遥感监测ET技术在区域水资源量核定中的应用研究

王文生，付贵增，阎战友，王志良

（水利部海河水利委员会，天津 300170）

海河流域水资源短缺。在水资源开发利用过程中，受自然和人为因素的综合影响，地表水可利用量减少，地下水严重超采，加剧了水资源的供需矛盾。在现有的条件下，应加强水资源管理，实行最严格的水资源管理制度，严格用水总量控制，合理开发利用水资源，提高用水效率，最大限度地支撑流域经济社会的可持续发展。

利用卫星遥感技术，通过卫星影像的信息分析，并经相关的理论模型计算，可以得到某一特定区域的实际消耗水量，即获得遥感监测ET，该数据可反映不同时段不同区域的ET变化。以此为基础，可以开展该区域实际总用水量的有效监控，为水资源的总量控制和水资源的高效利用提供强有力的技术支持。

目前，国内外学者对遥感ET方面的研究日益关注，但对于利用遥感ET数据开展水资源量核定的应用研究甚少。利用获得遥感ET及降水量、水资源量、用水量统计数据等开展基于遥感ET的水资源量核定应用研究，以利于对研究区水资源状况进行总体把握，为区域水资源合理利用提供支撑。

1 研究区概况

馆陶县位于海河流域南部，属河北省邯郸市，总面积456 km2，耕地面积占总面积的80%以上，是典型的农业县。1980—2005年多年平均降雨量531.6 mm，水面蒸发量1 515.6 mm。

根据邯郸市水利统计年报和水资源公报，馆陶县2004—2008年来水量、排水量数据见表1。利用水平衡方程计算得出馆陶县年均ET统计为3.043 3亿m3。

表1 馆陶县2004一2008年来水量和排放量统计 104m3

2 区域ET消耗特征

2.1 ET空间分布特征

遥感监测ET最大的特点之一就是将蒸腾蒸发这无形的概念进行了直观的反映，突出了空间区域上的分布特点。从馆陶县遥感ET分布图可直观地反映出水分蒸发的空间分布差异，以及年际间某一区域的变化情况。2007、2008年的年度遥感ET空间分布如图1所示。

总体上，馆陶县ET值东北高、西南较低，耕地ET较高、城区ET较低。从馆陶县乡镇对比而言，徐村镇和路桥乡ET较高，其他乡镇差别不大。馆陶县主要作物为小麦、玉米和棉花，在各自生长季期间，3种作物2002—2008年年均蒸散量分别为 354.4、384.8和501.9 mm。

2.2 ET不同时段分布特征

利用已有的ET成果，统计2002—2008年各月份的ET，得到如图2的变化曲线：

图2 馆陶县2002—2008年各月份ET消耗变化曲线

区域遥感ET的年内变化呈M型，两个波峰出现在5月和8月，6月稍有回落。从影响ET数值的因素上分析，地表植被的变化是造成这种消耗变化的最关键因素。馆陶县大部分耕地是小麦与玉米轮作种植。小麦的生长期从当年10月开始，至来年6月上旬收割。其中，5月份是小麦生长最旺季节，对水分的需求也最大。6月上旬，小麦收割完毕，种植玉米。8月份，玉米生长旺盛，田间蒸发量再度达到峰值。9月份，温度有所下降，蒸发量随之减少。10月上旬，玉米基本收割完毕，蒸发量迅速回落。图2中ET曲线变化十分吻合当地作物的种植特点，说明ET受地表植被的影响很大。

3 区域水资源量核定

3.1 区域水分盈缺分析

一个地区水资源盈缺性质，就是通过降水量与该地区的蒸腾蒸发量的对比，以求得水量盈余状况。从长期来看，当区域降水量Pm大于等于综合蒸发量（ET综合）时为天然水资源有余或者达到平衡；当区域降水量Pm小于综合蒸发量（ET综合），该地区为资源型缺水地区，天然水资源不足。

馆陶县位于华北平原南部传统农业种植区，属于典型的资源型缺水地区，多年平均降水量小于蒸发量。为保证工农业生产生活用水，一直大量开采利用地下水。馆陶县的降水，除一部分补给地下水后，大部分以地表土壤水分蒸发和植物水分蒸腾的形式形成ET，很少量以径流形式排放入河道中。馆陶县水分盈余的计算结果见表2。

