白亮亮，蔡甲冰，劉 鈺，陳 鶴，張寶忠(1．中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2．國家節(jié)水灌溉北京工程技術研究中心，北京 100048)

0 引 言

自引黃水量統(tǒng)一調配及大型灌區(qū)節(jié)水改造實施以來，河套灌區(qū)引水量減少，水量分配發(fā)生改變，其水循環(huán)要素必然受到影響[1]。蒸散發(fā)量作為水量循環(huán)重要組成部分，是灌區(qū)水平衡分析、灌溉用水效率評價、水資源管理和高效利用等方面研究的基礎和支撐。

利用遙感資料反演區(qū)域蒸散發(fā)量近20年來有了很大的發(fā)展[2]，為蒸散發(fā)的定量計算提供了數(shù)據(jù)支持。隨著遙感技術的不斷成熟，大量蒸散發(fā)模型被廣泛應用[3]。常見的遙感蒸散發(fā)模型包括基于能量平衡的SEBAL[4]、S-SEB[5]、SEBS[6]模型和基于特征空間法的三角形空間法[7]和梯形空間法[8]等模型。楊雨亭[1]等利用MODIS數(shù)據(jù)和SEBAL模型反演了河套地區(qū)不同土地利用類型蒸散發(fā)變化，并應用于年際變化分析當中；夏婷[9]等利用SEBAL模型反演了黃河流域河龍區(qū)間蒸散發(fā)，并研究了模型對輸入參量的敏感性；陳鶴[3]利用SEBS模型有效反演了位山灌區(qū)小麥-玉米生育期蒸散發(fā)變化，并對模型參數(shù)進行敏感性分析，反演結果較好；Jiang等[10]利用Ts/NDVI三角形關系，逐像元估算P-T(Priestly Taylor)系數(shù)，估算了美國南大平原的蒸發(fā)。王文[11]等將地表溫度和植被指數(shù)梯形空間方法擴展到Priestly-Taylor系數(shù)的估算，并利用Priestly-Taylor公式進行實際蒸散發(fā)估算，該方法在Walnut Gulch流域取得較理想的精度。

目前針對區(qū)域蒸散發(fā)年際變化以及單一年份空間分布研究較多，而對蒸散發(fā)空間分布的差異性隨時間的變化研究相對較少。本文對解放閘灌域作物生育期(4-10月)蒸散發(fā)在年際變化、空間分布特征以及其與地下水埋深空間分布的相關性進行了分析。并在此基礎上通過遙感蒸散發(fā)和水量平衡模型，對研究區(qū)域灌溉水利用效率年際變化進行了評價。同時，對大型灌區(qū)節(jié)水改造以來研究區(qū)域灌溉引水量、地下水等水循環(huán)要素年際變化進行了分析，研究解放閘灌域節(jié)水改造所取得的成效。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

本文以河套灌區(qū)解放閘灌域灌溉農田為研究對象，見圖1。解放閘灌域(106°43′～107°27′E，40°34′～41°14′N)為河套灌區(qū)第二大灌域，地處干旱半干旱內陸地區(qū)，海拔高程在1 030～1 046 m之間，年平均降雨量151.3 mm，年均蒸發(fā)量(20 cm蒸發(fā)皿)達2 300 mm，年內平均氣溫9 ℃。灌域總土地面積約2 345 km2，其中60%以上為耕地，土壤類型為潮灌淤土和鹽化土，糧食作物以夏玉米和春小麥為主，經濟作物以向日葵為主，伴有一定比例的瓜果、蔬菜[12]。

圖1 解放閘灌域農田分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域所采用的農田蒸散發(fā)數(shù)據(jù)由楊雨亭等[1]采用SEBAL模型計算的河套灌區(qū)蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，經過裁剪掩膜生成。遙感影像采用MODIS傳感器數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m～1 km，時間分辨率為每日，估算結果為250 m分辨率每日數(shù)據(jù)，模型估算ET與實測值吻合。地下水和降水數(shù)據(jù)由解放閘灌域沙壕渠實驗站提供，其中本灌域地下水監(jiān)測井共56眼，文中采用4月份生育期初期(灌水前)平均埋深數(shù)據(jù)。解放閘灌域灌溉排水數(shù)據(jù)來源于河套灌區(qū)解放閘灌域管理局(http:∥www.htgq.gov.cn/jfz)。

1.3 遙感蒸散發(fā)模型

蒸散發(fā)估算采用基于能量平衡的單源遙感蒸散發(fā)SEBAL模型，通過能量余項法計算，即：

λET=Rn-G-H

(1)

式中：λ為蒸發(fā)潛熱，J/m3；ET為蒸散發(fā)量，m/s；Rn為凈輻射量，W/m2；G為土壤熱通量，W/m2；H為顯熱通量，W/m2。

(2)

