基于地表水循環(huán)遙感觀測(cè)的黑河流域水平衡分析

閆柏琨，李文鵬，甘甫平，鄭躍軍，祁曉凡，白 娟，郭 藝，吳艷紅，王龍鳳，馬燕妮

（1.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心,北京 100083；2.自然資源部航空地球物理與遙感地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081；4.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094）

西北干旱內(nèi)流區(qū)甘肅黑河流域南起祁連山脈、北至荒漠戈壁，孕育了上游寒區(qū)高山草甸、中游農(nóng)田綠洲、下游荒漠綠洲的生態(tài)系統(tǒng)格局，是河西走廊主要經(jīng)濟(jì)、文化、生態(tài)走廊，是國(guó)家重點(diǎn)糧油、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)保護(hù)區(qū)。但中下游干旱少雨、中游農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)水資源消耗量較大，水資源矛盾突出。由于中游水土資源開(kāi)發(fā)利用程度提高，造成了下游湖泊萎縮消亡，西居延海1961年干涸，東居延海1992年干涸。為緩解下游水資源緊張狀況，從2000年開(kāi)始通過(guò)水量統(tǒng)一調(diào)度實(shí)施黑河分水方案，規(guī)定了不同保證率條件下進(jìn)入下游的水量，從2003年開(kāi)始東居延海實(shí)現(xiàn)連年不干涸，水域面積常年維持在36 km2以上，下游生態(tài)系統(tǒng)健康狀況明顯好轉(zhuǎn)[1-5]。

2000年以來(lái)，黑河流域自然與社會(huì)水文條件經(jīng)歷了很大變化。由黑河干流上游徑流數(shù)據(jù)（鶯落峽水文站）可知，2000年后，年徑流量總體呈顯著增加趨勢(shì)[6-8]，2006—2018年期間年平均徑流量較往年增加了27.4%[9]。由于上游徑流量顯著增加[10-12]，向下游分水量增加，這是下游缺水得以緩解的重要原因之一。2001年實(shí)施水資源治理工程以來(lái)，流域下游狼心山水文站年徑流量總體呈增加趨勢(shì)，氣候變化是主因，治理工程的實(shí)施也發(fā)揮了重要的積極作用[11]。盡管如此，尚未達(dá)到國(guó)務(wù)院97 分水方案的要求，而且未來(lái)轉(zhuǎn)入枯水年或平水期，上游徑流量可能減少，向下游的下泄水量勢(shì)必下降，下游天然生態(tài)健康存在較大的逆轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)[4]。黑河流域未來(lái)是否仍面臨“中下游用水矛盾凸顯的可能”，需加強(qiáng)流域水循環(huán)研究與水平衡分析，促進(jìn)中下游水資源合理配置與協(xié)調(diào)發(fā)展。

地表水循環(huán)遙感觀測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，正逐步成為流域水平衡分析、水資源合理配置的重要手段。黑河流域具有西北內(nèi)流盆地特有的水文條件，可作為水循環(huán)遙感觀測(cè)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用的重要基地。多手段集成的天—空—地綜合觀測(cè)試驗(yàn)[13]、陸面蒸散發(fā)與水面蒸發(fā)估算方法研究[14-17]、山區(qū)水文模擬[18]、農(nóng)田水文模擬[19-20]等水文生態(tài)過(guò)程監(jiān)測(cè)、模擬、分析方法的研究，促進(jìn)了流域水循環(huán)監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步。目前盡管各種地表水循環(huán)遙感觀測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，但仍以單項(xiàng)要素反演方法研究為主。本次研究以流域水資源問(wèn)題為導(dǎo)向，綜合應(yīng)用多種遙感觀測(cè)技術(shù)，開(kāi)展地表水循環(huán)分析與水平衡分析。

本文以2000—2019年黑河流域水文顯著變化期為研究時(shí)段，綜合應(yīng)用TRMM 與GPM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀測(cè)的降水量、遙感估算的蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象站點(diǎn)、水文站點(diǎn)等觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，以期對(duì)流域地表水資源時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，為地表水資源協(xié)調(diào)利用提供依據(jù)，促進(jìn)地表水循環(huán)遙感觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，明確技術(shù)瓶頸與發(fā)展方向。

1 研究區(qū)概況

黑河流域地處青海、甘肅、內(nèi)蒙古三?。▍^(qū)）交界，是我國(guó)第二大內(nèi)陸河，發(fā)源于南部青海祁連山中段，北至中蒙邊界（圖1）。

