灌區(qū)潛水蒸發(fā)有效性評價(jià)

羅玉峰,李 思,彭世彰,鄭 強(qiáng),馮躍華,朱非林,繳錫云

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 3.河南省豫東水利工程管理局惠北水利科學(xué)試驗(yàn)站,河南開封 475101)

灌區(qū)潛水蒸發(fā)有效性評價(jià)

羅玉峰1,2,李 思1,2,彭世彰1,鄭 強(qiáng)1,2,馮躍華3,朱非林1,繳錫云1,2

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 3.河南省豫東水利工程管理局惠北水利科學(xué)試驗(yàn)站,河南開封 475101)

為了提高潛水蒸發(fā)有效利用率,以河南省柳園口灌區(qū)為例,基于GIS的區(qū)域潛水蒸發(fā)計(jì)算方法,從潛水蒸發(fā)有效利用的必要條件入手,提出潛水蒸發(fā)有效性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),區(qū)分了灌區(qū)的有效和無效潛水蒸發(fā)。結(jié)果表明:柳園口灌區(qū)多年平均潛水蒸發(fā)量為0.508億m3,其中無效潛水蒸發(fā)量為0.262億m3,占51.6%;有效潛水蒸發(fā)主要集中在3—5月,6—8月次之,10月的無效潛水蒸發(fā)最多,其他月份也都有一定的無效潛水蒸發(fā)量;2—5月的潛水蒸發(fā)主要發(fā)生在灌區(qū)中部和北部,麥地的為有效潛水蒸發(fā),非農(nóng)業(yè)用地的為無效潛水蒸發(fā);提出的灌區(qū)潛水蒸發(fā)有效性評價(jià)方法簡單實(shí)用,易于區(qū)域化。

灌區(qū);潛水蒸發(fā);地下水管理;土地利用類型;土壤類型

潛水蒸發(fā)可為作物或生態(tài)植被提供水分,但同時(shí)也會(huì)引起大量的水分損失[1]。在地下水埋深較淺(埋深3～5m)的地區(qū),區(qū)域性的潛水蒸發(fā)量不可忽視[2]。海河流域東部平原的無效潛水蒸發(fā)量達(dá)80億m3,約為水資源總量的1/5,如果能有效利用這部分潛水,華北地區(qū)的水資源供需狀況將大為改善[3]。河套灌區(qū)義長灌域多年平均潛水蒸發(fā)量達(dá)355.5萬m3,至少有36.6%不能被作物利用。新疆全區(qū)地下水埋深小于2m的面積有3.9萬km2,年潛水蒸發(fā)量達(dá)269億m3,占地下水補(bǔ)給總量的68%。近年來,潛水蒸發(fā)引起的水量損失問題越來越多地受到重視,在農(nóng)業(yè)用水日益緊缺的形勢下,提高灌區(qū)潛水蒸發(fā)有效性具有重要意義。

由于潛水蒸發(fā)能被作物和生態(tài)植被利用,達(dá)到減少灌溉水量和保持生態(tài)平衡的效果,潛水蒸發(fā)的有效利用較早地受到關(guān)注[4-5]。對于潛水蒸發(fā)有效利用或減少無效損失,目前提出了一些調(diào)控措施,關(guān)于調(diào)控機(jī)理也有了初步研究。區(qū)分有效和無效潛水蒸發(fā)是進(jìn)行調(diào)控機(jī)理研究的基礎(chǔ),因此有必要進(jìn)行潛水蒸發(fā)有效性評價(jià)研究。王曉贊[6]以小麥為例,認(rèn)為有效潛水蒸發(fā)是指能被小麥吸收利用并蒸騰掉的那部分潛水蒸發(fā)量,并注意到土壤蒸發(fā)和小麥的蒸騰是同時(shí)存在的,但在試驗(yàn)過程中無法將二者區(qū)分開,為此提出了有效潛水蒸發(fā)系數(shù)的概念,并以此指導(dǎo)小麥灌溉,但這種方法需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐,在實(shí)際中由于作物種類多樣和地下水位的時(shí)空變化,采用這種方法需要在灌區(qū)內(nèi)布置眾多試驗(yàn)點(diǎn),不可避免地產(chǎn)生較高的試驗(yàn)成本。本文從潛水蒸發(fā)有效利用的必要條件入手,提出潛水蒸發(fā)有效性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),區(qū)分有效和無效潛水蒸發(fā),為灌區(qū)潛水蒸發(fā)調(diào)控研究提供依據(jù)。

