基于作物耗水定額控制的灌溉管理模型

王蕾，劉鈺，許迪，彭致功

（1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京100038；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京100048）

基于作物耗水定額控制的灌溉管理模型

王蕾1，2，劉鈺1，2，許迪1，2，彭致功1，2

（1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京100038；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京100048）

海河流域水資源供需矛盾突出，其中農(nóng)業(yè)灌溉所占用水量和耗水量比例最大，而其水分利用效率相對偏低，因此節(jié)水潛力較大，為合理調(diào)控區(qū)域灌溉用水，本文將田間試驗觀測為基礎(chǔ)的灌溉節(jié)水理論和方法與遙感數(shù)據(jù)反演區(qū)域耗水（ET）的點面優(yōu)勢相結(jié)合，提出了基于作物耗水定額管理的農(nóng)業(yè)灌溉管理模型，通過控制區(qū)域上的作物耗水量分布，促進區(qū)域灌溉水資源的合理調(diào)配和利用，實現(xiàn)資源性節(jié)水。模型主要功能包括遙感反演數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、區(qū)域耗水目標(biāo)分解、作物ET定額分配、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)水潛力分析以及凈灌溉需水量估算。可實現(xiàn)從區(qū)域綜合耗水控制目標(biāo)向主要作物ET定額的分解，并轉(zhuǎn)化為灌溉用水管理中可控制的灌溉定額，通過逐年設(shè)置主要作物的ET控制定額和種植結(jié)構(gòu)情景方案，分析區(qū)域的節(jié)水潛力，消除奢侈耗水，實現(xiàn)不同水文年和耗水控制階段目標(biāo)下的灌溉定額管理，為區(qū)域灌溉水管理提供技術(shù)支持。

耗水管理；遙感反演耗水；ET定額；灌溉定額；資源性節(jié)水

1 研究背景

海河流域是我國水資源最為緊缺的地區(qū)之一，隨著經(jīng)濟社會飛速發(fā)展，水資源的供需矛盾異常突出，已成為制約社會經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的瓶頸。目前農(nóng)業(yè)是最大的用水和耗水行業(yè)，用水量占總用水量的70％以上，且主要使用地下水，普遍存在超采現(xiàn)象。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示流域不同地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水效率差異較大，存在奢侈耗水，有較大的節(jié)水潛力。由于農(nóng)業(yè)取用水過程復(fù)雜，工程設(shè)施維護和灌溉管理水平偏低，水資源緊缺與奢侈耗水并存的現(xiàn)象普遍存在于我國干旱半干旱地區(qū)，傳統(tǒng)的以點代面的ET監(jiān)測方法在區(qū)域水資源管理中存在較大的局限性，而利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演估算區(qū)域耗水的方法日趨成熟［1-2］，具有空間上覆蓋面廣、數(shù)據(jù)直觀等優(yōu)點，利用遙感數(shù)據(jù)開展區(qū)域耗水研究逐漸成為水資源管理研究的熱點之一［3］。如何將遙感反演數(shù)據(jù)用于水資源合理配置，提高水資源利用效率和效益，緩解水資源短缺，是當(dāng)前急需解決的研究課題。

本研究以農(nóng)業(yè)用水和耗水為主要研究對象，利用遙感ET、產(chǎn)量、土地利用等數(shù)據(jù)開展耗水現(xiàn)狀分析，通過ET定額管理實現(xiàn)總量控制目標(biāo)，在減少耗水的同時提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效率，對流域水資源規(guī)劃與合理配置，緩解水資源緊缺狀況，推行最嚴(yán)格的水資源管理具有十分重要的意義。

蒸發(fā)蒸騰（耗水，以下簡稱ET）作為區(qū)域水量平衡和能量平衡的主要成分，不僅在水循環(huán)和能量循環(huán)過程中具有極其重要的作用，而且也是連接生態(tài)過程與水文過程的重要紐帶。宏觀尺度上，ET作為水循環(huán)大系統(tǒng)的主要消耗項，對水資源的利用效用方面起著決定性的作用［4］。農(nóng)田尺度上，近年來國內(nèi)外學(xué)者立足于微觀植被蒸騰機理，結(jié)合農(nóng)田微氣候條件相繼提出了非充分灌溉、調(diào)虧灌溉以及控制性根系交替灌溉等農(nóng)田節(jié)水灌溉方式，在區(qū)域農(nóng)業(yè)耗水管理［5］和用水規(guī)劃方面［6］也結(jié)合ET估算模型［7］開展了相關(guān)研究。無論是微觀還是宏觀尺度，都是通過調(diào)節(jié)農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量的方式，實現(xiàn)在不減產(chǎn)或少減產(chǎn)的前提下，減少水資源的供給，達到資源性節(jié)水和提高水資源利用效率的目的。因此以耗水（ET）管理為基礎(chǔ)的水資源管理，其實質(zhì)就是“以供定需”，以生產(chǎn)生活消耗水資源量為基礎(chǔ)進行區(qū)域水資源的需求管理，提高用水效率，通過控制不同區(qū)域不同類型的耗水量，使之與當(dāng)?shù)夭煌l(fā)展階段的水資源可利用量相平衡。因此，合理確定不同地區(qū)、不同發(fā)展階段、與區(qū)域水平衡和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展需求相適應(yīng)的耗水目標(biāo)，是耗水管理的核心，必須綜合考慮現(xiàn)狀耗水的分布、區(qū)域水平衡和水資源優(yōu)化配置等幾方面因素。

