基于ET 技術(shù)的水資源管理方法研究——以山西省潞城市為例

畢小雪，楊士斌，王玉芳，許新宜，楊 薇

（1.海河水利委員會海河下游管理局，天津 300061；2.北京師范大學(xué)，北京 100875）

1 引言

全球環(huán)境基金 （Global Environment Facility，簡稱GEF）支持下的“海河流域水資源與水環(huán)境綜合管 理 ” （Integrated Water and Environment Management，IWEM）項目（以下簡稱GEF海河項目）旨在海河流域范圍內(nèi)探討水資源與水環(huán)境綜合管理的協(xié)調(diào)機制和行動計劃，提高海河流域水資源與水環(huán)境的綜合管理水平，減輕流域水污染狀況，從而改善渤海的水環(huán)境質(zhì)量。

按照項目總體設(shè)計要求，漳衛(wèi)南運河子流域是整個項目中以污染防治為重點的子流域級水資源和水環(huán)境綜合管理項目，其主要內(nèi)容是編制水資源與水環(huán)境綜合管理戰(zhàn)略行動計劃（SAP），潞城市作為該子流域上游一個重要的縣級市開展水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃（IWEMP）的編制[1]。

世界銀行水資源專家提出，在流域水量平衡關(guān)系中，只有ET才是閉合區(qū)域內(nèi)水資源的凈消耗量，即ET是一個區(qū)域的“真實”耗水量[2]。只有控制區(qū)域的ET量，才能從根源上控制水的損耗，終止地下水的過度開采，使全流域在可持續(xù)發(fā)展的同時，逐漸達(dá)到一個較合理的用水平衡并恢復(fù)良好的生態(tài)環(huán)境[3]。加強ET管理是促進(jìn)水資源合理規(guī)劃的有效手段[4]。因此，結(jié)合海河流域水資源管理的需要和遙感技術(shù)的發(fā)展，GEF海河項目提出了一種基于ET技術(shù)的水資源管理方法，主要體現(xiàn)在遙感ET的應(yīng)用、目標(biāo)ET理論、SWAT模型在ET模擬中的應(yīng)用以及ET平衡分析。

筆者從基于ET技術(shù)的水資源管理方法出發(fā)，首先分別從供耗平衡原理、SWAT模型[5-7]、遙感ET 3個方面計算出潞城市的基準(zhǔn)年綜合ET，進(jìn)而推算出規(guī)劃年的目標(biāo)ET。通過構(gòu)建潞城市SWAT模型，設(shè)置不同的農(nóng)業(yè)管理方式，得到不同情景下的模擬ET，并將其與相應(yīng)的目標(biāo)ET進(jìn)行平衡分析。充分將ET技術(shù)應(yīng)用到潞城市水資源管理中，為調(diào)整潞城市水資源利用與分配方式、制定合理的IWEMP提供一定的決策依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

潞城市域全境屬海河流域漳衛(wèi)南運河子流域，地處山西省東南部，西北與襄垣縣以山為界，東北與黎城縣隔河相望，東南與平順縣谷嶺交錯，西南與長治市郊區(qū)垣川接壤。市境輪廓呈不規(guī)則四方形狀，面積為614.94 km2。境內(nèi)氣候?qū)僦袦貛Т箨懶詺夂颍欢嗄昶骄隁鉁貫?.2℃；多年平均年降雨量為501.6 mm；多年平均年蒸發(fā)量為1 559.3 mm。常流河有濁漳南源和濁漳干河，其他均為季節(jié)性河流。潞城市轄4個鎮(zhèn)（店上鎮(zhèn)、翟店鎮(zhèn)、微子鎮(zhèn)、辛安泉鎮(zhèn)）、3個鄉(xiāng)（史回鄉(xiāng)、合室鄉(xiāng)、黃牛蹄鄉(xiāng)）、2個辦事處（潞華辦事處、成家川辦事處），共202個行政村。

隨著潞城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源問題日益嚴(yán)峻。地表水可利用率低，河流污染嚴(yán)重，導(dǎo)致地表水可供水量日趨衰減，水資源的供需矛盾日益突出。

