基于蒸散发的二塘沟小流域水资源可利用量估算及耗水平衡分析

乔 鹏，王 岚

（吐鲁番市水资源管理中心，新疆 吐鲁番 838000）

1 前言

水是人类生存与发展最重要的自然资源和经济资源，科学开发利用水资源，构建人水和谐格局是当今世界面临的一项重大挑战，这在占我国土地面积52.5%的干旱和半干旱地区尤为严峻[1]。这些地区降水少，蒸散量高，生态环境脆弱，随着社会和经济发展，人口膨胀、耕地扩张、工业增长对水资源的需求日益增加，早期以需水为导向的水资源开发利用模式导致水资源短缺、水环境恶化等问题日趋突出，流域水资源开发利用逐步转向供水管理模式[2]。在供水管理模式中，如何正确评估水资源可利用量，确定水资源的承载能力对水资源合理配置具有重要意义。但是计算水资源可利用量的理论方法目前还不太完善，不同计算水资源可利用量的方法差异较大，且不同地域间适用方法也有所差异，难以有效指导实践[3]。

蒸散发是水循环中重要的水文过程，对于干旱与半干旱的内流河流域而言，由于流域之间的水量交换过程微弱，从水循环的角度而言，只有通过蒸散作用消耗的水量才是水资源的真正损失[4]，因此，对于流域水资源管理，明确流域可被消耗的水资源量更能体现干旱区水资源特征。同时，随着遥感技术的发展，多尺度的遥感数据和日渐成熟的蒸散模型为区域蒸散的计算提供了基础。

二塘沟地处干旱内流区艾丁湖流域，近几十年来，随着经济社会不断发展，该流域地下水多年超采，地下水水位不断下降，水资源短缺导致的流域植被退化、土壤盐碱化、荒漠化等水环境恶化问题日益突出。当地政府从20 世纪90 年代就开始推行农业节水、编制节水规划，但成效并不显著，有些年份甚至地下水超采更为严重，因为在不明确总体可耗水量的情况下，节水工程节约的水资源被继续开发利用，加剧了耗水量，同时减少了地下水回补量。因此，为更加合理利用水资源，开展以蒸散发为基础的耗水平衡分析是很有必要的。

本文根据水量平衡原理，通过SEBAL 模型和Landsat TM影像计算流域蒸散发，以二塘沟流域为例，分析流域水资源可利用量。

2 数据与方法

水资源可利用量是指在地下水不超采、不破坏区域生态环境平衡的前提下，流域可供人类消耗的一切水资源量。从水资源可以消耗的角度而言，除蒸发之外，下渗量与径流量都是可以消耗的水量。对于二塘沟流域，以年为单位，流域的降水一部分被蒸散所消耗，另一部分通过下渗补给地下水，剩余的为流向下游绿洲区的径流量，根据水量平衡，流域可耗水量可用式（1）表示：

式中：W 为可耗水量；P 为降水；I 为入流水量；O 为出流水量；ETn为流域的自然蒸散量。

在此将蒸散分为可控蒸散量和不可控蒸散量，不可控蒸散量即流域自然蒸散量ETn，可控蒸散量为人类开发利用水资源过程中的水资源蒸散量。流域不可控ET 又可以依据土地利用的分类进行划分，一般情况下ETn 可以采用式（2）表示：

式中：ETn_森林、ETn_草地、ETn_水体、ETn_耕地、ETn_城镇、ETn_未利用地分别为森林、草地、水体与湿地、耕地、城镇建设用地与未利用地的不可控ET。

森林、草地、水体与湿地、未利用地的不可控ET 通过叠加遥感ET 与土地利用数据计算。耕地不可控蒸散量计算，采用多时相的遥感数据，识别提取研究区未种植耕地，然后通过叠加未种植耕地与遥感ET 数据，获取未种植耕地的ET 数据，在此基础之上，在ArcGIS 软件中采用地统计空间插值方法计算种植耕地的不可控ET。二塘沟的产流区为自然流域，没有耕地分布，因此，耕地不可控ET 可以忽略不计。在气候湿润地区的城镇不可控蒸散量可利用像元二分法，通过计算流域的不透水面盖度结合不透水区的产流系数计算，二塘沟的产流区为自然流域，没有城镇分布，因此，城镇的不可控耗水量可以忽略不计。同时二塘沟产流区闭合，与其他流域基本没有水资源交换，因此，结合式（1）、式（2）二塘沟流域的可耗水量可以表示为式（3）：

式中：W 为可耗水量；P 为降水；ETn_森林、ETn_草地、ETn_水体、ETn_未利用地分别是森林、草地、水体、未利用地的不可控ET。

本文中降水数据利用国家气象科学数据中心的中国自动站与CMORPH 降水产品融合的逐时降水量网格数据集（1.0版），数据时空分辨率为1 小时、0.1°。ET 数据通过SEBAL 模型和Landsat7 遥感影像数据计算，获取了2008 年～2013 年二塘沟集水区及下游耗散区的蒸散数据，并通过气象站观测数据和FAO 56 推荐的P-M公式计算ET 对比，遥感ET 数据监测的年误差小于10%。土地利用数据为2010 年和2012 年数据，根据《土地利用现状分类》（GB/T 21010-2017）分类标准，利用Landsat 数据解译完成。

3 研究区介绍

二塘沟流域位于新疆吐鲁番市鄯善县，流域地理位置89°15′-90°02′E，43°29′-42°38′N，二塘沟河发源于天山山脉博格达山南麓，属塔里木内陆区的艾丁湖水系，出山口高程1130 m，出山口以上集水面积532 km2，是该河流径流主要形成区，见图1。河流出山口以后，经人工引水渠道至火焰山南北两侧的绿洲区，该区域面积约1600 km2，农田面积约22 km2，仅占耗水区域面积1.38%，该区域气候干旱、降水稀少，蒸散能力强，难以形成径流或补充地下水，是水资源主要消耗区。

