基于作物耗水定额控制的灌溉管理模型

王蕾，刘钰，许迪，彭致功

（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；2.国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京100048）

基于作物耗水定额控制的灌溉管理模型

王蕾1，2，刘钰1，2，许迪1，2，彭致功1，2

（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；2.国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京100048）

海河流域水资源供需矛盾突出，其中农业灌溉所占用水量和耗水量比例最大，而其水分利用效率相对偏低，因此节水潜力较大，为合理调控区域灌溉用水，本文将田间试验观测为基础的灌溉节水理论和方法与遥感数据反演区域耗水（ET）的点面优势相结合，提出了基于作物耗水定额管理的农业灌溉管理模型，通过控制区域上的作物耗水量分布，促进区域灌溉水资源的合理调配和利用，实现资源性节水。模型主要功能包括遥感反演数据统计分析、区域耗水目标分解、作物ET定额分配、种植结构调整、节水潜力分析以及净灌溉需水量估算。可实现从区域综合耗水控制目标向主要作物ET定额的分解，并转化为灌溉用水管理中可控制的灌溉定额，通过逐年设置主要作物的ET控制定额和种植结构情景方案，分析区域的节水潜力，消除奢侈耗水，实现不同水文年和耗水控制阶段目标下的灌溉定额管理，为区域灌溉水管理提供技术支持。

耗水管理；遥感反演耗水；ET定额；灌溉定额；资源性节水

1 研究背景

海河流域是我国水资源最为紧缺的地区之一，随着经济社会飞速发展，水资源的供需矛盾异常突出，已成为制约社会经济稳定发展的瓶颈。目前农业是最大的用水和耗水行业，用水量占总用水量的70％以上，且主要使用地下水，普遍存在超采现象。监测数据显示流域不同地区农业灌溉用水效率差异较大，存在奢侈耗水，有较大的节水潜力。由于农业取用水过程复杂，工程设施维护和灌溉管理水平偏低，水资源紧缺与奢侈耗水并存的现象普遍存在于我国干旱半干旱地区，传统的以点代面的ET监测方法在区域水资源管理中存在较大的局限性，而利用卫星遥感数据反演估算区域耗水的方法日趋成熟［1-2］，具有空间上覆盖面广、数据直观等优点，利用遥感数据开展区域耗水研究逐渐成为水资源管理研究的热点之一［3］。如何将遥感反演数据用于水资源合理配置，提高水资源利用效率和效益，缓解水资源短缺，是当前急需解决的研究课题。

本研究以农业用水和耗水为主要研究对象，利用遥感ET、产量、土地利用等数据开展耗水现状分析，通过ET定额管理实现总量控制目标，在减少耗水的同时提高农业产出效率，对流域水资源规划与合理配置，缓解水资源紧缺状况，推行最严格的水资源管理具有十分重要的意义。

蒸发蒸腾（耗水，以下简称ET）作为区域水量平衡和能量平衡的主要成分，不仅在水循环和能量循环过程中具有极其重要的作用，而且也是连接生态过程与水文过程的重要纽带。宏观尺度上，ET作为水循环大系统的主要消耗项，对水资源的利用效用方面起着决定性的作用［4］。农田尺度上，近年来国内外学者立足于微观植被蒸腾机理，结合农田微气候条件相继提出了非充分灌溉、调亏灌溉以及控制性根系交替灌溉等农田节水灌溉方式，在区域农业耗水管理［5］和用水规划方面［6］也结合ET估算模型［7］开展了相关研究。无论是微观还是宏观尺度，都是通过调节农田蒸发蒸腾量的方式，实现在不减产或少减产的前提下，减少水资源的供给，达到资源性节水和提高水资源利用效率的目的。因此以耗水（ET）管理为基础的水资源管理，其实质就是“以供定需”，以生产生活消耗水资源量为基础进行区域水资源的需求管理，提高用水效率，通过控制不同区域不同类型的耗水量，使之与当地不同发展阶段的水资源可利用量相平衡。因此，合理确定不同地区、不同发展阶段、与区域水平衡和经济可持续发展需求相适应的耗水目标，是耗水管理的核心，必须综合考虑现状耗水的分布、区域水平衡和水资源优化配置等几方面因素。