圖1 黑河流域范圍及位置Fig.1 Location of the Heihe River Basin

根據(jù)地表水力聯(lián)系可分為東、中、西3 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子水系。東部子水系包括黑河干流、梨園河及20多條支流。中部子水系為酒泉馬營(yíng)河至豐樂(lè)河諸小河流水系，為淺山短流，歸宿于肅南縣明花區(qū)至高臺(tái)鹽池盆地。西部子水系為酒泉洪水壩河至討賴河水系，多為淺山短流，只有洪水壩河與討賴河可貫穿酒泉盆地，討賴河經(jīng)嘉峪關(guān)市后改稱北大河并經(jīng)鴛鴦池水庫(kù)進(jìn)入北部金塔盆地。

黑河干流發(fā)源于青海省祁連縣，從祁連山發(fā)源地到東居延海，全長(zhǎng)約928 km。鶯落峽以上為上游，海拔高，氣候嚴(yán)寒濕潤(rùn)，年降水量為250～500 mm，年蒸發(fā)量為700～800 mm，是全流域的產(chǎn)流區(qū)。鶯落峽—正義峽之間為中游，綠洲、荒漠、戈壁、沙漠?dāng)嗬m(xù)分布，地勢(shì)平坦，年降水量為110～370 mm，年蒸發(fā)量為1 200～2 200 mm，是河西走廊重要的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。正義峽以下為下游，地勢(shì)開(kāi)闊平坦，分布有東居延海等湖盆洼地和廣闊的沙漠戈壁，屬荒漠干旱區(qū)和極端干旱亞區(qū)，年降水量為40～54 mm，年蒸發(fā)量為2 200～2 400 mm[21]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)源主要包括氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)（GPM降水衛(wèi)星、MODIS 陸地觀測(cè)衛(wèi)星）、陸面模式產(chǎn)品、土地覆蓋產(chǎn)品、徑流數(shù)據(jù)（表1）。

表1 主要數(shù)據(jù)源及說(shuō)明Table 1 Descriptions of the main data

2.2 研究方法

以水循環(huán)要素遙感觀測(cè)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了不同分區(qū)水量平衡關(guān)系與地表水循環(huán)分析、黑河干流上游徑流變化原因分析、黑河中游主要土地覆蓋類型蒸散發(fā)水量消耗等水平衡分析。研究方法與流程主要包括：

（1）綜合降水衛(wèi)星數(shù)據(jù)及氣象與遙感數(shù)據(jù)，估算月尺度降水量、陸面蒸散發(fā)量、水面蒸散發(fā)量、潛在蒸散發(fā)量等水循環(huán)觀測(cè)參量；

（2）根據(jù)河流水系、地形高程、地下水分區(qū)及水文站點(diǎn)位置進(jìn)行水循環(huán)分區(qū)的劃分，并明確各分區(qū)的水量平衡關(guān)系；

（3）計(jì)算不同水循環(huán)分區(qū)的多年平均水循環(huán)量（流入量、流出量、降水量、蒸散發(fā)量）；

（4）基于Budyko 水熱模型計(jì)算黑河干流上游降水、潛在蒸散發(fā)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率，并分析原因；

（5）計(jì)算黑河中游主要土地覆蓋類型的蒸散發(fā)耗水量；

（6）針對(duì)黑河流域的現(xiàn)狀，重點(diǎn)探討了黑河干流2000年以來(lái)徑流量增加的原因及可持續(xù)性、中游農(nóng)業(yè)用水與下游湖泊蓄水矛盾、蒸散發(fā)量估算的不確定性及原因。

3 結(jié)果

3.1 水循環(huán)遙感觀測(cè)