表2 2004—2008年馆陶县水分盈缺计算结果

馆陶县2004—2008年的年度降水变化较大，但各年度的蒸发量变化较小，均在660 mm以上。5年年均蒸发量为688 mm，折合水量为3.1亿m3。5年年均降水量为528 mm，折合水量为2.4亿m3，年均蒸发量比降水量多7 279万m3，即可认为实际发生耗水量比年均降水量多7 279万m3，该部分水量需要通过地下水开采、外区域引水等方式来获得。

3.2 遥感ET与统计ET对比分析

遥感ET是根据地面能量平衡原理，由遥感获取的影像资料借助模型进行解译而获取的蒸散发量。统计ET是根据区域水量平衡的原理计算的ET。使用两种方法对馆陶县2004—2008年各年度蒸发耗水进行对比分析，各年度的遥感ET与水平衡计算的ET统计之间差别较大，最大差值出现在2006年，高达0.75亿m3，该年的降水量仅有1.4亿m3；其他各年两种ET的相对误差均超过了10%。从多年总数和平均数值分析，其总量差值为4 631万m3，均值差值为926万m3，误差仅为2.95%。上述分析说明，从多年平均情况看，遥感蒸发ET与水平衡计算ET基本接近，遥感ET的数据精度较为可靠，且可以代表ET消耗的实际情况。

3.3 遥感ET与地下水净使用量对比分析

地下水净使用量（NGU）是地下水抽取量Itw和地下水回补量qnr之间的差值：NGU=Itw-qnr。地下水净使用量充分反映了自然和人类活动双重因素影响下的地下水储量变化。

地下水的抽取量是指通过机井抽取的地下水，主要用于田间灌溉、工业生产和居民生活用水。地下水的回补量是指地下水的总补给量，包括降水、灌溉、地表水体等的下渗回补给地下水，即通常所说的地下水回归水量。

地下水净使用量绝大部分通过灌溉形式，在田间的地表土壤、植被的作用下形成了净蒸发，是水分消耗的重要来源之一。根据遥感监测ET与地下水净使用量、降水量、水平衡统计ET，得到数据分析见表3。遥感ET与降水量的差值年均值为7 187.5万m3，地下水净使用量为5 196万m3，两者比值为72.3%。由此看出，遥感监测ET和降水量的差值与地下水净使用量存在正相关关系。

表3 ET与地下水净使用量、降水量的对比分析104m3

3.4 利用遥感ET核定耕地的实际用水总量

（1）核定实际用水总量。耕地上的用水总量核定分为两步完成：第一步，计算除降水形成的ET消耗以外的用水形成的消耗。计算公式为：非降水形成的ET 消耗（非降水 ET）=实际消耗（ET）-降水形成的消耗（降水ET）。第二步，结合供用水的地下水补给量数据，核算耕地上的用水总量（假设区域土壤水蓄变量不变）。计算公式为：用水总量=其非降水形成的ET消耗（非降水ET）+相应的地下水补给量。

按上述分析，经计算得出馆陶县耕地实际总用水量为1.252 2亿m3。

（2）核定的耕地用水总量与统计量的差值分析：遥感ET核算耕地上用水总量为1.252 2亿m3。换言之，要产生耕地上的总ET水分消耗，除了降水产生的蒸发量以外，还有其他用水产生的蒸发，包括机井地下水开采、卫运河引水灌溉等。

根据馆陶县水资源公报数据，2008年馆陶县耕地上用水总量为8 482万m3，其中打井取水灌溉8 222万m3、卫运河引水灌溉260万m3。利用遥感ET核定的实际用水总量与统计的用水总量存在4 000多万m3的差值，统计的用水总量小于实际用水总量。

