解放闸灌域农田耗水时空变化特征及灌溉效率评价

白亮亮，蔡甲冰，刘 钰，陈 鹤，张宝忠(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)

0 引 言

自引黄水量统一调配及大型灌区节水改造实施以来，河套灌区引水量减少，水量分配发生改变，其水循环要素必然受到影响[1]。蒸散发量作为水量循环重要组成部分，是灌区水平衡分析、灌溉用水效率评价、水资源管理和高效利用等方面研究的基础和支撑。

利用遥感资料反演区域蒸散发量近20年来有了很大的发展[2]，为蒸散发的定量计算提供了数据支持。随着遥感技术的不断成熟，大量蒸散发模型被广泛应用[3]。常见的遥感蒸散发模型包括基于能量平衡的SEBAL[4]、S-SEB[5]、SEBS[6]模型和基于特征空间法的三角形空间法[7]和梯形空间法[8]等模型。杨雨亭[1]等利用MODIS数据和SEBAL模型反演了河套地区不同土地利用类型蒸散发变化，并应用于年际变化分析当中；夏婷[9]等利用SEBAL模型反演了黄河流域河龙区间蒸散发，并研究了模型对输入参量的敏感性；陈鹤[3]利用SEBS模型有效反演了位山灌区小麦-玉米生育期蒸散发变化，并对模型参数进行敏感性分析，反演结果较好；Jiang等[10]利用Ts/NDVI三角形关系，逐像元估算P-T(Priestly Taylor)系数，估算了美国南大平原的蒸发。王文[11]等将地表温度和植被指数梯形空间方法扩展到Priestly-Taylor系数的估算，并利用Priestly-Taylor公式进行实际蒸散发估算，该方法在Walnut Gulch流域取得较理想的精度。

目前针对区域蒸散发年际变化以及单一年份空间分布研究较多，而对蒸散发空间分布的差异性随时间的变化研究相对较少。本文对解放闸灌域作物生育期(4-10月)蒸散发在年际变化、空间分布特征以及其与地下水埋深空间分布的相关性进行了分析。并在此基础上通过遥感蒸散发和水量平衡模型，对研究区域灌溉水利用效率年际变化进行了评价。同时，对大型灌区节水改造以来研究区域灌溉引水量、地下水等水循环要素年际变化进行了分析，研究解放闸灌域节水改造所取得的成效。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究区概况

本文以河套灌区解放闸灌域灌溉农田为研究对象，见图1。解放闸灌域(106°43′～107°27′E，40°34′～41°14′N)为河套灌区第二大灌域，地处干旱半干旱内陆地区，海拔高程在1 030～1 046 m之间，年平均降雨量151.3 mm，年均蒸发量(20 cm蒸发皿)达2 300 mm，年内平均气温9 ℃。灌域总土地面积约2 345 km2，其中60%以上为耕地，土壤类型为潮灌淤土和盐化土，粮食作物以夏玉米和春小麦为主，经济作物以向日葵为主，伴有一定比例的瓜果、蔬菜[12]。

图1 解放闸灌域农田分布图

1.2 数据来源

研究区域所采用的农田蒸散发数据由杨雨亭等[1]采用SEBAL模型计算的河套灌区蒸散发数据，经过裁剪掩膜生成。遥感影像采用MODIS传感器数据，空间分辨率为250 m～1 km，时间分辨率为每日，估算结果为250 m分辨率每日数据，模型估算ET与实测值吻合。地下水和降水数据由解放闸灌域沙壕渠实验站提供，其中本灌域地下水监测井共56眼，文中采用4月份生育期初期(灌水前)平均埋深数据。解放闸灌域灌溉排水数据来源于河套灌区解放闸灌域管理局(http:∥www.htgq.gov.cn/jfz)。

1.3 遥感蒸散发模型

蒸散发估算采用基于能量平衡的单源遥感蒸散发SEBAL模型，通过能量余项法计算，即：

λET=Rn-G-H

(1)

式中：λ为蒸发潜热，J/m3；ET为蒸散发量，m/s；Rn为净辐射量，W/m2；G为土壤热通量，W/m2；H为显热通量，W/m2。

(2)