1 灌區(qū)概況

柳園口灌區(qū)地處河南省開封市境內(nèi),位于東經(jīng)114°21′～114°47′、北緯34°35′～34°53′之間,屬于淮河流域惠濟(jì)河水系,東至圈章河中支以西,西至開封市郊區(qū),南至惠濟(jì)河,北到黃河大堤。灌區(qū)從黃河柳園口閘引水灌溉,灌區(qū)內(nèi)渠系與水系如圖1所示。灌區(qū)控制面積為40724 hm2,耕地面積為30900 hm2。灌區(qū)屬半濕潤半干旱氣候帶,氣候溫和,無霜期長,多年平均降水量627 mm,多年平均蒸發(fā)量為1316 mm。土壤質(zhì)地為輕壤土和砂壤土,地下水平均埋深為2～4 m。灌區(qū)內(nèi)以種植水稻、小麥及玉米為主。羅玉峰[7]研究表明,柳園口灌區(qū)由于潛水蒸發(fā)引起的水量損失約為0.35億m3/a,為引黃水量的44%,基于灌區(qū)潛水蒸發(fā)的有效性評價(jià),可進(jìn)一步研究灌區(qū)潛水蒸發(fā)有效性調(diào)控策略。

圖1 柳園口灌區(qū)渠系與水系

2 灌區(qū)潛水蒸發(fā)計(jì)算

2.1 土地利用類型

對柳園口灌區(qū)近30年的遙感數(shù)據(jù)(影像為ETM+數(shù)據(jù),分辨率為30 m×30 m)進(jìn)行解譯,所選用的遙感數(shù)據(jù)時(shí)相在水稻生育期,2000年的解譯結(jié)果如圖2(a)所示。將所得土地利用類型圖輸入ArcGIS 10.0系統(tǒng),采用系統(tǒng)的“重采樣”功能將柵格(分辨率)大小設(shè)置為500 m×500 m[8],如圖2(b)所示。采用系統(tǒng)的“重分類”功能將柳園口灌區(qū)的土地利用類型分為兩類:6—9月為水田、旱地及其他用地(包括裸地、建筑用地、水域、林地等);10月至次年5月為小麥地及其他用地。

圖2 2000年不同分辨率的土地利用

2.2 地下水埋深

根據(jù)柳園口灌區(qū)1981—2010年的逐月地下水埋深資料,分析地面高程與地下水位的關(guān)系,采用考慮地面高程的協(xié)克里金法對灌區(qū)地下水埋深進(jìn)行柵格化插值,即首先對地下水位進(jìn)行插值計(jì)算,然后通過地面高程減去地下水位即可得到地下水的埋深。選取500 m×500 m柵格大小,得到柳園口灌區(qū)30年逐月地下水埋深分布圖,圖3為2000年1月和6月的地下水埋深分布。

圖3 2000年地下水埋深分布(單位:m)

2.3 土壤類型

通過實(shí)地調(diào)查來驗(yàn)證收集到的土壤類型矢量圖(1∶20萬分縣土壤類型圖)。在此矢量圖的基礎(chǔ)上,使用ArcGIS10.0的 Conversion Tools模塊中的“轉(zhuǎn)為柵格-面轉(zhuǎn)柵格”工具,將土壤類型矢量圖轉(zhuǎn)化為500 m×500 m柵格圖,實(shí)現(xiàn)與土地利用/覆被變化圖、地下水埋深圖格式與柵格大小的統(tǒng)一,得到灌區(qū)土壤類型柵格分布圖。柳園口灌區(qū)土壤類型主要為砂壤土和輕壤土。

