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)重點實驗室,北京 100083；3.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081；4.中國科學(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，是國家重點糧油、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年開始通過水量統(tǒng)一調(diào)度實施黑河分水方案，規(guī)定了不同保證率條件下進(jìn)入下游的水量，從2003年開始東居延海實現(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，黑河流域自然與社會水文條件經(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[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年實施水資源治理工程以來，流域下游狼心山水文站年徑流量總體呈增加趨勢，氣候變化是主因，治理工程的實施也發(fā)揮了重要的積極作用[11]。盡管如此，尚未達(dá)到國務(wù)院97 分水方案的要求，而且未來轉(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必下降，下游天然生態(tài)健康存在較大的逆轉(zhuǎn)風(fēng)險[4]。黑河流域未來是否仍面臨“中下游用水矛盾凸顯的可能”，需加強流域水循環(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—地綜合觀測試驗[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)過程監(jiān)測、模擬、分析方法的研究，促進(jìn)了流域水循環(huán)監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步。目前盡管各種地表水循環(huán)遙感觀測技術(shù)快速發(fā)展，但仍以單項要素反演方法研究為主。本次研究以流域水資源問題為導(dǎo)向，綜合應(yīng)用多種遙感觀測技術(shù)，開展地表水循環(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段，綜合應(yīng)用TRMM 與GPM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀測的降水量、遙感估算的蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象站點、水文站點等觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，以期對流域地表水資源時空變化特征進(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 個相對獨立的子水系。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河至豐樂河諸小河流水系，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，全長約928 km。鶯落峽以上為上游，海拔高，氣候嚴(yán)寒濕潤，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，地勢開闊平坦，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數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)（GPM降水衛(wèi)星、MODIS 陸地觀測衛(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 水熱模型計算黑河干流上游降水、潛在蒸散發(fā)對徑流變化的貢獻(xiàn)率，并分析原因；

（5）計算黑河中游主要土地覆蓋類型的蒸散發(fā)耗水量；

（6）針對黑河流域的現(xiàn)狀，重點探討了黑河干流2000年以來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

3.1.1 降水量

根據(jù)衛(wèi)星降水（TRMM/GPM）與站點降水對比研究，發(fā)現(xiàn)在月尺度上衛(wèi)星降水與站點降水存在很好的線性關(guān)系，可達(dá)0.96[23]。由于流域內(nèi)國家基本氣象降水站點稀疏（有4 個站點），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)揮了站點數(shù)據(jù)單點精度高與衛(wèi)星數(shù)據(jù)區(qū)域分布精度高的優(yōu)勢。對比同期TRMM、GPM 與站點監(jiān)測降水量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)GPM 數(shù)據(jù)融合了雷達(dá)降水探測精度高與紅外高軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)時間分辨率高的優(yōu)勢，相關(guān)性更高。2000年1-5月由于無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 個站點月降水量數(shù)據(jù)對比，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)站點降水?dāng)?shù)據(jù)校正后）與0.5°×0.5°網(wǎng)格站點插值降水?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)星月降水量與站點實測月降水量對比Fig.2 Comparison between the monthly measured precipitation and monthly satellite precipitation

