遙感技術在灌溉管理中的應用研究進展

安霞 張學東 秦安振

摘 要：發展灌溉農業是滿足全球人口日益增長的糧食需求的先決條件。但由于灌溉農業的擴張，導致灌區水資源出現了越來越多的問題，例如，灌溉農業的澇漬和土壤鹽漬化。對這一雙重威脅，傳統方法是采取減少入流的預防措施，也可以采取增加水鹽外流的補救措施，但效果并不理想。遙感和地理信息系統（GIS）的出現，為灌溉農業的澇漬和鹽堿地監測和評價技術提供了一個良好的技術支撐。該文闡述了灌溉農業水資源及其研究意義，分析了遙感和地理信息系統應用的背景，概述了遙感和地理信息系統技術在水資源問題管理中的綜合應用。

關鍵詞：遙感和地理信息系統（GIS）;農業灌溉;水資源管理;土壤鹽漬化

Abstract：Strengthening irrigated agriculture is a prerequisite for meeting the ever-increasing food demands of the global population. However，with the expansion of irrigated agriculture，more and more problems appeared in water resources in irrigation areas. For example，waterlogging and soil salinization occurred more frequently than ever before in irrigated agriculture. To address this double threats，Preventive measures can be taken to reduce inflow，and remedial measures can also be taken to increase the outflow of water and salt. So far，the effect has not been ideal as expected. The emergence of remote sensing and geographic information system（GIS）provides an excellent technical approach for the monitoring and evaluation techniques of waterlogging and saline-alkali land in irrigated agriculture. This article first outlined the issues existing in irrigated agricultural water resources and its research significance，and then introduced the background of the problem. Then we also discussed the comprehensive application of remote sensing and geographic information system technology in water resources management.

Key words：Remote sensing and geographic information system（GIS）;Agricultural irrigation;Water resource management;Soil salinization

中國位于亞洲的東部，受大陸性季風氣候的影響，形成了水資源地區分布不均衡和受季節變化影響的特點：東多西少、南多北少;夏秋多，冬春少。我國水資源人均占有量較低，僅占世界平均水平的1/4，是一個嚴重缺水的國家，農業灌溉是水資源利用的重中之重。為了滿足未來糧食對日益稀缺的水資源的需求，必須更好地管理灌溉用水。灌溉用水的管理和規劃需要可靠的信息，然而目前可利用的水資源信息是有限的，遙感和地理信息系統的出現很好地解決了這一問題，它可以為廣大地區提供關于陸地表面農業和水文條件的相關信息。

自20世紀以來，灌溉農業的澇漬和鹽堿化成為了干旱和半干旱地區的生產力發展的兩大威脅。在我國，降水量稀少且在分布上極不均勻。我國的年平均降水量估計為628mm，在西北和北部地區，如塔里木盆地，年降水量多在50mm以下，作物需水量主要由補充灌溉提供。相反，長江中下游平原等地區，年降水量多在800mm以上。然而，在平均水量可能充足的地區，由于年平均降水量的75%都在雨季的6—9月，也可能出現水資源過剩和短缺的時期。水資源過剩時，造成的水澇災害也會導致水資源短缺。澇漬問題不僅會降低肥沃土壤的產量，也會導致水資源的浪費。

過去已經進行了許多試驗，研究咸水和非咸水淺層地下水位對作物用水的影響及其對漬水和鹽漬化管理的影響。McFarlane和Williamson[1]研究了澳大利亞西南部試驗集水區內澇和鹽度的原因。他們得出結論，即使在低鹽水平下，水澇可能比鹽更嚴重地抑制植物生長。Kitamura[2]等分析了日本干旱地區咸海盆地農田鹽堿化的原因。他們建議避免將水稻和旱地作物混作，同一種作物盡量種植在同一個灌溉區內，這樣可以控制鹽分和地下水位，他們提出通過引入渠道襯砌和改善土地平整來減少水在運輸過程中或田間應用中的損失。Singh[3]模擬了印度灌溉半干旱地區不同政策對內澇和鹽堿化問題的長期影響。該研究建議實施適當的水管理戰略，例如改變種植方式，減少水稻面積，減少地下水的使用，增加運河水的使用以及運河襯砌，以將地下水水位降至安全深度并防止地下水位進一步上升，以緩解該地區的水資源問題。

在過去30年中，研究人員廣泛使用遙感和地理信息系統技術解決灌溉農業的水資源問題。在最近的一段時間里，還沒有對地理空間技術在處理水澇和鹽分問題方面的應用進行過回顧。本文概述了遙感和GIS技術在灌溉農業水資源管理中的應用。

1 研究背景

灌溉引起的內澇和鹽漬化在世界各地發生，排水系統不完善、無襯砌土渠滲水和灌溉田滲水是問題的主要原因。據聯合國糧農組織統計，在2.3億hm2的灌溉土地中，有超過19%的土地（即4500萬hm2）受到鹽分的影響。這些受影響地區大部分是由于人類活動和灌溉水管理不善導致的。隨著灌溉農業的發展，其面積預計將進一步增加。

通常，人們通過數值模擬、水文社會經濟和氣象分析以及洪澇面積估算等常規技術來研究澇漬和鹽漬化問題。值得注意的是，這些技術需要大量的數據，但這些數據不易獲取，因此，在數據觀測點薄弱的地區研究洪澇災害風險是困難的。值得慶幸的是，遙感和地理信息系統為實時監測和評估澇漬地區的程度提供了一種很好的替代方法——地理信息系統。地理信息系統可以定義為一個以高效的方式捕捉、存儲、操作、分析和顯示空間信息的系統。數據輸入子系統、數據存儲與檢索子系統、數據處理與分析子系統、數據報告子系統是GIS軟件的通用組件。地理信息系統已經發展成為一個高度復雜的數據庫管理系統，用于匯集和存儲水資源管理中通常需要的大量數據。由于地理信息系統軟件能夠將各種數據組合到一個易于理解的設置中，因而可以顯著改變研究人員處理水資源問題的方式。