3.1.1 降水量

根據(jù)衛(wèi)星降水（TRMM/GPM）與站點(diǎn)降水對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)在月尺度上衛(wèi)星降水與站點(diǎn)降水存在很好的線性關(guān)系，可達(dá)0.96[23]。由于流域內(nèi)國(guó)家基本氣象降水站點(diǎn)稀疏（有4 個(gè)站點(diǎn)），且降水量空間變異大，內(nèi)插誤差大，采用線性校正法以全國(guó)基本氣象站月降水量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)逐月校正生成了2000—2019年全國(guó)衛(wèi)星月降水量數(shù)據(jù)并裁剪得到黑河流域月降水量，發(fā)揮了站點(diǎn)數(shù)據(jù)單點(diǎn)精度高與衛(wèi)星數(shù)據(jù)區(qū)域分布精度高的優(yōu)勢(shì)。對(duì)比同期TRMM、GPM 與站點(diǎn)監(jiān)測(cè)降水量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)GPM 數(shù)據(jù)融合了雷達(dá)降水探測(cè)精度高與紅外高軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)性更高。2000年1-5月由于無(wú)GPM 數(shù)據(jù)，采用TRMM數(shù)據(jù)，2000年6月—2019年12月采用GPM 數(shù)據(jù)。與流域內(nèi)4 個(gè)站點(diǎn)月降水量數(shù)據(jù)對(duì)比，二者一致性高，均方根誤差為8.39 mm（圖2）。全流域2000—2017年衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)（經(jīng)站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)校正后）與0.5°×0.5°網(wǎng)格站點(diǎn)插值降水?dāng)?shù)據(jù)多年平均降水量分別為88.86，89.14 mm，二者各年相對(duì)偏差最小值、最大值、平均值分別為1.00%、20.23%、8.80%。

圖2 衛(wèi)星月降水量與站點(diǎn)實(shí)測(cè)月降水量對(duì)比Fig.2 Comparison between the monthly measured precipitation and monthly satellite precipitation

3.1.2 陸面實(shí)際蒸散發(fā)量

基于互補(bǔ)相關(guān)模型估算了陸面實(shí)際蒸散發(fā)，該方法認(rèn)為在地表水分供應(yīng)不充足時(shí)潛在蒸散發(fā)越大，則實(shí)際蒸散發(fā)越小，當(dāng)?shù)乇硭止?yīng)逐漸充足時(shí)，二者趨于相同?；谛掳l(fā)展的非線性互補(bǔ)相關(guān)法，估算了2000—2019年月陸面蒸散發(fā)，經(jīng)與13 個(gè)渦度相關(guān)站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，全國(guó)范圍內(nèi)均方根誤差為4.9～16.2 mm[24]?？紤]到陸面蒸散發(fā)過(guò)程影響因素多，估算精度低于降水量的估算精度，假設(shè)在全流域尺度上多年平均降水量等于多年平均蒸散發(fā)量，以降水量為基準(zhǔn)對(duì)蒸散發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行核校，系數(shù)為1.22，二者對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 流域年降水量、陸面年蒸散發(fā)量變化Fig.3 Changes of annual precipitation and land surface evapotranspiration in the basin

3.1.3 湖泊水面蒸發(fā)量與流域潛在蒸散發(fā)量

水面蒸發(fā)量估測(cè)方法有實(shí)測(cè)法、模型估算法。如果蒸發(fā)皿直徑較小或架設(shè)于陸面之上，因蒸發(fā)皿與周?chē)h(huán)境的蒸發(fā)氣象條件差異顯著，測(cè)量的蒸發(fā)量與湖泊實(shí)際蒸發(fā)量差別較大，可高達(dá)40%，本文采用架設(shè)于開(kāi)闊水面的大型蒸發(fā)皿（如E601）實(shí)測(cè)的蒸發(fā)數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確測(cè)量湖泊實(shí)際蒸發(fā)量[16]。本文采用FAO 參考作物蒸散發(fā)模型模擬開(kāi)闊湖面蒸發(fā)[25]，經(jīng)與湖面E601蒸發(fā)皿2014年與2015年4—9月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，二者一致性高，均方根誤差為39.33 mm，相對(duì)于湖面1 178.9～1 183.7 mm/a 的蒸發(fā)量，相對(duì)誤差約為3.3%。

根據(jù)每年的湖面面積（基于LandSat、Sentinel-2 中分辨率系列衛(wèi)星提取）與湖面蒸發(fā)量模擬值，計(jì)算了多年湖面蒸發(fā)量，多年年均蒸發(fā)量為0.65×108m3，其中2000—2002年因湖面干涸、2012年因水面分布數(shù)據(jù)缺失，無(wú)水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)（圖4）。

圖4 東居延海年蒸發(fā)量Fig.4 Annual evaporation of the Eastern Juyan Lake

3.2 不同分區(qū)水量平衡關(guān)系

為了分析流域內(nèi)水資源平衡，需對(duì)地表水循環(huán)進(jìn)行分區(qū)，以便于統(tǒng)計(jì)分析各分區(qū)內(nèi)水資源的補(bǔ)給、消耗、排泄量。分區(qū)主要考慮因素為：（1）區(qū)內(nèi)產(chǎn)匯流及水資源消耗條件相對(duì)趨同；（2）現(xiàn)有水文站點(diǎn)分布位置。

