遙感技術(shù)應(yīng)用于都江堰灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算的方法探究

康小平,廖晉一,周韓路,王君勤,李鵬中

(1.四川省水利科學(xué)研究院,成都 610072;2.四川省都江堰水利發(fā)展中心,四川 都江堰 611830)

0 引言

都江堰是我國(guó)古老的大型水利工程之一,它以歷史悠久、布局合理、效益顯著、經(jīng)久不衰而聞名于世。灌區(qū)從成都平原擴(kuò)大到川中丘陵區(qū),灌溉面積由1949年的18.8萬(wàn)hm2,發(fā)展到2022年的101.27萬(wàn)hm2。但由于都江堰擴(kuò)灌工程主要集中在20世紀(jì)50至70年代,在當(dāng)時(shí)條件下,工程建設(shè)無(wú)總體規(guī)劃,靠大兵團(tuán)作戰(zhàn),土法施工,“二邊”工程較多,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低,配套差,老化嚴(yán)重。輸水損失大,田間灌水方式落后,水資源利用率低,灌區(qū)處于“低效高耗”狀態(tài)。

灌溉水有效利用系數(shù)是反映灌區(qū)水資源利用效率的重要指標(biāo),也是最嚴(yán)格水資源管理的指標(biāo)之一[1],因此開展都江堰灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算方法的探究是十分必要的。

我國(guó)對(duì)灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)算研究較早,早在20世紀(jì)50、60年代就開始借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)形成了相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系[2]。傳統(tǒng)的測(cè)算方法分渠系水利用系數(shù)測(cè)算和田間水利用系數(shù)測(cè)算,渠系水利用系數(shù)通過(guò)“動(dòng)水法”或“靜水法”測(cè)量各級(jí)渠道的輸水效率,田間水利用系數(shù)通過(guò)測(cè)量灌溉前后土壤含水量的變化來(lái)計(jì)算[3]。目前,國(guó)內(nèi)外廣泛采用的是首尾測(cè)算法,該方法通過(guò)宏觀分析,將進(jìn)入田間的凈灌溉用水量與渠首的總引水量的比值作為區(qū)域的灌溉水有效利用系數(shù)[4]。但由于各地自然地理?xiàng)l件和相關(guān)管理配套設(shè)施具有很大差異性,傳統(tǒng)的測(cè)算方法不能廣泛適用于全國(guó)各類灌區(qū)。

近年來(lái),越來(lái)越多學(xué)者將遙感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)用水效率的評(píng)價(jià),通過(guò)遙感反演作物蒸散發(fā)量推算灌溉水有效利用系數(shù)的新方法逐漸在國(guó)內(nèi)外得到應(yīng)用。蔣磊等[5]利用SEBAL模型計(jì)算了河套灌區(qū)2000-2010年的蒸散發(fā)量,通過(guò)蒸散發(fā)數(shù)據(jù)計(jì)算灌溉水有效利用系數(shù),并對(duì)干旱區(qū)灌溉效率進(jìn)行了評(píng)價(jià);吳雪嬌等[6]利用SEBS模型計(jì)算了黑河中游地區(qū)的蒸散量,驗(yàn)證了該模型在半干旱地區(qū)灌溉用水評(píng)價(jià)的適用性;李杰等[7]基于遙感蒸散發(fā)模型提出了“遙感反演-實(shí)地監(jiān)測(cè)-計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型監(jiān)測(cè)-數(shù)據(jù)綜合分析”四位一體的區(qū)域灌溉水有效利用系數(shù)的技術(shù)框架。遙感反演作物蒸散發(fā)量具有數(shù)據(jù)獲取便捷、覆蓋范圍廣泛等特點(diǎn),將該技術(shù)應(yīng)用于灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)算能夠有效提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性,為農(nóng)業(yè)水資源高效管理提供支撐[8-9]。

1 遙感蒸散發(fā)量估算模型

1.1 SEBAL遙感蒸散發(fā)模型

Bastiaanssen et al.[10]在1998年提出了SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)模型,該模型基于地表能量平衡方程,通過(guò)遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行估算,適用于晴朗天氣條件下具有“極干”和“極濕”表面的研究區(qū)[11]。地表能量平衡方程為:

λE=Rn-G-H

(1)

式中,λE為潛熱通量,W/m2;Rn為凈輻射通量,W/m2;G為土壤熱通量,W/m2;H為感熱通量,W/m2。

(1)地表凈輻射通量Rn

Rn=(1-α)Rs+Rl-Rg-(1-ε)Rl

(2)

