基于遙感的農(nóng)業(yè)灌溉用水量核算方法研究

石家莊市水資源綜合服務(wù)中心 楊曉清

前言

農(nóng)業(yè)用水是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的重要組成部分。根據(jù)河北省水資源公報(bào)，2020 年河北省總用水量為182.76 億 m3，其中農(nóng)業(yè)用水量達(dá) 107.70 億 m3，占總用水量的59%，農(nóng)業(yè)灌溉用水量為95.75 億m3，占農(nóng)業(yè)用水量的89%。因此農(nóng)業(yè)灌溉用水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和合理性對(duì)用水總量統(tǒng)計(jì)工作至關(guān)重要。農(nóng)業(yè)用水點(diǎn)多、面廣、計(jì)量設(shè)施薄弱、種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且受氣候、土壤、作物、耕作方法及灌溉方式等諸多因素影響，農(nóng)業(yè)灌溉用水統(tǒng)計(jì)難度較大。

河北省現(xiàn)有規(guī)模以上農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井達(dá)94 萬(wàn)眼以上，基本處于無(wú)計(jì)量狀態(tài)，短期內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)全部機(jī)井安裝計(jì)量設(shè)施。針對(duì)農(nóng)業(yè)用水取水水源分散、計(jì)量率低的客觀現(xiàn)實(shí)，較為便捷和準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)用水核算，主要有兩種技術(shù)方案：一是以電折水，即依據(jù)區(qū)域農(nóng)灌用電量數(shù)據(jù)和試驗(yàn)量測(cè)確定的以電折水系數(shù)核算區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量；二是實(shí)際定額法，即依據(jù)作物觀測(cè)期實(shí)際用水定額和作物面積核算區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量。

目前這兩種方法的實(shí)際應(yīng)用還存在很多問(wèn)題，為此河北省開展了農(nóng)業(yè)用水典型觀測(cè)站網(wǎng)及配套遙感調(diào)查體系建設(shè)，選取典型井、典型縣開展農(nóng)業(yè)地下水開采量遙感調(diào)查，利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行農(nóng)作物精細(xì)分類和種植面積提取，配合農(nóng)作物實(shí)測(cè)畝均灌溉用水量，核算區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量，為用水總量統(tǒng)計(jì)提供重要的輔助數(shù)據(jù)。

根據(jù)河北省地形地貌、地表巖性分區(qū)、種植結(jié)構(gòu)等因素，選取正定縣為研究試點(diǎn)之一。

1 正定縣概況

1.1 自然地理情況

正定縣位于河北省西南部，地處太行山東麓，屬太行山前洪沖積平原，地勢(shì)平坦、地形高低變化不大，地貌單一。

1.2 氣象

正定縣位于北溫帶半干旱、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，其特點(diǎn)是大陸季風(fēng)氣候明顯，春秋短，冬夏長(zhǎng)，四季分明。多年平均年降水量為534 毫米，1954 年降水量最多達(dá)1105 毫米，1957 年降水量最少，僅 265 毫米。2021 年降水量為913.2 毫米，為2000 年以來(lái)22 年中最大降雨量。

1.3 種植結(jié)構(gòu)

正定縣屬于太行山山前平原區(qū)，主要農(nóng)產(chǎn)作物分兩季，一季冬小麥，另一季是玉米。糧食種植面積占90%，蔬菜、花生、豆類等經(jīng)濟(jì)作物種植面積占10%。

2 技術(shù)路線

灌溉用水定額因灌溉分區(qū)、作物類型、灌溉方式、土壤類型的不同，分別有不同的數(shù)據(jù)。灌溉分區(qū)分為井灌區(qū)、井渠雙灌區(qū)和渠灌區(qū)，土壤類型分為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂以及中砂，灌溉方式分為管灌、畦灌、噴灌和滴灌。

2020 年在正定縣選取9 個(gè)典型村，農(nóng)作物、土壤、灌溉方式需有代表性。在典型村農(nóng)灌井上統(tǒng)一安裝機(jī)械水表記錄全村2021 年地下水的實(shí)際開采量，得到典型村2021 年農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際用水量。