2.4 水面蒸發(fā)

水面蒸發(fā)綜合反映了氣象因素的變化,因而可用水面蒸發(fā)表征氣象因素對潛水蒸發(fā)的影響。灌區(qū)內(nèi)只有河南省豫東水利工程管理局惠北水利科學(xué)試驗(yàn)站內(nèi)的一個(gè)氣象站觀測水面蒸發(fā),收集到1981—2011年的逐日水面蒸發(fā)量,整理成逐月水面蒸發(fā)量用于潛水蒸發(fā)計(jì)算。由于灌區(qū)面積并不太大,可采用這一站點(diǎn)的數(shù)據(jù)代表整個(gè)區(qū)域水面蒸發(fā)量。

2.5 公式參數(shù)

作物種植條件是影響潛水蒸發(fā)的主要因素之一。采用最小二乘法,運(yùn)用改進(jìn)的阿維里揚(yáng)諾夫潛水蒸發(fā)公式[9]計(jì)算裸地條件和作物種植條件下的潛水蒸發(fā)公式參數(shù)值(表1),其中 Kc,ini、Kc,mid、Kc,end分別為作物生長初期、中期和末期的作物影響系數(shù);h0為潛水蒸發(fā)極限埋深(地下水埋深大于該值時(shí),潛水蒸發(fā)微弱,可忽略不計(jì));n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù),一般取1～3。

表1 不同條件下潛水蒸發(fā)公式參數(shù)值

2.6 計(jì)算方法

灌區(qū)潛水蒸發(fā)計(jì)算采用羅玉峰等[10]提出的基于GIS的區(qū)域潛水蒸發(fā)計(jì)算方法,該方法首先確定灌區(qū)適合的柵格大小,并對該區(qū)域進(jìn)行柵格劃分;然后分析土地利用類型、地下水埋深、土壤類型、水面蒸發(fā)等控制因素對潛水蒸發(fā)的影響,將這些因素以柵格的形式輸入ArcGIS系統(tǒng),再通過基于VBA的Arcobjects編程[11]計(jì)算各柵格的潛水蒸發(fā)量,進(jìn)而計(jì)算灌區(qū)的總潛水蒸發(fā)量。采用改進(jìn)的阿維里揚(yáng)諾夫公式逐柵格計(jì)算潛水蒸發(fā)量:

式中:Ec為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度,mm/d;Kc為作物影響系數(shù),裸地時(shí)Kc=1;E0為水面蒸發(fā)強(qiáng)度,mm/d;h為地下水埋深,m。

2.將服務(wù)功能與教育功能相結(jié)合。輔導(dǎo)員應(yīng)利用每學(xué)期開學(xué)伊始或畢業(yè)生離校之際，針對各年級學(xué)生，通過召開主題班會(huì)、舉辦模擬招聘會(huì)、組織學(xué)生參加職業(yè)能力測試等形式，對大學(xué)生開展職業(yè)生涯規(guī)劃教育，結(jié)合就業(yè)指導(dǎo)的服務(wù)功能和教育功能，培養(yǎng)大學(xué)生的職業(yè)意識和規(guī)劃意識，進(jìn)而引導(dǎo)大學(xué)生樹立正確的擇業(yè)觀和成才觀。

3 潛水蒸發(fā)有效性評價(jià)

作物生長需要的水分主要來自潛水、降水和灌溉水[6]。在作物生長條件下的潛水蒸發(fā)可分為兩部分:一部分通過作物的莖葉蒸騰散失到大氣中;另一部分通過土壤表面蒸發(fā)到大氣中。王曉贊[6]通過試驗(yàn)方法來區(qū)分有效和無效潛水蒸發(fā),這種方法需要觀測作物耗水量、土壤水損失量、地下水深層滲漏量及水平滲漏量等諸多參數(shù),且難以提升到區(qū)域尺度。這里從潛水蒸發(fā)有效利用的必要條件入手,逐個(gè)柵格單元定量區(qū)分有效和無效潛水蒸發(fā),最初始的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)為

