基于多源遙感數(shù)據(jù)和水量平衡原理的灌溉用水量分析

盧詩(shī)卉，趙紅莉，蔣云鐘，郝 震，張象明，陳根發(fā)

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)，水資源需求快速增加，水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重［1-2］。農(nóng)業(yè)用水占我國(guó)用水總量的60%以上［3］，灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水的90%以上。灌溉用水的精確估算對(duì)總用水量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性有著重要的影響，也對(duì)支撐水資源精細(xì)化管理有重要的意義。但農(nóng)業(yè)用水分布廣泛且分散，計(jì)量難度相對(duì)工業(yè)和生活用水較大，區(qū)域農(nóng)業(yè)用水總量估算受數(shù)據(jù)條件限制，較多依靠人工經(jīng)驗(yàn)，存在較大的不確定性，亟需結(jié)合新數(shù)據(jù)條件研究改善。

現(xiàn)行的灌溉用水估算方法大體分為兩類(lèi)，一是典型調(diào)查和定額推演法，二是水量平衡推算法。前者主要根據(jù)灌溉定額與實(shí)灌面積數(shù)據(jù)進(jìn)行估算［4］。灌溉定額的確定首先要進(jìn)行典型調(diào)查，然后進(jìn)行定額推演，根據(jù)《灌溉用水定額編制導(dǎo)則》（GB/T 29404—2012）要求確定省級(jí)分區(qū)、典型縣和水文年型，收集有關(guān)數(shù)據(jù)，整理分析資料，合理調(diào)整并確定省級(jí)分區(qū)主要作物灌溉用水定額。在灌溉定額的確定上，總體存在農(nóng)業(yè)用水計(jì)量設(shè)施不完善、復(fù)雜灌區(qū)統(tǒng)計(jì)難度大等問(wèn)題［5］。此外，灌溉用水定額是一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，但在農(nóng)業(yè)灌溉用水推算的實(shí)際工作中，很難按照水文氣象變化、田間水分狀況及作物長(zhǎng)勢(shì)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，導(dǎo)致該方法不能準(zhǔn)確計(jì)算農(nóng)業(yè)灌溉用水量［6］。

牛文臣等［7］提出根據(jù)區(qū)域水量平衡原理計(jì)算農(nóng)業(yè)用水量的方法，將耕地和非耕地區(qū)域的蒸騰蒸發(fā)消耗量作為農(nóng)業(yè)用水量，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上回避區(qū)域內(nèi)部地表水、土壤水和地下水等各部分水量相互轉(zhuǎn)化的復(fù)雜關(guān)系，通過(guò)區(qū)域水量平衡關(guān)系推求農(nóng)業(yè)用水量，其中耕地區(qū)域的蒸騰蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)為灌溉水量。徐建新等［8］沿用了其對(duì)農(nóng)業(yè)用水量的定義，采用水量平衡原理分析計(jì)算多個(gè)典型灌區(qū)的實(shí)際農(nóng)業(yè)用水量，并分析影響因素及其變化。這些早期的研究雖然從宏觀尺度上給出了基于水量平衡的農(nóng)業(yè)用水匡算方法，但存在定義不準(zhǔn)確、沒(méi)有解釋天然蒸散發(fā)與灌溉蒸散發(fā)關(guān)系的問(wèn)題。詹同濤等［9］基于水量平衡原理提出長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算方法，給出了相對(duì)準(zhǔn)確的田間水量平衡關(guān)系描述，但計(jì)算需要用到農(nóng)田區(qū)域精準(zhǔn)的出入境水量和蓄變量數(shù)據(jù)，只有在試驗(yàn)農(nóng)田區(qū)域才具備計(jì)算條件。可見(jiàn)，水量平衡方法雖然在理論上可以推求農(nóng)業(yè)灌溉水量，但在實(shí)際應(yīng)用中，還需要解決水量平衡方程構(gòu)建與數(shù)據(jù)可獲取性的匹配問(wèn)題。