根據(jù)野外調(diào)查及2020 年農(nóng)作物種類遙感解譯結(jié)果，在正定縣選取典型井安裝遠(yuǎn)傳水表計(jì)量設(shè)施80套，觀測(cè)特定作物2021 年的用水量，觀測(cè)周期為2021年1 月1 日至2021 年12 月31 日。通過(guò)典型井觀測(cè)記錄的一年內(nèi)特定作物灌溉用水量及特定作物面積，計(jì)算出年內(nèi)各類型農(nóng)作物在不同土壤類型、不同灌溉類型條件下的典型井畝均灌溉用水量。通過(guò)遙感技術(shù)提取2021 年9 個(gè)典型村不同農(nóng)作物種植面積，與相應(yīng)農(nóng)作物、土壤類型、灌溉類型的典型井畝均灌溉用水量相乘后累加，得到2021 年典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量。

典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量與該村計(jì)量的農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際用水量對(duì)比分析，評(píng)價(jià)利用遙感監(jiān)測(cè)方法核算該村農(nóng)業(yè)灌溉用水量的精度及可行性。

以典型井、典型村測(cè)算結(jié)果為基礎(chǔ)，運(yùn)用遙感技術(shù)提取2021 年正定縣全境各類型農(nóng)作物種植面積，與相應(yīng)農(nóng)作物、土壤類型、灌溉類型的典型井畝均灌溉用水量相乘后累加，得到全縣農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量。

3 農(nóng)作物種植信息遙感解譯及特征分析

3.1 基礎(chǔ)資料

遙感基礎(chǔ)資料包括：統(tǒng)計(jì)年鑒、社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀等；近年降雨量、蒸發(fā)量及氣溫資料；土壤數(shù)據(jù)、灌溉方式、灌溉類型、農(nóng)作物類型、農(nóng)時(shí)信息、地表水灌溉分布、農(nóng)作物灌溉定額、行政區(qū)劃矢量邊界、地形數(shù)據(jù)、遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、幾何校正參數(shù)影像等數(shù)據(jù)。

據(jù)調(diào)查，正定縣全境為純井灌區(qū)，灌溉類型單一。

正定縣總面積為468km2，土壤巖性有中砂、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土4 種類型。按土壤巖性分區(qū)，中砂主要分布在正定縣南樓鄉(xiāng)北部，面積約10.15km2，占比約2.17%；粉砂呈“U”字型分布在正定縣南樓鄉(xiāng)—新安鎮(zhèn)—西平樂鄉(xiāng)—新城鋪鎮(zhèn)4 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，南牛鄉(xiāng)北部也有分布，面積約85.98km2，占比18.34%；粉土主要分布在正定縣中部，面積約264.84km2，占比56.51%，粉質(zhì)黏土主要分布在正定鎮(zhèn)大孫村、西上澤村、諸福屯村一線以南地區(qū)，面積約107.72km2，占比為22.98%。

3.2 2020 年農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)遙感解譯

通過(guò)遙感解譯將2020 年正定縣農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)及面積進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)，遙感解譯結(jié)果顯示正定縣2020年農(nóng)作物種植面積分別為：小麥17737 公頃、玉米14033 公頃、花生6675 公頃、林地7110 公頃、果樹1423 公頃、蔬菜 3512 公頃、大棚 140 公頃，為 2020 年底選取典型井提供了技術(shù)支撐。

3.3 2021 年農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)遙感解譯及特征分析

通過(guò)多源遙感影像收集，以高分辨率影像為底圖，利用實(shí)地調(diào)查選取不同作物類型的樣點(diǎn)，建立解譯標(biāo)志，計(jì)算各農(nóng)作物類別樣本的基本光譜特征信息。基于農(nóng)作物光譜特征、物候信息、植被指數(shù)，建立不同農(nóng)作物類別，提取農(nóng)作物種植分類遙感信息。遙感數(shù)據(jù)解譯結(jié)果與野外實(shí)地采集參與分類及精度評(píng)價(jià)的測(cè)試樣本相驗(yàn)證，用于評(píng)價(jià)分類準(zhǔn)確度。

正定縣夏收季遙感解譯成果總體解譯精度為90%，Kappa 系數(shù)為0.88。秋收季遙感解譯成果總體解譯精度為93%，Kappa 系數(shù)為0.91。總體解譯精度符合項(xiàng)目遙感解譯精度要求。