式中,α為地表反照率;Rs為太陽(yáng)短波輻射;Rl為大氣長(zhǎng)波輻射;ε為地表比輻射率;Rg為地表長(zhǎng)波輻射。

(2)土壤熱通量G

G=Rn×(LST-273.16)×(0.0038+0.0074α)(1-0.98NDVI4)

(3)

式中,LST為衛(wèi)星遙感觀測(cè)的地表溫度;NDVI為歸一化植被指數(shù)。

(3)感熱通量H

(4)

式中,ρa(bǔ)ir為空氣密度,kg·m-3;Cp為空氣定壓比熱容,J/(kg·K);dT為地表溫度與空氣溫度的差值,K;rah為熱量傳輸?shù)目諝鈩?dòng)力學(xué)阻力。

1.2 SEBS遙感蒸散發(fā)模型

SEBS(Surface Energy Balance System)模型與SEBAL模型同樣也是基于地表能量平衡方程而來(lái)的單源模型,由荷籍華人Su[12]在2002年提出。該模型通過(guò)遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)估算非均勻下墊面下的地表湍流熱通量和蒸發(fā)比,其與一般單源模型的區(qū)別在于減小了熱量傳輸粗糙長(zhǎng)度的不確定性帶來(lái)的誤差[11]。

(1)地表凈輻射通量Rn

(5)

式中,Rnl為地表長(zhǎng)波凈輻射;Rns為地表短波凈輻射;α為地表反照率;Rswd為下行的太陽(yáng)短波輻射;εa為大氣比輻射率;Rlwd為下行的大氣長(zhǎng)波輻射;ε為地表比輻射率;σ為玻爾茲曼常數(shù)(取值2.68×10-8W·m-2·k-4);T0為地表溫度。

(2)土壤熱通量G

G=Rn×[Гc+(1-fc)(Гs-Гc)]

(6)

式中,Гc為植被覆蓋區(qū)參數(shù);fc為植被覆蓋率;Гs為裸土區(qū)參數(shù)。

(3)感熱通量H

采用莫寧-奧布霍夫相似理論和總體大氣邊界層相似理論對(duì)大氣表層和行星邊界層進(jìn)行穩(wěn)定度修正,建立平均風(fēng)速、溫度等參數(shù)之間的非線性方程組,進(jìn)而求解得到感熱通量H[13]。

(7)

(8)

(9)

式中,u為地表風(fēng)速,m/s;u*為摩擦速度,m/s;k為卡曼常數(shù)(取值0.4);z為參考高度,m;zom為地表動(dòng)量傳輸粗糙長(zhǎng)度,m;d0為零平面位移高度,m;ψm和ψh分別為含義動(dòng)力學(xué)傳輸和熱力學(xué)傳輸?shù)膴W布霍夫穩(wěn)定度修正函數(shù);L為奧布霍夫穩(wěn)定度長(zhǎng)度,m;θ0和θa分別為下墊面和參考面的位溫,K;zoh為地表熱傳輸粗糙長(zhǎng)度,m;ρ為空氣密度,g/m3;Cp為空氣比熱容,J/(kg·K);θv為近地表處的虛溫,K;g為重力加速度,m/s2。

1.3 TSEB遙感蒸散發(fā)模型

TSEB(Two Source Energy Balance)模型考慮了土壤和植被的雙源模型,通過(guò)將土壤和植被的潛熱、顯熱量分開計(jì)算,更真實(shí)地反映了地表能量平衡。Shuttleworth et al.[14]在1985年提出的串聯(lián)模型和Norman et al.[15]在1995年提出的平行模型都屬于典型的雙源模型。雙源模型采用比爾定律分解凈輻射通量。

Rn=Rns+Rnc=(1-fc)Rn+fcRn

(10)

Rns=Hs+λEs+G

(11)

Rnc=Hc+λEc

(12)

式中,Rns和Rnc分別為土壤表層和植被冠層的凈輻射;fc為植被覆蓋度;Hs和Hc分別為土壤表層和植被冠層的感熱通量;λEs和λEc分別為土壤表層和植被冠層的潛熱通量。

(1)平行雙層模型

平行雙層模型認(rèn)為土壤表層和植被冠層是各自獨(dú)立的通量源,分別與大氣進(jìn)行湍流交換[11]。

Hc=ρCp(Tc-Ta)/ra

(13)

Hs=ρCp(Ts-Ta)/(ra+rs)

(14)

(15)

式中,ρ為空氣密度;Cp為空氣比熱容;Ts、Tc和Ta分別為土壤表層、植被冠層和空氣的溫度;rs和ra分別為土壤表層和空氣的阻抗。

(2)串聯(lián)雙層模型

串聯(lián)雙層模型認(rèn)為土壤表層和植被冠層相互聯(lián)系,土壤層的水汽與熱量上升到植被層的假想高度并從植被層散發(fā)[11]。

H=Hc+Hs

(16)