遙感技術(shù)是最為有效的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和信息獲取的手段之一［10］。隨著各類(lèi)高空間、時(shí)間、光譜分辨率民用衛(wèi)星的出現(xiàn)，定量遙感技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，遙感與地理信息系統(tǒng)、全球?qū)Ш郊夹g(shù)及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)不斷融合，其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣度和深度不斷擴(kuò)展［11］。遙感蒸散發(fā)、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)、重力衛(wèi)星陸水儲(chǔ)量等遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品不斷豐富，有望填補(bǔ)水量平衡方程中大范圍耗水、蓄水量變化的監(jiān)測(cè)空白，但由于各類(lèi)產(chǎn)品存在概念不一致、通用性不強(qiáng)和精度不高等問(wèn)題，在不斷改進(jìn)遙感產(chǎn)品精度的前提下，還需要研究遙感數(shù)據(jù)與水量平衡要素在概念上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，嘗試結(jié)合多種遙感產(chǎn)品，通過(guò)相互校驗(yàn)和組合來(lái)支撐灌溉用水估算。

本文嘗試通過(guò)兩級(jí)水量平衡方程聯(lián)合方法來(lái)控制多源數(shù)據(jù)的誤差，找到相對(duì)合理的蓄變量、耗水量等的數(shù)據(jù)組合，推求農(nóng)業(yè)灌溉水量。首先在完整區(qū)域尺度構(gòu)建水量平衡方程，利用多源數(shù)據(jù)推算區(qū)域總耗水量，從中分離出與遙感蒸散發(fā)概念相對(duì)應(yīng)的耗水量，以此為約束，遴選本區(qū)域適用的遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品；其次在農(nóng)田區(qū)域構(gòu)建田間水分補(bǔ)給與耗散的水量平衡方程，利用逐日降水和遙感蒸散發(fā)數(shù)據(jù)分析農(nóng)田降水耗水量與灌溉耗水量，進(jìn)而估算出灌溉水量。最后以山東省濟(jì)南市為例，通過(guò)收集濟(jì)南市2012—2015年的降水量、出入境水量、跨流域調(diào)水量、工業(yè)與生活耗水量、遙感蒸散發(fā)量和儲(chǔ)水變化量等數(shù)據(jù)，基于上述方法對(duì)濟(jì)南市2012—2015年灌溉用水量的合理范圍進(jìn)行推算和分析。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況本文以濟(jì)南市為研究區(qū)（圖1），該市位于山東省中西部，范圍為東經(jīng)116°11′—117°44′、北緯36°01′—37°32′，總面積8151 km2。南依泰山，北跨黃河，分別與西南部的聊城、北部的德州和濱州、東部的淄博、南部的泰安等交界。

圖1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地勢(shì)南高北低。區(qū)域內(nèi)有三大水系，即黃河、小清河以及徒駭河馬頰河水系。黃河水系主要有玉符河、北大沙河、南大沙河、浪溪河、玉帶河等河流；小清河水系主要有巨野河、繡江河、漯河等河流；徒駭河馬頰河水系主要有徒駭河、德惠新河等河流。研究區(qū)地處華北中緯度地帶，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。其主要?dú)夂蛱卣魇羌撅L(fēng)明顯，四季分明，雨量集中。年平均降水量648.0 mm，降水空間分布不均，總的分布趨勢(shì)是由東南往西北遞減。夏季（6月—8月）降水量為367～499 mm，集中了全年降水量的60%以上。

2.2 研究區(qū)數(shù)據(jù)收集為計(jì)算研究區(qū)農(nóng)業(yè)用水量，本文收集了研究區(qū)及周邊2012—2015年60個(gè)水文和氣象雨量站逐日降水、跨流域調(diào)水量、非農(nóng)業(yè)用水量與18個(gè)水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的行政區(qū)出入境水量等地面觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及中分辨率成像光譜儀（moderate-resolution imaging spectroradiometer ，MO?DIS）8日遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品MOD16和16日遙感NDVI 產(chǎn)品MOD13、全球陸面同化數(shù)據(jù)（GLDAS）逐月遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品GLDAS-NOAH、重力衛(wèi)星（Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE）逐月陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)產(chǎn)品、中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所提供的2015年土地利用數(shù)據(jù)。如表1所示：