2 ET管理模型構(gòu)建

2.1 模型結(jié)構(gòu)模型的主要功能包括：現(xiàn)狀遙感數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計分析、目標(biāo)ET分解、ET定額分配、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)水潛力分析以及灌溉定額估算，技術(shù)路線如圖1所示。

2.2 ET定額管理實施ET管理，首先要區(qū)分可控ET與不可控ET?？煽谽T指可以通過人為管理措施調(diào)控的ET，如大部分耕地和人工林草地，可以通過改善灌溉制度、改進灌溉技術(shù)、采取適當(dāng)耕作或覆蓋等農(nóng)藝措施，減少農(nóng)作物或植被的ET消耗；而沒有灌溉條件和管理措施的部分雨養(yǎng)農(nóng)田、天然林地和草場以及濕地等，ET是不可調(diào)控的。只有可控ET才有“真實節(jié)水”的潛力，也是ET管理的重點，由于耕地ET占海河流域ET總量的比例較大，且大部分具備節(jié)水灌溉管理條件，而非耕地ET難以調(diào)控，因此本文以耕地ET為對象開展耗水定額管理研究。

模型利用遙感反演的ET數(shù)據(jù)對海河流域重點縣的現(xiàn)狀ET分布進行分析，通過土地利用分類進行疊加分析，劃分現(xiàn)狀條件下實際的耕地ET與非耕地ET。結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃和水資源條件，可設(shè)定未來情景下區(qū)域總的耗水控制的目標(biāo)ET和非耕地目標(biāo)ET，從而計算得到耕地的控制目標(biāo)ET，其關(guān)系式如下：

式中：區(qū)域的總面積A總為耕地面積A耕與非耕地面積A非之和，ET總，目標(biāo)為區(qū)域總的耗水控制目標(biāo)，ET耕，目標(biāo)和ET非，目標(biāo)為耕地和非耕地的耗水控制目標(biāo)，非耕地耗水目標(biāo)ET非，目標(biāo)與非耕地現(xiàn)狀實際耗水量ETa非的關(guān)系為ET非，目標(biāo)=α×ETa，非，其中α為規(guī)劃情景下非耕地耗水量的變化系數(shù)，如規(guī)劃情景下非耕地耗水比現(xiàn)狀升高，則α＞1，反之取值小于1。

實現(xiàn)耕地目標(biāo)ET的節(jié)水措施主要考慮兩種：作物ET定額控制和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。通過設(shè)定不同強度的節(jié)水情景方案，控制主要作物的ET定額，消除奢侈耗水，調(diào)整高耗水作物的種植面積，從而最終實現(xiàn)調(diào)控后的耕地耗水不大于控制目標(biāo)ET耕，目標(biāo)。

對中國水利水電科學(xué)研究院大興試驗站2006—2009連續(xù)3年開展的冬小麥田間試驗［8］數(shù)據(jù)進行分析可發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)量較高時，作物產(chǎn)量Y和水分生產(chǎn)效率WUE隨著ET增加通常呈現(xiàn)先增后降的趨勢，如圖2所示。遙感反演冬小麥產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率數(shù)據(jù)按ET值進行分組統(tǒng)計分析，如圖3所示（冬小麥種植區(qū)域以外ET標(biāo)記為0），可以看出同樣呈現(xiàn)上凸拋物線形式。通過ET定額管理，控制作物ET在水分生產(chǎn)效率和產(chǎn)量都較高的范圍內(nèi)（經(jīng)濟耗水量與理論耗水量之間），既可消除奢侈灌溉用水，提高灌溉用水效率，又能保障作物高產(chǎn)，是非常有益的。

水分生產(chǎn)效率WUE與ET的關(guān)系，常用二次曲線擬合，函數(shù)形式為WUE=+bETa+c，則ET定額分配中所取作物耗水量控制的上限值：