通過(guò)遙感解譯，正定縣2021 年夏收農(nóng)作物有冬小麥、西瓜、春玉米以及蔬菜，農(nóng)作物種植面積為19629公頃；主要農(nóng)作物種植類型以冬小麥為主，種植面積16436 公頃，占比83.7%；花生為次要種植類型，種植面積2173 公頃，占比11.1%；西瓜、春玉米、蔬菜的種植面積分別為519 公頃、357 公頃、144 公頃，分別占農(nóng)作物種植面積的2.7%、1.8%、0.7%。冬小麥在正定各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有大面積分布，且呈現(xiàn)集中連片的種植特征，西瓜主要分布在滹沱河沿岸區(qū)域，春玉米、蔬菜種植規(guī)模較小，分布較為分散。

2021 年秋收農(nóng)作物有玉米、花生、大豆以及蔬菜，農(nóng)作物種植面積為20490 公頃，主要農(nóng)作物以玉米為主，種植面積17944 公頃，占比87.6%；花生為次要種植類型，種植面積2173 公頃，占比10.6%；大豆、蔬菜的種植面積分別為284 公頃、89 公頃，占比1.4%、0.4%。冬小麥與夏玉米輪作是正定縣主要種植特征，因此，玉米和夏收季冬小麥的分布特征一樣，有大面積分布，且呈現(xiàn)集中連片的種植特征；花生主要分布在南樓鄉(xiāng)、正定鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植面積較少；花生、大豆、蔬菜種植面積較小，分布較為分散。

2021 年冬季農(nóng)作物種植類型為冬小麥和蔬菜，農(nóng)作物種植面積為16422 公頃，冬小麥種植面積為16260公頃，占比99%；蔬菜種植面積為162 公頃，占比1%。

4 典型井選取及水量監(jiān)測(cè)

4.1 典型井選取

選取原則：典型井選取成井10 年以內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)井，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常且出水量穩(wěn)定；單井控制范圍內(nèi)土壤類型、灌溉方式單一；各井觀測(cè)期內(nèi)任意季節(jié)所灌溉作物種類單一。

根據(jù)典型井的選取原則，正定縣內(nèi)選取了80 眼典型井安裝遠(yuǎn)傳計(jì)量設(shè)備。選取的典型井覆蓋了全部土壤類型、作物種類、灌溉方式，基本保證區(qū)域內(nèi)各類土壤類型、灌溉方式的農(nóng)作物都能得出相應(yīng)的典型井畝均灌溉用水量。

4.2 確定典型井控制面積

典型井所在位置、控制作物類型、灌溉方式等確定之后，需要將典型井所控制的作物面積圈定。野外人員通過(guò)調(diào)查詢問(wèn)并利用手持GPS 記錄典型井所控制作物面積的拐點(diǎn)坐標(biāo)，并在奧維互動(dòng)地圖上進(jìn)行初步圈定。遙感通過(guò)坐標(biāo)及作物特征解譯進(jìn)一步確定該典型井所控制作物的面積，提高典型井控制作物面積的準(zhǔn)確率。

4.3 典型井用水量統(tǒng)計(jì)

典型井監(jiān)測(cè)用水量通過(guò)遠(yuǎn)傳計(jì)量設(shè)備傳輸至在河北省水量監(jiān)控平臺(tái)上并記錄農(nóng)灌用水量數(shù)據(jù)。通過(guò)平臺(tái)典型井2021 年1 月至2021 年12 月用水?dāng)?shù)據(jù)可以分析各典型井所圈定的特定土壤類型、特定灌溉方式下特定作物2021 年的農(nóng)業(yè)灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)。

4.4 灌溉定額試驗(yàn)

在典型井區(qū)域范圍內(nèi)，針對(duì)小麥、玉米、花生、西瓜等典型作物，開展灌溉定額試驗(yàn)，準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)期間的起止時(shí)間、作物種類、水表數(shù)、測(cè)定流量數(shù)等數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上求取作物的畝均灌溉用水量。