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源

3 研究方法

3.1 基于兩級(jí)水量平衡聯(lián)合的灌溉水量估算方法

（1）區(qū)域水量平衡。水量平衡原理是指在一定的時(shí)空范圍內(nèi)，水分運(yùn)動(dòng)保持質(zhì)量守恒，亦即輸入水量與輸出水量的差額等于系統(tǒng)內(nèi)蓄水變化量。建立區(qū)域水量平衡方程，如式（1）：

式中：P為時(shí)段內(nèi)區(qū)域降水量，可由地面觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到；WI為計(jì)算時(shí)段內(nèi)流入研究區(qū)域的水量，WO為計(jì)算時(shí)段內(nèi)流出研究區(qū)域的水量，WD為計(jì)算時(shí)段內(nèi)區(qū)域跨流域調(diào)水量，均可由地面徑流觀測(cè)或調(diào)水量計(jì)量得到；W耗為計(jì)算時(shí)段內(nèi)區(qū)域內(nèi)消耗的總水量；ΔW為計(jì)算時(shí)段內(nèi)區(qū)域的蓄水變化量。

區(qū)域耗水量是指區(qū)域內(nèi)自然消耗或人類(lèi)在生產(chǎn)和生活過(guò)程中直接或間接消耗的水量，簡(jiǎn)單考慮來(lái)源主要包括太陽(yáng)能、礦物能和生物能驅(qū)動(dòng)的耗水量［12］。

式中：ET可以分為有灌溉農(nóng)田的蒸散發(fā)ET農(nóng)和自然下墊面無(wú)灌溉的蒸散發(fā)ET自；Wm為人類(lèi)工業(yè)活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的耗水；Wh為人類(lèi)生活活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的耗水?？紤]工業(yè)和生活耗水具有較完備的監(jiān)測(cè)計(jì)量體系，其耗水量統(tǒng)計(jì)相對(duì)準(zhǔn)確，直接采用《濟(jì)南市水資源公報(bào)》公布的工業(yè)與生活耗水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

由上述分析可知，ΔW與ET為傳統(tǒng)水量平衡方程構(gòu)建時(shí)的數(shù)據(jù)獲取難點(diǎn)。本文選用重力衛(wèi)星陸水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)表示ΔW、遙感蒸散發(fā)數(shù)據(jù)表示ET，完成區(qū)域水量平衡方程構(gòu)建。由于遙感數(shù)據(jù)存在不同程度的誤差和區(qū)域適用性，選取以遙感為數(shù)據(jù)源的ΔW和ET時(shí)，須以區(qū)域水量平衡為約束，滿足平衡方程的ΔW和ET數(shù)據(jù)組對(duì)，才能用于計(jì)算農(nóng)田區(qū)域的耗水量ET農(nóng)。

（2）農(nóng)田水量平衡。對(duì)于農(nóng)田區(qū)域，可以將耗水分解為來(lái)自降水的蒸散發(fā)和來(lái)自灌溉的蒸散發(fā)，記為有效降水P有效和有效灌溉水量W有效灌：

有效降水是指在旱作條件下消耗于農(nóng)作物蒸散過(guò)程的降水量［13］，美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局所推薦的有效降水量方法是目前比較公認(rèn)和得到推廣的有效降水量計(jì)算方法之一［14-15］，有學(xué)者將此方法用于京津冀地區(qū)取得較好效果［16］，研究區(qū)與京津冀地區(qū)同屬華北平原，氣候條件相似，并且此方法以日為計(jì)算時(shí)段，能較好扣除大降水的產(chǎn)流量，具體公式如下：