產(chǎn)流條件分析的主要依據(jù)是地形、高程，分區(qū)邊界需與自然分水嶺一致。

匯流條件分析的主要依據(jù)是水系、流向、連通關(guān)系，分區(qū)需包含主干河流及其各匯入支流。

水資源消耗條件分析的主要依據(jù)為：（1）蒸發(fā)的地理與氣象條件，避免分區(qū)大面積橫跨山區(qū)與平原區(qū)，因?yàn)樯絽^(qū)與平原區(qū)氣象條件（輻射、氣溫、氣壓、風(fēng)速、濕度）差異較大，潛在蒸散發(fā)量差別明顯，水循環(huán)條件不同；（2）因?yàn)樵摿饔騼?nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水、農(nóng)田蒸發(fā)、作物蒸騰量較大，分區(qū)盡可能涵蓋完整的大型農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)。

此外，水文站點(diǎn)分布是分區(qū)的必要約束因素，分區(qū)邊界盡可能與重要水文站重合。

按照以上分區(qū)原則，黑河流域內(nèi)劃分出15 個(gè)分區(qū)：祁連山區(qū)5 個(gè)，山前平原區(qū)3 個(gè)，下游荒漠戈壁區(qū)7 個(gè)（圖5）。各分區(qū)水資源補(bǔ)給、產(chǎn)流、排泄、消耗、水儲(chǔ)量及變化等，各分區(qū)水資源流向關(guān)系，水平衡公式詳見(jiàn)表2。

圖5 黑河流域地表水循環(huán)分區(qū)方案Fig.5 Scheme of surface water cycle zoning in the Heihe River basin

流域水資源平衡分析中，水儲(chǔ)量變化是需要考慮的變量。對(duì)于山區(qū)，無(wú)大型的儲(chǔ)水盆地，地下水主要通過(guò)河川基流的方式排泄，且黑河上游祁連山區(qū)無(wú)大型農(nóng)灌區(qū)抽取山間盆地地下水，可認(rèn)為水儲(chǔ)量在多年尺度上不變。流域中下游盆地地下水儲(chǔ)變量是根據(jù)2000—2019年地下水水位測(cè)量數(shù)據(jù)求算的平均年度變化量。土壤中含水量多年尺度也可以認(rèn)為保持不變[26]。

3.3 不同分區(qū)水循環(huán)分析

因不同分區(qū)水文地理?xiàng)l件不同，遙感反演的蒸散發(fā)量偏差不同，需基于各分區(qū)水平衡公式（表2）對(duì)各分區(qū)蒸散發(fā)量進(jìn)行校準(zhǔn)。

表2 黑河流域地表水循環(huán)分區(qū)說(shuō)明Table 2 Descriptions of the zones of surface water cycle

（1）將分區(qū)1 水平衡計(jì)算的蒸散發(fā)與遙感蒸散發(fā)量之比作為所有山區(qū)（分區(qū)1～4、13）遙感蒸散發(fā)校正系數(shù)，將山區(qū)校正前后差值部分計(jì)入所有平原區(qū)（分區(qū)5～12、14～15）蒸散發(fā)量，得到校正后的平原區(qū)蒸散發(fā)量。

（2）將分區(qū)12 水平衡計(jì)算的蒸散發(fā)（假設(shè)分區(qū)12 的多年平均降水量與蒸散發(fā)量相同）與遙感蒸散發(fā)量之比作為分區(qū)11、12 遙感蒸散發(fā)校正系數(shù)，將分區(qū)5 水平衡計(jì)算的蒸散發(fā)與遙感蒸散發(fā)量之比作為分區(qū)5、6、14 遙感蒸散發(fā)校正系數(shù)（依據(jù)是分區(qū)11 與12，分區(qū)5、6 與14 的地形高程相似，蒸散發(fā)估算的偏差量及偏差趨勢(shì)相似），根據(jù)校正系數(shù)對(duì)各區(qū)蒸散發(fā)量進(jìn)行校正。

