喬 鵬，王 嵐

（吐魯番市水資源管理中心，新疆 吐魯番 838000）

1 前言

水是人類生存與發(fā)展最重要的自然資源和經(jīng)濟資源，科學開發(fā)利用水資源，構(gòu)建人水和諧格局是當今世界面臨的一項重大挑戰(zhàn)，這在占我國土地面積52.5%的干旱和半干旱地區(qū)尤為嚴峻[1]。這些地區(qū)降水少，蒸散量高，生態(tài)環(huán)境脆弱，隨著社會和經(jīng)濟發(fā)展，人口膨脹、耕地擴張、工業(yè)增長對水資源的需求日益增加，早期以需水為導向的水資源開發(fā)利用模式導致水資源短缺、水環(huán)境惡化等問題日趨突出，流域水資源開發(fā)利用逐步轉(zhuǎn)向供水管理模式[2]。在供水管理模式中，如何正確評估水資源可利用量，確定水資源的承載能力對水資源合理配置具有重要意義。但是計算水資源可利用量的理論方法目前還不太完善，不同計算水資源可利用量的方法差異較大，且不同地域間適用方法也有所差異，難以有效指導實踐[3]。

蒸散發(fā)是水循環(huán)中重要的水文過程，對于干旱與半干旱的內(nèi)流河流域而言，由于流域之間的水量交換過程微弱，從水循環(huán)的角度而言，只有通過蒸散作用消耗的水量才是水資源的真正損失[4]，因此，對于流域水資源管理，明確流域可被消耗的水資源量更能體現(xiàn)干旱區(qū)水資源特征。同時，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，多尺度的遙感數(shù)據(jù)和日漸成熟的蒸散模型為區(qū)域蒸散的計算提供了基礎(chǔ)。

二塘溝地處干旱內(nèi)流區(qū)艾丁湖流域，近幾十年來，隨著經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，該流域地下水多年超采，地下水水位不斷下降，水資源短缺導致的流域植被退化、土壤鹽堿化、荒漠化等水環(huán)境惡化問題日益突出。當?shù)卣畯?0 世紀90 年代就開始推行農(nóng)業(yè)節(jié)水、編制節(jié)水規(guī)劃，但成效并不顯著，有些年份甚至地下水超采更為嚴重，因為在不明確總體可耗水量的情況下，節(jié)水工程節(jié)約的水資源被繼續(xù)開發(fā)利用，加劇了耗水量，同時減少了地下水回補量。因此，為更加合理利用水資源，開展以蒸散發(fā)為基礎(chǔ)的耗水平衡分析是很有必要的。

本文根據(jù)水量平衡原理，通過SEBAL 模型和Landsat TM影像計算流域蒸散發(fā)，以二塘溝流域為例，分析流域水資源可利用量。

2 數(shù)據(jù)與方法

水資源可利用量是指在地下水不超采、不破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境平衡的前提下，流域可供人類消耗的一切水資源量。從水資源可以消耗的角度而言，除蒸發(fā)之外，下滲量與徑流量都是可以消耗的水量。對于二塘溝流域，以年為單位，流域的降水一部分被蒸散所消耗，另一部分通過下滲補給地下水，剩余的為流向下游綠洲區(qū)的徑流量，根據(jù)水量平衡，流域可耗水量可用式（1）表示：

式中：W 為可耗水量；P 為降水；I 為入流水量；O 為出流水量；ETn為流域的自然蒸散量。

在此將蒸散分為可控蒸散量和不可控蒸散量，不可控蒸散量即流域自然蒸散量ETn，可控蒸散量為人類開發(fā)利用水資源過程中的水資源蒸散量。流域不可控ET 又可以依據(jù)土地利用的分類進行劃分，一般情況下ETn 可以采用式（2）表示：

式中：ETn_森林、ETn_草地、ETn_水體、ETn_耕地、ETn_城鎮(zhèn)、ETn_未利用地分別為森林、草地、水體與濕地、耕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地與未利用地的不可控ET。