3.1.2 陸面實際蒸散發(fā)量

基于互補相關(guān)模型估算了陸面實際蒸散發(fā)，該方法認(rèn)為在地表水分供應(yīng)不充足時潛在蒸散發(fā)越大，則實際蒸散發(fā)越小，當(dāng)?shù)乇硭止?yīng)逐漸充足時，二者趨于相同?；谛掳l(fā)展的非線性互補相關(guān)法，估算了2000—2019年月陸面蒸散發(fā)，經(jīng)與13 個渦度相關(guān)站點實測數(shù)據(jù)對比，全國范圍內(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)對蒸散發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行核校，系數(shù)為1.22，二者對比見圖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)量估測方法有實測法、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)皿與周圍環(huán)境的蒸發(fā)氣象條件差異顯著，測量的蒸發(fā)量與湖泊實際蒸發(fā)量差別較大，可高達(dá)40%，本文采用架設(shè)于開闊水面的大型蒸發(fā)皿（如E601）實測的蒸發(fā)數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確測量湖泊實際蒸發(fā)量[16]。本文采用FAO 參考作物蒸散發(fā)模型模擬開闊湖面蒸發(fā)[25]，經(jīng)與湖面E601蒸發(fā)皿2014年與2015年4—9月實測數(shù)據(jù)對比，二者一致性高，均方根誤差為39.33 mm，相對于湖面1 178.9～1 183.7 mm/a 的蒸發(fā)量，相對誤差約為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?。┡c湖面蒸發(fā)量模擬值，計算了多年湖面蒸發(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，需對地表水循環(huán)進(jìn)行分區(qū)，以便于統(tǒng)計分析各分區(qū)內(nèi)水資源的補給、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趨同；（2）現(xiàn)有水文站點分布位置。

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)，因為山區(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）因為該流域內(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 個分區(qū)：祁連山區(qū)5 個，山前平原區(qū)3 個，下游荒漠戈壁區(qū)7 個（圖5）。各分區(qū)水資源補給、產(chǎn)流、排泄、消耗、水儲量及變化等，各分區(qū)水資源流向關(guān)系，水平衡公式詳見表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，水儲量變化是需要考慮的變量。對于山區(qū)，無大型的儲水盆地，地下水主要通過河川基流的方式排泄，且黑河上游祁連山區(qū)無大型農(nóng)灌區(qū)抽取山間盆地地下水，可認(rèn)為水儲量在多年尺度上不變。流域中下游盆地地下水儲變量是根據(jù)2000—2019年地下水水位測量數(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)水文地理條件不同，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)說明Table 2 Descriptions of the zones of surface water cycle

（1）將分區(qū)1 水平衡計算的蒸散發(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相似），根據(jù)校正系數(shù)對各區(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，計入其余各分區(qū)。最終各分區(qū)的多年平均水循環(huán)量見表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 號水循環(huán)區(qū)向額濟(jì)納盆地（8 號分區(qū)）供給水資源約14.25×108m3（7 號分區(qū)的流出量），與2015—2019年哨馬營水文斷面實測年均下泄水量（據(jù)黑河流域管理局網(wǎng)站公開數(shù)據(jù)計算，為10.6×108m3）相近，說明了各區(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%），中游是上游來水的主要消耗區(qū)，上游來水中約66%（29.92×108m3/a，上游來水減去5 號分區(qū)與14 號分區(qū)的流出量）用于中游消耗，約34%（15.19×108m3/a，5 號分區(qū)與14 號分區(qū)流出量）用于補充下游；中游（5～6、14 號分區(qū)）消耗水資源約58.68×108m3/a，其中臨澤、張掖、民樂一帶是中游水資源主要消耗區(qū)，年均消耗的上游來水和當(dāng)?shù)亟邓考s為43.97×108m3/a（5 號分區(qū)蒸散發(fā)量，約占中游消耗量的75%），高臺、酒泉、嘉峪關(guān)一帶次之，消耗量約為14.71×108m3/a（6 號與14 號分區(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]對黑河干流上游降水、蒸發(fā)、徑流關(guān)系進(jìn)行建模，并對徑流變化進(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)對比，相對于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測徑流量更接近，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)計算，n取值0.7 時，2000—2019年實測與模擬徑流最為接近，均方根誤差為1.96×108m3，相對于2000—2019年年均徑流量，相對誤差為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 黑河干流上游年實測與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