2 ET管理模型构建

2.1 模型结构模型的主要功能包括：现状遥感数据的查询统计分析、目标ET分解、ET定额分配、种植结构调整、节水潜力分析以及灌溉定额估算，技术路线如图1所示。

2.2 ET定额管理实施ET管理，首先要区分可控ET与不可控ET。可控ET指可以通过人为管理措施调控的ET，如大部分耕地和人工林草地，可以通过改善灌溉制度、改进灌溉技术、采取适当耕作或覆盖等农艺措施，减少农作物或植被的ET消耗；而没有灌溉条件和管理措施的部分雨养农田、天然林地和草场以及湿地等，ET是不可调控的。只有可控ET才有“真实节水”的潜力，也是ET管理的重点，由于耕地ET占海河流域ET总量的比例较大，且大部分具备节水灌溉管理条件，而非耕地ET难以调控，因此本文以耕地ET为对象开展耗水定额管理研究。

模型利用遥感反演的ET数据对海河流域重点县的现状ET分布进行分析，通过土地利用分类进行叠加分析，划分现状条件下实际的耕地ET与非耕地ET。结合区域经济社会发展规划和水资源条件，可设定未来情景下区域总的耗水控制的目标ET和非耕地目标ET，从而计算得到耕地的控制目标ET，其关系式如下：

式中：区域的总面积A总为耕地面积A耕与非耕地面积A非之和，ET总，目标为区域总的耗水控制目标，ET耕，目标和ET非，目标为耕地和非耕地的耗水控制目标，非耕地耗水目标ET非，目标与非耕地现状实际耗水量ETa非的关系为ET非，目标=α×ETa，非，其中α为规划情景下非耕地耗水量的变化系数，如规划情景下非耕地耗水比现状升高，则α＞1，反之取值小于1。

实现耕地目标ET的节水措施主要考虑两种：作物ET定额控制和种植结构调整。通过设定不同强度的节水情景方案，控制主要作物的ET定额，消除奢侈耗水，调整高耗水作物的种植面积，从而最终实现调控后的耕地耗水不大于控制目标ET耕，目标。

对中国水利水电科学研究院大兴试验站2006—2009连续3年开展的冬小麦田间试验［8］数据进行分析可发现，在产量较高时，作物产量Y和水分生产效率WUE随着ET增加通常呈现先增后降的趋势，如图2所示。遥感反演冬小麦产量和水分生产效率数据按ET值进行分组统计分析，如图3所示（冬小麦种植区域以外ET标记为0），可以看出同样呈现上凸抛物线形式。通过ET定额管理，控制作物ET在水分生产效率和产量都较高的范围内（经济耗水量与理论耗水量之间），既可消除奢侈灌溉用水，提高灌溉用水效率，又能保障作物高产，是非常有益的。

水分生产效率WUE与ET的关系，常用二次曲线拟合，函数形式为WUE=+bETa+c，则ET定额分配中所取作物耗水量控制的上限值：

式中：ETc=Kc×ET0为作物潜在腾发量。

由于遥感估算产量Y与水分生产效率WUE不确定性较大，在WUE最大值点对应ET值无法确定时，可取ETc作为作物ET定额控制的上限。ETa＞ETq的区域将调控至定额ETq，ETa≤ETq的区域则不再调整，因此作物i在ET定额分配后各个象元j上的取值ETi，j=m in（ETa，（ij），ETq，i）。

式中：Aj为象元j的面积，Ai为第i种作物的现状种植面积，为第i种作物在采取种植结构调整措施后的种植面积，为保证粮食安全，需大于模型中用户设定的种植面积下限。由此可得到节水潜力：