式中：ρa为空气密度，kg/m3;Cp为空气的定压比热，J/(kg·K);rah为热量传输的空气动力学阻力，s/m；dT为地表温度与空气温度差值，K。

Rn、G具体计算过程详见文献[13]。

1.4 灌溉水利用效率

灌溉效率采用蒋磊等提出的灌溉水利用系数评价方法[14,15]，该方法将土壤非饱和带和饱和带作为整体来研究，避免了根系层下边界深层渗漏和补给，由于非饱和带和饱和带含水量年际变化不大，在研究中不予考虑。同时该方法借助遥感蒸散发来计算灌溉水的有效消耗量，将农田消耗的灌溉水量(蒸散发与降水量差值)表示灌溉水的有效利用量，其与灌区净引水量的比值定义为灌溉水的有效利用系数。简化后水量平衡方程为：

(I-D)=(ETI-PI)+(ETN-PN)

(3)

式中：I为时段内灌域毛引水量，m3；D为时段内灌域排水量，m3；ETI为灌溉地生育期蒸散发量，m3；PI为生育期时段灌溉地降水量，m3；ETN为非灌溉地生育期蒸散发量，m3；PN为生育期时段非灌溉地降水量，m3；本文中不考虑非灌溉的蒸散发及降水，灌溉地基本上为农田。

ηe=(ET-P)/(I-D)

(4)

式中：ET为农田生育期蒸散发量，m3；P为农田生育期时段降水量，m3；(I-D)为研究区净灌溉引水量，m3；ηe为灌溉效率。

2 结果与分析

2.1 农田蒸散发年际变化

对2000-2014年农田蒸散发、降水量及灌溉水有效利用量(农田蒸散发与降水量差值)进行年际变化分析，见图2。

由图2可知，研究区农田蒸散发量2001年较2000年有所下降，2001-2005年呈稳中有升的变化趋势，2005-2008年呈减小趋势，在2008-2012年期间逐年增大，变化比较明显，2012-2014年有所下降。就整体而言，蒸散发表现为上升趋势，多年均值为8.56亿m3(597.30 mm)。灌溉水有效利用量整体上呈增加的趋势，均值6.63亿m3(462.50 mm)，其变化趋势与农田蒸散发量基本一致，在2005年和2009年灌溉水有效利用量较大，分别为7.51亿m3(523.74 mm)和7.17亿m3(499.77 mm)。

结合降水量年际变化可知，2005年和2009年降水量偏少，分别为77.9和72.1 mm，低于其他正常年份降水量为枯水年份，灌溉水有效利用量较其他年份大。

2.2 农田蒸散发空间分布特征

受篇幅限制，文中仅对解放闸灌域2000、2003、2006、2009、2012和2014年生育期(4-10月)农田蒸散发空间分布特征进行对比分析，见图3。

2000、2003、2006、2009、2012和2014年研究区农田蒸散发均值分别为618.03、584.08、571.86、593.80、660.19和622.04 mm。2012年高值区域的范围明显大于其他年份，结合蒸散发年际变化可知，2012年平均蒸散发量为历史最大，2000年、2006年和2014年次之，2003年和2009年高值区域的范围明显低于其他年份。由多年蒸散发空间分布相对差异性可以看出，高值区域均出现在西部和东北靠中部，均高于其他地区，农田蒸散发这一空间分布特征及相对差异性并未随时间发生明显变化，而是表现为相似的分布特征。

图3 多年农田蒸散发空间分布

2.3 地下水空间分布及其对农田蒸散发的影响

地下水埋深采用普通克里格法对4月份(生育初期)数据进行插值并展布到研究区域[16]，其空间分布见图4。

2000、2003、2006、2009、2012和2014年地下水埋深范围分别为0.8～2.99、0.97～4.89、0.75～6.60、1.05～4.79、1.32～6.91和0.71～6.42 m，均值分别为1.76 m、1.90、2.04、2.19、2.32和2.32 m。地下水埋深较浅区域(小于1.80 m)主要分布在西部以及东北靠中部地区。灌区节水改造以来，随着渠道衬砌率和灌溉效率的提高，地下水位整体有所下降，埋深呈增大的趋势[17]，但空间分布特征及空间相对差异性并未随时间发生明显变化。

