中小型灌区不同空间尺度的净灌溉水量估算

吕鹏程

（新宾满族自治县水利事务服务中心，辽宁 抚顺 113200）

为加强限制纳污、用水效率和水资源开发利用管理，我国先后出台双控行动方案、最严格水资源管理制度考核办法及工作实施方案等，突出强调水资源管理制度考核的全面实施。效率红线和总量控制控制的重要指标有灌溉水有效利用系数、农业用水总量等，这也是全面落实最严格水资源管理的重要内容。

目前，主要利用观测分析法和直接测量法来测算净灌溉用水量。然而抚顺市中小型灌区较多，其中纯井灌区93 处，小型灌区597 处，中型灌区6 处，这些灌区普遍缺少计量设施，试验观测工作量较大，周期较长，加之缺乏专业技术人员和工作经费，实际开展难度较大。随着双控行动方案以及最严格水资源管理的落实，对数据采集精度的要求不断提高，测算工作量也明显增多。因此，未来通过遥感蒸散发模型来测算灌溉水有效利用系数具有广泛的应用前景。

根据现有研究成果，比较常用的测算灌溉水有效利用系数和提取区域蒸发量的模型有TSEB、SEBS、SEBAL 等遥感蒸散发模型。例如郭二旺等、王行汗利用SEBAL 模型测算区域农田蒸散发量和灌溉水有效利用系数；李杰等将数据综合分析—计量经济学模型测算—实地监测—遥感反演相结合，以遥感蒸散发模型为基准提出测算用水效率的框架；温媛媛等利用SEBS 模型揭示了小流域蒸散量的变化特征及分布规律；丁杰等采用SEBS 模型分析了生育期内冬小麦蒸散发总量和地表水热通量；陈鹤等基于SEBS 模型计算灌区蒸散发量，并进一步探讨了卫星过境时刻的瞬时值到日蒸散发、全年尺度估算方法；蒋磊等以河套灌区为例，应用SEBAL 模型分析生育期灌溉水有效利用系数和蒸散发量，并利用遥感蒸散发模型估算了玉米日蒸散发量和产量；Yang 等利用SEBAL 模型模拟分析了2000-2010 年河套灌区蒸散发时空分布规律[1-8]。总体而言，虽然已经开始将遥感蒸散发模型用于蒸散发量的提取和用水效率估算，但实际应用度较低，特别是北方缺水应用更少，对不同尺度用水效率的估算研究还鲜有报道。鉴于此，本文从不同空间尺度利用遥感解译—试验观测等技术计算遥感蒸散发量，与净灌溉水量直接量测数据建立线性关系，并结合相关系数确定误差最小的空间尺度，建立更有效、快速、准确的最优空间尺度下区域净灌溉水量估算方法，以期为科学管理农业水资源及最严格水资源管理考核提供一定支持。

1 研究方法

1.1 数据来源

以2021 年现场试验监测值作为水稻试验数据来源，对于未测到的作物按抚顺市发布的作物灌溉定额及周边试验站历史监测数据确定。本研究取市用水定额中的偏高值作为未实测作物净灌溉用水定额，即玉米1500m3/hm2、蔬菜3000m3/hm2和其它1500m3/hm2。由抚顺市试验站统计数据提供作物灌溉面积，遥感数据利用成像光谱仪MODIS提供的地表反照率、植被指数、覆盖、温度和反射率数据。DEM 数据是结合研究区范围，经Arc GIS 软件拼接和最邻近法重采样操作，将下载的地理空间数据云转变成1km 分辨率的DEM 数据，通过该数据纠正空气温度受研究区地形起伏变化的影响。

1.2 区域概况

抚顺市地处辽宁省东部，下辖三县四区(抚顺县、清原县、新宾县、新抚区、望花区、顺城区、东洲区)，总面积11271km2。该区域属于季风型大陆气候，多年平均降水量650～800mm，上游大于下游，南侧大于北侧，丰、枯水年降水量相差3 倍以上，降水主要集中于6-9 月，约占全年总量的70%～80%。

抚顺市主城区位于浑河流域中上游，浑河是其最大的河流，抚顺段河长38.5km，控制面积7353km2，浑河两岸共有15 条支流河。左岸(南岸)从上～下依次为新泰河、东洲河、海新河、古城河，右岸(北岸)从上～下依次为章党河、门进河、李其河、鲍家河、詹家河、抚西河、将军河、葛布东、葛布西、英石河、连岛河。2020 年，其农田有效灌溉2.28 万hm2，节水灌溉7867hm2，其中喷灌1553hm2、微灌1338hm2、管灌4820hm2及其它节水灌溉427hm2，主要农作物包括水稻、大豆、玉米、薯类、蔬菜、水果和油料等。

1.3 计算方法

对于作物蒸发蒸腾量利用遥感蒸散发模型进行计算，通过建立实测净灌溉水量与蒸散发量之间的线性关系计算确定净灌溉水量，并与试验监测数据对比分析确定不同时空尺度下的计算误差，在此基础上明确误差最小的空间尺度，运算流程见图1。

图1 技术路线

1.3.1 遥感蒸散发量

根据研究区实际情况和国内外研究成果，采用SEBAL 模型和潜热通量及逐日蒸散发量，详细流程见文献[9]。研究表明，蒸渗仪监测日蒸散发量与该方法计算的遥感反演结果之间存在线性相关性，相关系数0.98，通过显著性检验。