模型可分别计算单独采用ET定额管理或种植结构调整，以及综合两种措施下的节水潜力，管理者根据区域内现状作物ET分布情况，制定适宜的作物ET定额，落实到需加强节水管理的乡镇，结合种植结构优化，实现县级总的ET控制目标。

2.3 灌溉定额管理耕地作物进行ET定额分配以后，需要转化为实际管理可操作的作物灌溉定额，模型提供了两种计算方法：（1）由有效降雨估算；（2）由水平衡模型计算。

有效降雨估算方法较为简单易行，作物的净灌溉需水量可由I净=ETq-Pe估算，有效降雨Pe为生育期内逐次有效降雨之和。

水平衡模型计算方法包括ET与灌溉水量关系模拟和灌溉制度优化。以田间水量平衡模型为基础，结合遥感数据以及土壤调查取样分析结果，建立区域耗水模拟模型，主要包括两个步骤。第一步是计算单元划分和方案集的构建：从遥感获取和搜集得到的研究区域空间数据，包括土地利用、种植结构、土壤类型、地面高程等分布图，结合耕作方式、灌区水源和灌溉条件，使用GIS工具进行叠加分析，将灌区划分为灌域以及灌域内的计算单元，形成一套方案集，在每个计算单元内部，为单一的土壤类型和作物类型。第二步，是在每个计算单元内应用田间水量平衡模型进行作物生育期内的连续模拟。以北京市大兴区两乡镇为例，设计的方案集如表1所示。

每个方案集的模拟参数设定包括：（1）模型计算参数设定：模拟年份、灌域、作物、起止日期和灌溉条件，其中灌溉条件包括灌溉方式（滴灌、喷灌和地面灌，以及每一灌溉方式不同单次灌水量）和覆盖条件（覆盖、不覆盖）；（2）土壤参数设定：通过选择土壤类型设定模型计算所需的土壤水动力学参数；（3）气象条件设定：通过选择气象站设定计算时段内的气象观测数据。

由计算方案集的计算结果，可得到不同灌溉方式和覆盖条件下，ET、灌溉水量与产量之间的关系，模型筛选出符合ET定额目标的结果。

方案集利用田间水量平衡模型将ET定额转化为作物的灌溉制度，模型设定了5种优化准则帮助管理者对灌溉制度进行优化：（1）产量最大原则；（2）ET最小原则；（3）水分生产效率最大原则；（4）灌溉水量最小原则；（5）产出/投入最大原则。

通过优化最终可得到灌区内每个灌域或小区域各种作物最优的灌溉制度，可计算出净灌溉水量，作为区域灌溉水源调配的基础数据：

式中：wni为作物的净灌溉定额，Ai为其种植面积。由灌溉水利用系数η，可计算出调配前的毛灌溉水量Wgross，结合灌区内地表水和地下水资源的情况，可逐旬分配灌溉水量，尽量多使用地表水（WS），减少地下水（WG）的开采（见下式）。

3 结果分析与讨论

灌溉可供水量管理模型在北京市大兴区［9］、天津市宝坻区以及河北省馆陶县和肥乡县开展了试点应用，北京市大兴区的主要作物实施ET定额管理后节水潜力计算［10］如表2所示，现状ET高、种植面积大的作物实施ET定额管理，将ET定额以上的奢侈耗水降低至ET定额，可显著降低耕地总耗水量，节水潜力最大。

如图4所示，大兴区内土壤类型分布以潮土和褐土为主，结合区内主要土地利用类型开展土壤取样调查，共计15个调查点，每个调查点取2个重复样本，取样深度从地表以下10 cm至110 cm，间隔20 cm取样。通过对原状土样开展离心机试验，并使用RETC软件对土壤的水动力学参数进行拟合，作为水平衡模型相关参数的取值。其中位于试验站的计算方案集开展了参数率定和土壤含水率剖面（图5）、ET、产量等小区观测数据的对比验证，结果显示模型模拟效果较好。