田間有效灌溉水量可認(rèn)為是到達(dá)田間的灌溉水量中用于蒸散發(fā)消耗的水量。一般來(lái)說(shuō)，田間灌溉水量略大于田間有效灌溉水量，在高效節(jié)水灌溉的模式下，田間有效灌溉水量接近田間灌溉水量。

有效灌溉水量可認(rèn)為是灌溉水量中用于蒸散發(fā)消耗的水量。一般來(lái)說(shuō)，灌溉水量大于有效灌溉水量，灌溉水利用效率α越高，有效灌溉水量越接近灌溉水量。

3.2 區(qū)域降水量與出入境水量計(jì)算方法反距離權(quán)重法是氣象要素插值最為常用的方法之一，該方法簡(jiǎn)單易行，插值效率高［17-19］。本研究的降水?dāng)?shù)據(jù)共選用常年雨量站60 個(gè)（見(jiàn)圖1），平均站網(wǎng)密度248 km2/站。通過(guò)反距離權(quán)重法將點(diǎn)雨量轉(zhuǎn)變?yōu)槊嬗炅?，?jì)算區(qū)域降水總量。

區(qū)域流入、流出水量通過(guò)18個(gè)出入境控制站的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。出入境控制站位置如圖1所示。區(qū)域調(diào)入水量通過(guò)對(duì)調(diào)水工程調(diào)入水量統(tǒng)計(jì)得到。

3.3 陸地總蓄水變化量計(jì)算及分析水量平衡方程中的區(qū)域蓄水變化量是指區(qū)域地表、地下和土壤中蓄存水量的變化量，單純依靠地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)，難以直接獲得；依靠水文模型連續(xù)模擬計(jì)算分析時(shí)段水蓄變量，一方面計(jì)算量龐大，另一方面又受模型精度影響，尤其是無(wú)資料地區(qū)水文模擬的不確定性干擾，難以實(shí)用。

有大量學(xué)者研究在大空間尺度上直接使用GRACE 衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算陸地總蓄水量，并通過(guò)水量平衡、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和水文模型等方法進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)估算結(jié)果與驗(yàn)證數(shù)據(jù)具有較高的相關(guān)性［20-23］。本研究選用美國(guó)空間研究中心（CSR）提供的2007—2015年的CSR RL05 Mascon陸地水儲(chǔ)量產(chǎn)品（本產(chǎn)品來(lái)自美國(guó)空間研究中心：http：//www.csr.utexas.edu），時(shí)間分辨率為月，空間分辨率為0.5°［24-25］。該數(shù)據(jù)以等效水柱高（地球水相關(guān)質(zhì)量變化與水密度作商）表示陸地水儲(chǔ)量變化，乘以單元格面積可轉(zhuǎn)換為水量，在概念上與水量平衡方程中的區(qū)域水蓄變量一致。

由于目前重力衛(wèi)星陸水儲(chǔ)量產(chǎn)品的空間分辨率還較粗，用于較小空間范圍時(shí)，需要做好數(shù)據(jù)的可用性分析。本文的研究區(qū)濟(jì)南市總體面積不大，為檢驗(yàn)重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可用性，一方面將陸水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)與濟(jì)南市地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示，二者具有較好的一致性，可認(rèn)為重力衛(wèi)星在濟(jì)南市范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)可以反映蓄水量變化趨勢(shì)；另一方面利用水量平衡方程來(lái)判別，如果存在一種蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，二者能使水量平衡方程成立，則認(rèn)為這組重力衛(wèi)星和蒸散發(fā)數(shù)據(jù)在該區(qū)域可用。

圖2 研究區(qū)2007—2015年地下水位及陸地總蓄水量變化

3.4 區(qū)域耗水量分解與灌溉水量估算區(qū)域總耗水量主要包括太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的耗水量、工業(yè)能驅(qū)動(dòng)耗水量和生活耗水量，可以由水量平衡方程推算得到，見(jiàn)式（1）；太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的耗水量可以通過(guò)式（2）計(jì)算得到，同樣能通過(guò)遙感數(shù)據(jù)反演得到，即遙感蒸散發(fā)。水量平衡得到的耗水量更符合實(shí)際情況，但是沒(méi)有空間分布，可以利用遙感數(shù)據(jù)的空間分布，通過(guò)土地利用類(lèi)型將總太陽(yáng)能耗水量分解為農(nóng)田區(qū)域和非農(nóng)田區(qū)域耗水，得到區(qū)域農(nóng)田耗水量。

