克里格法對4月份(生育初期)數據進行插值并展布到研究區域[16]，其空間分布見圖4。

2000、2003、2006、2009、2012和2014年地下水埋深范圍分別為0.8～2.99、0.97～4.89、0.75～6.60、1.05～4.79、1.32～6.91和0.71～6.42 m，均值分別為1.76 m、1.90、2.04、2.19、2.32和2.32 m。地下水埋深較淺區域(小于1.80 m)主要分布在西部以及東北靠中部地區。灌區節水改造以來，隨著渠道襯砌率和灌溉效率的提高，地下水位整體有所下降，埋深呈增大的趨勢[17]，但空間分布特征及空間相對差異性并未隨時間發生明顯變化。

結合以上分析，區域蒸散發與地下水埋深表現為相似的分布特征和空間差異，蒸散發高值區域與地下水埋深較淺區域的分布一致，這種空間差異性說明了地下水埋深對農田蒸散發空間變化的影響。由于河套灌區引黃水量大，農田滲漏量大，地下水位偏高，潛水蒸發量大[18]，而在地下水埋深較淺地區(3～5 m以內)，潛水蒸發量則不可忽視[19]，潛水蒸發劇烈，對蒸散發影響大。同時，地下水空間分布特征可以為灌溉管理提供依據，在地下水埋深較淺區域采取井渠結合灌溉，以降低地下水位，減少引黃水量，達到節水目的[20]。

圖4 多年地下水埋深空間分布

2.4 灌溉效率

2000-2013年灌、排數據來源于河套灌區解放閘灌域管理總局，見表1。凈灌溉水量為研究區域灌溉水量與排水量差值，灌溉有效利用量為蒸散發量與降水量差值，灌溉效率定義為灌溉有效利用量與凈灌溉水量的比值，見公式(3)。

表1 灌溉水有效利用系數

研究區域2000-2013年灌溉效率年際變化，見圖5。可以看到，灌溉效率有所提高，整體變化為上升趨勢。2001年、2008年和2011年灌溉效率較低，分別為0.53、0.52和0.53，2003年、2005年和2012年灌溉效率較高，分別達到了0.67、0.67和0.73，在2012年達到最高，該年凈引水量為歷年最低的9.89億m3，而灌溉水有效利用量(7.26億m3)并未減小。

圖5 2000-2013年灌溉水有效利用效率年際變化

2.5 區域水循環各要素年際變化

自引黃灌區灌溉總量控制以及大型灌區節水改造以來，區域水循環要素發生了改變，各要素年際變化如圖6所示。

圖6 2000-2013年農田蒸散發量、凈灌溉引水量和地下水位年際變化

由圖6可知，2000-2003年總引水量連續下降，2004和2005年有所回升，2005-2008年連續下降，在2009、2010和2011年份總引水量有所偏高，2012年下降為歷史最低，2013有所回升，灌域引水量波動較大，但引水總量整體變化有所下降。

節水改在以來，地下水位逐年來呈下降趨勢，表現最為明顯。其埋深由2000年的1.76 m降到2013年的2.16 m。在引水總量得到控制以來，農田蒸散發量并未減小，而是表現為穩中有升的趨勢，同時佐證了研究區域灌溉效率的提高。

結合以上分析可知，近年來，灌區輸配水設施不斷完善，凈引水量得到控制，灌溉效率得到提高，反映出大型灌區節水改造實施以及引黃水量統一調配所起到的積極影響。

3 討 論

受水土環境和作物生理特征影響，灌域種植結構分布比較零散，無明顯地域分布特征。由于不同作物耗水規律不同，種植結構的調整將對農田蒸散發時空變化產生直接的影響，因此對影響農田蒸散發時空變化的因素需要做進一步討論和分析。

對地下水與農田蒸散發空間差異的一致性分析表明，研究區域地下水埋深較淺，潛水蒸發對總蒸散發影響較大。因此，如何準確估算潛水蒸發對蒸散發量的影響需要進一步討論和分析，尤其是對較大空間尺度的估算。

4 結 語

解放閘灌域2000-2014年農田蒸散發量年際變化穩中有升，多年均值為8.56億m3(597.30 mm)。灌溉水有效利用量整體上呈增加的趨勢，均值為6.63億m3(462.50 mm)，在2005年及2009年降水量偏少的枯水年份灌溉水有效利用量較大。

