吐鲁番市蒸散发耗水估算与农业用水量相关性研究

李 鑫

(吐鲁番市水资源管理中心，新疆 吐鲁番 838000)

1 研究背景

在农业、工业和生活用水中，农业用水占据重要地位。联合国教科文组织发布的“2022年世界水发展报告”指出，地下水已为全球人口提供一半的生活用水，占据灌溉用水的25%左右，为世界38%的灌溉用地服务。可以看出，对于以往使用的粗放的低效的水资源利用方式已不再适用于现今的水资源管理模式，农业生产必须朝着信息化、标准化和集约化发展，必须要提高灌溉用水效率。

目前的灌溉用水估算方法主要包含两类，一种是基于典型调查的灌溉定额推演灌溉用水。即根据灌溉面积与灌溉定额进行估算，确定灌溉定额前需先进行典型调查，再推演定额。由于各地农业用水计量设施不同程度地存在不完善、不一致等现象，或者存在较为复杂的灌区，导致灌溉定额确定后不能准确推演灌溉用水量，且灌溉定额需要根据当地水文条件、气象因素、土壤水分等因素进行调整，致使该方法不能精准地计算灌溉用水量。第二种是水量平衡推算灌溉用水。遥感技术作为新兴技术可运用于水利信息化各方面，被证实便捷有效[1-3]。云兆得等[4]基于水平衡原理利用GRACE陆地水储量的变化数据与WBM-DP模型构建了流域尺度的实际蒸散发(Evapotranspiration，ET)月序列ETGRACE和ETWBM，评价了汉江流域上游的MOD16和SSEbop两种ET数据性能，分析了基准序列不同情况下的ET数据精度问题。陈磊等[5]提出利用多源遥感数据与水量平衡原理的灌溉用水量分析模型，构建统计分析模型，结果表明利用该遥感监测方法分析灌溉用水量的动态匹配能力相对较强，可达到定量分析和预测灌溉用水量目的。

ET与降水、气象条件、土壤、植被等因素高度相关，遥感技术不能直接获取ET数据，但可通过反演地表温度和粗糙度、地表反照率、土壤湿度等参数后估算ET，以实现由点至面的延伸，最终获得整个区域的ET数据。由于ET可用于表征作物的耗水量，在灌溉用水管理中发挥着重要作用，在提高水分生产率和水资源利用效率方面潜力很大。现有的利用遥感技术反演ET数据的方法主要有以下几类：一是彭曼公式模型(Penman-Monteith，P-M)[6]；二是单源/双源能量平衡模型[7]；三是数理统计法[8]；四是归一化植被指数NDVI与地表温度关系梯形/三角形模型[9]。由于遥感技术反演遥感ET模型的不断完善，可以满足大尺度流域或者复杂下垫面等不同要求，也为遥感技术估算灌溉用水管理提供了理论依据。然而，因卫星传感器、轨道等因素制约，遥感ET的数据精度、分辨率、连续性等也存在一定制约，目前全球蒸散发数据集的日尺度蒸散发产品空间分辨率最高为1km[10]，指导农业灌溉用水精细化管理意义效果还不明显。

本文试图通过利用遥感技术反演250m分辨率的ET数据，并与多年农业用水量作相关性分析，以期找到适合研究区的ET耗水量估算方法。

2 研究区及遥感影像数据

2.1 研究区概况

吐鲁番市位于新疆维吾尔自治区中东部，即天山东部的山间盆地中。属特殊的温带大陆性干旱荒漠气候，气候特点是日照时间长、温度高、昼夜温差大、降水量稀少、风力强烈。多年平均气温为13.35℃，≥10℃年积温为4525.5～5548.9℃，日温差和年温差均较大，年日照时数为2957.7～3122.8h，年平均风速1.5～5.6m/s，年蒸发量为2751～3744mm，年均降水量为6.3～25.3mm，蒸降比极为悬殊。由于吐鲁番市水资源时空分布极不均匀，西部和北部水资源较多，越往东或往南却越来越少，解决水资源危机的根本途径是减少水资源的蒸散，减少无效蒸腾。

2.2 研究区数据

为估算吐鲁番市ET值，本文收集了2019年30个气象站点、2020年和2021年10个气象站点的逐日气象要素，包括平均风速、最高气温、最低气温、日均相对湿度、日均气压、太阳日照时数共计6类数据。遥感影像利用了2019—2021年30m分辨率的Landsat 8，250m分辨率的MODIS产品波段数据MYD09GA、地表温度数据MYD11A1和反照率数据MCD43A1，AIRS温湿廓线数据，NECP大气水平风速和垂直风速数据和风云2F/2G数据。

