遥感反演蒸散发在灌溉用水管理中的应用综述

农田灌溉高效用水管理对农业生产及水资源可持续利用至关重要。气候变暖和社会经济发展对农业水资源的可持续利用带来重大挑战,农业生产集约化、标准化和信息化对发展高效节水灌溉、实现灌溉用水精细化管理提出了更高的要求。蒸散发可反映地表与大气的水分和能量交换以及作物耗水,在灌溉用水管理中发挥着关键作用。过去20年来随着遥感对地观测技术不断发展,蒸散发遥感反演和数据融合理论方法不断成熟,数据的时空分辨率和精度不断提升,显著扩展了遥感蒸散发在灌溉用水管理中的应用范围,在灌溉用水量估算等领域得到深度应用。本文在概述国内外蒸散发遥感反演和数据融合研究前沿及相关数据集的基础上,重点对遥感蒸散发在灌溉用水量估算、灌溉制度优化和灌溉效益评价等三个方面的应用场景,进行了系统梳理和总结,以期为农业水资源高效利用和精细化管理提供参考。     

中小型灌区不同空间尺度的净灌溉水量估算

以抚顺市为例，从不同空间尺度上利用遥感解译—试验观测等技术计算遥感蒸散发量，并与净灌溉水量直接量测数据建立线性关系，结合相关系数确定误差最小的空间尺度，从而建立更有效、快速、准确的最优空间尺度下区域净灌溉水量估算方法。结果表明：在抚顺市、片区尺度上，遥感蒸散发量与净灌溉用水量存在显著线性关系；遥感测算结果及遥感蒸散发模型具有较高可信度和较强适用性，可以为科学管理农业水资源和最严格水资源管理考核提供一定参考。     

基于作物耗水定额控制的灌溉管理模型

海河流域水资源供需矛盾突出,其中农业灌溉所占用水量和耗水量比例最大,而其水分利用效率相对偏低,因此节水潜力较大,为合理调控区域灌溉用水,本文将田间试验观测为基础的灌溉节水理论和方法与遥感数据反演区域耗水(ET)的点面优势相结合,提出了基于作物耗水定额管理的农业灌溉管理模型,通过控制区域上的作物耗水量分布,促进区域灌溉水资源的合理调配和利用,实现资源性节水。模型主要功能包括遥感反演数据统计分析、区域耗水目标分解、作物ET定额分配、种植结构调整、节水潜力分析以及净灌溉需水量估算。可实现从区域综合耗水控制目标向主要作物ET定额的分解,并转化为灌溉用水管理中可控制的灌溉定额,通过逐年设置主要作物的ET控制定额和种植结构情景方案,分析区域的节水潜力,消除奢侈耗水,实现不同水文年和耗水控制阶段目标下的灌溉定额管理,为区域灌溉水管理提供技术支持。     

区域蒸散发监测与估算方法研究综述

蒸散发是能量循环与水循环的结合,是陆面生态过程与水文过程的纽带。准确测定与估算区域蒸散发对气候演变研究、水资源规划与管理、农业节水研究、作物产量模拟及环境问题等方面都具有重要的现实意义。近30多年来,随着技术手段的进步,蒸散发的监测和估算取得了重大进展,本文对此进行了分析和评价,总结了测定作物蒸散发的主要方法,包括梯度法、土壤水平衡法、蒸渗仪法、波文比法、涡度相关法和闪烁通量仪法等。估算区域植被或作物蒸散发的主要方法包括区域水量平衡法、彭曼综合法、互补相关法等。本文综述了各种方法的基本原理及优缺点,分析了不同方法反映不同尺度蒸散发的适应性,提出了估算区域蒸发目前存在的问题以及未来的发展前景。     

扩大农业灌溉水源的措施

我国农业灌溉用水资源不够平衡,一些地域相对缺乏。扩大农业灌溉水源的措施,是应尽量利用可以利用的水源,兴建和用好蓄水设施,实行区域之间水量调济,最后,实行地面水和地下水的联合运用。提高农业灌溉用水率是解决农业用水问题的必由之路。     