ρCp(Th-Ta)/ra=ρCp(Tc-Ta)/ra+ρCp(Ts-Ta)/(ra+rs)

(17)

λE=λEc+λEs

(18)

ρCp(eh-ea)/γraa=ρCp(e*(Tc)-eh)/γ(rsc+rac+ρCp(e*(Ts)-eh)/γ(ras+rss)

(19)

式中,ea和eh分別為參考高度和假想高度的水氣壓;ras和rac分別為土壤表層和植被冠層與大氣之間的水熱交換阻抗。

2 灌溉水有效利用系數(shù)計(jì)算

首尾分析法是將灌入田間被作物實(shí)際利用的水量與渠首總的灌溉引水量之間的比值作為灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)[16],其計(jì)算公式為:

(20)

Wj=(ETi-Pi-Ki)·A

(21)

式中,Wj為灌入田間被作物實(shí)際利用的水量;W0為渠首總的灌溉引水量;ETi為作物生育期的蒸散發(fā)量;Pi為作物生育期的有效降雨量;Ki為作物生育期的地下水補(bǔ)給量;A為作物實(shí)灌面積。

2.1 作物生育期蒸散發(fā)量

(22)

蒸發(fā)比法假設(shè)一天內(nèi)的蒸發(fā)比是不變的,根據(jù)蒸發(fā)比公式通過(guò)日凈輻射量Rn24和水的汽化潛熱λ推算日蒸散發(fā)量ET24,其計(jì)算公式為:

(23)

由于生育期內(nèi)遙感影像不能每天覆蓋,需要將日蒸散發(fā)量進(jìn)行擴(kuò)展。楊雨亭等[17]通過(guò)計(jì)算日參考蒸散發(fā)的比值將遙感反演的日蒸散發(fā)量拓展到了生育期,該方法適用于拓展期沒(méi)有大量降雨,且前后兩景遙感影像中間間隔日期不能過(guò)長(zhǎng)。

2.2 作物生育期有效降雨量

對(duì)于單次降雨量較小的情況,雨水基本都儲(chǔ)存在作物計(jì)劃濕潤(rùn)層,不產(chǎn)生深層滲漏和地表徑流,有效降雨量為單次全部降雨量[9];對(duì)于單次降雨量較大的情況,需要綜合考慮降雨強(qiáng)度、土壤類型、作物類型等因素的影響[3],其計(jì)算公式為:

(24)

式中,Pi為有效降雨量;P為降雨量;Y為冠層截留量;S為土壤最大可容水量;I為降雨強(qiáng)度,mm/min;k為作物的有效降雨入滲系數(shù),通常取0.63～0.8。

2.3 作物生育期地下水補(bǔ)給量

對(duì)于地下水缺乏的區(qū)域,通常不用考慮地下水對(duì)作物的補(bǔ)給;對(duì)于地下水較豐富的區(qū)域,需要將地下水補(bǔ)給量視為作物生育期利用的水量。通過(guò)潛水蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的關(guān)系計(jì)算地下水補(bǔ)給量,其計(jì)算公式為:

K=f(H)·E

(25)

式中,K為地下水補(bǔ)給量;f(H)為地下水補(bǔ)給量與地下水埋深的關(guān)系系數(shù);H為地下水埋深;E為水面蒸發(fā)量。

3 技術(shù)方案探析

在總結(jié)分析上述方法及其他灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算成果的基礎(chǔ)上,探析適用于都江堰灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算技術(shù)方案。技術(shù)方案包括應(yīng)用階段的研究方法、關(guān)鍵技術(shù)及當(dāng)前存在的問(wèn)題,為進(jìn)一步將理論應(yīng)用于實(shí)際探尋切實(shí)可行的方案。

3.1 研究方法

基于SEBAL模型,采用Landsat-8影像和地面氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù),反演都江堰灌區(qū)瞬時(shí)蒸散發(fā)和日蒸散發(fā);結(jié)合氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到的參照作物蒸散發(fā),根據(jù)比值法插值出遙感數(shù)據(jù)缺失時(shí)期的日蒸散發(fā),估算作物生育期ET;再通過(guò)首尾分析法將求得的作物實(shí)際利用水量與渠首總灌溉引水量作比,得到整個(gè)灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 溢洪道設(shè)計(jì)方案

圖1 技術(shù)路線

圖2 原設(shè)計(jì)方案下水舌形態(tài)