3 潞城市目標(biāo)ET的確定

3.1 基準(zhǔn)年綜合ET計算

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，2004年作為該項目基準(zhǔn)年。筆者分別從供耗平衡原理、SWAT模型和遙感ET 3個方面計算基準(zhǔn)年的綜合ET值。

3.1.1 基于供耗平衡原理的ET計算

供耗平衡原理是指在實際水資源消耗量和總的目標(biāo)消耗量 （或稱之為水資源允許最大消耗量ET）間的平衡。潞城市的最大可用ET，是指當(dāng)?shù)厮锌梢杂糜谡羯l(fā)的水量，用本地降水量與其他可以蒸發(fā)的水量之和減去通過徑流方式流出本地的水量。根據(jù)潞城市2004年基線調(diào)查報告可知，該地區(qū)雖有出入境河流，但多數(shù)為過境流量，2004年尚未開始建立污水處理廠（2005年興建），且沒有境外調(diào)水，因此以上部分不納入計算。按照現(xiàn)狀水權(quán)分配，潞城市可利用水資源量為0.44億m3；考慮到河道生態(tài)需水的因素，假定由于降水形成的自產(chǎn)徑流量的10%作為區(qū)域內(nèi)河道的生態(tài)需水量，通過供耗平衡原理計算得到全市的最大可用ET為510.70 mm。

3.1.2 基于SWAT模型的ET計算

利用北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院開發(fā)的潞城市SWAT模型應(yīng)用工具，建立潞城市SWAT模型，模擬基準(zhǔn)年ET值[8-10]。根據(jù)潞城市數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字河網(wǎng)圖，利用ArcGIS9.2版本的空間分析模塊，將潞城市劃分為64個子流域。輸入土地利用圖和土壤圖，按照模型要求進(jìn)行重分類并疊加，生成413個水文響應(yīng)單元（HRU），構(gòu)建SWAT模型參數(shù)庫。將其與氣象、降雨信息等輸入到潞城市SWAT模型應(yīng)用工具中，設(shè)置基準(zhǔn)年的作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉制度和灌溉水源，最終得到模擬ET結(jié)果為462.61 mm。

3.1.3 基于遙感技術(shù)的ET計算

中科院遙感所提供了基于ETWatch系統(tǒng)生產(chǎn)的30m×30m分辨率的2003、2007、2008年的山西省潞城市全市的遙感ET，見表1。

表1 2003、2007、2008年潞城市遙感ET數(shù)據(jù)

由表1可知，潞城市高分辨率的遙感ET數(shù)據(jù)缺乏長時間序列，只有2003、2007、2008年3年的數(shù)據(jù)?？紤]到缺少基準(zhǔn)年2004年的遙感數(shù)據(jù)，且現(xiàn)有3年的數(shù)據(jù)差別較大，這里暫取其平均值，約為448.3 mm。而綜合ET為遙感ET與工業(yè)及生活耗水ET之和，根據(jù)基線調(diào)查結(jié)果，現(xiàn)狀工業(yè)與生活耗水量約為2 586萬m3，折合ET值為42.06 mm，因此由遙感數(shù)據(jù)得到的綜合ET值為490.36 mm。

3.1.4 潞城市基準(zhǔn)年綜合ET值的確定

由以上3種方法計算得到的綜合ET值差別較大，其中的任何一個結(jié)果均不能完全代表基準(zhǔn)年的實際綜合ET值。因此，筆者綜合考慮了以上3種方法的差異性及潞城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)種植特點，結(jié)合GEF海河項目要求，對上述3個計算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均作為潞城市基準(zhǔn)年的綜合ET值，即為487.9 mm。

3.2 規(guī)劃年目標(biāo)ET確定

目標(biāo)ET理論是水資源管理研究的前沿，受到世行項目專家組的高度推崇，被確定為GEF海河項目的重要基礎(chǔ)理論。目標(biāo)ET是指在一個特定發(fā)展階段的流域或區(qū)域內(nèi)，以其水資源條件為基礎(chǔ)，以生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為約束，滿足經(jīng)濟(jì)持續(xù)向好發(fā)展與和諧社會建設(shè)要求的可消耗水量。