（3）將上一步校正前后差值部分按照剩余分區(qū)面積比，計(jì)入其余各分區(qū)。最終各分區(qū)的多年平均水循環(huán)量見(jiàn)表3。

由于黑河干流上游永久冰川分布面積較小、冰川消融在徑流中的占比較小[27]，且缺乏冰川消融量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，所以分析中忽略該量。流域7 號(hào)水循環(huán)區(qū)向額濟(jì)納盆地（8 號(hào)分區(qū)）供給水資源約14.25×108m3（7 號(hào)分區(qū)的流出量），與2015—2019年哨馬營(yíng)水文斷面實(shí)測(cè)年均下泄水量（據(jù)黑河流域管理局網(wǎng)站公開(kāi)數(shù)據(jù)計(jì)算，為10.6×108m3）相近，說(shuō)明了各區(qū)循環(huán)量的合理性。

根據(jù)各分區(qū)多年平均地表水循環(huán)量可知（表3），祁連山區(qū)是徑流主要產(chǎn)流區(qū)，向中游下泄約45.11×108m3/a（1～4、13 號(hào)分區(qū)流出量之和），其中黑河干流為19.00×108m3/a（約占43%），中游是上游來(lái)水的主要消耗區(qū)，上游來(lái)水中約66%（29.92×108m3/a，上游來(lái)水減去5 號(hào)分區(qū)與14 號(hào)分區(qū)的流出量）用于中游消耗，約34%（15.19×108m3/a，5 號(hào)分區(qū)與14 號(hào)分區(qū)流出量）用于補(bǔ)充下游；中游（5～6、14 號(hào)分區(qū)）消耗水資源約58.68×108m3/a，其中臨澤、張掖、民樂(lè)一帶是中游水資源主要消耗區(qū)，年均消耗的上游來(lái)水和當(dāng)?shù)亟邓考s為43.97×108m3/a（5 號(hào)分區(qū)蒸散發(fā)量，約占中游消耗量的75%），高臺(tái)、酒泉、嘉峪關(guān)一帶次之，消耗量約為14.71×108m3/a（6 號(hào)與14 號(hào)分區(qū)蒸散發(fā)量之和，約占中游消耗量的25%）。

表3 各地表水循環(huán)分區(qū)多年平均水循環(huán)量（2000—2019年）Table 3 Average surface water cycle pattern in each water division from 2000 to 2019

3.4 黑河干流上游徑流變化原因

應(yīng)用Budyko 水熱（降水與蒸發(fā)）平衡模型[11，28]對(duì)黑河干流上游降水、蒸發(fā)、徑流關(guān)系進(jìn)行建模，并對(duì)徑流變化進(jìn)行歸因分析。

式中：Q——流域年徑流深/mm；

P——年降水量/mm；

ET0——潛在年蒸散發(fā)量/mm；

n——流域下墊面特征的概化參數(shù)。

經(jīng)對(duì)比，相對(duì)于GPM 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)，0.5°×0.5° 網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)輸入Budyko 模型模擬的年徑流量與實(shí)測(cè)徑流量更接近，因此選用0.5°×0.5° 網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行黑河干流上游徑流變化的原因分析。黑河流域上游人類活動(dòng)干擾少，可認(rèn)為下墊面特征概化參數(shù)n保持不變。經(jīng)計(jì)算，n取值0.7 時(shí)，2000—2019年實(shí)測(cè)與模擬徑流最為接近，均方根誤差為1.96×108m3，相對(duì)于2000—2019年年均徑流量，相對(duì)誤差為10.3%（圖6），表明Budyko 模型可以很好地解釋黑河干流上游徑流量的變化。

圖6 黑河干流上游年實(shí)測(cè)與Budyko 模擬徑流量Fig.6 Annual measured and Budyko simulated runoff in the upper reaches of the main stream of the Heihe River

對(duì)式（1）進(jìn)行求導(dǎo)，得出年降水、年潛在蒸散發(fā)對(duì)年徑流變化的貢獻(xiàn)分別為[11]：

式中：dQP——降水導(dǎo)致的年徑流變化/mm；

dQET0——潛在蒸散發(fā)導(dǎo)致的年徑流變化/mm；

P——年降水量/mm；

B——模擬的實(shí)際年蒸散發(fā)/mm；

QB——徑流深/mm；

ET0——年潛在蒸散發(fā)量/mm。

除降水與潛在蒸發(fā)外，下墊面、降水強(qiáng)度變化等其它因素均會(huì)導(dǎo)致徑流量改變。實(shí)際徑流變化量減去式（2）（3）中dQP、dQET0之和，即為其它因素導(dǎo)致的徑流變化量。2000—2019年黑河干流上游，降水量增加是徑流量增加的主因，導(dǎo)致年均徑流量增加0.35×108m3，約占96%；其它因素是次因，導(dǎo)致年均徑流量增加0.014 7×108m3，約占4%，潛在蒸散發(fā)對(duì)徑流量的影響更小，導(dǎo)致年均徑流量減少僅為0.001 2×108m3（圖7）。