3 研究方法

由于吐鲁番流域是近似封闭的流域，按照水平衡原理，ET是区域水资源的主要消耗，因此本文利用遥感技术，采用了ETWatch蒸散模型估算ET，该模型由中国科学院遥感应用研究所研发[11-13]，主要利用余项法与彭曼公式相结合的方式，在分辨率较高、空间变异较小、像元地物类别容易分辨的情况下，运用SEBAL模型结合Landsat 8影像数据反演晴天日ET，在分辨率较低、空间变异较大、混合像元较多时运用SEBS模型结合MODIS影像数据反演晴天日ET。方法流程如图1所示。

图1 ETWatch方法流程图

该模型以3个关键参数作为输入量，即地面反照率、地面温度和地面粗糙度。通过监测地面反照率和地面温度，可以估算每个像元的净辐射；利用BRDF冠层结构因子、NDVI、后向散射系数和地形数据，可以估算每个像元的地面粗糙度；通过监测每个像元的地面温度，结合气象要素，可以估算出每个像元的地气温差。该模型计算过程如图2所示。

图2 ET估算流程图

4 结果分析

4.1 年度蒸散发数据分析

通过ETWatch模型可以计算出每年逐月ET空间分布数据，图3(a)为2021年7月ET图，通过模型内的叠加计算可得出全年ET空间分布情况，2019—2021年ET空间分布如图3(b)—(d)所示，可以看出ET的大小主要由各种土地类型所含可蒸散的水分决定，水体和绿洲相对较高，荒漠和戈壁相对较低。

图3 2019—2021年吐鲁番市ET图

2019—2021年ET统计数值见表1。可以看出，ET最大值2019—2021年分别为4345.84、1917.02、1937.12mm，最小值均为0.00mm，2020年和2021年ET最大值较2019大幅下降。2019—2021年ET平均值分别为43.87、39.41、56.04mm，表明2020年蒸散相对较小，2021年最为干旱，蒸散活动最剧烈。

表1 2019—2021年吐鲁番市ET统计表

4.2 分区县ET值分析

在2019—2021年，高昌区ET最大值表现为先降后增趋势，2020年降幅较大，但2021年增幅不大。鄯善县、托克逊县和221团ET最大值均呈现下降趋势，最小值均为0.00mm。ET平均值在高昌区、鄯善县、托克逊县和221团均表现出先降后增趋势，其中高昌区、鄯善县和托克逊县2021年的ET平均值均超过了2019年ET平均值水平。

标准差数据表明，高昌区、鄯善县和托克逊县呈现先降后增趋势，其中高昌区和鄯善县增幅较大，超过了2019年水平，221团呈现逐年递增趋势。标准差数据呈现221团>高昌区>托克逊县>鄯善县现象，表明221团ET值的空间分布差异性最大，鄯善县ET值的空间分布差异性最小，种植结构相对单一，见表2。

表2 2014—2021年各区县ET统计表

4.3 农田区域ET和农田实际用水量相关性分析

由于吐鲁番市多年平均降雨量为10mm左右，农田区域降水量可忽略不计，农田区域ET主要来源为灌溉用水，根据2019—2021年ET和灌溉用水数据，对二者进行相关性分析。农田耗水的统计范围，以耕地、果园(葡萄、果树等)、人工林地等灌溉区域为基础，作为农田灌溉耗水统计的实际区域，本文分为高昌区、鄯善县、托克逊县和221团共4个，具体范围如图4所示。

图4 吐鲁番市农业灌溉区域图

从表3可以看出，2019—2021年农田区域ET值和农田实际用水量均为先降后增趋势，从农田区域ET值增幅来看，2021年ET值未高出2019年，2021年农田实际用水量则高于2019年。除了2019年托克逊县农田区域ET值34447×104m3，高于农田用水总量33780×104m3外，2019—2021年高昌区、鄯善县、221团以及合计总数的农田区域ET值均低于同期农田用水总量。

表3 2019—2021年农田区域ET和农田实际用水量 单位：×104m3

从图5可以看出，高昌区和221团在对数相关趋势下的供耗水相关性较好，拟合优度R2分别为0.80和0.79，鄯善县和托克逊县在对数相关趋势下的供耗水相关性不太理想，拟合优度R2分别为0.40和0.37。产生上述结果的原因初步考虑是由于鄯善县涉及火焰山以南与火焰山以北两个区域，ET值对比悬殊，同一类型农作物ET值也不同；托克逊县农作物种类较多，以枣树、杏树、棉花、饲草、瓜等类型为主，供耗水相关特征有一定的复杂性。

图5 吐鲁番市供耗水对数相关图

5 结语

遥感技术在估算蒸散发耗水方面优势较为明显，可以实时动态的掌握年度蒸散耗水情况，本文利用了ETWatch模型估算吐鲁番市多年蒸散发耗水量，由于ETWatch模型需要输入的参数较多，涉及计算范围较广，包括逐日的气象和多源遥感影像数据，对大尺度获取ET值较为快捷高效，可用于大面积估算ET，但通过研究发现，在涉及下垫面类型多样、作物种植结构较为复杂的情况，估算结果还需再进行深入分析研究，且不同地区不同土壤类型条件下是否可以通用该模型，也有待进一步细化研究完善。