式中：ETc=Kc×ET0為作物潛在騰發(fā)量。

由于遙感估算產(chǎn)量Y與水分生產(chǎn)效率WUE不確定性較大，在WUE最大值點對應(yīng)ET值無法確定時，可取ETc作為作物ET定額控制的上限。ETa＞ETq的區(qū)域?qū)⒄{(diào)控至定額ETq，ETa≤ETq的區(qū)域則不再調(diào)整，因此作物i在ET定額分配后各個象元j上的取值ETi，j=m in（ETa，（ij），ETq，i）。

式中：Aj為象元j的面積，Ai為第i種作物的現(xiàn)狀種植面積，為第i種作物在采取種植結(jié)構(gòu)調(diào)整措施后的種植面積，為保證糧食安全，需大于模型中用戶設(shè)定的種植面積下限。由此可得到節(jié)水潛力：

模型可分別計算單獨采用ET定額管理或種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，以及綜合兩種措施下的節(jié)水潛力，管理者根據(jù)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀作物ET分布情況，制定適宜的作物ET定額，落實到需加強節(jié)水管理的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，結(jié)合種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)縣級總的ET控制目標(biāo)。

2.3 灌溉定額管理耕地作物進行ET定額分配以后，需要轉(zhuǎn)化為實際管理可操作的作物灌溉定額，模型提供了兩種計算方法：（1）由有效降雨估算；（2）由水平衡模型計算。

有效降雨估算方法較為簡單易行，作物的凈灌溉需水量可由I凈=ETq-Pe估算，有效降雨P(guān)e為生育期內(nèi)逐次有效降雨之和。

水平衡模型計算方法包括ET與灌溉水量關(guān)系模擬和灌溉制度優(yōu)化。以田間水量平衡模型為基礎(chǔ)，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)以及土壤調(diào)查取樣分析結(jié)果，建立區(qū)域耗水模擬模型，主要包括兩個步驟。第一步是計算單元劃分和方案集的構(gòu)建：從遙感獲取和搜集得到的研究區(qū)域空間數(shù)據(jù)，包括土地利用、種植結(jié)構(gòu)、土壤類型、地面高程等分布圖，結(jié)合耕作方式、灌區(qū)水源和灌溉條件，使用GIS工具進行疊加分析，將灌區(qū)劃分為灌域以及灌域內(nèi)的計算單元，形成一套方案集，在每個計算單元內(nèi)部，為單一的土壤類型和作物類型。第二步，是在每個計算單元內(nèi)應(yīng)用田間水量平衡模型進行作物生育期內(nèi)的連續(xù)模擬。以北京市大興區(qū)兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)為例，設(shè)計的方案集如表1所示。

每個方案集的模擬參數(shù)設(shè)定包括：（1）模型計算參數(shù)設(shè)定：模擬年份、灌域、作物、起止日期和灌溉條件，其中灌溉條件包括灌溉方式（滴灌、噴灌和地面灌，以及每一灌溉方式不同單次灌水量）和覆蓋條件（覆蓋、不覆蓋）；（2）土壤參數(shù)設(shè)定：通過選擇土壤類型設(shè)定模型計算所需的土壤水動力學(xué)參數(shù)；（3）氣象條件設(shè)定：通過選擇氣象站設(shè)定計算時段內(nèi)的氣象觀測數(shù)據(jù)。

由計算方案集的計算結(jié)果，可得到不同灌溉方式和覆蓋條件下，ET、灌溉水量與產(chǎn)量之間的關(guān)系，模型篩選出符合ET定額目標(biāo)的結(jié)果。

方案集利用田間水量平衡模型將ET定額轉(zhuǎn)化為作物的灌溉制度，模型設(shè)定了5種優(yōu)化準(zhǔn)則幫助管理者對灌溉制度進行優(yōu)化：（1）產(chǎn)量最大原則；（2）ET最小原則；（3）水分生產(chǎn)效率最大原則；（4）灌溉水量最小原則；（5）產(chǎn)出/投入最大原則。

通過優(yōu)化最終可得到灌區(qū)內(nèi)每個灌域或小區(qū)域各種作物最優(yōu)的灌溉制度，可計算出凈灌溉水量，作為區(qū)域灌溉水源調(diào)配的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

式中：wni為作物的凈灌溉定額，Ai為其種植面積。由灌溉水利用系數(shù)η，可計算出調(diào)配前的毛灌溉水量Wgross，結(jié)合灌區(qū)內(nèi)地表水和地下水資源的情況，可逐旬分配灌溉水量，盡量多使用地表水（WS），減少地下水（WG）的開采（見下式）。