式中：ρa為空氣密度，kg/m3;Cp為空氣的定壓比熱，J/(kg·K);rah為熱量傳輸?shù)目諝鈩恿W阻力，s/m；dT為地表溫度與空氣溫度差值，K。

Rn、G具體計算過程詳見文獻[13]。

1.4 灌溉水利用效率

灌溉效率采用蔣磊等提出的灌溉水利用系數(shù)評價方法[14,15]，該方法將土壤非飽和帶和飽和帶作為整體來研究，避免了根系層下邊界深層滲漏和補給，由于非飽和帶和飽和帶含水量年際變化不大，在研究中不予考慮。同時該方法借助遙感蒸散發(fā)來計算灌溉水的有效消耗量，將農田消耗的灌溉水量(蒸散發(fā)與降水量差值)表示灌溉水的有效利用量，其與灌區(qū)凈引水量的比值定義為灌溉水的有效利用系數(shù)。簡化后水量平衡方程為：

(I-D)=(ETI-PI)+(ETN-PN)

(3)

式中：I為時段內灌域毛引水量，m3；D為時段內灌域排水量，m3；ETI為灌溉地生育期蒸散發(fā)量，m3；PI為生育期時段灌溉地降水量，m3；ETN為非灌溉地生育期蒸散發(fā)量，m3；PN為生育期時段非灌溉地降水量，m3；本文中不考慮非灌溉的蒸散發(fā)及降水，灌溉地基本上為農田。

ηe=(ET-P)/(I-D)

(4)

式中：ET為農田生育期蒸散發(fā)量，m3；P為農田生育期時段降水量，m3；(I-D)為研究區(qū)凈灌溉引水量，m3；ηe為灌溉效率。

2 結果與分析

2.1 農田蒸散發(fā)年際變化

對2000-2014年農田蒸散發(fā)、降水量及灌溉水有效利用量(農田蒸散發(fā)與降水量差值)進行年際變化分析，見圖2。

由圖2可知，研究區(qū)農田蒸散發(fā)量2001年較2000年有所下降，2001-2005年呈穩(wěn)中有升的變化趨勢，2005-2008年呈減小趨勢，在2008-2012年期間逐年增大，變化比較明顯，2012-2014年有所下降。就整體而言，蒸散發(fā)表現(xiàn)為上升趨勢，多年均值為8.56億m3(597.30 mm)。灌溉水有效利用量整體上呈增加的趨勢，均值6.63億m3(462.50 mm)，其變化趨勢與農田蒸散發(fā)量基本一致，在2005年和2009年灌溉水有效利用量較大，分別為7.51億m3(523.74 mm)和7.17億m3(499.77 mm)。

結合降水量年際變化可知，2005年和2009年降水量偏少，分別為77.9和72.1 mm，低于其他正常年份降水量為枯水年份，灌溉水有效利用量較其他年份大。

2.2 農田蒸散發(fā)空間分布特征

受篇幅限制，文中僅對解放閘灌域2000、2003、2006、2009、2012和2014年生育期(4-10月)農田蒸散發(fā)空間分布特征進行對比分析，見圖3。

2000、2003、2006、2009、2012和2014年研究區(qū)農田蒸散發(fā)均值分別為618.03、584.08、571.86、593.80、660.19和622.04 mm。2012年高值區(qū)域的范圍明顯大于其他年份，結合蒸散發(fā)年際變化可知，2012年平均蒸散發(fā)量為歷史最大，2000年、2006年和2014年次之，2003年和2009年高值區(qū)域的范圍明顯低于其他年份。由多年蒸散發(fā)空間分布相對差異性可以看出，高值區(qū)域均出現(xiàn)在西部和東北靠中部，均高于其他地區(qū)，農田蒸散發(fā)這一空間分布特征及相對差異性并未隨時間發(fā)生明顯變化，而是表現(xiàn)為相似的分布特征。

圖3 多年農田蒸散發(fā)空間分布

2.3 地下水空間分布及其對農田蒸散發(fā)的影響

地下水埋深采用普通克里格法對4月份(生育初期)數(shù)據(jù)進行插值并展布到研究區(qū)域[16]，其空間分布見圖4。

2000、2003、2006、2009、2012和2014年地下水埋深范圍分別為0.8～2.99、0.97～4.89、0.75～6.60、1.05～4.79、1.32～6.91和0.71～6.42 m，均值分別為1.76 m、1.90、2.04、2.19、2.32和2.32 m。地下水埋深較淺區(qū)域(小于1.80 m)主要分布在西部以及東北靠中部地區(qū)。灌區(qū)節(jié)水改造以來，隨著渠道襯砌率和灌溉效率的提高，地下水位整體有所下降，埋深呈增大的趨勢[17]，但空間分布特征及空間相對差異性并未隨時間發(fā)生明顯變化。