森林、草地、水體與濕地、未利用地的不可控ET 通過疊加遙感ET 與土地利用數(shù)據(jù)計算。耕地不可控蒸散量計算，采用多時相的遙感數(shù)據(jù)，識別提取研究區(qū)未種植耕地，然后通過疊加未種植耕地與遙感ET 數(shù)據(jù)，獲取未種植耕地的ET 數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)之上，在ArcGIS 軟件中采用地統(tǒng)計空間插值方法計算種植耕地的不可控ET。二塘溝的產(chǎn)流區(qū)為自然流域，沒有耕地分布，因此，耕地不可控ET 可以忽略不計。在氣候濕潤地區(qū)的城鎮(zhèn)不可控蒸散量可利用像元二分法，通過計算流域的不透水面蓋度結(jié)合不透水區(qū)的產(chǎn)流系數(shù)計算，二塘溝的產(chǎn)流區(qū)為自然流域，沒有城鎮(zhèn)分布，因此，城鎮(zhèn)的不可控耗水量可以忽略不計。同時二塘溝產(chǎn)流區(qū)閉合，與其他流域基本沒有水資源交換，因此，結(jié)合式（1）、式（2）二塘溝流域的可耗水量可以表示為式（3）：

式中：W 為可耗水量；P 為降水；ETn_森林、ETn_草地、ETn_水體、ETn_未利用地分別是森林、草地、水體、未利用地的不可控ET。

本文中降水數(shù)據(jù)利用國家氣象科學數(shù)據(jù)中心的中國自動站與CMORPH 降水產(chǎn)品融合的逐時降水量網(wǎng)格數(shù)據(jù)集（1.0版），數(shù)據(jù)時空分辨率為1 小時、0.1°。ET 數(shù)據(jù)通過SEBAL 模型和Landsat7 遙感影像數(shù)據(jù)計算，獲取了2008 年～2013 年二塘溝集水區(qū)及下游耗散區(qū)的蒸散數(shù)據(jù)，并通過氣象站觀測數(shù)據(jù)和FAO 56 推薦的P-M公式計算ET 對比，遙感ET 數(shù)據(jù)監(jiān)測的年誤差小于10%。土地利用數(shù)據(jù)為2010 年和2012 年數(shù)據(jù)，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017）分類標準，利用Landsat 數(shù)據(jù)解譯完成。

3 研究區(qū)介紹

二塘溝流域位于新疆吐魯番市鄯善縣，流域地理位置89°15′-90°02′E，43°29′-42°38′N，二塘溝河發(fā)源于天山山脈博格達山南麓，屬塔里木內(nèi)陸區(qū)的艾丁湖水系，出山口高程1130 m，出山口以上集水面積532 km2，是該河流徑流主要形成區(qū)，見圖1。河流出山口以后，經(jīng)人工引水渠道至火焰山南北兩側(cè)的綠洲區(qū)，該區(qū)域面積約1600 km2，農(nóng)田面積約22 km2，僅占耗水區(qū)域面積1.38%，該區(qū)域氣候干旱、降水稀少，蒸散能力強，難以形成徑流或補充地下水，是水資源主要消耗區(qū)。

圖1 二塘溝流域上游集水盆地

4 結(jié)果分析

4.1 可耗水量計算

基于水量平衡，利用遙感ET、降水數(shù)據(jù)，計算了二塘溝流域2008 年～2013 年的逐年降水量、ETn與可耗水量（表1），降水與ETn的空間分布見圖2。

表1 二塘溝流域2008 年～2013 年的逐年降水量、ETn 與可耗水量 單位：106 m3

圖2 2008 年～2013 年二塘溝集水區(qū)降水及ET 空間分布

2008 年～2013 年，二塘溝流域的可耗水量分別為106×106m3、105×106m3、57×106m3、42×106m3、94×106m3、118×106m3，多年平均值為87×106m3。鑒于降水數(shù)據(jù)包含了豐、平、枯降水時間序列，因此，認為2008 年～2013 年的多年平均值可以近似表示二塘溝流域的可耗水量。

4.2 耗水平衡分析

流域可耗水量與實際耗水量之間的差值即是流域水資源蓄變量，包括土壤蓄變量和地下水蓄變量，對于年度來說，土壤蓄變量基本不變，流域蓄變量近似為地下水蓄變量。流域?qū)嶋H耗水量指人為開發(fā)利用水資源過程中的耗水量，包括灌溉耗水量、工業(yè)耗水量與生活耗水量，不包括不可控ET。

