华北平原大型灌区生态水文综合观测网络设计

吕华芳，雷慧闽，杨大文，薄宏波

（1.水沙科学与水利水电工程国家重点试验室，清华大学水利水电工程系，北京 100084；2.山东省聊城市位山灌区管理处，山东聊城 252000）

华北平原大型灌区生态水文综合观测网络设计

吕华芳1，雷慧闽1，杨大文1，薄宏波2

（1.水沙科学与水利水电工程国家重点试验室，清华大学水利水电工程系，北京 100084；2.山东省聊城市位山灌区管理处，山东聊城 252000）

清华大学水利水电工程系在华北平原地区建立生态水文综合观测网，进行农田生态水文综合试验研究。该观测网络通过对不同空间和时间尺度的水、热、物质循环的连续观测，形成对不同时间和空间尺度水循环机理的系统认识，为现代水文学与水资源科学的发展提供试验数据。同时，将该网络与卫星遥感观测相结合，可以将田间观测推广到全灌区，对指导该地区农业水资源管理和制定社会经济可持续发展规划具有重要的实践意义。该观测网络测量项目完整，观测手段先进，可为其他类似站网的建设提供参考。

农田生态系统；水文综合观测站；水热循环；通量观测；多尺度

我国农田生态系统占国土面积的19%，是我国第3大植被生态系统［1］。农业用水占到总用水量的63%，且有效利用率仅为40%左右，远低于发达国家，农业生态节水已引起国家的高度重视。华北平原是我国最大的粮食产区，占我国农田总面积的18.6%［2］，而水资源量仅占全国水资源量的3%（1956—2000年平均），提高农业水资源利用效率不仅可以减少农业水资源的消耗，同时还有利于控制农业面源污染对环境和生态的影响，因此农业生态用水的合理高效利用在华北平原尤为重要。

目前，我国有关农业生态节水应用基础理论与试验研究方面比较薄弱，缺乏农业生态节水发展所需要的基础数据积累［3］。尺度理论将是农业生态节水领域解决实际问题的关键，需要利用先进的观测手段和全方位的试验设计，从具有代表性的点尺度（小尺度）上的研究着手，找出水资源消耗的机理，将得到的研究结果扩展到区域上（大尺度上）。

1 总体设计

山东省聊城市位山灌区设计灌溉面积33.87万hm2（508万亩），是华北平原半干旱半湿润区、黄河下游的大型引黄灌区，多年平均引黄水量约10亿m3，是我国第5大灌区，在我国北方农田生态系统中具有较好的代表性。在该地区建立生态水文综合观测网，进行农田生态水文综合试验研究，通过对常规气象因子、水循环、能量循环和物质（碳、水质）循环等项目在不同空间和时间尺度上的连续观测，定量分析灌区水分消耗、能量循环和物质（碳、水质）循环的变化规律，为现代水文学与水资源科学的发展提供试验数据的同时，对指导该地区农业水资源管理和制定社会经济可持续发展规划具有重要的实践意义。

位山灌区生态水文综合观测网（见图1）由3部分组成：通量观测塔（见图2），控制试验场（见图3）和灌区水文气象观测网。其中，通量观测塔位于作物均一的大田中，进行农田实际状况的观测，观测项目包括水文、气象及生态学研究中所涉及的要素，为气象-水文-生态过程的机理研究，模型的输入、率定和验证提供必要和完整的数据。控制试验场由若干控制测坑组成，进行水肥耦合控制试验，用于掌握不同水分和养分条件下的作物耗水机理、作物产量形成过程和水质运移规律。灌区水文气象观测网包括地下水位、水质、降雨、温湿度、灌溉量、常规气象要素、河道流量等项目，用于观测这些要素的空间变化规律，为研究整个位山灌区生态水文循环提供必要的数据支撑。三部分观测从点到面，从地下到地上，组成了不同尺度灌区生态水文过程的综合观测体系。

图1 位山引黄灌区生态水文综合观测网

1.1 通量观测塔

水资源量与气候变化密切相关［4］，CO2作为最主要的温室气体，它所引起的全球变暖及其可能的影响在全球引起了高度关注，CO2减排成为国际气候谈判的关键议题。因此，探寻陆地生态系统CO2减排的有效方法成为人们关注的焦点，而了解不同陆地生态系统的碳循环过程及机理，量化各生态系统CO2吸收和排放状况，是实现CO2减排、保护全球气候环境的关键问题［5］。研究表明，农田是区域碳循环的一个重要组成部分［6］。对于农田生态系统而言，蒸散发和碳通量与区域耗水、粮食产量及CO2排放等紧密相关，在太阳辐射的能量驱动下，以植物光合作用为主要途径，水循环、能量循环以及碳循环三者紧密耦合在一起，在此背景下，水分及碳循环为核心的农田生态水文过程研究成为生态水文学的前沿和热点问题之一［7］。