式中:Ee為有效潛水蒸發(fā)量;E為潛水蒸發(fā)量。式(2)表明耕地和非耕地在非作物生長季節(jié)的潛水蒸發(fā)都為無效,其余則為有效。進(jìn)一步考慮作物生長期內(nèi)的無效潛水蒸發(fā),則可以得到:

式中:ETa為作物耗水量(可采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的FAO-56方法計(jì)算[12])。

式(3)表明大于作物耗水量部分的潛水蒸發(fā)也是無效的。結(jié)合柳園口灌區(qū)實(shí)際情況,對不同土地利用類型及季節(jié)的潛水蒸發(fā)有效性進(jìn)行分析。

如前所述,柳園口灌區(qū)土地利用類型劃分為兩類,其他用地包括裸地、建筑用地、水域、林地等,其中水域主要表現(xiàn)為水面蒸發(fā),不產(chǎn)生潛水蒸發(fā)。林地由于發(fā)達(dá)的根系能利用深層地下水,且枝葉繁茂,通過蒸騰作用存在大量的潛水蒸發(fā),將這類潛水蒸發(fā)近似歸類為裸地潛水蒸發(fā),采用計(jì)算裸地時(shí)的阿維里揚(yáng)諾夫潛水蒸發(fā)公式,此類潛水蒸發(fā)全年視為無效。

在6—9月,水田及灌區(qū)地下水埋深大于h0,該區(qū)域的潛水蒸發(fā)量為零;玉米地的潛水埋深小于h0,所產(chǎn)生的潛水蒸發(fā)皆為有效。每年的6—9月隴海鐵路以北大部分地區(qū)種植水稻,由于稻田大部分時(shí)間保持水層或土壤含水率較高,地表處較低的土水勢抑制了潛水蒸發(fā),認(rèn)為該地面上的潛水蒸發(fā)量為零。旱地主要種植玉米等作物,該時(shí)段地面上產(chǎn)生的潛水蒸發(fā)主要用于作物生長消耗,計(jì)為有效。

從10月至次年1月,小麥旱地產(chǎn)生的潛水蒸發(fā)皆視為無效。9月底水稻收割,10月初為小麥播種期,該階段田間大部分土地是裸露的,以裸地潛水蒸發(fā)為主,小麥對潛水蒸發(fā)影響很小,這一時(shí)期小麥需水量較小,降水即能滿足小麥的需水要求,此時(shí)發(fā)生的潛水蒸發(fā)視為無效。在小麥苗期——分蘗期,為保證小麥正常生長,需消耗一部分水分(灌溉水或?yàn)榻邓?,按照習(xí)慣需對小麥進(jìn)行冬灌,可將此階段的潛水蒸發(fā)視為無效。

每年2—5月小麥旱地所產(chǎn)生的潛水蒸發(fā)視為有效。小麥的返青——拔節(jié)期是小麥生長最旺盛的季節(jié),在生長過程中需要消耗大量的水分,在沒有降水和降水較少的情況下,小麥生長所需的水分主要來源于潛水蒸發(fā);另一方面,此階段小麥的根系也有了充分的發(fā)育,這也為小麥大量汲取水分提供了必要的條件,在此階段小麥葉片也已茂盛,基本遮蓋整個(gè)土面,土壤蒸發(fā)已不是主要方面。小麥的抽穗——成熟階段是潛水蒸發(fā)最大的季節(jié),因小麥孕穗、成熟需要消耗大量的水分,在灌溉、降水不能滿足的情況下,就會(huì)大量吸收地下水,此時(shí)的潛水蒸發(fā)視為有效。

表2 不同土地利用類型及季節(jié)的潛水蒸發(fā)有效性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 年際間潛水蒸發(fā)量變化

