節(jié)水措施對(duì)瑪納斯河流域蒸散發(fā)變化相關(guān)分析

王 翠

（中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展給全球淡水資源帶來(lái)越來(lái)越大壓力，尤其是在過(guò)去的近一個(gè)世紀(jì)里，越來(lái)越多的土地在人為驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)換成農(nóng)業(yè)灌溉生產(chǎn)區(qū)。為了解決水資源短缺及水資源時(shí)空分布不均，人們采用一系列節(jié)水措施達(dá)到提高水資源可用性的目的，例如修建水壩和水庫(kù)，大面積采用滴灌，輸水渠道防滲等。這些節(jié)水措施往往針對(duì)性地使用在局部地區(qū)，尤其是干旱與半干旱區(qū)，這樣的人為干預(yù)，較大尺度的影響了陸地水通量。本文選取中國(guó)膜下滴灌技術(shù)研發(fā)地瑪納斯河流域作為研究區(qū)，分析了流域節(jié)水措施進(jìn)一步發(fā)展?jié)摿?，得出?jié)水措施對(duì)流域蒸散發(fā)影響，研究成果對(duì)于認(rèn)識(shí)干旱區(qū)綠洲生態(tài)環(huán)境變化與人類(lèi)活動(dòng)的相互作用機(jī)制具有重要意義。

1 研究區(qū)節(jié)水措施發(fā)展概況

瑪納斯河流域位于中國(guó)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)域，地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，典型山地—綠洲—荒漠景觀格局，地貌上分為上游高山區(qū)、中部平原區(qū)和下游荒漠區(qū)。行政區(qū)包括昌吉州的瑪納斯縣、塔城地區(qū)的沙灣縣、石河子市、農(nóng)八師、農(nóng)六師的新湖總場(chǎng)以及克拉瑪依市的小拐鄉(xiāng)。

瑪納斯河流域是我國(guó)典型干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，水資源分配和利用是決定該地區(qū)土地利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。流域通過(guò)渠系、水庫(kù)等水利工程設(shè)施將出山口徑流引入平原區(qū)構(gòu)成人工水系。流域先后修建了12座大中型平原水庫(kù)，水庫(kù)群現(xiàn)有總庫(kù)容為5.84×108m3。干支渠285條，全長(zhǎng)956km，斗渠2687條，全長(zhǎng)3528.8 km，年引水量為16.4×108m3。流域水資源經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)，發(fā)展為中國(guó)第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。平原區(qū)分布包括莫索灣灌區(qū)、石河子灌區(qū)、下野地灌區(qū)、清水河灌區(qū)等10余個(gè)灌區(qū)[1]。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，水資源需求量也逐年增加，流域節(jié)水灌溉面積不斷擴(kuò)大，流域內(nèi)地表水資源有限，人們開(kāi)始轉(zhuǎn)向依賴于開(kāi)采地下水。自1996年起，流域大面積運(yùn)用膜下滴灌節(jié)水措施，流域農(nóng)田灌溉方式經(jīng)歷了大水漫灌、溝灌到先進(jìn)的膜下滴灌的發(fā)展歷程。節(jié)水措施的大力推廣，地下水長(zhǎng)期過(guò)度開(kāi)采，地表面的人為擾動(dòng)，下墊面覆蓋情況發(fā)生改變，造成水循環(huán)要素隨之改變，蒸散發(fā)作為最重要的耗散項(xiàng)與地表面環(huán)境息息相關(guān)[2~3]，分析節(jié)水措施對(duì)瑪納斯河流域蒸散發(fā)影響，揭示節(jié)水措施下流域水循環(huán)要素和蒸散發(fā)間相互作用關(guān)系，對(duì)節(jié)水措施的進(jìn)一步推廣及區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。

流域大規(guī)模發(fā)展節(jié)水，尤其是農(nóng)業(yè)節(jié)水，使得流域有限的水資源能夠滿足流域內(nèi)人口不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要。流域內(nèi)運(yùn)用的主要節(jié)水措施包括滴灌技術(shù)，渠道防滲，水庫(kù)大壩修建和修復(fù)等。由表1、表2可知，截止2015年，流域水資源利用率達(dá)96%。地下水開(kāi)采率56.8%。