4.5 作物典型井畝均灌溉用水量可靠性分析

根據(jù)河北省農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃、水資源條件和現(xiàn)有的行政區(qū)分區(qū)，綜合考慮土壤類型、灌溉方式的不同將作物典型井畝均灌溉用水量進(jìn)行分類，分別與對(duì)應(yīng)的河北省用水定額對(duì)比，分析試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

5 典型村農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際用水量

2021 年各典型村農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際用水量，通過(guò)在各選取的典型村農(nóng)灌井上安裝機(jī)械水表，由工作人員定期抄錄用水量數(shù)據(jù)得出。

典型村機(jī)械水表的安裝根據(jù)村委會(huì)提供的在冊(cè)機(jī)井名單統(tǒng)一安裝，對(duì)個(gè)別不適合安裝機(jī)械水表的農(nóng)灌井，需要將該井所控制的農(nóng)業(yè)灌溉面積和用水量扣除，以保證典型村內(nèi)的農(nóng)灌井上的機(jī)械水表精確記錄年內(nèi)地下水實(shí)際開采量。

6 典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量可行性評(píng)價(jià)

采用遙感技術(shù)提取了9 個(gè)典型村不同農(nóng)作物種植面積，與相應(yīng)農(nóng)作物、土壤類型、灌溉類型的典型井畝均灌溉用水量相乘后累加，得出典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量。

典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量與該村計(jì)量的農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際用水量數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可評(píng)價(jià)利用遙感監(jiān)測(cè)方法核算農(nóng)業(yè)灌溉用水量的精度及可行性。

2021 年正定縣9 個(gè)典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量共計(jì)378 萬(wàn)立方米，農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際用水量達(dá)449 立方米，誤差值為16%，核算精度為84%。9 個(gè)典型村核算精度最高的為95%，最低的為75%。

7 正定縣2021 年農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量計(jì)算

與典型村核算方式相同，采用遙感技術(shù)得到的正定縣各類型農(nóng)作物種植面積，與相應(yīng)農(nóng)作物、土壤類型、灌溉類型的典型井畝均灌溉用水量相乘后累加，即可得到正定縣農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量。

8 典型井?dāng)?shù)據(jù)分析

8.1 不同灌溉方式對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水量的影響

正定縣農(nóng)業(yè)灌溉方式分為管灌、畦灌、噴灌和滴灌4 種。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)種植作物與土壤類型都相同時(shí)，作物畝均灌溉用水量受灌溉方式影響明顯，管灌畝均灌溉用水相對(duì)較大，噴灌和畦灌次之，滴灌相對(duì)較小。

8.2 不同土壤類型對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水量的影響

正定縣土壤類型分為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂以及中砂4 種。數(shù)據(jù)顯示，相同作物、灌溉方式下，土壤類型為中砂的畝均灌溉用水量較大，粉砂次之，粉土再次，粉質(zhì)黏土畝均灌溉用水量最小。

8.3 不同作物類型對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水量的影響

依據(jù)遙感解譯和野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算分析不同作物的用水情況可知：小麥、果樹、蔬菜畝均用水量約130m3/畝～190m3/畝，玉米、西瓜、花生畝均用水量約70m3/ 畝～110m3/ 畝；大棚畝均水量約2003/ 畝～370m3/畝，林地畝均用水量約10m3/畝～40m3/畝。

8.4 不同作物年度灌溉用水量分布

農(nóng)業(yè)灌溉數(shù)據(jù)顯示，2021 年正定縣大部分小麥灌溉次數(shù)共4 次，分別為3 月中旬至4 月中旬、4 月中旬至5 月中旬、5 月中下旬及12 月下旬。棉花灌溉集中在4～6 月，灌溉次數(shù) 1～3 次。花生灌溉集中在 4～6 月，灌溉次數(shù)1～2 次。玉米一般在6 月中下旬灌溉，2021 年降雨量較為豐沛，受降雨影響，玉米灌溉用水量有不同程度減少，甚至不用灌溉。

9 結(jié)語(yǔ)

高精度的遙感解譯和詳盡的野外調(diào)查為農(nóng)業(yè)灌溉用水量核算方法的精度提供了可靠保證，為進(jìn)一步推進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉用水的科學(xué)分析、智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)田灌溉現(xiàn)代化積累了科學(xué)依據(jù)。