基于蒸散發的二塘溝小流域水資源可利用量估算及耗水平衡分析

喬 鵬，王 嵐

（吐魯番市水資源管理中心，新疆 吐魯番 838000）

1 前言

水是人類生存與發展最重要的自然資源和經濟資源，科學開發利用水資源，構建人水和諧格局是當今世界面臨的一項重大挑戰，這在占我國土地面積52.5%的干旱和半干旱地區尤為嚴峻[1]。這些地區降水少，蒸散量高，生態環境脆弱，隨著社會和經濟發展，人口膨脹、耕地擴張、工業增長對水資源的需求日益增加，早期以需水為導向的水資源開發利用模式導致水資源短缺、水環境惡化等問題日趨突出，流域水資源開發利用逐步轉向供水管理模式[2]。在供水管理模式中，如何正確評估水資源可利用量，確定水資源的承載能力對水資源合理配置具有重要意義。但是計算水資源可利用量的理論方法目前還不太完善，不同計算水資源可利用量的方法差異較大，且不同地域間適用方法也有所差異，難以有效指導實踐[3]。

蒸散發是水循環中重要的水文過程，對于干旱與半干旱的內流河流域而言，由于流域之間的水量交換過程微弱，從水循環的角度而言，只有通過蒸散作用消耗的水量才是水資源的真正損失[4]，因此，對于流域水資源管理，明確流域可被消耗的水資源量更能體現干旱區水資源特征。同時，隨著遙感技術的發展，多尺度的遙感數據和日漸成熟的蒸散模型為區域蒸散的計算提供了基礎。

二塘溝地處干旱內流區艾丁湖流域，近幾十年來，隨著經濟社會不斷發展，該流域地下水多年超采，地下水水位不斷下降，水資源短缺導致的流域植被退化、土壤鹽堿化、荒漠化等水環境惡化問題日益突出。當地政府從20 世紀90 年代就開始推行農業節水、編制節水規劃，但成效并不顯著，有些年份甚至地下水超采更為嚴重，因為在不明確總體可耗水量的情況下，節水工程節約的水資源被繼續開發利用，加劇了耗水量，同時減少了地下水回補量。因此，為更加合理利用水資源，開展以蒸散發為基礎的耗水平衡分析是很有必要的。

本文根據水量平衡原理，通過SEBAL 模型和Landsat TM影像計算流域蒸散發，以二塘溝流域為例，分析流域水資源可利用量。

2 數據與方法

水資源可利用量是指在地下水不超采、不破壞區域生態環境平衡的前提下，流域可供人類消耗的一切水資源量。從水資源可以消耗的角度而言，除蒸發之外，下滲量與徑流量都是可以消耗的水量。對于二塘溝流域，以年為單位，流域的降水一部分被蒸散所消耗，另一部分通過下滲補給地下水，剩余的為流向下游綠洲區的徑流量，根據水量平衡，流域可耗水量可用式（1）表示：

式中：W 為可耗水量；P 為降水；I 為入流水量；O 為出流水量；ETn為流域的自然蒸散量。

在此將蒸散分為可控蒸散量和不可控蒸散量，不可控蒸散量即流域自然蒸散量ETn，可控蒸散量為人類開發利用水資源過程中的水資源蒸散量。流域不可控ET 又可以依據土地利用的分類進行劃分，一般情況下ETn 可以采用式（2）表示：

式中：ETn_森林、ETn_草地、ETn_水體、ETn_耕地、ETn_城鎮、ETn_未利用地分別為森林、草地、水體與濕地、耕地、城鎮建設用地與未利用地的不可控ET。