图1 二塘沟流域上游集水盆地

4 结果分析

4.1 可耗水量计算

基于水量平衡，利用遥感ET、降水数据，计算了二塘沟流域2008 年～2013 年的逐年降水量、ETn与可耗水量（表1），降水与ETn的空间分布见图2。

表1 二塘沟流域2008 年～2013 年的逐年降水量、ETn 与可耗水量 单位：106 m3

图2 2008 年～2013 年二塘沟集水区降水及ET 空间分布

2008 年～2013 年，二塘沟流域的可耗水量分别为106×106m3、105×106m3、57×106m3、42×106m3、94×106m3、118×106m3，多年平均值为87×106m3。鉴于降水数据包含了丰、平、枯降水时间序列，因此，认为2008 年～2013 年的多年平均值可以近似表示二塘沟流域的可耗水量。

4.2 耗水平衡分析

流域可耗水量与实际耗水量之间的差值即是流域水资源蓄变量，包括土壤蓄变量和地下水蓄变量，对于年度来说，土壤蓄变量基本不变，流域蓄变量近似为地下水蓄变量。流域实际耗水量指人为开发利用水资源过程中的耗水量，包括灌溉耗水量、工业耗水量与生活耗水量，不包括不可控ET。

灌溉耗水量包括农田灌溉和防护林灌溉的灌溉耗水量。农田灌溉耗水量通过农田年总耗水量与农田年降水量的差值计算，由于防护林在Landsat 影像中不易解译，本文利用Google Earth 高分辨率影像通过目视解译的方法提取二塘沟流域的防护林分布，结合遥感ET 数据，计算了2008 年～2013 年防护林灌溉耗水量。2010 年～2013 年工业耗水和生活耗水采用世界银行项目实际调查结果，2008 年～2009 年通过近似计算得到，其中工业耗水利用工业用水量、产品产量、产品耗水率近似计算；生活耗水量通过人口数据估算[4]，计算结果见表2。

表2 2008 年～2013 年灌溉耗水量 单位：106 m3

对比二塘沟流域可耗水量及实际耗水量显示，2008 年～2013 年间二塘沟流域水资源蓄变量持续减少，年平均蓄变量减少6.86×107m3（表3），属于地下水严重超采区域，流域水资源过度开发利用，处于不可持续发展状态。从耗水状况看，97.13%为农业灌溉耗水，工业和生活耗水仅占2.69%，地下水超采水量主要用于农业灌溉，由于工业和生活耗水量占比较少，农业灌溉规模超过二塘沟流域水资源承载能力是导致水资源紧缺的首要原因。

表3 二塘沟流域2008 年～2013 年耗水情况 单位：106 m3

为进一步分析耕地变化对水资源开发利用的影响，利用Landsat 遥感影像提取了1990 年二塘沟流域耕地扩张时的耕地面积。结果显示1990 年二塘沟流域耕地面积约20.8 万亩，2011 年耕地面积约33.2 万亩，2013 年耕地面积约31.4 万亩。从1990 年～2011 年二塘沟流域耕地面积增加了12.4 万亩，增幅59.6%，按照亩均耕地灌溉耗水量457.6 m3来算，耕地扩张年灌溉耗水增加约5.67×107m3，由于当时灌溉方式较为粗放，亩均耗水量比近年均值要大，此值相对较小。

从表3 中可以看出，2012 年、2013 年二塘沟流域实际耗水量有下降趋势，2012 年实际耗水量较2011 年减少了2.44×107m3，2013 年实际耗水量较2012 年减少了9.35×106m3，除去丰、枯水年水资源开发利用量差异的原因，主要原因在于吐鲁番市为合理开发利用水资源，采取的退地减水政策，每年逐步退减部分耕地面积，2013 年相较2011 年耕地面积减少约1.8 万亩，退减耕地面积约减少耗水量8.24×106m3。若要单纯通过退减耕地面积达到耗水平衡的话，按照年亩均耕地耗水量457.6 m3计算，约需退减耕地面积15 万亩。

5 结论

随着经济社会不断发展，用水需求随之增加，如何贯彻好习近平总书记青山绿水的发展理念，做好水资源可持续发展，是水资源管理的面临的巨大挑战。基于流域水量平衡，利用区域降水数据和遥感计算蒸散发的方式，计算了二塘沟流域2008 年～2013 年流域可耗水总量，并进行了耗水平衡分析，是将耗水理念在流域水资源管理中的一次应用尝试。

二塘沟流域2008 年～2013 年平均可耗水总量为8.71×107m3，实际开发利用的耗水量分别为1.56×108m3，多年流域蓄变量为-6.86×107m3，水资源处于过度开发利用状态，地下水超采严重。从耗水状况看，97.13%为农业灌溉耗水，工业和生活耗水仅占2.69%。二塘沟流域耕地面积自1990 年～2011 年增加了60%，扩张迅速，是水资源不断超采的主要原因。如果要维持水资源可持续发展，需要减少农业灌溉耗水量，主要方法有改进灌溉方式、改变种植结构、提高水资源利用效率以及退减灌溉面积，同时可从周边流域引水。为合理开发利用水资源，保护水环境，自2012 年开始，吐鲁番市推行了退地减水政策，通过发展工业吸纳退地农户，以逐步缓解水资源危机，保障区域的可持续发展。2012 年～2013 年二塘沟流域退减耕地面积约1.8 万亩，若只通过退减耕地面积达到耗水平衡，约需退减耕地面积15 万亩。