結合以上分析，區(qū)域蒸散發(fā)與地下水埋深表現(xiàn)為相似的分布特征和空間差異，蒸散發(fā)高值區(qū)域與地下水埋深較淺區(qū)域的分布一致，這種空間差異性說明了地下水埋深對農田蒸散發(fā)空間變化的影響。由于河套灌區(qū)引黃水量大，農田滲漏量大，地下水位偏高，潛水蒸發(fā)量大[18]，而在地下水埋深較淺地區(qū)(3～5 m以內)，潛水蒸發(fā)量則不可忽視[19]，潛水蒸發(fā)劇烈，對蒸散發(fā)影響大。同時，地下水空間分布特征可以為灌溉管理提供依據(jù)，在地下水埋深較淺區(qū)域采取井渠結合灌溉，以降低地下水位，減少引黃水量，達到節(jié)水目的[20]。

圖4 多年地下水埋深空間分布

2.4 灌溉效率

2000-2013年灌、排數(shù)據(jù)來源于河套灌區(qū)解放閘灌域管理總局，見表1。凈灌溉水量為研究區(qū)域灌溉水量與排水量差值，灌溉有效利用量為蒸散發(fā)量與降水量差值，灌溉效率定義為灌溉有效利用量與凈灌溉水量的比值，見公式(3)。

表1 灌溉水有效利用系數(shù)

研究區(qū)域2000-2013年灌溉效率年際變化，見圖5?？梢钥吹?，灌溉效率有所提高，整體變化為上升趨勢。2001年、2008年和2011年灌溉效率較低，分別為0.53、0.52和0.53，2003年、2005年和2012年灌溉效率較高，分別達到了0.67、0.67和0.73，在2012年達到最高，該年凈引水量為歷年最低的9.89億m3，而灌溉水有效利用量(7.26億m3)并未減小。

圖5 2000-2013年灌溉水有效利用效率年際變化

2.5 區(qū)域水循環(huán)各要素年際變化

自引黃灌區(qū)灌溉總量控制以及大型灌區(qū)節(jié)水改造以來，區(qū)域水循環(huán)要素發(fā)生了改變，各要素年際變化如圖6所示。

圖6 2000-2013年農田蒸散發(fā)量、凈灌溉引水量和地下水位年際變化

由圖6可知，2000-2003年總引水量連續(xù)下降，2004和2005年有所回升，2005-2008年連續(xù)下降，在2009、2010和2011年份總引水量有所偏高，2012年下降為歷史最低，2013有所回升，灌域引水量波動較大，但引水總量整體變化有所下降。

節(jié)水改在以來，地下水位逐年來呈下降趨勢，表現(xiàn)最為明顯。其埋深由2000年的1.76 m降到2013年的2.16 m。在引水總量得到控制以來，農田蒸散發(fā)量并未減小，而是表現(xiàn)為穩(wěn)中有升的趨勢，同時佐證了研究區(qū)域灌溉效率的提高。

結合以上分析可知，近年來，灌區(qū)輸配水設施不斷完善，凈引水量得到控制，灌溉效率得到提高，反映出大型灌區(qū)節(jié)水改造實施以及引黃水量統(tǒng)一調配所起到的積極影響。

3 討 論

受水土環(huán)境和作物生理特征影響，灌域種植結構分布比較零散，無明顯地域分布特征。由于不同作物耗水規(guī)律不同，種植結構的調整將對農田蒸散發(fā)時空變化產生直接的影響，因此對影響農田蒸散發(fā)時空變化的因素需要做進一步討論和分析。

對地下水與農田蒸散發(fā)空間差異的一致性分析表明，研究區(qū)域地下水埋深較淺，潛水蒸發(fā)對總蒸散發(fā)影響較大。因此，如何準確估算潛水蒸發(fā)對蒸散發(fā)量的影響需要進一步討論和分析，尤其是對較大空間尺度的估算。

4 結 語

解放閘灌域2000-2014年農田蒸散發(fā)量年際變化穩(wěn)中有升，多年均值為8.56億m3(597.30 mm)。灌溉水有效利用量整體上呈增加的趨勢，均值為6.63億m3(462.50 mm)，在2005年及2009年降水量偏少的枯水年份灌溉水有效利用量較大。

根據(jù)2000、2003、2006、2009、2012和2014年研究區(qū)蒸散發(fā)和地下水埋深分布情況，兩者空間分布特征相似，蒸散發(fā)高值區(qū)域與地下水埋深較淺區(qū)域分布一致，這是由于研究區(qū)域灌溉水量達，地下水位高，在地下水埋深較淺區(qū)域潛水蒸發(fā)較強烈。地下水和農田蒸散發(fā)量空間分布的相對差異隨時間并未發(fā)生明顯變化，這種空間上分布的一致性同時也印證了地下水對農田蒸散發(fā)空間分布的影響。

節(jié)水改造以來，輸配水工程逐步完善，解放閘灌域凈灌溉引水總量有所減少，地下水位下降，由2000年1.76 m降到2013年的2.16 m，而農田蒸散發(fā)量并未減少，反映出解放閘灌域灌溉用水效率的提升。結合水循環(huán)各要素多年變化可知，節(jié)水改造取得的積極效果，同時地下水位的下降對減少無效蒸發(fā)和緩解土壤鹽堿化程度也會起到積極影響。

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