通过遥感ET核定的耕地用水总量不等于通过统计得到的用水量，主要是因为：一是统计的用水总量数据比实际用水量偏小。通过实际调查，一小部分灌溉的地下水取用量未统计；此外卫运河引水量数据偏小。卫运河沿河农民有利用扬水站直接提水灌溉的习惯，该部分的水量没有统计在水资源公报数据中。二是由于土壤水蓄变量的不同造成土壤水分散失量年际间的变化。土壤水分像个小水库一样，承担着调节作用，丰水年储存较多的水分，在平水年和枯水年期间提供植被和地表的水分蒸发。

3.5 利用遥感ET核定区域土壤水资源变化量

土壤水是整个水循环最活跃的因素，是联系地表水和地下水的纽带，是影响植物生长期间水分利用的最关键因素，也是影响地表蒸发蒸腾的关键因素，其在区域水资源动态变化中最难以计算和测量。基于遥感监测ET数值基础，使土壤水分变化量的估算成为可能，在宏观、整体角度，考虑区域（馆陶县）水量的动态平衡和变化，可推求各年度土壤含水量的变化量。

土壤水资源的定义：本文界定土壤水资源为存在于非饱和带中，可以被农业、生态、环境利用的水量。土壤水量平衡，如图3所示。

图3 土壤水量平衡示意

对于一特定区域来说，其来水和排水建立平衡关系如下：

将水平衡公式变化为：

其中，ΔW为区域内的蓄变水量，包括蓄水工程的蓄水变量和土壤水分变化量。在馆陶县，没有大型蓄水工程，因此ΔW约等于土壤水分变化量即土壤水资源变化量。

对于馆陶而言，来水和排水采用地方水资源公报数据，地下水取用量采用每年机井取水总量，地下水回补量采用地方水资源公报数据和经验公式推求。当ET蒸发量亦为已知的情况下（即为遥感ET），只有未知数ΔW，因此可利用该公式推求得到2004—2008年土壤每年的水资源变化量。

图4 土壤水资源变化量各年度变化

在图4中，ΔW是计算所得土壤水资源变化量。ΔW是负值，说明该年度土壤水资源提供的蒸腾蒸发量大于年度的土壤水的补给量，土壤水资源总量减少；ΔW是正值时，说明该年度土壤水从降水、灌溉等获得的补给量大于从土壤水提供植被、地表的蒸发量，土壤水资源总量得到增加。

因此，通过对土壤水资源变化量的计算分析可以得出：

（1）总体上，2004—2008年5年的土壤水资源变化量很小，仅有131万m3，年均为26万m3，只占到多年平均蒸发量的0.08%，可以忽略不计。这个结果也可以说明，在区域水资源量核定中，对于多年长系列的水资源总量的计算，土壤含水量的变化是很小的，其影响可以不用考虑。

（2）从各年度分析来看，土壤水资源的年际变化量是很大的，尤其是丰水年和枯水年。在核算区域水资源总量的时候，应考虑土壤水资源的变化量，这是个不可忽视的因素之一。

（3）从百分比数值分析来看，负值百分比可理解为土壤水资源的减少量所形成的蒸腾蒸发占整个蒸发量的比重，年度差异较大，如2004年占10%、2006年占20%、2008年只占8%。同时，百分比的数值也反映了土壤水资源的变化量占整个区域ET消耗总量的权重，这个权重区间在-8%～25%之间，年际间的差异很大，因此各年度的土壤水资源量的变化是非常剧烈的。

4 结语

ET耗水是区域水资源的真正消耗量，利用遥感技术求得真实耗水ET，其在时间连续和空间大尺度上的优势将是传统水平衡ET很难达到和解决的，也是遥感监测ET新技术在水利方面的具体应用。本文在遥感ET和区域的水资源量尤其是用水总量和土壤水资源变化量方面做了一定的应用研究，从遥感技术获取的ET数据，不仅可以很好地监测各区域的水分消耗总量，也可以监测水分生产率的高低分布状况，为水资源管理、高效用水提供新的高效的技术手段。

受当前遥感监测ET技术的发展阶段、应用研究现状和技术能力的限制，其研究过程和应用结果存在不尽完善之处，还需要继续实践和探索。随着新技术的发展，会出现更高精度的影像数据和更加完善的ET计算模型，遥感ET数据成果精度会进一步提升，并应用于水资源管理，为应对水资源短缺提供支撑。