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)建立遙感蒸散發(fā)模型

對(duì)3種主要遙感蒸散發(fā)量估算模型進(jìn)行比較,SEBAL模型因其適應(yīng)性強(qiáng)、公式簡(jiǎn)潔的特點(diǎn),認(rèn)為是本次研究最適合的模型。該模型構(gòu)建關(guān)鍵在于下墊面參數(shù)的準(zhǔn)確性,如地表溫度參數(shù)需要通過(guò)遙感反演LST獲取,空氣密度、空氣定壓比熱容等參數(shù)需要依靠氣象站提供數(shù)據(jù)支撐。

(2)都江堰灌區(qū)模型的應(yīng)用

模型的應(yīng)用還需根據(jù)研究區(qū)的具體情況進(jìn)行改進(jìn)完善。都江堰灌區(qū)涉及范圍較大,其中既有平原區(qū)也有丘陵區(qū),數(shù)據(jù)處理及成果檢驗(yàn)需分區(qū)分塊進(jìn)行。如東風(fēng)渠管理處灌區(qū)主要位于成都平原,下墊面平整、能量交換單一,采用SEBAL模型能達(dá)到較好的效果;而人民渠第二管理處灌區(qū)主要位于丘陵山區(qū),下墊面較復(fù)雜,根據(jù)SEBS模型的公式,對(duì)感熱通量通過(guò)建立非線性方程組修正,能夠更好反映能量交換情況。

3.3 當(dāng)前存在的問(wèn)題

(1)遙感影像時(shí)空分辨率及尺度選取

遙感行業(yè)正處于快速發(fā)展時(shí)期,現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星基本能覆蓋全國(guó),但特定領(lǐng)域、特殊區(qū)域?qū)b感影像的需求還不能滿足。遙感技術(shù)反演蒸散發(fā)量對(duì)影像的要求較高,不僅需要較高的時(shí)間分辨率以減小日尺度擴(kuò)展的誤差,還需要較高的空間分辨率以提升蒸散發(fā)量反演的精度。且熱通量的計(jì)算需要影像具有熱紅外波段,當(dāng)前常用遙感衛(wèi)星具有熱紅外波段的僅Landsat-8、MODIS、GF-5等,往往因云量太多或重訪周期太長(zhǎng)而不能找到滿足需求的影像。此外,不同尺度和不同下墊面狀況下模型參數(shù)如何選擇,如何解決不同尺度下平流層的影響,如何對(duì)不同尺度的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合等問(wèn)題都是目前還需進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

(2)研究區(qū)地理及氣象條件影響

當(dāng)前大部分研究是在北方平原地區(qū),具有地勢(shì)起伏較小,少云少雨遙感影像質(zhì)量較高,農(nóng)田規(guī)模成片易于識(shí)別分類等優(yōu)勢(shì)。都江堰灌區(qū)由于降雨豐沛,灌溉和降雨對(duì)作物蒸散發(fā)的影響難以區(qū)分,且都江堰灌區(qū)地處四川盆地,常年云霧覆蓋,難以獲取到清晰完整的遙感影像。此外,由于都江堰灌區(qū)涉及范圍較大,降雨、地形及作物種類也具有區(qū)域差異性,所以測(cè)算都江堰灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉凈用水量需要著重考慮地理氣候條件的影響。

(3)成果精度驗(yàn)證

受制于目前蒸散發(fā)量監(jiān)測(cè)儀器成本較高昂,且國(guó)內(nèi)相關(guān)的氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少,遙感反演的蒸散發(fā)量只能采用滲漏儀法、波文比法等實(shí)測(cè)方法進(jìn)行精度驗(yàn)證。由于都江堰灌區(qū)地形復(fù)雜下墊面不均勻,點(diǎn)上的數(shù)據(jù)不具備代表性,觀測(cè)時(shí)段與遙感反演時(shí)段不一致也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差,所以,驗(yàn)證點(diǎn)位置和時(shí)間的選取是精度驗(yàn)證面臨的難題。

4 結(jié)語(yǔ)

目前,都江堰灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)仍采用典型田塊量測(cè)分析的方法,隨著水資源管理的不斷深入,傳統(tǒng)的水資源管理方式已經(jīng)不能滿足新時(shí)代的社會(huì)需求。遙感技術(shù)的應(yīng)用是未來(lái)農(nóng)業(yè)用水管理需要重點(diǎn)發(fā)展的新途徑,將遙感手段與傳統(tǒng)方法相融合能夠提升工作效率,增強(qiáng)信息獲取的時(shí)效性、廣泛性。本文介紹了基于遙感技術(shù)的灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算的方法,提出了該方法應(yīng)用于都江堰灌區(qū)還需進(jìn)一步探討的問(wèn)題,以期在后續(xù)的研究中能夠進(jìn)一步優(yōu)化,找到最適用于都江堰灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算方法及流程,為水資源高效利用管理提供有力的技術(shù)支撐。