结合以上分析，区域蒸散发与地下水埋深表现为相似的分布特征和空间差异，蒸散发高值区域与地下水埋深较浅区域的分布一致，这种空间差异性说明了地下水埋深对农田蒸散发空间变化的影响。由于河套灌区引黄水量大，农田渗漏量大，地下水位偏高，潜水蒸发量大[18]，而在地下水埋深较浅地区(3～5 m以内)，潜水蒸发量则不可忽视[19]，潜水蒸发剧烈，对蒸散发影响大。同时，地下水空间分布特征可以为灌溉管理提供依据，在地下水埋深较浅区域采取井渠结合灌溉，以降低地下水位，减少引黄水量，达到节水目的[20]。

图4 多年地下水埋深空间分布

2.4 灌溉效率

2000-2013年灌、排数据来源于河套灌区解放闸灌域管理总局，见表1。净灌溉水量为研究区域灌溉水量与排水量差值，灌溉有效利用量为蒸散发量与降水量差值，灌溉效率定义为灌溉有效利用量与净灌溉水量的比值，见公式(3)。

表1 灌溉水有效利用系数

研究区域2000-2013年灌溉效率年际变化，见图5。可以看到，灌溉效率有所提高，整体变化为上升趋势。2001年、2008年和2011年灌溉效率较低，分别为0.53、0.52和0.53，2003年、2005年和2012年灌溉效率较高，分别达到了0.67、0.67和0.73，在2012年达到最高，该年净引水量为历年最低的9.89亿m3，而灌溉水有效利用量(7.26亿m3)并未减小。

图5 2000-2013年灌溉水有效利用效率年际变化

2.5 区域水循环各要素年际变化

自引黄灌区灌溉总量控制以及大型灌区节水改造以来，区域水循环要素发生了改变，各要素年际变化如图6所示。

图6 2000-2013年农田蒸散发量、净灌溉引水量和地下水位年际变化

由图6可知，2000-2003年总引水量连续下降，2004和2005年有所回升，2005-2008年连续下降，在2009、2010和2011年份总引水量有所偏高，2012年下降为历史最低，2013有所回升，灌域引水量波动较大，但引水总量整体变化有所下降。

节水改在以来，地下水位逐年来呈下降趋势，表现最为明显。其埋深由2000年的1.76 m降到2013年的2.16 m。在引水总量得到控制以来，农田蒸散发量并未减小，而是表现为稳中有升的趋势，同时佐证了研究区域灌溉效率的提高。

结合以上分析可知，近年来，灌区输配水设施不断完善，净引水量得到控制，灌溉效率得到提高，反映出大型灌区节水改造实施以及引黄水量统一调配所起到的积极影响。

3 讨 论

受水土环境和作物生理特征影响，灌域种植结构分布比较零散，无明显地域分布特征。由于不同作物耗水规律不同，种植结构的调整将对农田蒸散发时空变化产生直接的影响，因此对影响农田蒸散发时空变化的因素需要做进一步讨论和分析。

对地下水与农田蒸散发空间差异的一致性分析表明，研究区域地下水埋深较浅，潜水蒸发对总蒸散发影响较大。因此，如何准确估算潜水蒸发对蒸散发量的影响需要进一步讨论和分析，尤其是对较大空间尺度的估算。

4 结 语

解放闸灌域2000-2014年农田蒸散发量年际变化稳中有升，多年均值为8.56亿m3(597.30 mm)。灌溉水有效利用量整体上呈增加的趋势，均值为6.63亿m3(462.50 mm)，在2005年及2009年降水量偏少的枯水年份灌溉水有效利用量较大。

根据2000、2003、2006、2009、2012和2014年研究区蒸散发和地下水埋深分布情况，两者空间分布特征相似，蒸散发高值区域与地下水埋深较浅区域分布一致，这是由于研究区域灌溉水量达，地下水位高，在地下水埋深较浅区域潜水蒸发较强烈。地下水和农田蒸散发量空间分布的相对差异随时间并未发生明显变化，这种空间上分布的一致性同时也印证了地下水对农田蒸散发空间分布的影响。

节水改造以来，输配水工程逐步完善，解放闸灌域净灌溉引水总量有所减少，地下水位下降，由2000年1.76 m降到2013年的2.16 m，而农田蒸散发量并未减少，反映出解放闸灌域灌溉用水效率的提升。结合水循环各要素多年变化可知，节水改造取得的积极效果，同时地下水位的下降对减少无效蒸发和缓解土壤盐碱化程度也会起到积极影响。

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