圖7 黑河干流上游徑流變化原因分析圖Fig.7 Attribution of runoff variation in the upper reaches of the main stream of the Heihe River

3.5 黑河中游主要土地覆蓋類型蒸散發(fā)水量消耗

統(tǒng)計(jì)流域中游主要土地覆蓋類型區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)量，見(jiàn)表4。干流中游的民樂(lè)—張掖盆地（5 號(hào)分區(qū)）農(nóng)田蒸散發(fā)量最大，達(dá)372～442 mm；鹽池與酒泉盆地次之，為236～330 mm。張掖、鹽池、酒泉盆地（分別為5、6、14 號(hào)分區(qū)）種植結(jié)構(gòu)相似，均以夏玉米為主[29-30]；民樂(lè)縣以小麥/燕麥為主。民樂(lè)—張掖盆地單位面積農(nóng)田、草地、裸地實(shí)際蒸散發(fā)比例約為3.2∶2.6∶1，鹽池盆地單位面積農(nóng)田、裸地實(shí)際蒸散發(fā)比例約為1.9∶1.2∶1，酒泉盆地單位面積農(nóng)田、裸地實(shí)際蒸散發(fā)比例約為1.5∶1.2∶1。綜合表3、表4 可知，流域中游（張掖、鹽池、酒泉盆地）水資源蒸散發(fā)消耗中，農(nóng)田、草地、裸地年均水資源消耗量分別約20.3×108，21.5×108，16.4×108m3，各占消耗總量的35%、37%、28%。

表4 黑河流域中游主要土地覆蓋類型蒸散發(fā)量Table 4 Evapotranspiration of main land covers in the middle reaches of the Heihe River basin

4 討論

4.1 黑河干流上游徑流量增加的可持續(xù)性

前人[6，9]對(duì)黑河干流上游徑流變化特征與原因已有一定研究，盡管研究時(shí)段不完全相同，認(rèn)識(shí)基本一致：（1）2000年以來(lái)，徑流顯著增加，增加幅度達(dá)27.4%[9]；（2）徑流增加與降水增加、冰川積雪融化、潛在蒸散發(fā)減小等自然因素有關(guān)，與人類活動(dòng)及下墊面變化無(wú)關(guān)。

本文研究進(jìn)一步表明，降水是徑流增加主因，降水對(duì)徑流增加的貢獻(xiàn)率為96%，其它因素只占4%。其它因素包括下墊面變化、人類取水、凍土消融、降水強(qiáng)度等。根據(jù)Budyko 模型，黑河干流上游降水量每減少10%，將引起徑流量減少14%。如未來(lái)年降水量回落至292 mm（2000—2005年平均），鶯落峽年徑流量將減少至15.8×108m3，相比2015—2019年年均徑流量減少5.73×108m3?？紤]到降水量的波動(dòng)變化，黑河干流上游徑流量難以維持在較高水平，中下游水資源利用規(guī)劃應(yīng)以枯水年為基準(zhǔn)。

4.2 黑河中游農(nóng)業(yè)用水與下游湖泊蓄水矛盾分析

根據(jù)表3、4，民樂(lè)—張掖盆地是黑河中游水資源消耗的主要區(qū)域，約占中游75%，其中農(nóng)田消耗占全盆地的39%，農(nóng)田水資源消耗以引自黑河干流的灌溉用水為主。因此該盆地農(nóng)田蒸散發(fā)耗水量是分析中游農(nóng)業(yè)用水與下游湖泊蓄水矛盾的關(guān)鍵。根據(jù)張掖甘州區(qū)農(nóng)灌區(qū)渦度相關(guān)儀觀測(cè)與遙感蒸散發(fā)估算結(jié)果[31]，農(nóng)灌區(qū)年蒸散發(fā)量約為600 mm，除本地年均降水量135 mm 外，另需約465 mm 的年均灌溉用水量。如因黑河干流上游徑流量減少至2000—2005年平均水平，且不減少向下游的下泄水量，中游農(nóng)業(yè)灌溉年均虧缺量約為5.73×108m3，每年約1 232 km2的農(nóng)田灌溉水源無(wú)法得到保證。