表1 區(qū)域水資源量及利用現(xiàn)狀（單位：108m3）

表2 滴灌技術(shù)應(yīng)用前后瑪納斯河流域節(jié)水指標(biāo)

滴灌技術(shù)的不斷推廣，使田間水利用系數(shù)，渠系水利用系數(shù)，灌溉水利用系數(shù)不斷提高。節(jié)水灌溉耕地面積不斷增大，流域內(nèi)農(nóng)田灌溉畝均用水量不斷減少。截止2015年，流域畝均用水量為430 m3/畝，節(jié)水灌溉耕地面積比82.1%，但是節(jié)水措施強(qiáng)度未達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，流域還具有節(jié)水措施發(fā)展空間。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家畝均用水量可減少至400 m3/畝，節(jié)水灌溉耕地面積比可達(dá)90%。從現(xiàn)狀數(shù)據(jù)可看出，瑪納斯河流域節(jié)水措施應(yīng)用具有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

研究所用數(shù)據(jù)包括蒸散發(fā)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)。

選用 MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀）全球蒸散產(chǎn)品MOD16A2數(shù)據(jù)集中2000-2014蒸散發(fā)年值作為研究蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源：http://www.ntsg.umt.edu/project/mod16。MOD16數(shù)據(jù)集的地表蒸散量反演算法是Mu等先后在2007年和2011年基于Penman-Monteith公式和地表能量平衡理論改進(jìn)后的算法[4~5]。所用數(shù)據(jù)及用途，時(shí)間空間范圍見(jiàn)表3。

表3 研究數(shù)據(jù)列表

2.2 研究方法

2.2.1 蒸散發(fā)數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法

利用均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均相對(duì)誤差(MRE)等定量指標(biāo)對(duì)估算ET和MOD16A2_ET進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[6~7]。計(jì)算公式分別為:

式中：n為觀測(cè)樣本個(gè)數(shù) (n=15)；ETmi和ETwi分別為提取的MOD16蒸散發(fā)產(chǎn)品站點(diǎn)數(shù)據(jù)和彭曼蒙特斯公式（Penman Monteith Equation）估算PET的值或蒸發(fā)皿觀測(cè)等驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

2.2.2 蒸散發(fā)數(shù)據(jù)分析方法

利用最小二乘法，基于各柵格計(jì)算2000年~2014年蒸散量的變化趨勢(shì)，計(jì)算公式為:

式中:slope為變化速率，為mm·(15a)－1；n為研究時(shí)段長(zhǎng)，n=15;ETMi為第i年MOD16_ET實(shí)際和潛在蒸散量。其中，slope為負(fù)表示蒸散量變化趨勢(shì)為減少；slope為正表示蒸散量變化趨勢(shì)為增加[8~9]。

3 節(jié)水措施下蒸散發(fā)結(jié)果和分析

3.1 MOD16蒸散產(chǎn)品精度驗(yàn)證

提取MOD16蒸散發(fā)矢量圖上對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的實(shí)際蒸散發(fā)ET和潛在蒸散發(fā)PET數(shù)據(jù)，選用流域石河子和莫索灣兩個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證MOD16蒸散發(fā)產(chǎn)品的精度。氣象站點(diǎn)蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)是較可靠水面蒸發(fā)值可作為潛在蒸散發(fā)PET的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，由于缺少流域?qū)嶋H蒸散發(fā)ET的觀測(cè)資料，且有研究表明，隨著地區(qū)干燥度增加，實(shí)際蒸散發(fā)量占降水量的比例呈增加趨勢(shì)，并最終傾向于降水量[16~17]，因此選取站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)驗(yàn)證流域?qū)嶋H蒸散發(fā)，均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均相對(duì)誤差(MRE)見(jiàn)表4，表4驗(yàn)證結(jié)果表明，MOD16蒸散發(fā)產(chǎn)品在研究區(qū)具有可用性。