根據(jù)表2對灌區(qū)進(jìn)行逐個(gè)柵格單元的統(tǒng)計(jì)分析,得到30年各年的有效和無效潛水蒸發(fā)量及其占全年潛水蒸發(fā)總量的比例,如表3所示。灌區(qū)的多年平均潛水蒸發(fā)總量為0.505億m3,其中多年平均無效潛水蒸發(fā)量為0.261億m3,占51.6%。由表3可知,1985年的潛水蒸發(fā)總量達(dá)到最大值,為0.886億m3,其中無效潛水蒸發(fā)量占56.4%,有效潛水蒸發(fā)量比例較小,而且2000—2010年的數(shù)據(jù)也顯示相同的規(guī)律,這個(gè)現(xiàn)象與不合理的灌溉方式有很大關(guān)系。1994年的潛水蒸發(fā)總量是第2次峰值,為0.861億m3,而此時(shí)無效潛水蒸發(fā)量占35.5%,比例有所減少。從1988—1994年,年潛水蒸發(fā)總量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢,這是由于1988年引黃補(bǔ)源,地下水埋深變淺,地下水極限埋深以上的區(qū)域面積增大,從而增加了潛水蒸發(fā)的整體面積,而且1988年作物種植結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大變化,冬小麥、蔬菜等耗水量大的作物播種面積大大增加,導(dǎo)致了有效潛水蒸發(fā)量的比例顯著增大。

5 年內(nèi)潛水蒸量發(fā)變化

表3 多年有效和無效潛水蒸發(fā)量及其所占比例

表4 年內(nèi)有效和無效潛水蒸發(fā)量及其所占比例

以1994年為代表年,對灌區(qū)年內(nèi)有效和無效潛水蒸量發(fā)變化規(guī)律進(jìn)行分析,如表4所示。該年的潛水蒸發(fā)總量為0.861億m3,其中無效潛水蒸發(fā)量為0.305億m3,占35.5%。由表4可知,10—12月、1月均為無效潛水蒸發(fā)。2—5月為小麥的返青——成熟期,該階段旱地所產(chǎn)生的潛水蒸發(fā)均視為有效潛水蒸發(fā),其中4月的有效潛水蒸發(fā)量為0.139億m3,所占比例達(dá)到年內(nèi)最大值,為85.5%;2月所占比例相對較小,為63.2%;該階段有效潛水蒸發(fā)量所占比例由大到小依次為4月、5月、3月、2月。6—9月為水稻、玉米生長期,其中8月的有效潛水蒸發(fā)量所占比例達(dá)最大值,為61.5%;6月所占比例相對較小,為47.8%;該階段有效潛水蒸發(fā)量所占比例由大到小依次為8月、7月、9月、6月。

6 潛水蒸發(fā)空間分布

本文以1994年2—9月為例,根據(jù)潛水蒸發(fā)有效性評判標(biāo)準(zhǔn),在ArcGIS10.0系統(tǒng)中逐個(gè)對柵格單元進(jìn)行判斷,最終得到每月的潛水蒸發(fā)空間分布,如圖4所示。從圖4可以看出,2—5月的潛水蒸發(fā)主要發(fā)生在灌區(qū)中部和北部,有效潛水蒸發(fā)主要為種植小麥的柵格,無效潛水蒸發(fā)主要為非農(nóng)業(yè)用地柵格。在6—9月,種植水稻柵格由于田間水層的作用,潛水蒸發(fā)量為零;而淤泥河兩岸和引黃補(bǔ)源區(qū)由于地下水埋深淺而發(fā)生潛水蒸發(fā),其中在非農(nóng)業(yè)用地柵格產(chǎn)生的則為無效潛水蒸發(fā)。