黑河流域中游農(nóng)業(yè)用水與下游生態(tài)保護(hù)用水矛盾仍存在較大的顯現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)水資源利用多目標(biāo)規(guī)劃模型模擬結(jié)果[32]可知，只有通過(guò)灌區(qū)節(jié)水措施降低灌溉定額才能有效解決黑河干流中游與下游的用水矛盾。

4.3 蒸散發(fā)估算的不確定性與原因探討

實(shí)際蒸散發(fā)既是水平衡計(jì)算、又是不同類型下墊面耗水量統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。黑河流域中游農(nóng)田蒸散發(fā)是流域耗水量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)。實(shí)際蒸散發(fā)量時(shí)空分布合理、不同類型下墊面蒸散發(fā)數(shù)值比例準(zhǔn)確，且與多年降水量相平衡。張掖盆地實(shí)際蒸散發(fā)量分布（圖8）顯示，蒸散發(fā)空間分布總體合理，裸地、草地、農(nóng)田蒸散發(fā)量由小變大，裸地位于該區(qū)北部，緊鄰荒漠區(qū)，蒸散發(fā)量與降水量基本相當(dāng)，草地分布于農(nóng)田外圍與祁連山北麓之間，水資源供應(yīng)除降水外，還有山區(qū)來(lái)水補(bǔ)給，水分供應(yīng)相對(duì)充足，蒸散發(fā)量明顯增加，人工灌溉農(nóng)田蒸散發(fā)量最大，其中張掖甘州區(qū)尤甚。

圖8 民樂(lè)—張掖盆地2019年實(shí)際蒸散發(fā)量Fig.8 Actual evapotranspiration of the Minle—Zhangye basin(water resources division 8) in 2019

實(shí)際蒸散發(fā)受氣象、土地覆蓋類型、植被長(zhǎng)勢(shì)、土壤水分供應(yīng)能力等多方面因素的影響，且植被蒸騰、土壤蒸發(fā)物理過(guò)程復(fù)雜。蒸散發(fā)量在時(shí)間、空間進(jìn)行全面精確評(píng)價(jià)超過(guò)本文范圍。盡管據(jù)此得出了相對(duì)合理的不同類型下墊面蒸散發(fā)耗水的比例數(shù)據(jù)，但以降水、徑流作為約束對(duì)蒸散發(fā)量進(jìn)行核校方可完成水平衡分析。這表明實(shí)際蒸散發(fā)的估算仍是水循環(huán)觀測(cè)中的主要難點(diǎn)。

張掖盆地2019年實(shí)際蒸散發(fā)量分布（圖8）存在2 處估算偏高區(qū)，偏高區(qū)下墊面類型為分布于孤立山丘之上的非人工林地與草地。全年蒸散發(fā)量高于甘州玉米育種灌溉區(qū)，原因有待研究。根據(jù)互補(bǔ)相關(guān)法的基本原理，基于Priestley-Taylor 計(jì)算的濕環(huán)境（近地表空氣濕度飽和）蒸散發(fā)量（ETwes）對(duì)估算結(jié)果影響較大，該數(shù)值越大計(jì)算的實(shí)際蒸散發(fā)越大。對(duì)照ETwes分布圖可以發(fā)現(xiàn)在上述孤立山丘處ETwes偏高。由此可見(jiàn)該系數(shù)空間變異很大，易受地形影響。因此，Priestley-Taylor 濕環(huán)境蒸散發(fā)量計(jì)算公式中，乘性經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在全流域采用統(tǒng)一數(shù)值會(huì)引入較大誤差。

通過(guò)對(duì)比研究區(qū)已公開(kāi)的代表性的蒸散發(fā)方法反演的蒸散發(fā)量（表5），有助于進(jìn)一步理解蒸散發(fā)估算的不確定性與原因。區(qū)域蒸散發(fā)反演方法可分為基于物理模型與基于統(tǒng)計(jì)模型2 種?；谖锢砟Ｐ偷姆椒ㄊ菍?duì)蒸散發(fā)物理過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化并估算蒸散發(fā)量?；诮y(tǒng)計(jì)模型的方法需要基于一定數(shù)量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立蒸散發(fā)與諸多影響參量間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系?？紤]到基于統(tǒng)計(jì)模型的方法機(jī)理難辨析，結(jié)果難推廣，本次僅對(duì)基于物理模型的方法與結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表5 收集的用于對(duì)比分析的流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量Table 5 Evapotranspiration data collected for comparisons