基于区域水生态安全的水量干涉限探讨

人类对水资源的过度开采严重威胁着水生态安全。本文基于水生态安全的理念,提出了维持区域水生态健康的标准-"水量干涉限"的概念;然后以区域水量平衡方程为基础,论证了区域蒸散发量与区域生态耗水量相等,并以此理论为基础推导出了水量干涉限估算公式;再以水量干涉限公式为基础,构造了区域实际水量干涉度估算公式;在实际水量干涉度不超过水量干涉限的情况下,才能保证区域水生态的安全。最后,通过两个实例来说明水量干涉限和干涉度的实际应用。     

遥感和再分析蒸散发数据精度评估:基于GRACE和流域月水量平衡模型的比较研究

采用GRACE陆地水储量变化数据和两参数月水量平衡模型(WBM-DP)分别构建了流域实际蒸散发月序列ET_GRACE和ET_WBM,以此为基准评价了两种遥感蒸散发数据MOD16、SSEbop和一种大气再分析蒸散发数据GLDAS-Noah在汉江流域上游的性能,解析了基准序列不同对蒸散发数据精度的影响。结果表明,GRACE数据和WBM-DP得到的2006—2014年汉江流域上游蒸散发基准序列在年尺度上较接近,但在月尺度上差异明显。WBM-DP可较好地模拟降水和潜在蒸散发作用下流域水储量的季节性变化特征,构建的蒸散发基准序列也更合理;而GRACE数据反映的流域水储量变化存在不合理现象,由此根据水量平衡方程推算的月蒸散发基准序列也具有异常现象。在月尺度上,基准序列的不同会导致蒸散发数据精度指标的非一致性变化,其精度评估结果也可能不同,在非汛期各月,以ET_WBM为基准时,MOD16综合精度最优;而以ET_GRACE为基准时,SSEbop最优。且相对于ET_GRACE,以ET_WBM     

基于地表能量平衡的大尺度流域蒸散发遥感估算研究

蒸散发是地表能量平衡的关键环节,准确估计流域蒸散发对水资源管理、作物估产、以及环境保护等具有重要意义。研究结合中国中高纬度区域气候特征、土地利用类型以及植被动态特征,改进了基于地表能量平衡系统(Surface Energy Balance System,SEBS)的蒸散发估算模型。以松花江流域为例,进行大尺度流域的多年蒸散发反演。通过多年流域水量平衡、流域内生态观测实验以及全球通量观测网络评价数据验证模型估算精度,同时借助陆面过程模型和NASA的MOD16蒸散发产品进行交叉验证,评估模型模拟精度。结果表明,改进的SEBS模型在全国范围内精度并不统一,但在松花江、辽河流域估算精度较高,因此基于地表能量平衡的蒸散发估算模型是一种估算我国中高纬度区域蒸散发的可行方法。松花江流域时空变化研究发现,流域多年蒸散发总值变化不大,但存在空间上的变异性。     

基于遥感蒸散发模型的区域灌溉水有效利用系数测算方法框架设计

在农业用水计量率较低、作物净灌溉用水量较难量测的现状下,最严格水资源管理灌溉用水效率考核指标的复核工作缺乏有力抓手。针对净灌溉用水量难以准确测算的问题,在考核指标复核技术体系不完善的条件下,提出融合"遥感反演-实地监测-计量经济学模型测算-数据综合分析"四位一体的方法,通过基于遥感蒸散发模型的ET测算、典型灌区直接量测、计量经济学模型的灌溉水有效利用系数测算、多学科方法数据对比分析,实现准确、快速测算区域灌溉水有效利用系数,研究结论为最严格水资源管理用水效率指标考核提供复核依据。     

CRAE模型在新疆和田绿洲的适用性分析

新疆和田绿洲降水较少和气候干旱,蒸散发是区域内水分消耗的主要途径,合理估算蒸散发量可为绿洲地区水资源的合理配置等提供依据。利用和田站2006-2014年的气象资料以及2006-2014年的水文资料,运用CRAE模型和水量平衡法计算和田绿洲实际蒸散发量,验证CRAE模型在该地区的适用性。结果表明:模型模拟结果平水年和多年平均实际蒸散发量结果较好,枯水年和丰水年的结果误差较大;模型计算的蒸发能力ET_p与P-M公式和Hargreaves公式相比结果更为合理;利用水量平衡系数、总量平衡系数和相关系数对计算结果进行评价,误差均在合理范围内。CRAE模型在和田绿洲地区应用效果较好,可用于估算该地区多年实际蒸散发量。     

