基于遥感影像的灌区耗水量及计算分析

董江伟，李 江

(1.新疆巴州且末县水利综合服务中心，新疆 巴音郭楞 841900；2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000；3.新疆石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003)

0 引言

当前随着经济社会发展、人口增长，水资源需求快速增加，水资源短缺问题日益突出[1-2]。灌区农业灌溉用水是水能源利用中的大户，也是节水的主要增长点[3]。加强灌区农业用水管理，可以有效缓解目前水资源供需矛盾，保障国家水安全和粮食安全的现实需要[4]。目前灌区农业灌溉存在用水计量监测能力较为薄弱，灌溉用水数据主要是基于调查统计结果，数据空间分布离散且缺乏统一性，无法满足对灌溉用水的时空变化进行估算的需求。因此，估算灌溉用水对于探索人类活动对自然水循环的影响、量化水资源收支、优化农业水资源管理配置等具有重要意义。

现行的灌区耗水估算方法为典型调查和定额推演法，主要根据灌溉定额与实际灌溉面积数据进行估算[5]。灌溉定额的确定首先要进行典型调查，然后进行定额推演。在灌溉定额的确定上存在灌溉计量设施不完善、复杂灌区统计难度大等问题[6]，同时受水文气象、田间水分状况等动态调整影响，导致该方法不能准确计算灌溉用水量。根据水利部办公厅印发的《关于开展2022年农业灌溉面积遥感监测与用水量核算应用示范工作的通知》，决定在部分省区先行开展农业灌溉面积遥感监测与用水量核算应用示范工作。遥感技术是最为有效的对地观测技术和信息获取的手段之一[7-9]，遥感是大面积监测灌溉信息的主要手段，探索运用卫星遥感技术，动态掌握农业实际灌溉面积及取用水变化情况，对于提升农业灌溉用水量统计核算准确性、全面性，提升农业取用水监管能力，支撑经济社会高质量发展十分必要。

本文基于遥感监测和彭曼公式联合计算法，利用Landsat8中尺度遥感分辨率(30cm)影像，选择新疆孔雀河灌区利用作物物候特征解译出作物的实际种植面积及不同生育期内作物的覆盖度，获取灌区农作物种植结构类型和不同农作物用水定额，对相关部门合理利用并分配灌溉用水和指导农业生产具有重要的借鉴意义，为加强灌区农业用水管理提供技术支撑。

1 遥感监测与彭曼公式联合计算法

2022年9月23日，水利部办公厅印发的《关于开展2022年农业灌溉面积遥感监测与用水量核算应用示范工作的通知》(以下简称“通知”)，针对农业灌溉取水工程点多、面广、量大，取用水量占总用水量的90%以上，但农业取水计量工作较为薄弱，单靠传统计量手段难以全面掌握农业取用水情况。借鉴自然资源、农业等部门经验，探索运用卫星遥感技术，动态掌握农业实际灌溉面积及取用水变化情况，对于提高农业水资源配置与管理决策能力，加强农业取用水管理，支撑经济社会高质量发展十分必要。《通知》明确，2022年先期选取河北省、内蒙古自治区、吉林省、江苏省、新疆维吾尔自治区(含新疆生产建设兵团)开展应用示范工作，探索建立农业灌溉遥感监测与用水量核算业务新模式，提升农业灌溉用水量统计核算准确性、全面性，提升农业取用水监管能力。随着近年来遥感观测技术的发展[10]，利用空间分辨率较高的遥感影像与P—M公式相结合的方法正成为当前区域蒸散发量计算的热点。

1.1 基于决策树分类的作物识别与提取

根据植被归一化指数NDVI(NDVI-Normalized Difference Vegelation Index)对灌区各农作物进行提取。通过选取Landsat8影像将主要作物区分并统计其面积。

1.2 作物需水量估算方法

本文采用联合国粮农组织的FAO-56推荐的方法估算作物耗水强度。计算公式为：

ETC=ET0×Kc

(1)

式中，ETc—目标作物的蒸腾蒸发量，mm/d；ET0—参考作物的蒸腾蒸发量，mm/d；Kc—作物系数。

1.2.1参考作物蒸散发强度

参考作物蒸发强度采用FAO(联合国粮农组织)推荐的Penman-Monteith彭曼-蒙蒂斯公式计算得出，影响参考作物蒸散发ET0的因素主要有辐射、温度、风速和饱和水汽压差，其中辐射可通过日照时间计算得出，饱和水汽压差通过温度和相对湿度计算得出[10]。计算公式为：

(2)

式中，ET0—站点参考作物蒸散量，mm/d；Rn—净辐射，MJ·m-2·d-1；G—土壤热通量密度，MJ·m-2·d-1；T—2m高处日平均气温，℃，由日最高气温和最低气温平均值计算得到；U2—2m高处风速，m/s；es—饱和水汽压，kPa；Δ—饱和水汽压斜率，kPa/℃；γ—干湿表常数。

1.2.2作物系数

本文采用联合国粮农组织的FAO-56推荐的方法，将作物生长周期划分为生长初期、发育期、生长中期和生长后期4个阶段。生长初期的作物系数主要由土壤自身持水能力、湿润时间间隔、大气蒸发能力等因素决定；生长中期的作物系数主要由作物生理特征、气象、覆盖度、有效覆盖度等决定，选取作物长势旺盛的7—9月份的作物覆盖度；发育期的作物系数参考FAO-56提出的值曲线，通过对和线性内插获取发育期全时段作物系数；作物到生长后期，一般选取11月份的作物覆盖度，通过对和线性内插获取生长后期全时段作物系数。