現(xiàn)有遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品比較多，由于其計(jì)算原理的不同，對(duì)不同區(qū)域和不同水文氣象情況的適用性不一樣［26-27］。本文收集了應(yīng)用較多的MOD16和GLDAS兩種蒸散發(fā)產(chǎn)品，根據(jù)3.1節(jié)所述原理，分析蒸散發(fā)產(chǎn)品與陸地水儲(chǔ)量產(chǎn)品在水量平衡方程中的匹配性，依據(jù)水量平衡選取較為合理的蒸散發(fā)產(chǎn)品，與區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)（圖1）結(jié)合，計(jì)算農(nóng)田蒸散發(fā)量。利用式（5）計(jì)算農(nóng)田區(qū)域的有效降水（或稱(chēng)降水耗水），利用式（4）計(jì)算農(nóng)田區(qū)域的田間有效灌溉水量（或稱(chēng)灌溉耗水），實(shí)際田間灌溉水量會(huì)大于田間有效灌溉水量。

4 結(jié)果分析

4.1 區(qū)域水量平衡分析與蒸散發(fā)產(chǎn)品選擇研究區(qū)水量平衡各分量計(jì)算結(jié)果如表2所示。在研究選取的4年中，2012 與2015年接近多年平均降水條件（648 mm），2013年為豐水年，2014年為干旱年。

表2 研究區(qū)水量平衡計(jì)算結(jié)果表

利用重力衛(wèi)星陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到濟(jì)南市蓄水量變化數(shù)據(jù)表明，2012年基本持平，2013年略減少，2014年明顯減少，2015年明顯增加，如圖2所示。

根據(jù)水量平衡原理，表2中區(qū)域總耗水量（7）=（1）+（3）-（4）+（5）-（6）。采用2012—2015年濟(jì)南市水資源公報(bào)統(tǒng)計(jì)發(fā)布的工業(yè)和生活耗水量作為工業(yè)能和生物能驅(qū)動(dòng)的耗水量，從區(qū)域總耗水量中扣除該量，得到能與遙感蒸散發(fā)概念相對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的蒸散發(fā)量。

表3 研究區(qū)遙感蒸散發(fā)量比選

與兩類(lèi)遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品GLDAS-NOAH、MOD16 進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：2012、2013 和2015年相對(duì)濕潤(rùn)的年份，MOD16 遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品計(jì)算結(jié)果更接近水量平衡方程要求，相對(duì)誤差小于13%；2014年是降水較少的干旱年份，GLDAS-NOAH 遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品計(jì)算結(jié)果更接近水量平衡方程要求，相對(duì)誤差為12%。這個(gè)對(duì)比結(jié)果與多篇文獻(xiàn)對(duì)MOD16、GLDAS-NOAH 遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品在我國(guó)適用性評(píng)價(jià)的結(jié)論基本一致，即正常來(lái)水年份，MOD16精度尚可［28-30］，干旱年份MOD16的蒸散發(fā)量明顯偏?。?6］；而GLDAS-NOAH的蒸散發(fā)產(chǎn)品在干旱年份表現(xiàn)較好［31］，正常年份普遍偏高［27］。本文選取2012、2013和2015年的MOD16產(chǎn)品和2014年的GLDAS-NOAH產(chǎn)品組合參與后續(xù)的灌溉用水量分析。

