基于ET 技术的水资源管理方法研究——以山西省潞城市为例

毕小雪，杨士斌，王玉芳，许新宜，杨 薇

（1.海河水利委员会海河下游管理局，天津 300061；2.北京师范大学，北京 100875）

1 引言

全球环境基金 （Global Environment Facility，简称GEF）支持下的“海河流域水资源与水环境综合管 理 ” （Integrated Water and Environment Management，IWEM）项目（以下简称GEF海河项目）旨在海河流域范围内探讨水资源与水环境综合管理的协调机制和行动计划，提高海河流域水资源与水环境的综合管理水平，减轻流域水污染状况，从而改善渤海的水环境质量。

按照项目总体设计要求，漳卫南运河子流域是整个项目中以污染防治为重点的子流域级水资源和水环境综合管理项目，其主要内容是编制水资源与水环境综合管理战略行动计划（SAP），潞城市作为该子流域上游一个重要的县级市开展水资源与水环境综合管理规划（IWEMP）的编制[1]。

世界银行水资源专家提出，在流域水量平衡关系中，只有ET才是闭合区域内水资源的净消耗量，即ET是一个区域的“真实”耗水量[2]。只有控制区域的ET量，才能从根源上控制水的损耗，终止地下水的过度开采，使全流域在可持续发展的同时，逐渐达到一个较合理的用水平衡并恢复良好的生态环境[3]。加强ET管理是促进水资源合理规划的有效手段[4]。因此，结合海河流域水资源管理的需要和遥感技术的发展，GEF海河项目提出了一种基于ET技术的水资源管理方法，主要体现在遥感ET的应用、目标ET理论、SWAT模型在ET模拟中的应用以及ET平衡分析。

笔者从基于ET技术的水资源管理方法出发，首先分别从供耗平衡原理、SWAT模型[5-7]、遥感ET 3个方面计算出潞城市的基准年综合ET，进而推算出规划年的目标ET。通过构建潞城市SWAT模型，设置不同的农业管理方式，得到不同情景下的模拟ET，并将其与相应的目标ET进行平衡分析。充分将ET技术应用到潞城市水资源管理中，为调整潞城市水资源利用与分配方式、制定合理的IWEMP提供一定的决策依据。

2 研究区概况

潞城市域全境属海河流域漳卫南运河子流域，地处山西省东南部，西北与襄垣县以山为界，东北与黎城县隔河相望，东南与平顺县谷岭交错，西南与长治市郊区垣川接壤。市境轮廓呈不规则四方形状，面积为614.94 km2。境内气候属中温带大陆性气候；多年平均年气温为9.2℃；多年平均年降雨量为501.6 mm；多年平均年蒸发量为1 559.3 mm。常流河有浊漳南源和浊漳干河，其他均为季节性河流。潞城市辖4个镇（店上镇、翟店镇、微子镇、辛安泉镇）、3个乡（史回乡、合室乡、黄牛蹄乡）、2个办事处（潞华办事处、成家川办事处），共202个行政村。

随着潞城市经济的发展，水资源问题日益严峻。地表水可利用率低，河流污染严重，导致地表水可供水量日趋衰减，水资源的供需矛盾日益突出。

3 潞城市目标ET的确定

3.1 基准年综合ET计算

根据文献[1]，2004年作为该项目基准年。笔者分别从供耗平衡原理、SWAT模型和遥感ET 3个方面计算基准年的综合ET值。

3.1.1 基于供耗平衡原理的ET计算

供耗平衡原理是指在实际水资源消耗量和总的目标消耗量 （或称之为水资源允许最大消耗量ET）间的平衡。潞城市的最大可用ET，是指当地所有可以用于蒸散发的水量，用本地降水量与其他可以蒸发的水量之和减去通过径流方式流出本地的水量。根据潞城市2004年基线调查报告可知，该地区虽有出入境河流，但多数为过境流量，2004年尚未开始建立污水处理厂（2005年兴建），且没有境外调水，因此以上部分不纳入计算。按照现状水权分配，潞城市可利用水资源量为0.44亿m3；考虑到河道生态需水的因素，假定由于降水形成的自产径流量的10%作为区域内河道的生态需水量，通过供耗平衡原理计算得到全市的最大可用ET为510.70 mm。

3.1.2 基于SWAT模型的ET计算

利用北京师范大学水科学研究院开发的潞城市SWAT模型应用工具，建立潞城市SWAT模型，模拟基准年ET值[8-10]。根据潞城市数字高程模型（DEM）和数字河网图，利用ArcGIS9.2版本的空间分析模块，将潞城市划分为64个子流域。输入土地利用图和土壤图，按照模型要求进行重分类并叠加，生成413个水文响应单元（HRU），构建SWAT模型参数库。将其与气象、降雨信息等输入到潞城市SWAT模型应用工具中，设置基准年的作物种植结构、灌溉制度和灌溉水源，最终得到模拟ET结果为462.61 mm。