森林、草地、水體與濕地、未利用地的不可控ET 通過疊加遙感ET 與土地利用數據計算。耕地不可控蒸散量計算，采用多時相的遙感數據，識別提取研究區未種植耕地，然后通過疊加未種植耕地與遙感ET 數據，獲取未種植耕地的ET 數據，在此基礎之上，在ArcGIS 軟件中采用地統計空間插值方法計算種植耕地的不可控ET。二塘溝的產流區為自然流域，沒有耕地分布，因此，耕地不可控ET 可以忽略不計。在氣候濕潤地區的城鎮不可控蒸散量可利用像元二分法，通過計算流域的不透水面蓋度結合不透水區的產流系數計算，二塘溝的產流區為自然流域，沒有城鎮分布，因此，城鎮的不可控耗水量可以忽略不計。同時二塘溝產流區閉合，與其他流域基本沒有水資源交換，因此，結合式（1）、式（2）二塘溝流域的可耗水量可以表示為式（3）：

式中：W 為可耗水量；P 為降水；ETn_森林、ETn_草地、ETn_水體、ETn_未利用地分別是森林、草地、水體、未利用地的不可控ET。

本文中降水數據利用國家氣象科學數據中心的中國自動站與CMORPH 降水產品融合的逐時降水量網格數據集（1.0版），數據時空分辨率為1 小時、0.1°。ET 數據通過SEBAL 模型和Landsat7 遙感影像數據計算，獲取了2008 年～2013 年二塘溝集水區及下游耗散區的蒸散數據，并通過氣象站觀測數據和FAO 56 推薦的P-M公式計算ET 對比，遙感ET 數據監測的年誤差小于10%。土地利用數據為2010 年和2012 年數據，根據《土地利用現狀分類》（GB/T 21010-2017）分類標準，利用Landsat 數據解譯完成。

3 研究區介紹

二塘溝流域位于新疆吐魯番市鄯善縣，流域地理位置89°15′-90°02′E，43°29′-42°38′N，二塘溝河發源于天山山脈博格達山南麓，屬塔里木內陸區的艾丁湖水系，出山口高程1130 m，出山口以上集水面積532 km2，是該河流徑流主要形成區，見圖1。河流出山口以后，經人工引水渠道至火焰山南北兩側的綠洲區，該區域面積約1600 km2，農田面積約22 km2，僅占耗水區域面積1.38%，該區域氣候干旱、降水稀少，蒸散能力強，難以形成徑流或補充地下水，是水資源主要消耗區。

圖1 二塘溝流域上游集水盆地

4 結果分析

4.1 可耗水量計算

基于水量平衡，利用遙感ET、降水數據，計算了二塘溝流域2008 年～2013 年的逐年降水量、ETn與可耗水量（表1），降水與ETn的空間分布見圖2。

表1 二塘溝流域2008 年～2013 年的逐年降水量、ETn 與可耗水量 單位：106 m3

圖2 2008 年～2013 年二塘溝集水區降水及ET 空間分布

2008 年～2013 年，二塘溝流域的可耗水量分別為106×106m3、105×106m3、57×106m3、42×106m3、94×106m3、118×106m3，多年平均值為87×106m3。鑒于降水數據包含了豐、平、枯降水時間序列，因此，認為2008 年～2013 年的多年平均值可以近似表示二塘溝流域的可耗水量。

4.2 耗水平衡分析

流域可耗水量與實際耗水量之間的差值即是流域水資源蓄變量，包括土壤蓄變量和地下水蓄變量，對于年度來說，土壤蓄變量基本不變，流域蓄變量近似為地下水蓄變量。流域實際耗水量指人為開發利用水資源過程中的耗水量，包括灌溉耗水量、工業耗水量與生活耗水量，不包括不可控ET。

灌溉耗水量包括農田灌溉和防護林灌溉的灌溉耗水量。農田灌溉耗水量通過農田年總耗水量與農田年降水量的差值計算，由于防護林在Landsat 影像中不易解譯，本文利用Google Earth 高分辨率影像通過目視解譯的方法提取二塘溝流域的防護林分布，結合遙感ET 數據，計算了2008 年～2013 年防護林灌溉耗水量。2010 年～2013 年工業耗水和生活耗水采用世界銀行項目實際調查結果，2008 年～2009 年通過近似計算得到，其中工業耗水利用工業用水量、產品產量、產品耗水率近似計算；生活耗水量通過人口數據估算[4]，計算結果見表2。

