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hm2,發(fā)展到2022年的101.27萬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)時條件下,工程建設(shè)無總體規(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)測算方法的探究是十分必要的。

我國對灌溉水有效利用系數(shù)的測算研究較早,早在20世紀(jì)50、60年代就開始借鑒國外經(jīng)驗形成了相關(guān)評價指標(biāo)和評價體系[2]。傳統(tǒng)的測算方法分渠系水利用系數(shù)測算和田間水利用系數(shù)測算,渠系水利用系數(shù)通過“動水法”或“靜水法”測量各級渠道的輸水效率,田間水利用系數(shù)通過測量灌溉前后土壤含水量的變化來計算[3]。目前,國內(nèi)外廣泛采用的是首尾測算法,該方法通過宏觀分析,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條件和相關(guān)管理配套設(shè)施具有很大差異性,傳統(tǒng)的測算方法不能廣泛適用于全國各類灌區(qū)。

近年來,越來越多學(xué)者將遙感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)用水效率的評價,通過遙感反演作物蒸散發(fā)量推算灌溉水有效利用系數(shù)的新方法逐漸在國內(nèi)外得到應(yīng)用。蔣磊等[5]利用SEBAL模型計算了河套灌區(qū)2000-2010年的蒸散發(fā)量,通過蒸散發(fā)數(shù)據(jù)計算灌溉水有效利用系數(shù),并對干旱區(qū)灌溉效率進(jìn)行了評價;吳雪嬌等[6]利用SEBS模型計算了黑河中游地區(qū)的蒸散量,驗證了該模型在半干旱地區(qū)灌溉用水評價的適用性;李杰等[7]基于遙感蒸散發(fā)模型提出了“遙感反演-實地監(jiān)測-計量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型監(jiān)測-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,將該技術(shù)應(yīng)用于灌溉水有效利用系數(shù)的測算能夠有效提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時效性,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,通過遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)對各項參數(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為太陽短波輻射;Rl為大氣長波輻射;ε為地表比輻射率;Rg為地表長波輻射。

(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)目諝鈩恿W(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的單源模型,由荷籍華人Su[12]在2002年提出。該模型通過遙感數(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度的不確定性帶來的誤差[11]。

(1)地表凈輻射通量Rn

(5)

式中,Rnl為地表長波凈輻射;Rns為地表短波凈輻射;α為地表反照率;Rswd為下行的太陽短波輻射;εa為大氣比輻射率;Rlwd為下行的大氣長波輻射;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為地表動量傳輸粗糙長度,m;d0為零平面位移高度,m;ψm和ψh分別為含義動力學(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,通過將土壤和植被的潛熱、顯熱量分開計算,更真實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)計算

首尾分析法是將灌入田間被作物實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],其計算公式為:

(20)

Wj=(ETi-Pi-Ki)·A

(21)

式中,Wj為灌入田間被作物實際利用的水量;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]通過計算日參考蒸散發(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有大量降雨,且前后兩景遙感影像中間間隔日期不能過長。

2.2 作物生育期有效降雨量

對于單次降雨量較小的情況,雨水基本都儲存在作物計劃濕潤層,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

對于地下水缺乏的區(qū)域,通常不用考慮地下水對作物的補(bǔ)給;對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。通過潛水蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的關(guān)系計算地下水補(bǔ)給量,其計算公式為:

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)前存在的問題,為進(jìn)一步將理論應(yīng)用于實際探尋切實可行的方案。

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數(shù)據(jù),反演都江堰灌區(qū)瞬時蒸散發(fā)和日蒸散發(fā);結(jié)合氣象數(shù)據(jù)計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)缺失時期的日蒸散發(fā),估算作物生育期ET;再通過首尾分析法將求得的作物實際利用水量與渠首總灌溉引水量作比,得到整個灌區(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)計方案

圖1 技術(shù)路線

圖2 原設(shè)計方案下水舌形態(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)、公式簡潔的特點,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,對感熱通量通過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)前存在的問題

(1)遙感影像時空分辨率及尺度選取

遙感行業(yè)正處于快速發(fā)展時期,現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星基本能覆蓋全國,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)量對影像的要求較高,不僅需要較高的時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,如何對不同尺度的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合等問題都是目前還需進(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)模成片易于識別分類等優(yōu)勢。都江堰灌區(qū)由于降雨豐沛,灌溉和降雨對作物蒸散發(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)成果精度驗證

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

4 結(jié)語

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)不能滿足新時代的社會需求。遙感技術(shù)的應(yīng)用是未來農(nóng)業(yè)用水管理需要重點發(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。