以涡度相关技术为核心的通量观测是国际上测定蒸散发和碳通量的标准方法［8-9］，其最大优点是在配合净辐射和土壤热通量观测的情况下，可通过地表能量平衡闭合度评价系统的观测精度［10］，这也是评价涡度相关技术精度的主要方法，也使该技术成为唯一能够实现自我精度评价的观测手段。

通量观测塔（高10m）位于灌区的中心（N 36°38′55.5″，E 116°03′15.3″），其下垫面为一个约400m× 500m的矩形农田，其土质均匀、种植结构为单一的冬小麦和夏玉米，田间的气象条件、灌溉条件及种植条件与当地实际情况相符，在灌区内具有代表性，观测设备布置在试验田的中心位置［11］，其具体配置见图2。

观测均采用全球主流仪器生产商制造的仪器设备，开展标准化的项目观测，保证了数据观测的精度以及不同站点间数据的可比性。

核心观测：采用Campbell Scientific公司生产的超声风速计与LICOR公司生产的CO2／H2O分析仪组成的涡度相关系统，进行CO2、显热（由于垂向温度梯度造成的热通量）、潜热（作物及地表的蒸发和腾发）和土壤中的热通量的连续观测。这与传统的测坑法观测作物耗水量的方法不同，它不改变土壤和大气条件，直接观测田间的蒸发和腾发量，实施长期的、连续的和非破坏性的定点监测［12］。

辅助观测包括：常规气象观测（降雨、空气温／湿度、辐射、日照时数、风速／风向等），植被状态观测（叶面积指数、生物量等），2个0～1.6m深的土壤观测剖面进行土壤状态观测（土壤热通量、土壤温度、土壤水分、土壤水势、地下水埋深）。

以上均为自动观测、数据自动采集和存储。此外，还配有土壤呼吸以及植物光合作用的观测进行碳循环研究；配有土壤蒸发、植物蒸腾等观测进行水分循环观测。

图2 通量观测塔仪器配置图及实物图

1.2 控制试验场

控制试验对于研究农业节水、施肥控制以及减少农肥污染具有重要意义。试验场（见图3）位于灌区内许营乡堌堆王村，占地3.32公顷（49.8亩），试验区3.05公顷（45.8亩），包括27块灌溉试验测坑和常规气象观测场。试验测坑包括9块有底测坑（规格是4 m×4m×2m）和18块无底测坑（规格是4m×4m）。测坑进行冬小麦和夏玉米的轮番种植，开展的观测项目有：灌溉量、施肥量、测坑土壤水分、土壤水水质等。设计试验方案为：将27块试验田分成9组进行不同施肥灌溉条件的对比实验，每组包括3块试验田，相当于设置3个重复试验以减小误差。

表1 灌溉控制试验设计表

图3 堌堆王灌溉试验站

1.3 水文气象观测网

研究位山灌区生态水文过程的空间分布，需要掌握水文气象要素的空间变化规律，为模型的输入、率定和检验提供必要的数据。水文气象观测网各站点均匀分布在灌区的内外。其中，气象站、降雨和温湿度站用于观测常规气象要素，可作为水文模型的输入数据，为便于数据采集，仪器均为自记式（每1h测量1次），可根据实际需求，定期采集存储器内的数据。灌溉测流站用于测量不同地段的渠道流量，该数据也是水文模型的必要输入量。渠道放水期间，采用自动水位计连续监测各断面的水位，并根据水位-流量关系得到通过断面的流量。地下水观测井和水文站则提供地下水埋深、水质和河道径流的观测数据，用于水文模型的率定和验证，其中地下水埋深的观测同样采用自记式地下水位仪（每6h测量1次）。水质则通过人工定期采集地下水，依托其他专业单位通过水质分析获得，而河道流量的观测则依托聊城市水文局，采用标准的水文测验方法进行测量。