3 結(jié)果分析與討論

灌溉可供水量管理模型在北京市大興區(qū)［9］、天津市寶坻區(qū)以及河北省館陶縣和肥鄉(xiāng)縣開展了試點應(yīng)用，北京市大興區(qū)的主要作物實施ET定額管理后節(jié)水潛力計算［10］如表2所示，現(xiàn)狀ET高、種植面積大的作物實施ET定額管理，將ET定額以上的奢侈耗水降低至ET定額，可顯著降低耕地總耗水量，節(jié)水潛力最大。

如圖4所示，大興區(qū)內(nèi)土壤類型分布以潮土和褐土為主，結(jié)合區(qū)內(nèi)主要土地利用類型開展土壤取樣調(diào)查，共計15個調(diào)查點，每個調(diào)查點取2個重復(fù)樣本，取樣深度從地表以下10 cm至110 cm，間隔20 cm取樣。通過對原狀土樣開展離心機試驗，并使用RETC軟件對土壤的水動力學(xué)參數(shù)進行擬合，作為水平衡模型相關(guān)參數(shù)的取值。其中位于試驗站的計算方案集開展了參數(shù)率定和土壤含水率剖面（圖5）、ET、產(chǎn)量等小區(qū)觀測數(shù)據(jù)的對比驗證，結(jié)果顯示模型模擬效果較好。

以2006年夏玉米為例，設(shè)定不同的灌溉方式和單次灌溉水量，并考慮覆蓋和不覆蓋2種條件，形成方案集中多個情景方案，以表2中作物ET定額為限制條件進行灌溉定額的計算和優(yōu)化，結(jié)果如圖6所示。在夏玉米產(chǎn)量相近時，采用了覆蓋措施后ET較小，在相同灌溉水量下，采取覆蓋措施，可減少ET約20mm左右。采用單次灌溉量較小的灌溉方式（如噴、滴灌），在ET相近的情況下，可顯著減少深層滲漏，從而降低所需的總灌溉水量，缺點是經(jīng)濟投入較高，更適用于價值較高的經(jīng)濟作物。模型提供方案對比和優(yōu)化功能，管理者可根據(jù)不同作物類型和控制目標(biāo)進行最優(yōu)方案的選擇。

4 結(jié)論

基于遙感ET數(shù)據(jù)和作物耗水定額控制的區(qū)域灌溉管理方法，可廣泛應(yīng)用于缺水流域和地區(qū)的農(nóng)業(yè)耗水管理，自2007年以來結(jié)合海河流域重點縣進行了軟件開發(fā)、試點應(yīng)用和推廣培訓(xùn)，在新疆、內(nèi)蒙古和黑河流域部分灌區(qū)正在開展試點應(yīng)用，取得了良好的效果和有益的經(jīng)驗，目前尚有一些不足：（1）遙感ET和土地利用類型數(shù)據(jù)精度有待提高；（2）部分區(qū)域缺乏長系列地面觀測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)開展率定和驗證；（3）ET管理模型功能全面，但水平衡模型原理較復(fù)雜，ET控制指標(biāo)與傳統(tǒng)灌溉管理控制指標(biāo)有較大區(qū)別，基層水管理者深入理解和掌握的難度較大，現(xiàn)有模型將來應(yīng)用于區(qū)域水資源的日常管理，還需要在長期的管理實踐中逐漸完善。

在流域范圍內(nèi)全面實施基于遙感ET數(shù)據(jù)的灌溉管理是一項新技術(shù)，有許多關(guān)鍵性的技術(shù)問題需要在實踐中研究解決，重點有以下幾方面：（1）遙感監(jiān)測ET數(shù)據(jù)的精度；（2）不同尺度ET監(jiān)測數(shù)據(jù)的驗證與耦合；（3）可控ET與不可控ET的區(qū)分；（4）建立ET與可調(diào)控的用水指標(biāo)間的關(guān)系；（5）不同地區(qū)、不同階段目標(biāo)ET的確定。通過數(shù)據(jù)與經(jīng)驗積累以及ET管理模型的完善和發(fā)展，模型可應(yīng)用于水資源評價和規(guī)劃配置，模型提供的耗水總量控制與定額管理的方法，能夠為全國推行最嚴(yán)格的水資源管理提供技術(shù)支持，從而保障水資源可持續(xù)高效利用，促進經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展。

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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

（責(zé)任編輯：韓昆）

2013-08-21

國家自然科學(xué)基金資助項目（50909099，91125017，51009151）；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題（2011BAD25B05-2）；國家973計劃項目（2006CB403405）；水利部“948”項目（201009）；中國水利水電科學(xué)研究院“十二五”重點專項（基于遙感ET的灌區(qū)用水管理關(guān)鍵技術(shù)研究及公共服務(wù)平臺建設(shè)）

王蕾（1980-），女，湖北人，工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)水管理研究及3S技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：leiwang@iwhr.com