4.2 計(jì)算灌溉用水量按土地利用類(lèi)型，提取出農(nóng)田區(qū)域的蒸散發(fā)和降水量。利用插值后逐日網(wǎng)格降水量，計(jì)算農(nóng)田區(qū)域的有效降水。從農(nóng)田區(qū)域蒸散發(fā)總量中扣除有效降水量，得到農(nóng)田區(qū)域的灌溉耗水量，參考公報(bào)的用水效率計(jì)算得到農(nóng)田區(qū)域的灌溉水量，見(jiàn)表4。

由表4中的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，2014年農(nóng)田蒸散發(fā)量最大，但降水量和有效降水量均最小，農(nóng)田區(qū)域必然存在大量灌溉水分補(bǔ)充，來(lái)支撐較高的蒸散發(fā)消耗。其余3年的農(nóng)田蒸散發(fā)量較為接近，2015年降水量雖明顯小于2012、2013年，但由于其降水的年內(nèi)分配較為均勻，產(chǎn)生了較多的有效降水，推算2015年灌溉水量仍與2012、2013年相當(dāng)。

表4 研究區(qū)農(nóng)業(yè)用水計(jì)算結(jié)果

4.3 計(jì)算結(jié)果合理性分析將本文計(jì)算得到的灌溉耗水量與濟(jì)南市水資源公報(bào)統(tǒng)計(jì)的灌溉耗水量進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在2012年、2013年和2015年，來(lái)水條件接近多年平均或偏豐，本文計(jì)算的灌溉耗水量與公報(bào)中統(tǒng)計(jì)灌溉耗水量較為接近，本文的結(jié)果總體偏大。在較為干旱的2014年，本文的結(jié)果比公報(bào)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果明顯偏大。為分析2014年灌溉耗水量計(jì)算結(jié)果的合理性，從降水量、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)、區(qū)域水蓄變量幾方面進(jìn)行年際差異的比較。

（1）降水量年際差異分析。通過(guò)站點(diǎn)插值計(jì)算得到研究區(qū)2012—2015年降水量空間分布圖，如圖3所示，區(qū)域降水量年際變異性較大，總體降水量和農(nóng)田區(qū)域的降水量均是2013年>2012年>2015年>2014年，從圖4中可以看出2012年和2013年降水集中于夏季，降水大部分產(chǎn)流消耗，2014和2015年降水較均勻，故2015年的有效降水大于2012年。

圖3 研究區(qū)2012—2015年降水量空間分布

圖4 研究區(qū)2012—2015年降水量時(shí)間過(guò)程分布

（2）作物長(zhǎng)勢(shì)年際差異分析。利用遙感歸一化葉面積指數(shù)（NDVI）產(chǎn)品，分析研究區(qū)農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)的年際差異。圖5為主要作物冬小麥每年第129天NDVI的空間分布，圖6為NDVI與降水時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)對(duì)比。由圖5、圖6 可見(jiàn)，整體上冬小麥的長(zhǎng)勢(shì)在時(shí)間和空間上均未表現(xiàn)出明顯的年際差異，雖然2014年降水較少，但作物保持了正常的長(zhǎng)勢(shì)，這與4.2節(jié)中2014年農(nóng)田區(qū)域出現(xiàn)較高的蒸散發(fā)也保持了一致。從支撐作物生長(zhǎng)和蒸散發(fā)的水源上考慮，在2014年應(yīng)該存在較多的灌溉補(bǔ)水。

圖5 研究區(qū)（第129天）冬小麥NDVI空間分布

圖6 研究區(qū)NDVI與降水時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)結(jié)果

（3）區(qū)域水蓄變量年際差異分析。利用重力衛(wèi)星的陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)輔助分析區(qū)域蓄水量變化。由圖2和表2第6列可見(jiàn)，2014年陸地水儲(chǔ)量存在明顯減少，且劇烈下降發(fā)生在春灌期間。結(jié)合降水量和作物長(zhǎng)勢(shì)的對(duì)比分析，可認(rèn)為2014年消耗了較多的蓄水量為作物生長(zhǎng)提供灌溉。