由前述研究結(jié)果可知，基準(zhǔn)年綜合ET為487.9 mm。參考《海河流域節(jié)水和高效用水戰(zhàn)略研究》的研究成果，潞城市2020年目標(biāo)ET為467.00 mm。依據(jù)文獻(xiàn)[1]，至2010、2020年分別完成削減ET量的40%與100%，從而得到2010、2020年的目標(biāo)ET分別為480、467 mm。

4 規(guī)劃年模擬ET計算

依據(jù)文獻(xiàn)[1]，結(jié)合潞城市基準(zhǔn)年水資源利用現(xiàn)狀，對 2010年平水年 （P=50%）、2010年枯水年（P=75%）、2020年平水年 （P=50%）、2020年枯水年（P=75%）4個情景進(jìn)行設(shè)置，分別采用不同的作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉制度以及灌溉水源[11]，利用潞城市SWAT模型應(yīng)用工具進(jìn)行情景模擬，情景設(shè)置及模擬結(jié)果見表2。

5 ET平衡分析計算

ET平衡分析計算，即為規(guī)劃年的模擬ET與相應(yīng)的目標(biāo)ET間的平衡分析計算，所得到的差值即為削減ET值。不同情景下的潞城市ET平衡分析計算結(jié)果見表3，如圖1所示。

結(jié)果表明，在情景年2010年，不同水平年的模擬ET均低于目標(biāo)ET。這說明了調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，加大節(jié)水灌溉力度，可減少農(nóng)業(yè)耗水量。而枯水年的模擬值大于平水年的模擬值，這是由于枯水年降雨較平水年減少，導(dǎo)致灌溉水量加大，從而使無效ET增多。因此，針對不同的作物類型，需要實施不同的灌溉方式，積極實行覆蓋保墑措施，提高作物的水分利用效率，從而減少無效ET的產(chǎn)生。

表2 情景設(shè)置及模擬結(jié)果

表3 不同情景下潞城市ET平衡分析計算結(jié)果

在2010年基礎(chǔ)上，2020年將進(jìn)一步調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，加大林地的種植面積，減少耕地面積，同時減少灌溉水量，但是模擬ET較2010年并沒有減少。這是因為林地面積的增加使得植物蒸騰量增加，從而導(dǎo)致ET總量并未降低。在這樣的情況下，應(yīng)繼續(xù)加強對該地區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，積極發(fā)展溫室及其他高效農(nóng)業(yè)。同時，計算結(jié)果表明，盡管2020年的模擬ET低于目標(biāo)ET，但是兩者差距減小。因此，在進(jìn)一步加大農(nóng)業(yè)管理方式調(diào)整力度的基礎(chǔ)上，要注重其他水源的開發(fā)與利用，加強水資源的合理配置，降低耗水量，以提高地區(qū)水資源綜合利用水平。

圖1 不同情景下潞城市ET平衡分析

6 結(jié)論

根據(jù)GEF海河項目要求，結(jié)合潞城市的實際情況，開展了基于ET技術(shù)的水資源管理方法研究。從供耗平衡原理、SWAT模型和遙感ET 3個方面計算出基準(zhǔn)年的綜合ET值。結(jié)合目標(biāo)ET理論，計算出規(guī)劃年目標(biāo)ET。從調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉制度和灌溉水源3個方面，設(shè)置不同的情景，利用潞城市SWAT模型應(yīng)用工具模擬ET值，進(jìn)行ET平衡分析計算，通過改善情景設(shè)置使模擬ET值達(dá)到水資源管理目標(biāo)，從而為潞城市水資源管理提供科學(xué)的決策依據(jù)。

需要指出的是，目前可獲得的遙感解譯ET數(shù)據(jù)的精度還未達(dá)到較高的水平，因此在實際應(yīng)用過程中需考慮其本身存在的誤差。并且針對像海河流域這樣高強度人類活動的地區(qū)，SWAT模型在水庫、灌溉、取用水模擬方面存在不足，今后需做進(jìn)一步的改進(jìn)。

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