中小型灌区不同空间尺度的净灌溉水量估算_吕鹏程.pdf

101 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）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）摘 要：以抚顺市为例，从不同空间尺度上利用遥感解译试验观测等技术计算遥感蒸散发量，并与净灌溉水量直接量测数据建立线性关系，结合相关系数确定误差最小的空间尺度，从而建立更有效、快速、准确的最优空间尺度下区域净灌溉水量估算方法。结果表明：在抚顺市、片区尺度上，遥感蒸散发量与净灌溉用水量存在显著线性关系；遥感测算结果及遥感蒸散发模型具有较高可信度和较强适用性，可以为科学管理农业水资源和最严格水资源管理考核提供一定参考。关键词：净灌溉水量；遥感蒸散发；试验观测；空间尺度；红升灌区中图分类号：S274.4文件标识码：B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。收稿日期 2022-12-02作者简介吕鹏程（1988-），男，辽宁新宾人，工程师。文章编号:1007-7596（2023）01-0101-05DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.024 102 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）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 650800mm，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。辐射定标大气校正投影转换影像镶嵌几何校正去云处理遥感蒸散发模型计算净灌溉用水量的合理空间尺度遥感影像蒸散发量计算遥感提取抚顺市、灌区不同空间尺度经灌溉用水量影像处理灌溉用水灌溉时间种植结构现场监测基础信息收集灌区选取灌区历史用水数据整理分析模型建立图 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：HGRETn=(1)式中：、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：)(1012hhwi=田净(2)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：=njmiijijAwW11样净(3)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。103 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）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 样点灌区基本情况灌区规模灌区名称取水方式设计灌溉/万亩有效灌溉/万亩实际灌溉/万亩典型田块数量种植作物中型灌区浑河灌区自流6.165.8993.406水稻柳河灌区自流5.125.0135.016水稻腰堡灌区自流5.15.10.886水稻红升灌区自流3.13.11.976水稻前甸灌区自流1.00.30.36水稻清河灌区自流5.045.044.316水稻小型灌区清原县前秧灌区自流0.750.750.752水稻清原县东堡翻板闸灌区自流0.20.20.22水稻草市镇双井沟灌区自流0.040.040.042水稻草市镇赵家街灌区自流0.040.040.042水稻夏家堡镇马家店灌区自流0.010.010.012水稻夏家堡镇双榆树灌区自流0.040.040.042水稻夏家堡镇猴石灌区自流0.090.090.092水稻鲍家村灌区自流0.030.030.032水稻汤图村灌区自流0.030.030.032水稻苇塘沟灌区自流0.230.230.232水稻夹河北灌区自流0.820.50.52水稻转水湖灌区自流0.070.070.072水稻西大湖灌区自流0.230.230.232水稻二道坝灌区自流0.180.180.182水稻头道坝灌区自流0.170.170.172水稻网户拦河坝灌区自流0.0780.0780.0782水稻皇寺拦河坝灌区自流0.0520.0520.0522水稻红旗拦河坝灌区自流0.1730.1730.1732水稻一号橡胶坝灌区自流0.120.120.122水稻纯井灌区土口子乡银伟灌区提水0.010.010.012裸地木耳草市镇水帘洞灌区提水0.020.020.022榛子红透山镇下大堡灌区提水0.030.030.032中草药腰堡井灌区提水0.020.020.022中草药后安井灌区提水0.010.010.012木耳四家子井灌区提水0.010.010.012草莓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 104 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）w田净处于 682.98447.95m3范围。表 2 样点灌区净灌溉水量灌区名称亩均净灌溉用水量 w田净实际灌溉面积/万亩净灌溉用水量/万 m3毛灌溉用水量/万 m3测算系数浑河灌区566.493.401926.083326.560.579柳河灌区538.325.012697.004650.000.580腰堡灌区447.950.88394.20682.000.578红升灌区526.531.971037.271862.240.557前甸灌区546.500.30163.95283.650.578清河灌区682.984.312943.645057.800.582前秧灌区626.980.75470.24722.330.651东堡翻板闸灌区542.360.2108.47172.450.629双井沟灌区645.800.0425.8342.140.613赵家街灌区568.500.0422.7437.340.609马家店灌区513.760.015.148.520.603双榆树灌区553.640.0422.1535.320.627猴石灌区561.030.0950.4981.440.620鲍家村灌区546.910.154.6991.000.601汤图村灌区527.120.152.7188.000.599苇塘沟灌区537.920.23123.72198.590.623夹河北灌区676.370.5338.18488.000.