圖4 2—9月潛水蒸發(fā)空間分布

根據(jù)以上灌區(qū)潛水蒸發(fā)的時(shí)空變化規(guī)律,為提高灌區(qū)尺度的潛水蒸發(fā)有效性,可采取以下3種措施來進(jìn)行潛水蒸發(fā)調(diào)控:①灌區(qū)上游的水稻采用間歇灌溉技術(shù);②現(xiàn)在有水稻改成旱稻;③在水稻生育期的后段抽取地下水進(jìn)行灌溉,以降低地下水位,減少水稻收割后的無效潛水蒸發(fā)。當(dāng)然這3種措施可以同時(shí)進(jìn)行,即部分水稻改為旱稻,如位于渠道的末端引黃地表水灌溉條件較差的下游區(qū)域的水稻先行改為旱稻,同時(shí),上游的水稻采用間歇灌溉技術(shù),并且在水稻生育后期抽取地下水進(jìn)行灌溉,形成三位一體的柳園口灌區(qū)潛水蒸發(fā)有效性調(diào)控模式。

7 結(jié) 論

a.從潛水蒸發(fā)有效利用的必要條件入手,提出潛水蒸發(fā)有效性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),在計(jì)算出各柵格單元潛水蒸發(fā)量的基礎(chǔ)上,區(qū)分有效和無效潛水蒸發(fā),方法簡單實(shí)用,易于區(qū)域化。

b.柳園口灌區(qū)多年平均潛水蒸發(fā)總量為0.508億m3,其中無效潛水蒸發(fā)量為0.262億m3,占51.6%;有效潛水蒸發(fā)主要集中在3—5月,6—8月次之,10月的無效潛水蒸發(fā)最多,其他月份也都有一定的無效潛水蒸發(fā)量。

c.2—5月的潛水蒸發(fā)主要發(fā)生在灌區(qū)中部和北部,麥地的為有效潛水蒸發(fā),非農(nóng)業(yè)用地的為無效潛水蒸發(fā);在6—9月,稻田內(nèi)大部分時(shí)間都保持有水層,潛水蒸發(fā)量為零;而河流兩岸和引黃補(bǔ)源區(qū)由于地下水埋深淺而發(fā)生潛水蒸發(fā),在非農(nóng)業(yè)用地產(chǎn)生的為無效潛水蒸發(fā)。

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Assessment of effectiveness of groundwater evapotranspiration in an irrigation district//

LUO Yufeng1,2,LI Si1,2, PENG Shizhang1,ZHENG Qiang1,2,FENG Yuehua3,ZHU Feilin1,JIAO Xiyun1,2
(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China(Hohai University),Ministry of Education, Nanjing 210098,China;3.Huibei Water Science Experiment Station,East Henan Water Projects Management Bureau, Kaifeng 475101,China)

To improve the utilization efficiency ofgroundwater evapotranspiration, the regional groundwater evapotranspiration in the Liuyuankou Irrigation District was firstly calculated based on geographic information system (GIS).From the aspect of the requirements of effective use of groundwater evapotranspiration,the evaluation criteria of effectiveness of groundwater evapotranspiration was then proposed,and then the effective and non-beneficial groundwater evapotranspiration were distinguished.The results show that the annual groundwater evapotranspiration in the Liuyuankou Irrigation District is 5.08×107m3,among which 2.62×107m3,accounting for 51.6%,is non-beneficial.Most effective groundwater evapotranspiration occurs from March to May,followed by June to August and most non-beneficial groundwater evapotranspiration occurs in October,while there is some non-beneficial groundwater evapotranspiration in other months. From February to May,groundwater evapotranspiration mainly exists in the middle and north parts,among which the evapotranspiration in wheat land is effective while in non-agricultural land non-beneficial.The proposed method for evaluating effectiveness of groundwater evapotranspiration in irrigation districts is simple and practical,and is easy to be used in a regional scale.

irrigation district;groundwater evapotranspiration;groundwater management;type of land use;soil type

TV93

:A

:1006-7647(2014)04-0005-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.002

2013-0624 編輯:周紅梅)

河南省水利廳水利科技攻關(guān)項(xiàng)目(GG201428);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201301014)

羅玉峰(1977—),男,江西遂川人,副研究員,博士,主要從事灌區(qū)水循環(huán)模擬及水稻節(jié)水灌溉研究。E-mail:yfluo@hhu.edu.cn