以2006年夏玉米为例，设定不同的灌溉方式和单次灌溉水量，并考虑覆盖和不覆盖2种条件，形成方案集中多个情景方案，以表2中作物ET定额为限制条件进行灌溉定额的计算和优化，结果如图6所示。在夏玉米产量相近时，采用了覆盖措施后ET较小，在相同灌溉水量下，采取覆盖措施，可减少ET约20mm左右。采用单次灌溉量较小的灌溉方式（如喷、滴灌），在ET相近的情况下，可显著减少深层渗漏，从而降低所需的总灌溉水量，缺点是经济投入较高，更适用于价值较高的经济作物。模型提供方案对比和优化功能，管理者可根据不同作物类型和控制目标进行最优方案的选择。

4 结论

基于遥感ET数据和作物耗水定额控制的区域灌溉管理方法，可广泛应用于缺水流域和地区的农业耗水管理，自2007年以来结合海河流域重点县进行了软件开发、试点应用和推广培训，在新疆、内蒙古和黑河流域部分灌区正在开展试点应用，取得了良好的效果和有益的经验，目前尚有一些不足：（1）遥感ET和土地利用类型数据精度有待提高；（2）部分区域缺乏长系列地面观测数据对模型参数开展率定和验证；（3）ET管理模型功能全面，但水平衡模型原理较复杂，ET控制指标与传统灌溉管理控制指标有较大区别，基层水管理者深入理解和掌握的难度较大，现有模型将来应用于区域水资源的日常管理，还需要在长期的管理实践中逐渐完善。

在流域范围内全面实施基于遥感ET数据的灌溉管理是一项新技术，有许多关键性的技术问题需要在实践中研究解决，重点有以下几方面：（1）遥感监测ET数据的精度；（2）不同尺度ET监测数据的验证与耦合；（3）可控ET与不可控ET的区分；（4）建立ET与可调控的用水指标间的关系；（5）不同地区、不同阶段目标ET的确定。通过数据与经验积累以及ET管理模型的完善和发展，模型可应用于水资源评价和规划配置，模型提供的耗水总量控制与定额管理的方法，能够为全国推行最严格的水资源管理提供技术支持，从而保障水资源可持续高效利用，促进经济社会的和谐发展。

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［8］赵永玲.基于ISAREG模型的作物耗水分析及水分生产函数研究［D］.北京：中国农业大学，2010.

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Irrigation w ater m anagem en t m odel based on crop ET quota con trol

WANG Lei1，2，LIU Yu1，2，XU Di1，2，PENG Zhi-gong1，2

（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation ofWater Cycle in River Basin，China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.National Center for Efficient Irrigation Engineering and Technology Research-Beijing，Beijing 100048，China）

Irrigation accounts for the main part of water use and consumption in the Hai River basin，where the shortage of irrigation water resource becomes a critical problem affecting agricultural production and food security.Taking the advantages of field observation and remote sensing data，this paper proposed an agricultural water management method to improve irrigation management for higher water use efficiency at regional scale.The paper developed an irrigation management model based on crop ET quota control theo⁃ry.The main function consists of water consumption analysis based on remote sensing data，regional water consumption objective analysis，crop ET quota control，crop pattern improvement，water saving potential cal⁃culation and irrigation quota estimation.Different irrigation management scenarios can be made annually ac⁃cording to a series of hydrological year and different practical ET control methods.The model can provide regional irrigation management methods for arid or semi-arid areas.

ET management；Crop ET quota；remote sensing water consumption data；irrigation quota；non-engineering water saving

S274

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.005

1672-3031（2014）01-0030-06

（责任编辑：韩昆）

2013-08-21

国家自然科学基金资助项目（50909099，91125017，51009151）；“十二五”农村领域国家科技计划课题（2011BAD25B05-2）；国家973计划项目（2006CB403405）；水利部“948”项目（201009）；中国水利水电科学研究院“十二五”重点专项（基于遥感ET的灌区用水管理关键技术研究及公共服务平台建设）

王蕾（1980-），女，湖北人，工程师，博士，主要从事农业水管理研究及3S技术应用研究。E-mail：leiwang@iwhr.com