對式（1）進(jìn)行求導(dǎo)，得出年降水、年潛在蒸散發(fā)對年徑流變化的貢獻(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、降水強度變化等其它因素均會導(dǎo)致徑流量改變。實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)計流域中游主要土地覆蓋類型區(qū)實際蒸散發(fā)量，見表4。干流中游的民樂—張掖盆地（5 號分區(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 號分區(qū)）種植結(jié)構(gòu)相似，均以夏玉米為主[29-30]；民樂縣以小麥/燕麥為主。民樂—張掖盆地單位面積農(nóng)田、草地、裸地實際蒸散發(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，盡管研究時段不完全相同，認(rèn)識基本一致：（1）2000年以來，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)，與人類活動及下墊面變化無關(guān)。

本文研究進(jìn)一步表明，降水是徑流增加主因，降水對徑流增加的貢獻(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—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。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

實際蒸散發(fā)既是水平衡計算、又是不同類型下墊面耗水量統(tǒng)計的關(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)計的基礎(chǔ)。實際蒸散發(fā)量時空分布合理、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)來水補給，水分供應(yīng)相對充足，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—張掖盆地2019年實際蒸散發(fā)量Fig.8 Actual evapotranspiration of the Minle—Zhangye basin(water resources division 8) in 2019

實際蒸散發(fā)受氣象、土地覆蓋類型、植被長勢、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)物理過程復(fù)雜。蒸散發(fā)量在時間、空間進(jìn)行全面精確評價超過本文范圍。盡管據(jù)此得出了相對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、徑流作為約束對蒸散發(fā)量進(jìn)行核校方可完成水平衡分析。這表明實際蒸散發(fā)的估算仍是水循環(huán)觀測中的主要難點。

張掖盆地2019年實際蒸散發(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)互補相關(guān)法的基本原理，基于Priestley-Taylor 計算的濕環(huán)境（近地表空氣濕度飽和）蒸散發(fā)量（ETwes）對估算結(jié)果影響較大，該數(shù)值越大計算的實際蒸散發(fā)越大。對照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)量計算公式中，乘性經(jīng)驗系數(shù)在全流域采用統(tǒng)一數(shù)值會引入較大誤差。

通過對比研究區(qū)已公開的代表性的蒸散發(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)計模型2 種?；谖锢砟Ｐ偷姆椒ㄊ菍φ羯l(fā)物理過程進(jìn)行參數(shù)化并估算蒸散發(fā)量?；诮y(tǒng)計模型的方法需要基于一定數(shù)量的實測數(shù)據(jù)建立蒸散發(fā)與諸多影響參量間的統(tǒng)計關(guān)系?？紤]到基于統(tǒng)計模型的方法機(jī)理難辨析，結(jié)果難推廣，本次僅對基于物理模型的方法與結(jié)果進(jìn)行對比分析。

表5 收集的用于對比分析的流域?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、互補相關(guān)、能量平衡3 類。Penman-Menteith（P-M）是一種直接計算蒸散發(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（總初級生產(chǎn)力）的模型[35-36]?；パa相關(guān)通過“實際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)間存在近似對稱/互補關(guān)系”現(xiàn)象，根據(jù)潛在蒸散發(fā)量推算實際蒸散發(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，通過估算地表感/顯熱通量、熱通量間接推算潛熱通量與實際蒸散發(fā)量[26,37-38]。

多種蒸散發(fā)數(shù)據(jù)對比可發(fā)現(xiàn)2 個基本特點（圖9）：（1）在全流域、張掖農(nóng)田灌區(qū)（5 號分區(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)量對比Fig.9 Comparisons of annual evapotranspiration data

由各模型計算結(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，占上游來水的45%。降水量增加是黑河干流上游徑流增加的主因，對徑流量增加的貢獻(xiàn)率為96%，導(dǎo)致徑流增加0.35×108m3/a。潛在蒸散發(fā)對徑流增加幾乎沒有貢獻(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)險較大。

（2）地表水循環(huán)遙感觀測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與原因，支撐水資源合理配置。陸面實際蒸散發(fā)量是水平衡分析中主要的不確定性因素，準(zhǔn)確估測不同類型下墊面實際蒸散發(fā)量是提升分析可靠性的關(guān)鍵。

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