基于物理模型的方法可分為Penman-Menteith、互補(bǔ)相關(guān)、能量平衡3 類。Penman-Menteith（P-M）是一種直接計(jì)算蒸散發(fā)量的方法，Shuttleworth-Wallace 雙源模型是基于P-M 模型估算植被冠層蒸散與冠層下/間土壤蒸發(fā)的方法[31,33-34]，PML（Penman-Monteith-Leuning）是以P-M 為基礎(chǔ)融合了植被GPP（總初級(jí)生產(chǎn)力）的模型[35-36]?；パa(bǔ)相關(guān)通過(guò)“實(shí)際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)間存在近似對(duì)稱/互補(bǔ)關(guān)系”現(xiàn)象，根據(jù)潛在蒸散發(fā)量推算實(shí)際蒸散發(fā)量[24]。能量平衡法基于“地表感/顯熱通量、潛熱通量、熱通量三者之和等于地表凈輻射通量”這一能量平衡原理，通過(guò)估算地表感/顯熱通量、熱通量間接推算潛熱通量與實(shí)際蒸散發(fā)量[26,37-38]。

多種蒸散發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)2 個(gè)基本特點(diǎn)（圖9）：（1）在全流域、張掖農(nóng)田灌區(qū)（5 號(hào)分區(qū)）各數(shù)據(jù)間以及與水平衡估算的蒸散發(fā)均存在不可忽略的差異；（2）均存在山區(qū)高估，平原區(qū)低估的現(xiàn)象，其表現(xiàn)是全流域高于或略低于水平衡估算量，而平原農(nóng)灌區(qū)遠(yuǎn)小于水平衡估算量。

圖9 不同方法估算蒸散發(fā)量對(duì)比Fig.9 Comparisons of annual evapotranspiration data

由各模型計(jì)算結(jié)果可知，以P-M 模型為基礎(chǔ)的Shuttleworth-Wallace 雙源模型反演數(shù)據(jù)與水平衡估算量接近。

5 結(jié)論

（1）祁連山區(qū)是徑流主要產(chǎn)流區(qū)，向中游下泄量約為45.11×108m3/a，其中消耗于中游的水量約為29.92×108m3/a，占66%；補(bǔ)充下游的水量約為15.19×108m3/a，占34%。張掖盆地是黑河中游水資源消耗的主要區(qū)域，消耗的上游來(lái)水和當(dāng)?shù)亟邓窟_(dá)43.97×108m3/a，約占中游消耗量的75%。中游農(nóng)田蒸散發(fā)量約20.3×108m3/a，占上游來(lái)水的45%。降水量增加是黑河干流上游徑流增加的主因，對(duì)徑流量增加的貢獻(xiàn)率為96%，導(dǎo)致徑流增加0.35×108m3/a。潛在蒸散發(fā)對(duì)徑流增加幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。根據(jù)目前黑河干流上游徑流量變化與中游水資源消耗現(xiàn)狀，如果未來(lái)由于水文周期變化導(dǎo)致上游徑流減少，中下游用水矛盾凸顯的風(fēng)險(xiǎn)較大。

（2）地表水循環(huán)遙感觀測(cè)可作為流域水平衡分析的技術(shù)之一，分析流域地表水資源的空間分布狀況、揭示水資源變化趨勢(shì)與原因，支撐水資源合理配置。陸面實(shí)際蒸散發(fā)量是水平衡分析中主要的不確定性因素，準(zhǔn)確估測(cè)不同類型下墊面實(shí)際蒸散發(fā)量是提升分析可靠性的關(guān)鍵。

（3）基于互補(bǔ)相關(guān)法估算地表實(shí)際蒸散發(fā)時(shí)，發(fā)現(xiàn)用于計(jì)算濕環(huán)境蒸散發(fā)量的Priestley-Taylor 公式中乘性經(jīng)驗(yàn)系數(shù)受地形影響空間變異很大，區(qū)域上采用統(tǒng)一數(shù)值會(huì)對(duì)結(jié)果造成不可忽視的影響。這是互補(bǔ)相關(guān)法在流域水平衡分析應(yīng)用中需解決的首要問(wèn)題。