根據2000、2003、2006、2009、2012和2014年研究區蒸散發和地下水埋深分布情況，兩者空間分布特征相似，蒸散發高值區域與地下水埋深較淺區域分布一致，這是由于研究區域灌溉水量達，地下水位高，在地下水埋深較淺區域潛水蒸發較強烈。地下水和農田蒸散發量空間分布的相對差異隨時間并未發生明顯變化，這種空間上分布的一致性同時也印證了地下水對農田蒸散發空間分布的影響。

節水改造以來，輸配水工程逐步完善，解放閘灌域凈灌溉引水總量有所減少，地下水位下降，由2000年1.76 m降到2013年的2.16 m，而農田蒸散發量并未減少，反映出解放閘灌域灌溉用水效率的提升。結合水循環各要素多年變化可知，節水改造取得的積極效果，同時地下水位的下降對減少無效蒸發和緩解土壤鹽堿化程度也會起到積極影響。

□

[1] Yang Y T, Shang S H, Jiang L. Remote sensing temporal and spatial patterns of evapotranspiration and the responses to water management in a large irrigation district of North China [J]. Agricultural and Forest Meteorology，2012，164：112-122.

[2] 周 劍，程國棟，李 新．應用遙感技術反演流域尺度蒸散發[J]．水利學報，2009，40(6)：679-687．

[3] 陳 鶴．基于遙感蒸散發的陸面過程同化方法研究[D]．北京：清華大學，2013．

[4] Bastiaanssen W G M, Menenti M, Feddes R A, et al. A remote sensing surface energy balance algorithm for land (SEBAL):1. Formulation[J]. Journal of Hydrology, 1998,212-213:198-212.

[5] ROERINK G J, SU Zongbo. S-SEBI: a simple remote sensing algorithm to estimate the surface energy balance[J]. Physical and Chemistry Earth (B), 2000,25:145-157.

[6] SU Zhongbo. The Surface Energy Balance System (SEBS) for estimation of turbulent heat fluxes[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2002,(6):85-99.

[7] Carlson T N, Gillies R R, Perry E M. A method to make use of thermal infrared temperature and NDVI measurements to infer surface soil water content and fractional vegetation cover[J]. Remote Sensing Review, 1994,52:45-59.

[8] Moran M S, Clarke T R, Inoue Y, et al. Estimating crop water deficit using the relation between surface air temperature and spectural vegetation index[J]. Remote Sensing of Environment, 1994,49:246-263.

[9] 夏 婷，王忠靜．SEBAL模型參量敏感性再分析[J]．清華大學學報(自然科學版)，2013，53(9)：1 241-1 248.

[10] Jiang L, Islam S. A methodology for estimation of surface evapotranspiration over large areas using remote sensing observations[J]. Geophysical Research Letters, 1999,26:2 773-2 776.

[11] 王 文，王曉剛，黃 對，等．應用地表溫度和植被指數梯形空間關系估算陸面蒸散量[J]．農業工程學報，2013，29(12)：101-109．

[12] 茌偉偉．基于分布式水溫模型的灌區用水效率評價[D]．北京：中國水利水電科學研究院，2013．

[13] Bastiaanssen W G M, Menenti M, Feddes R A, et al. A remote sensing surface energy balance algorithm for land(SEBAL)-1. Formlation[J]. Journal of Hydrology, 1998,213(1/2/3/4):198-212.

[14] 蔣 磊，楊雨亭，尚松浩．基于遙感蒸散發的干旱區灌區灌溉效率評價[J]．農業工程學報，2013，29(20)：95-101．

[15] 尚松浩，蔣 磊，楊雨亭．基于遙感的農業用水效率評價方法研究進展[J]．農業機械學報，2015，46(10)：81-92．

[16] 杜 軍，楊培玲，李云開，等．河套灌區年內地下水埋深與礦化度的時空變化[J]．農業工程學報，2010，26(7)：26-31．

[17] 馬金慧，楊樹青，張武軍，等．河套灌區節水改造對滴下水環境的影像[J]．人民黃河，2011，33(1)：68-69．

[18] 岳衛峰，賈書惠，高鴻永，等．內蒙古河套地區地下水合理開采系數分析[J]．北京師范大學學報(自然科學版)，2013，49(2/3)：239-242．

[19] 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．

[20] 秦大庸，于福亮，李木山，等．寧夏引黃灌區井渠雙灌節水效果研究[J]．農業工程學報，2004，20(2)：73-77．