在使用遥感数据前必须做预处理，前期处理有图像掩膜、图像镶嵌、几何校正以及辐射标定等，可利用下式计算作物蒸散发量，即：

式中：λ、ET——蒸发潜热(J/m3)和蒸散发量(m/s)；Rn、G、H——净辐射量、土壤热通量和显热通量(W/m2)。

1.3.2 试验水田净灌溉水量

1）样点田块净灌溉水量。某次单位面积净灌溉用水量(w田净i，mm)利用灌溉前、后典型田块水深变化来确定，其表达式为：

式中：h2、h1——典型田块灌水前、后的田面水深(mm)。

2）样点灌区净灌水量。设wij、Aij为片区j作物i的单位面积景观该用水量(m3/hm2)和灌溉面积(hm2)，m、n为作物种类和片区数量，利用下式计算样点灌区年净灌溉用水量，即：

3）区域净灌水量。结合测算的单位面积水稻作物净灌溉水量分片区、全区等计算典型区域净灌溉用水量，采用抚顺农业灌溉定额按作物种植面积及结构推算未实测的旱作净灌溉水量。

2 结果与分析

2.1 试验测算

2.1.1 样点灌区选择

遵循可行性、代表性和稳定性原则合理选择样点灌区，并充分考虑市级区域内灌区节水改造、灌溉面积分布等情况，尽可能选择能够反映市级区域灌区整体特征的样点灌区。最终选择样点灌区31个，其中中型灌区6 处，小型灌区19 处，纯井灌区6 处，样点灌区情况如表1 所示。

表1 样点灌区基本情况

2.1.2 样点灌区净灌溉水量

根据抚顺试验站的常年历史研究资料和样点灌区的实测净灌溉水量数据，依据《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》中公式计算出各样点灌区年净灌溉用水量，如表2 所示。结果显示，水稻亩均净灌溉用水量w田净处于682.98～447.95m3范围。

表2 样点灌区净灌溉水量

2.1.3 市级区域净灌溉水量

市级区域灌溉水有效利用系数η市是指市级区域年净灌溉用水量W 毛与年毛灌溉用水量W 净的比值，按下式计算：

式中：W市中、W市小、W市井和η市中、η市小、η市井——中、小灌区和纯井灌区的年毛灌溉用水量(万m3)和灌溉用水有效利用系数。

经计算，2021年抚顺市农业灌溉用水量为24070万m3，其中中型灌、小型灌区、纯井灌区毛灌溉用水量依次为19393.29万m3、4302.57万m3、459.99万m3，所对应的农田灌溉水有效系数0.578、0.622、0.589，如表3所示。从小到大排序为中型＜小型＜纯井灌区，这符合灌区系数的变化规律，说明抚顺市不同规模灌区的系数变化规律合理。

表3 2021 年市级区域灌溉水有效利用系数

2.2 遥感测算

2.2.1 遥感蒸散发量

采用SEBAL 模型和2021 年MODIS 卫星数据源，计算2021 年抚顺市逐日蒸散发量和年尺度蒸散发总量时空分布特征，如图2 所示。结果显示，2021 年抚顺市年蒸散发总量处于480～1700mm 之间，在空间分布上浑河上游小于下游，南侧小于北侧，集中连片区域较明显，年蒸发量主要集中于1100 附近，最大值发生于5 月，最小值发生在1 月，总体呈正态分布特征。

图2 2021 年蒸散发量统计值

2.2.2 遥感蒸散发量与试验值关系

根据Arc GIS 软件平台和空间点位数据提取方法确定多期遥感反演日蒸散发量值，建立各样点灌区空间点位一致的遥感蒸散发量与同一时间试验监测灌溉水深的关系图，如图3 所示。结果显示样点灌区试验监测值与遥感蒸散发量的相关性较低，相关系数处于0.58～0.72 范围。

图3 样点灌区遥感蒸散发量与实测净灌溉水量的关系

通过分析抚顺市遥感蒸散发量与同一时间试验监测灌溉水深的关系图发现，两者的相关系数达到0.8561，遥感蒸散发量与同一时间试验监测灌溉水深高度相关。

2.2.3 遥感测算净灌溉水量

依据2021 年灌区种植结构空间分布特征和年蒸散发量计算结果，采用遥感蒸散发量与实测净灌溉用水量之间的关系式计算出2021 年灌区种植结构下的总灌溉用水量为24150 万m3，对比遥感估算与实测结果，遥感测算误差不超过0.5%，说明遥感测算具有较高的可信度与可行性。

3 结论

为解决作物净灌溉水量测算受人为主观影响大、测算难度高等问题，本文提出一种有效、快速、准确的最优空间尺度下区域净灌溉水量估算方法，主要结论如下：

1）对抚顺市尺度上，遥感蒸散发量与净灌溉用水量的线性关系明显，相关系数较高为0.8561，通过建立校正关系能够保证净灌溉用水量估算的精准度。对样点灌区尺度上，试验监测值与遥感蒸散发量的相关性较高，相关系数处于0.58～0.72 范围，对净灌溉用水量可以利用遥感蒸散发量进行推算。

2）采用遥感蒸散发量与实测净灌溉用水量之间的关系式计算灌区种植结构下的总灌溉用水量，并对比遥感估算与实测结果，结果显示误差不超过0.5%，说明遥感测算具有较高的可信度与适用性。