3.1.3 基于遥感技术的ET计算

中科院遥感所提供了基于ETWatch系统生产的30m×30m分辨率的2003、2007、2008年的山西省潞城市全市的遥感ET，见表1。

表1 2003、2007、2008年潞城市遥感ET数据

由表1可知，潞城市高分辨率的遥感ET数据缺乏长时间序列，只有2003、2007、2008年3年的数据。考虑到缺少基准年2004年的遥感数据，且现有3年的数据差别较大，这里暂取其平均值，约为448.3 mm。而综合ET为遥感ET与工业及生活耗水ET之和，根据基线调查结果，现状工业与生活耗水量约为2 586万m3，折合ET值为42.06 mm，因此由遥感数据得到的综合ET值为490.36 mm。

3.1.4 潞城市基准年综合ET值的确定

由以上3种方法计算得到的综合ET值差别较大，其中的任何一个结果均不能完全代表基准年的实际综合ET值。因此，笔者综合考虑了以上3种方法的差异性及潞城市的产业结构和农业种植特点，结合GEF海河项目要求，对上述3个计算结果进行加权平均作为潞城市基准年的综合ET值，即为487.9 mm。

3.2 规划年目标ET确定

目标ET理论是水资源管理研究的前沿，受到世行项目专家组的高度推崇，被确定为GEF海河项目的重要基础理论。目标ET是指在一个特定发展阶段的流域或区域内，以其水资源条件为基础，以生态环境良性循环为约束，满足经济持续向好发展与和谐社会建设要求的可消耗水量。

由前述研究结果可知，基准年综合ET为487.9 mm。参考《海河流域节水和高效用水战略研究》的研究成果，潞城市2020年目标ET为467.00 mm。依据文献[1]，至2010、2020年分别完成削减ET量的40%与100%，从而得到2010、2020年的目标ET分别为480、467 mm。

4 规划年模拟ET计算

依据文献[1]，结合潞城市基准年水资源利用现状，对 2010年平水年 （P=50%）、2010年枯水年（P=75%）、2020年平水年 （P=50%）、2020年枯水年（P=75%）4个情景进行设置，分别采用不同的作物种植结构、灌溉制度以及灌溉水源[11]，利用潞城市SWAT模型应用工具进行情景模拟，情景设置及模拟结果见表2。

5 ET平衡分析计算

ET平衡分析计算，即为规划年的模拟ET与相应的目标ET间的平衡分析计算，所得到的差值即为削减ET值。不同情景下的潞城市ET平衡分析计算结果见表3，如图1所示。

结果表明，在情景年2010年，不同水平年的模拟ET均低于目标ET。这说明了调整作物种植结构，加大节水灌溉力度，可减少农业耗水量。而枯水年的模拟值大于平水年的模拟值，这是由于枯水年降雨较平水年减少，导致灌溉水量加大，从而使无效ET增多。因此，针对不同的作物类型，需要实施不同的灌溉方式，积极实行覆盖保墒措施，提高作物的水分利用效率，从而减少无效ET的产生。

表2 情景设置及模拟结果

表3 不同情景下潞城市ET平衡分析计算结果

在2010年基础上，2020年将进一步调整作物种植结构，加大林地的种植面积，减少耕地面积，同时减少灌溉水量，但是模拟ET较2010年并没有减少。这是因为林地面积的增加使得植物蒸腾量增加，从而导致ET总量并未降低。在这样的情况下，应继续加强对该地区农业种植结构的调整，积极发展温室及其他高效农业。同时，计算结果表明，尽管2020年的模拟ET低于目标ET，但是两者差距减小。因此，在进一步加大农业管理方式调整力度的基础上，要注重其他水源的开发与利用，加强水资源的合理配置，降低耗水量，以提高地区水资源综合利用水平。

图1 不同情景下潞城市ET平衡分析

6 结论

根据GEF海河项目要求，结合潞城市的实际情况，开展了基于ET技术的水资源管理方法研究。从供耗平衡原理、SWAT模型和遥感ET 3个方面计算出基准年的综合ET值。结合目标ET理论，计算出规划年目标ET。从调整作物种植结构、灌溉制度和灌溉水源3个方面，设置不同的情景，利用潞城市SWAT模型应用工具模拟ET值，进行ET平衡分析计算，通过改善情景设置使模拟ET值达到水资源管理目标，从而为潞城市水资源管理提供科学的决策依据。

需要指出的是，目前可获得的遥感解译ET数据的精度还未达到较高的水平，因此在实际应用过程中需考虑其本身存在的误差。并且针对像海河流域这样高强度人类活动的地区，SWAT模型在水库、灌溉、取用水模拟方面存在不足，今后需做进一步的改进。

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