表4 MOD16蒸散發(fā)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果

3.2 流域蒸散發(fā)時(shí)空演變分析

通過(guò)MOD16蒸散發(fā)產(chǎn)品解譯可以得到2000年~2014年實(shí)際蒸散發(fā)（ET）和潛在蒸散發(fā)（PET）時(shí)空分布特征圖，見(jiàn)圖1。從圖1可得，瑪納斯河流域?qū)嶋HET年平均值200 mm~250 mm，潛在PET年平均值1600 mm~1800 mm。年平均ET與PET的差距非常大，說(shuō)明瑪納斯河流域?qū)儆诜浅８珊蹬c半干旱地區(qū)。以五年為時(shí)間界限，可將十五年蒸散發(fā)數(shù)據(jù)劃分三個(gè)階段，則可明顯看出流域PET和ET變化規(guī)律，即ET先減小后增大，PET先增大后減小。在變化趨勢(shì)上呈現(xiàn)良好相關(guān)性，年際間PET減少則ET增加，說(shuō)明瑪納斯河流域?qū)嶋H蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)存在良好的互補(bǔ)關(guān)系。

圖1 瑪納斯河流域ET、PET年際變化曲線對(duì)比圖

3.3 節(jié)水措施下瑪納斯河流域蒸散發(fā)變化相關(guān)分析

圖2 瑪納斯河流域2000年~2014年ET、PET變化趨勢(shì)分布圖（MOD16）

大值，流域出現(xiàn)近十五年最干旱?，敿{斯河流域平原區(qū)耕地越來(lái)越濕潤(rùn)趨勢(shì)，而其他區(qū)域則顯示越來(lái)越干旱趨勢(shì)，進(jìn)一步論證流域綠洲化和荒漠化同時(shí)加劇的現(xiàn)狀。

2)針對(duì)瑪納斯河流域節(jié)水條件下環(huán)境因子變化的生態(tài)效應(yīng)，從綠洲化和荒漠化兩個(gè)角度開(kāi)展節(jié)水措施下流域蒸散發(fā)變化情況，從流域蒸散發(fā)變化情況可進(jìn)一步確定流域合理的耕地面積，是節(jié)水措施條件下流域生態(tài)的安全基礎(chǔ)。

利用最小二乘法，基于各柵格計(jì)算2000年~2014年蒸散量的變化趨勢(shì)得到圖2，即2000年~2014年蒸散（ET）、潛在蒸散（PET）變化趨勢(shì)分布圖，圖中大于0為增長(zhǎng)趨勢(shì)，小于0為減少趨勢(shì)，與0偏移量大說(shuō)明趨勢(shì)明顯。從圖2可知，ET與PET在空間上成相反變化趨勢(shì)，ET在平原區(qū)耕地區(qū)域顯示增加趨勢(shì)，其余區(qū)域顯示減少趨勢(shì)，而PET在平原區(qū)耕地區(qū)域顯示減少趨勢(shì)，其余區(qū)域顯示增加趨勢(shì)，說(shuō)明瑪納斯河流域平原區(qū)耕地有越來(lái)越濕潤(rùn)趨勢(shì)，而其他區(qū)域越來(lái)越干旱。

干旱區(qū)水資源數(shù)量時(shí)空分布狀況是控制流域荒漠化和綠洲化進(jìn)程的主導(dǎo)因子。流域節(jié)水措施條件下耕地面積逐年增長(zhǎng)，下墊面環(huán)境改變，地表實(shí)際蒸散發(fā)在人類(lèi)活動(dòng)密集區(qū)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其他地區(qū)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，而潛在蒸散發(fā)變化趨勢(shì)與實(shí)際蒸散發(fā)相反。因此，流域人類(lèi)活動(dòng)，尤其是節(jié)水措施的推廣，影響了流域土地利用類(lèi)型，改變了流域農(nóng)田水循環(huán)過(guò)程。

4 結(jié)論

1)通過(guò)分析流域近15年流域蒸散發(fā)變化規(guī)律，得出節(jié)水措施不斷推廣可改變蒸散發(fā)下墊面環(huán)境、改變農(nóng)田水循環(huán)過(guò)程。在2008年流域?qū)嶋H蒸散發(fā)出現(xiàn)極小值，潛在蒸散發(fā)出現(xiàn)極