在過去的幾十年里，一些研究證明了遙感和地理信息系統技術在探測和監測澇漬地區方面的有效性，肯定了遙感和地理信息系統技術在描述和確定澇漬地區的優先次序方面的重要作用，這些技術還可用于確定地下水補給和排泄的時空分布，能夠捕捉時間和空間尺度上的信息。因此，遙感和地理信息系統是監測澇漬和鹽堿化過程的重要工具。

隨著高速電子計算機的發展，遙感和地理信息系統技術在水資源問題管理中的應用大大增加。水澇引起的水分脅迫的視覺癥狀也可以通過遙感數據繪制出來。水澇引起的視覺癥狀可能包括葉片顏色、葉片厚度和生理結構。有研究表明，可見光和近紅外多光譜圖像是繪制澇漬地區、植被格局和干旱土壤的最有用的數據來源。

2 遙感與地理信息系統的綜合利用

遙感和地理信息系統的綜合利用是管理和處理大規模數據的重要工具。鄧非凡[4]利用遙感和GIS技術對研究區地下水富集性進行了準確評估。鄧正棟[5]認識到遙感在基于地下水補給的研究中的價值，并認為它可以顯著支持傳統的評估和建模技術。同樣，徐世俊[6]也對GIS在地下水研究中的應用進行了綜述。這些評論表明，地理信息系統在水管理中的應用基本上是在以建模為主導的背景下進行的。

遙感和地理信息系統技術有助于建立數據庫、繪制地圖和計算面積統計數據，比傳統方法更快、更準確。付俊娥[7]應用支持向量機回歸方法，建立了西北干旱地區地下水位遙感監測模型。孫天天[8]等利用遙感和地理信息系統技術評估吐魯番地區的土地退化，他們使用綜合遙感和地理信息系統方法對不同退化地區進行了評估。最近，王江波[9]評估了各種地形、水文和人為因素對內澇的影響。這項研究深入了解了我國城市一些地形參數與內澇的相互關系，而且這些參數也可能適用于具有類似地質水文框架的其他流域。

遙感和地理信息系統的綜合使用是分析大量水文地質數據和模擬飽和和非飽和條件下復雜地下水流的輸送過程。為了利用遙感數據，必須了解多光譜圖像記錄的場景輻射與地下水位深度、土壤類型、植被覆蓋等野外參數之間的對應關系。周偉[10]研究了通過遙感和地表地球物理技術獲得的水文地質數據，以評估甘肅省黃河流域水資源利用現狀。利用基于GIS的聚合方法對加權圖進行整合，以識別研究區域的地下水潛力區。在地理信息系統中，快速組合不同類型的數據的可能性，使得其在水文應用中的應用顯著增加。地理信息系統是一種相對較新的技術，可以為管理復雜的空間數據提供一個通用的平臺。地理信息系統的靈活設計為分析大規模水文過程和評估土地管理變化對水質的影響提供了工具。王俊[11]針對目前長江流域水資源管理方面存在的問題，論述了建設水資源綜合管理決策支持系統的必要性，提出了建設長江流域水資源模型是該系統的基礎與核心。同時指出，構建長江流域水資源模型應綜合考慮動態水文循環、需水預測、水資源優化配置、應急調水以及不同的氣候變化模式。

地理信息系統具有生成和覆蓋各種數據層的能力，以便在空間和時間上把它們聯系起來，同時提供了一套強大的統計工具來研究參數的空間變異性。在處理復雜的水資源管理問題的同時，地理信息系統可以分析運河地區作物、土壤和供水的空間變異性。尹濤對黃河三角洲地區植被生長旺盛期地下水埋深遙感反演。Mercau[12]研究了氣候、作物選擇和地形對淺層地下水動態的影響。該研究評估了5年極端降水波動期間的參數效應。利用遙感估測值、每日氣象資料、作物活覆蓋和死覆蓋模擬土壤蒸發和蒸騰需求。為了準確獲取區域內地下水埋深空間分布特征以及在水土環境變遷下其年際動態變化規律，徐存東[13]運用最優插值方法對研究區的地下水埋深觀測數據進行了空間插值，結果表明，對研究區鹽漬化土壤的水鹽調控及地下水資源合理開發利用具有重要意義。

3 結語

擴大灌溉農業對滿足日益增長的糧食需求是必要的。然而，灌溉農業的集約化導致了灌溉土地的漬水和土壤鹽漬化。灌溉農業的這2個威脅可以通過采取減少流入的預防措施或采取增加水和鹽流出的補救措施來加以管理。遙感和地理信息系統是一種非常有用的工具，它為傳統的澇漬鹽堿地監測與評價技術提供了一個很好的選擇，而且這些技術可以作為一種有效的存儲、分析和顯示空間信息的工具;與傳統的數據相比，通過遙感解譯，可以獲得空間上詳盡但不精確的驗證數據。隨著該技術的發展，對于基礎設施薄弱、數據匱乏和存在主要水資源問題的發展中國家而言，顯得尤為重要;而且該技術在洪澇災害地區的特征描述和排序中有著重要的應用。

研究表明，遙感和地理信息系統的綜合應用對于管理和處理大比例尺度數據更為有效，因為這些技術有助于數據庫的創建和地圖的生成。與傳統方法相比，該技術可以快速組合不同類型數據，使得這些技術在水澇和鹽度評估中的應用顯著增加。

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（責編：張宏民）