2 代表性成果及社会效益

（1）经过多年的连续观测，位山引黄灌区生态水文综合观测站积累了大量的水分、能量、碳通量观测资料，从蒸散发、能量分配、碳通量传输的基本规律以及三者之间的耦合关系，分析并揭示了农田生态水文过程的机理。

（2）基于位山通量观测站和观测网的观测数据，在陆面过程模型SiB2的基础上，构建了用于模拟田间尺度水分-能量-碳通量的水文强化陆面过程模型（HELP）；与作物生长模型耦合，进一步建立了田间尺度生态水文模型（HELP-C），实现了对作物与水文循环之间相互作用的模拟；利用卫星遥感资料及GIS数据，将HELP（或HELP-C）与分布式水文模型相耦合，构建了灌区尺度的生态水文模型，实现了对灌区水分、能量和碳循环的耦合模拟。并采用构建的灌区生态水文模型模拟了位山灌区蒸散发及碳通量的历史变化过程，预测了在未来气候及灌溉情景下灌区作物耗水、灌溉需水、粮食产量以及CO2通量的可能变化［7］。

（3）基于地下水位观测网数据，以地下水位变化为重点，得到了引黄灌溉条件下位山灌区的水循环特征，为该地区农业水资源的可持续利用提供了科学依据［13］。通过灌溉控制试验，积累了大量的不同灌溉量、施肥量的对比试验数据，进行了土壤剖面中水分、盐分和氮素的详细采样分析，基于农田观测数据与数值模拟，得到了灌溉与施肥影响下，农田盐分与氮素的分布及运移规律［13］。

此外，在观测结果的基础上，已经发表系列学术论文［14-23］，获得了国内外同行的高度评价。试验站成果还被应用于指导位山灌溉处编制灌区灌溉和抗旱规划，取得良好效果，不仅提高了位山灌区的灌溉业务水平，也为探讨灌区的节水灌溉新途径提供了基础，对促进灌区现代化建设具有重要现实意义，经济和社会环境效益显著。

3 展望

随着试验观测的深入，认识到以水为介质的泥沙和水质研究在灌区具有与水循环本身同样重要的意义，认识到已有试验设计存在一些不足。主要表现在：一是水质测量的频次太低，无法准确掌握水质的运移规律；二是缺乏泥沙方面的测量项目。为此，需以水质和泥沙为核心，进一步完善和扩充其基本功能；计划建立更多的标准气象场；以通量观测塔为中心，建立农田水循环观测系统，包括增加设置灌溉和排水的量水系统，修建具有防渗能力的灌溉毛渠和排水毛沟，设置超声波流量计，用以精确测量进入和流出田间的地表水量；建立具有适当密度的土壤水分自动观测网；设置一个具备常规水质指标（包括pH、水温、浊度、电导率、硝酸盐含量、DO、COD等）分析能力的水质分析实验室；设置一个用于灌区泥沙数量和颗粒级配分析试验的泥沙分析实验室。从而使观测内容更加全面（包括标准气象因子、水循环、能量循环和物质（碳、泥沙和水质）循环，并提高观测设备的精度和自动化水平，使之成为华北平原大型农业灌区中一个典型的水文-气象-泥沙-水质综合观测与试验研究基地。

（References）

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Design of ecohydrological observation network in a large irrigation district of North China plain

LüHuafang1，Lei Huimin1，Yang Dawen1，Bo Hongbo2
（1.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Department of Hydraulic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Management Office of the Weishan Irrigation District，Liaocheng 252000，China）

The Weishan Irrigation District（Liaocheng，Shandong Province）is a typical irrigated area in the Northern China plain，and is the fifth largest region in China.In order to provide a platform for ecohydrological researches，an observation network is set up by the Department of Hydraulic Engineering of Tsinghua University，including the observation of water，energy，and carbon fluxes and other hydrometeorological elements.This network aims to understand the key processes which control the water cycle，and to provide a basic data set for modern hydrology and water resources studies.In combination with remote sensing data，this network can be extended to the entire irrigation district，which is meaningful for practical water management and sustainable development planning.This network contains comprehensive observation items with advanced techniques，and can be a reference for other similar hydrological observations.

agro-ecosystem；hydrological comprehensive observation；water-energy cycles；flux observation；multi-scale

S271-33

B

1002-4956（2013）05-0026-04

2013-01-23

国家自然科学基金青年科学基金项目（51209117）

吕华芳（1980—），女，山西临汾，硕士，工程师，主要研究方向：水文水资源实验技术.

E-mail：lvhf＠tsinghua.edu.cn