2 实例应用

2.1 灌区概况

本文实例为新疆孔雀河灌区为库尔勒市的主体灌区，总灌溉面积1339467亩，灌区主要以孔雀河河水为灌溉水源。2022年孔雀河灌区粮食作物、经济作物、香梨面积分别为60445、702060、390342亩；占比分别为4.5%，52.4%，29.1%。灌区经济作物种植面积和香梨面积占比较大；粮食作物中玉米的种植面积较大。棉花、香梨作为灌区的主要作物，兼顾玉米等其它类作物，其中棉花、玉米等大田作物为膜下滴灌，香梨等果树以地面管灌为主。结合灌区地形地貌，土壤植被、水文气象以及行政区划等因素，综合考虑进行划分，以香梨为主的乡镇有阿瓦提镇、和什力克乡、兰干乡、普惠农场、包头湖农场；以棉花为主的乡镇有和什力克乡、兰干乡、普惠农场、包头湖农场等。

2.2 新疆孔雀河灌区现状种植结构及主要作物灌溉定额标准

2.2.12022年现状年种植结构

2022年孔雀河灌区实播作物面积及种植结构见表1。

表1 2022年孔雀河灌区实播作物面积及种植结构 单位：万亩

2.2.2主要作物灌溉定额标准

按照2022年实灌作物的统计数据，灌区除香梨及部分成龄果树以常规地面灌外，其他作物也均以摸瞎滴灌为主。参考新疆地方标准《新疆灌溉用水定额》(修订版)及孔雀河灌区灌溉实验站实测资料等，可得到2022年孔雀河灌区在偏旱气象典型年(75%)下所需的灌溉定额，见表2。

表2 2022年孔雀河灌区主要作物生育期灌溉制度(p=75%) 单位：m3/亩

2.3 基于遥感孔雀河灌区主要作物种植结构及覆盖度

孔雀河灌区内作物种类较多，但受限于Landsat8遥感影像(30m×30m)的局限性，少数分散种植或种植面积较小的作物难以区分，因此为了简化后续计算，通过按作物高度进行分类的等价作物方法，取灌区内典型作物进行此次计算。根据2022年Landsat 8遥感影像解译得出库尔勒灌区主要农作物棉花和香梨覆盖度分别为0.45和0.40，该结果为准确计算各作物需水量提供基础数据。孔雀河灌区主要作物种植及覆盖度空间分布如图1所示。

图1 孔雀河灌区主要作物种植及覆盖度空间分布

2.4 基于遥感孔雀河灌区主要作物耗水量

农作物需水量通过库尔勒气象站点的气象数据，包括逐日降雨量、最高和最低气温、平均气温、平均风速、日照时数、平均水气压和平均相对湿度等的基础上，结合FAO-56推荐的计算作物耗水量的彭曼法计算得出得库尔勒灌区主要农作物棉花和香梨在生育期的耗水量分别为327、491m3/亩，代表性作物的耗水量空间分布如图2所示。

图2 孔雀河灌区主要作物耗水量空间分布

上述结果是在结合了遥感影像和气象站数据的基础上，通过FAO-56推荐的彭曼公式法计算所得，此结果与表2中得到灌溉定额非常相近，表明采用遥感解译的耗水量作为灌区耗水定额的计算具有较高的可靠性。

3 讨论

本研究利用空间分辨率较高的遥感影像Landsat8卫星遥感数据与P—M公式相结合的方法，以新疆孔雀河灌区作为研究区域，依据香梨、棉花物候特征与其它作物区别较大的特征，可确定出香梨、棉花的实际种植面积，通过计算得出灌区主要农作物棉花和香梨覆盖度，确定了孔雀河灌区代表性作物的耗水量空间分布和生育期的耗水量。根据研究结果发现以下情况。

(1)利用遥感影像提取的灌溉面积与实际灌溉面积进行对比，精度达到99.33%。

(2)采用灌溉定额法与遥感图像与FAO-56推荐的彭曼公式相结合对主要作物耗水量进行了测算与分析，并对两种计算方法得到的结果进行验证，确定了主要作物在不同分区范围内年亩均净灌溉用水量。其它非主要种植作物的综合亩均净灌溉用水量，是在结合DB65/3611—修订版《农业灌溉用水定额》中75%灌溉保证率下相关作物的用水定额。此结果与表2中得到灌溉定额非常相近，表明采用遥感解译的耗水量作为灌区耗水定额的计算具有较高的可靠性。

综上所述，利用多源卫星遥感与地面观测协同，解译判别与分析实际灌溉面积，建立基于遥感监测的农业灌溉用水量核算业务新模式，采用遥感技术与彭曼耗水量计算相结合的新方法是适应当前变化环境下的一种有益探索，且能避免统计数据不准所导致的误差，值得在今后的工作中加以推广。

4 结语

基于卫星遥感技术在农业灌溉解译灌区耗水量、提取灌溉面积该方法方便快捷，结果较精确，能够弥补传统灌区农业取水计量工作薄弱及灌溉面积监测的缺陷。

探索运用卫星遥感技术，动态掌握农业实际灌溉面积及取用水变化情况是一个持久的话题，该研究也存在一些不足之处，故在今后的研究中可以从以下方面进行。

(1)在遥感卫星数据的选择上，Landsat 8虽然空间分辨率能满足监测的需要，但是时间分辨率不高，故下一步可增加数据源，比如，将MODIS数据进行重采样后作为辅助数据，再结合Landsat 8数据进行分析。

(2)以卫星遥感数据为基础，结合利用天空地一体化立体观测数据，对灌区耕地、林地、渠系、房屋、道路等地表覆盖信息进行全覆盖、全要素提取，并以年度为单位进行现状监测和动态更新，以此作为灌区农业生产组织管理和相应决策分析的数据基础。