表2 2008 年～2013 年灌溉耗水量 單位：106 m3

對比二塘溝流域可耗水量及實際耗水量顯示，2008 年～2013 年間二塘溝流域水資源蓄變量持續減少，年平均蓄變量減少6.86×107m3（表3），屬于地下水嚴重超采區域，流域水資源過度開發利用，處于不可持續發展狀態。從耗水狀況看，97.13%為農業灌溉耗水，工業和生活耗水僅占2.69%，地下水超采水量主要用于農業灌溉，由于工業和生活耗水量占比較少，農業灌溉規模超過二塘溝流域水資源承載能力是導致水資源緊缺的首要原因。

表3 二塘溝流域2008 年～2013 年耗水情況 單位：106 m3

為進一步分析耕地變化對水資源開發利用的影響，利用Landsat 遙感影像提取了1990 年二塘溝流域耕地擴張時的耕地面積。結果顯示1990 年二塘溝流域耕地面積約20.8 萬畝，2011 年耕地面積約33.2 萬畝，2013 年耕地面積約31.4 萬畝。從1990 年～2011 年二塘溝流域耕地面積增加了12.4 萬畝，增幅59.6%，按照畝均耕地灌溉耗水量457.6 m3來算，耕地擴張年灌溉耗水增加約5.67×107m3，由于當時灌溉方式較為粗放，畝均耗水量比近年均值要大，此值相對較小。

從表3 中可以看出，2012 年、2013 年二塘溝流域實際耗水量有下降趨勢，2012 年實際耗水量較2011 年減少了2.44×107m3，2013 年實際耗水量較2012 年減少了9.35×106m3，除去豐、枯水年水資源開發利用量差異的原因，主要原因在于吐魯番市為合理開發利用水資源，采取的退地減水政策，每年逐步退減部分耕地面積，2013 年相較2011 年耕地面積減少約1.8 萬畝，退減耕地面積約減少耗水量8.24×106m3。若要單純通過退減耕地面積達到耗水平衡的話，按照年畝均耕地耗水量457.6 m3計算，約需退減耕地面積15 萬畝。

5 結論

隨著經濟社會不斷發展，用水需求隨之增加，如何貫徹好習近平總書記青山綠水的發展理念，做好水資源可持續發展，是水資源管理的面臨的巨大挑戰。基于流域水量平衡，利用區域降水數據和遙感計算蒸散發的方式，計算了二塘溝流域2008 年～2013 年流域可耗水總量，并進行了耗水平衡分析，是將耗水理念在流域水資源管理中的一次應用嘗試。

二塘溝流域2008 年～2013 年平均可耗水總量為8.71×107m3，實際開發利用的耗水量分別為1.56×108m3，多年流域蓄變量為-6.86×107m3，水資源處于過度開發利用狀態，地下水超采嚴重。從耗水狀況看，97.13%為農業灌溉耗水，工業和生活耗水僅占2.69%。二塘溝流域耕地面積自1990 年～2011 年增加了60%，擴張迅速，是水資源不斷超采的主要原因。如果要維持水資源可持續發展，需要減少農業灌溉耗水量，主要方法有改進灌溉方式、改變種植結構、提高水資源利用效率以及退減灌溉面積，同時可從周邊流域引水。為合理開發利用水資源，保護水環境，自2012 年開始，吐魯番市推行了退地減水政策，通過發展工業吸納退地農戶，以逐步緩解水資源危機，保障區域的可持續發展。2012 年～2013 年二塘溝流域退減耕地面積約1.8 萬畝，若只通過退減耕地面積達到耗水平衡，約需退減耕地面積15 萬畝。