灌溉耗水量包括農(nóng)田灌溉和防護林灌溉的灌溉耗水量。農(nóng)田灌溉耗水量通過農(nóng)田年總耗水量與農(nóng)田年降水量的差值計算，由于防護林在Landsat 影像中不易解譯，本文利用Google Earth 高分辨率影像通過目視解譯的方法提取二塘溝流域的防護林分布，結(jié)合遙感ET 數(shù)據(jù)，計算了2008 年～2013 年防護林灌溉耗水量。2010 年～2013 年工業(yè)耗水和生活耗水采用世界銀行項目實際調(diào)查結(jié)果，2008 年～2009 年通過近似計算得到，其中工業(yè)耗水利用工業(yè)用水量、產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)品耗水率近似計算；生活耗水量通過人口數(shù)據(jù)估算[4]，計算結(jié)果見表2。

表2 2008 年～2013 年灌溉耗水量 單位：106 m3

對比二塘溝流域可耗水量及實際耗水量顯示，2008 年～2013 年間二塘溝流域水資源蓄變量持續(xù)減少，年平均蓄變量減少6.86×107m3（表3），屬于地下水嚴重超采區(qū)域，流域水資源過度開發(fā)利用，處于不可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。從耗水狀況看，97.13%為農(nóng)業(yè)灌溉耗水，工業(yè)和生活耗水僅占2.69%，地下水超采水量主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，由于工業(yè)和生活耗水量占比較少，農(nóng)業(yè)灌溉規(guī)模超過二塘溝流域水資源承載能力是導致水資源緊缺的首要原因。

表3 二塘溝流域2008 年～2013 年耗水情況 單位：106 m3

為進一步分析耕地變化對水資源開發(fā)利用的影響，利用Landsat 遙感影像提取了1990 年二塘溝流域耕地擴張時的耕地面積。結(jié)果顯示1990 年二塘溝流域耕地面積約20.8 萬畝，2011 年耕地面積約33.2 萬畝，2013 年耕地面積約31.4 萬畝。從1990 年～2011 年二塘溝流域耕地面積增加了12.4 萬畝，增幅59.6%，按照畝均耕地灌溉耗水量457.6 m3來算，耕地擴張年灌溉耗水增加約5.67×107m3，由于當時灌溉方式較為粗放，畝均耗水量比近年均值要大，此值相對較小。

從表3 中可以看出，2012 年、2013 年二塘溝流域?qū)嶋H耗水量有下降趨勢，2012 年實際耗水量較2011 年減少了2.44×107m3，2013 年實際耗水量較2012 年減少了9.35×106m3，除去豐、枯水年水資源開發(fā)利用量差異的原因，主要原因在于吐魯番市為合理開發(fā)利用水資源，采取的退地減水政策，每年逐步退減部分耕地面積，2013 年相較2011 年耕地面積減少約1.8 萬畝，退減耕地面積約減少耗水量8.24×106m3。若要單純通過退減耕地面積達到耗水平衡的話，按照年畝均耕地耗水量457.6 m3計算，約需退減耕地面積15 萬畝。

5 結(jié)論

隨著經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，用水需求隨之增加，如何貫徹好習近平總書記青山綠水的發(fā)展理念，做好水資源可持續(xù)發(fā)展，是水資源管理的面臨的巨大挑戰(zhàn)?；诹饔蛩科胶?，利用區(qū)域降水數(shù)據(jù)和遙感計算蒸散發(fā)的方式，計算了二塘溝流域2008 年～2013 年流域可耗水總量，并進行了耗水平衡分析，是將耗水理念在流域水資源管理中的一次應用嘗試。

二塘溝流域2008 年～2013 年平均可耗水總量為8.71×107m3，實際開發(fā)利用的耗水量分別為1.56×108m3，多年流域蓄變量為-6.86×107m3，水資源處于過度開發(fā)利用狀態(tài)，地下水超采嚴重。從耗水狀況看，97.13%為農(nóng)業(yè)灌溉耗水，工業(yè)和生活耗水僅占2.69%。二塘溝流域耕地面積自1990 年～2011 年增加了60%，擴張迅速，是水資源不斷超采的主要原因。如果要維持水資源可持續(xù)發(fā)展，需要減少農(nóng)業(yè)灌溉耗水量，主要方法有改進灌溉方式、改變種植結(jié)構(gòu)、提高水資源利用效率以及退減灌溉面積，同時可從周邊流域引水。為合理開發(fā)利用水資源，保護水環(huán)境，自2012 年開始，吐魯番市推行了退地減水政策，通過發(fā)展工業(yè)吸納退地農(nóng)戶，以逐步緩解水資源危機，保障區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。2012 年～2013 年二塘溝流域退減耕地面積約1.8 萬畝，若只通過退減耕地面積達到耗水平衡，約需退減耕地面積15 萬畝。