应用遥感监测ET技术实现北京市农业用水的可持续管理

地表蒸腾蒸发值(ET)是北京市农业用水最主要的消耗量,利用遥感技术监测ET值不仅可以制定合理的区域灌溉用水定额,提高地表与地下水的监测与管理水平,而且可以对农业用水效率、灌溉管理、节水效果做出切合实际的评价,同时可为政府部门进行流域水资源管理和区域水资源利用规划提供决策依据。     

作物生产水足迹量化方法与评价研究

农业用水效率评价是农业水资源管理的基础。作物生产水足迹有效的统一了旱作、灌溉农业以及不同尺度的水分利用效率评价指标,为农业水资源管理提供了新的评价指标与工具。本文在现有作物生产水足迹量化方法的基础上,提出了基于区域耗水量和区域用水量的作物生产水足迹量化方法,形成了三种适用于不同评价目标和尺度的量化方法。以中国大陆为研究对象,利用不同方法对小麦水足迹进行量化,探讨了三种方法的特点和适用性。研究表明三种量化方法具有各自的适用范围和科学内涵,基于田间作物蒸发蒸腾量所得到的作物生产水足迹能够反映田间尺度水分利用效率、农业资源禀赋;基于区域耗水量的计算方法能够反映区域尺度水分利用效率、农业资源禀赋和区域耗水特性;基于区域用水量的水足迹量化方法能够反映区域尺度水分利用效率、灌溉系统运行水平与农业生产用水量。鉴于三种作物生产水足迹量化方法的差异性,在进行水足迹量化评价时,需根据具体的研究尺度和评价目标确定作物生产水足迹量化方法,使量化和评价结果更为科学合理。     

ET管理是农业节水灌溉水资源管理的方向

ET是蒸发蒸腾耗水量的代号。ET管理即采取工程的、农业的和管理的综合节水措施,把节水灌溉项目区的耗水量控制在包括降水在内的水资源许可的范围内,实现水资源供耗平衡,可持续利用的目标。介绍了世行贷款项目农业节水灌溉一期项目实施ET管理概况及取得的主要成果。     

水分生产率指标随空间尺度变化规律

根据漳河灌区4年田间及中等尺度的水量平衡试验，以及同步的灌溉系统及灌区尺度的水量观测，结合利用遥感信息估算的灌溉系统及灌区尺度的腾发量获得不同年份不同尺度的水量平衡要素。根据实测或统计资料获得不同尺度的水稻产量资料。计算分析了各种水分生产率指标及水量消耗比例指标随不同空间尺度及不同水文年度的变化规律。结果表明：灌溉水分生产率及毛入流量水分生产率总体上随空间尺度的增大而增大，但于某些年份在中等尺度上有降低的现象；水稻腾发量水分生产率则随时空尺度变化不大；采用节水灌溉技术不仅可以提高田间尺度的灌溉水分生产率，也促进了灌区灌溉水分生产率的整体上升，达到了真实节水；水分生产率指标受降雨及其年内分配的影响，另外，水管理措施的好坏显著影响水分生产率指标的高低。     

基于蒸腾蒸发量的区域真实节水研究

本文提出以区域允许蒸腾蒸发量的控制来实现区域真实节水的技术框架,将节水由原来的只注重取水量的节约扩展到真正耗水量的节约上。该框架以蒸腾蒸发量为控制指标,在不突破流域总可消耗量(蒸腾蒸发量)的基础上,以准天然状态为参考,经由水文模型模拟分别得到流域内各区域允许蒸腾蒸发量、可控和不可控蒸腾蒸发量,并通过作物种植结构调整、减少灌溉水量、保墒等措施对区域可控蒸腾蒸发量调控,实现区域实际蒸腾蒸发量与区域允许蒸腾蒸发量的平衡。最后以河北省馆陶县真实节水为实例,进行了应用研究的尝试。     