綜上，干旱的2014年應(yīng)存在較大的灌溉水量，本文分析得到的14.59億m3灌溉耗水量，與降水量、蓄變量、作物長(zhǎng)勢(shì)等指標(biāo)的年際相對(duì)性更為匹配，2014年灌溉水量遠(yuǎn)大于2012、2013、2015年應(yīng)是更接近實(shí)際情況的結(jié)果。

5 結(jié)論與展望

本文以多源遙感、水文水資源地面觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于區(qū)域水量平衡和田間水量平衡聯(lián)合的灌溉水量推算方法，梳理了遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與水量平衡要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建基于區(qū)域水量平衡方程對(duì)多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行比選、組合的方法，獲取滿足區(qū)域水量平衡約束的蒸散發(fā)空間分布，再通過(guò)田間水量平衡方程對(duì)農(nóng)田總蒸散發(fā)進(jìn)行分解，得到灌溉耗水或用水量的合理范圍，使水量平衡方法用于區(qū)域灌溉水量分析的可操作性明顯增強(qiáng)。

通過(guò)收集濟(jì)南市2012—2015年相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用本文方法進(jìn)行了灌溉水量分析。結(jié)果表明，濟(jì)南市在2012—2015年降水有明顯的年際差異，2014年干旱，區(qū)域蓄水量明顯減少。通過(guò)水量平衡分析推算出2012—2015年濟(jì)南市的灌溉水量分別為12.03億、11.20億、17.71億、10.88億m3。這4年濟(jì)南市水資源公報(bào)統(tǒng)計(jì)的灌溉用水量分別為8.73億、8.18億、8.23億、7.26億m3，整體呈下降趨勢(shì)，未體現(xiàn)出2014年干旱對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉的影響?？傮w上，本文推算的結(jié)果在2012、2013、2015年均表現(xiàn)出與公報(bào)數(shù)據(jù)的一致性，2014年二者存在差異，經(jīng)分析認(rèn)為，本文結(jié)果更為合理。

研究發(fā)現(xiàn)：引入多源遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建區(qū)域和田間兩級(jí)水量平衡方程，推算區(qū)域灌溉水量，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）重力衛(wèi)星陸地水儲(chǔ)量變化監(jiān)測(cè)和遙感蒸散發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為區(qū)域水量平衡方程的構(gòu)建提供了新的數(shù)據(jù)源，如果遙感數(shù)據(jù)及反演模型具備足夠的分辨率和精度，有望解決水量平衡方程中蓄變量和農(nóng)業(yè)耗水量獲取的難題，提高定量推算灌溉水量的可操作性；（2）利用區(qū)域水量平衡方程約束遙感數(shù)據(jù)的誤差，在一定程度上保證了利用田間水量平衡推算灌溉水量的合理性；（3）由于遙感數(shù)據(jù)本身具有的空間分布特征，本文方法在推算得灌溉水量總數(shù)的同時(shí)，還可輸出灌溉用水的空間分布。

引入衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)后，基于水量平衡的灌溉用水推算方法雖然得到一些改進(jìn)，但也還存在一些有待完善的問(wèn)題：（1）雖然有了區(qū)域蓄變量和農(nóng)田耗水量的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但灌溉水量的推算還需要以區(qū)域出入境水量、工業(yè)和生活用耗水等數(shù)據(jù)具有較高的統(tǒng)計(jì)精度為假設(shè)前提，依賴于水量平衡方程中其他要素準(zhǔn)確獲取，實(shí)際上某些區(qū)域的出入境水量，尤其是地下水出入境量還難以準(zhǔn)確獲取；（2）無(wú)論是基于重力衛(wèi)星的陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，還是遙感蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，都還存在著空間時(shí)空分辨率不高和精度不穩(wěn)定等問(wèn)題，有待于通過(guò)衛(wèi)星遙感傳感器和反演算法的改進(jìn)來(lái)加以解決；（3）農(nóng)田區(qū)域有效降水的計(jì)算多采用經(jīng)驗(yàn)公式方法，不同區(qū)域的通用性差，也還有待進(jìn)一步研究完善。