基于耗水平衡分析的区域水资源管理

传统的供水管理和需水管理难以满足水资源可持续利用的要求,从耗水管理角度出发,以区域耗水平衡为理念,采用SWAT模型对河北省馆陶县基于蒸腾蒸发(ET)的水资源管理进行了分析,模拟了小白龙灌溉、低压管灌和喷灌3种不同节水灌溉方式下分别对应的6种作物种植结构调整模式(共18套水资源管理方案)的区域耗水水平。研究结果表明,低压管灌和喷灌两种节水灌溉方式对于减少区域ET量的作用与其所减少的取水量相比差距较大,真实节水效果并不十分显著。影响区域ET的主要因素是降水,区域ET量在湿润年份明显要高于干旱年份。这一规律并不随着灌溉方式和作物种植结构调整而发生根本性变化。灌溉对冬小麦生育期ET量的影响要显著高于对玉米生育期ET量的影响,减少冬小麦种植面积可以有效降低区域ET量。因此,馆陶县实现区域耗水平衡的最佳灌溉管理方案是灌溉方式为喷灌、冬小麦种植面积减少20%且全部改种为棉花。研究结果可为区域水资源管理和水资源高效利用提供参考。     

近16年来新疆内陆河区生态耗水及其变化分析

在分析新疆生态需(用)水研究相关进展、阐述新疆内陆河区水与生态环境特征的基础上,依据水量平衡原理,结合逐年出版的水资源公报信息与相关研究成果,逐年定量研究了新疆内陆河地区进入21世纪来的生态耗水量及被挤占量,分析了研究区生态耗水量变化的主要原因。研究结果表明,2001—2016年新疆内陆河区虽适逢丰水期,但生态耗水总量并未相应显著增加,年均仅307.1×10~8 m~3,生态用水被挤占趋势日趋严重;不断增长的农业灌溉规模是新疆内陆河地区生态用水难以保障、生态环境恶化甚至部分区域生态危机一触即发的首要原因。因此,适当控制农业规模、调整用水结构、强化政府监管、建立健全生态用水长效保障机制,是当前形势下新疆生态文明建设努力的方向。     

农业灌溉用水量核算方法对比研究

为了评价区域水资源承载状况,需要将区域现状年实际产生的用水量核算至评价口径。在以往工作的基础上,提出了三种较为实用的农业灌溉用水量核算方法:现状法、典型年法和长系列法。分析表明:计算分区A近几年年降雨量情况能够代表平水年或多年平均情形,可采用现状法对农业灌溉用水量进行核算,结果显示该区域应核减农业灌溉用水量0. 31亿m~3。计算分区B近几年区域降雨不能够代表丰枯变化,整体偏枯,可采用典型年法对农业灌溉用水量进行核算,结果显示该区域应核减农业灌溉用水量0. 43亿m~3。计算分区C基础资料齐全、年降雨频率偏丰及偏枯区域均适用,应采用长系列法对农业灌溉用水量进行核算,结果显示该区域应核增农业灌溉用水量1. 48亿m~3。总得来说,现状法较为简便,资料易于获取,但有一定的局限性,受近几年的降雨量影响较大;典型年法相对较为复杂,且对于评价年份降雨较丰的区域不适用。因此,在基础资料完备的情况下,长系列法适应性较强。     

遥感估算蒸腾蒸发量的时空尺度推演方法及应用

本文提出了适合任意蒸腾蒸发量(ET)的时空尺度推演方法，建立了不同土地类型区域的水分盈亏计算方法。利用NOAA/AVHRR和Landsat TM遥感数据分别反演出影像，获取当天的实际蒸腾蒸发量，通过Penman-Monteith公式并使用气象数据计算出参照蒸腾蒸发量，然后用空间和时间的推演法，形成高分辨率、长时间序列的遥感反演ET结果，同时对降雨量进行样条插值得到数字图像。以此为基础，通过区域水量平衡分析方法对通县1999年的区域水分盈亏状况进行了研究。