遙感技術應用于都江堰灌區灌溉水有效利用系數測算的方法探究

康小平,廖晉一,周韓路,王君勤,李鵬中

(1.四川省水利科學研究院,成都 610072;2.四川省都江堰水利發展中心,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、經久不衰而聞名于世。灌區從成都平原擴大到川中丘陵區,灌溉面積由1949年的18.8萬hm2,發展到2022年的101.27萬hm2。但由于都江堰擴灌工程主要集中在20世紀50至70年代,在當時條件下,工程建設無總體規劃,靠大兵團作戰,土法施工,“二邊”工程較多,建設標準低,配套差,老化嚴重。輸水損失大,田間灌水方式落后,水資源利用率低,灌區處于“低效高耗”狀態。

灌溉水有效利用系數是反映灌區水資源利用效率的重要指標,也是最嚴格水資源管理的指標之一[1],因此開展都江堰灌區灌溉水有效利用系數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的測算研究較早,早在20世紀50、60年代就開始借鑒國外經驗形成了相關評價指標和評價體系[2]。傳統的測算方法分渠系水利用系數測算和田間水利用系數測算,渠系水利用系數通過“動水法”或“靜水法”測量各級渠道的輸水效率,田間水利用系數通過測量灌溉前后土壤含水量的變化來計算[3]。目前,國內外廣泛采用的是首尾測算法,該方法通過宏觀分析,將進入田間的凈灌溉用水量與渠首的總引水量的比值作為區域的灌溉水有效利用系數[4]。但由于各地自然地理條件和相關管理配套設施具有很大差異性,傳統的測算方法不能廣泛適用于全國各類灌區。

近年來,越來越多學者將遙感技術應用于農業用水效率的評價,通過遙感反演作物蒸散發量推算灌溉水有效利用系數的新方法逐漸在國內外得到應用。蔣磊等[5]利用SEBAL模型計算了河套灌區2000-2010年的蒸散發量,通過蒸散發數據計算灌溉水有效利用系數,并對干旱區灌溉效率進行了評價;吳雪嬌等[6]利用SEBS模型計算了黑河中游地區的蒸散量,驗證了該模型在半干旱地區灌溉用水評價的適用性;李杰等[7]基于遙感蒸散發模型提出了“遙感反演-實地監測-計量經濟學模型監測-數據綜合分析”四位一體的區域灌溉水有效利用系數的技術框架。遙感反演作物蒸散發量具有數據獲取便捷、覆蓋范圍廣泛等特點,將該技術應用于灌溉水有效利用系數的測算能夠有效提升數據的準確性和時效性,為農業水資源高效管理提供支撐[8-9]。

1 遙感蒸散發量估算模型

1.1 SEBAL遙感蒸散發模型

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,通過遙感數據和氣象數據對各項參數進行估算,適用于晴朗天氣條件下具有“極干”和“極濕”表面的研究區[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為衛星遙感觀測的地表溫度;NDVI為歸一化植被指數。

(3)感熱通量H

(4)

式中,ρair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為熱量傳輸的空氣動力學阻力。

1.2 SEBS遙感蒸散發模型

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。該模型通過遙感數據和氣象數據估算非均勻下墊面下的地表湍流熱通量和蒸發比,其與一般單源模型的區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(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為植被覆蓋區參數;fc為植被覆蓋率;Гs為裸土區參數。

(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行穩定度修正,建立平均風速、溫度等參數之間的非線性方程組,進而求解得到感熱通量H[13]。

(7)

(8)

(9)

式中,u為地表風速,m/s;u*為摩擦速度,m/s;k為卡曼常數(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分別為含義動力學傳輸和熱力學傳輸的奧布霍夫穩定度修正函數;L為奧布霍夫穩定度長度,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)串聯雙層模型

串聯雙層模型認為土壤表層和植被冠層相互聯系,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[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的灌溉水有效利用系數[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給量;A為作物實灌面積。

2.1 作物生育期蒸散發量

(22)

蒸發比法假設一天內的蒸發比是不變的,根據蒸發比公式通過日凈輻射量Rn24和水的汽化潛熱λ推算日蒸散發量ET24,其計算公式為:

(23)

由于生育期內遙感影像不能每天覆蓋,需要將日蒸散發量進行擴展。楊雨亭等[17]通過計算日參考蒸散發的比值將遙感反演的日蒸散發量拓展到了生育期,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為降雨強度,mm/min;k為作物的有效降雨入滲系數,通常取0.63～0.8。

2.3 作物生育期地下水補給量

對于地下水缺乏的區域,通常不用考慮地下水對作物的補給;對于地下水較豐富的區域,需要將地下水補給量視為作物生育期利用的水量。通過潛水蒸發量與水面蒸發量的關系計算地下水補給量,其計算公式為:

K=f(H)·E

(25)

式中,K為地下水補給量;f(H)為地下水補給量與地下水埋深的關系系數;H為地下水埋深;E為水面蒸發量。

3 技術方案探析

在總結分析上述方法及其他灌區灌溉水有效利用系數測算成果的基礎上,探析適用于都江堰灌區的灌溉水有效利用系數測算技術方案。技術方案包括應用階段的研究方法、關鍵技術及當前存在的問題,為進一步將理論應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據,反演都江堰灌區瞬時蒸散發和日蒸散發;結合氣象數據計算得到的參照作物蒸散發,根據比值法插值出遙感數據缺失時期的日蒸散發,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,得到整個灌區的灌溉水有效利用系數。具體技術路線如圖1所示。

圖1 溢洪道設計方案

圖1 技術路線

圖2 原設計方案下水舌形態

3.2 關鍵技術

(1)建立遙感蒸散發模型

對3種主要遙感蒸散發量估算模型進行比較,SEBAL模型因其適應性強、公式簡潔的特點,認為是本次研究最適合的模型。該模型構建關鍵在于下墊面參數的準確性,如地表溫度參數需要通過遙感反演LST獲取,空氣密度、空氣定壓比熱容等參數需要依靠氣象站提供數據支撐。

(2)都江堰灌區模型的應用

模型的應用還需根據研究區的具體情況進行改進完善。都江堰灌區涉及范圍較大,其中既有平原區也有丘陵區,數據處理及成果檢驗需分區分塊進行。如東風渠管理處灌區主要位于成都平原,下墊面平整、能量交換單一,采用SEBAL模型能達到較好的效果;而人民渠第二管理處灌區主要位于丘陵山區,下墊面較復雜,根據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

遙感行業正處于快速發展時期,現有的遙感衛星基本能覆蓋全國,但特定領域、特殊區域對遙感影像的需求還不能滿足。遙感技術反演蒸散發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展的誤差,還需要較高的空間分辨率以提升蒸散發量反演的精度。且熱通量的計算需要影像具有熱紅外波段,當前常用遙感衛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據進行融合等問題都是目前還需進一步研究的內容。

(2)研究區地理及氣象條件影響

當前大部分研究是在北方平原地區,具有地勢起伏較小,少云少雨遙感影像質量較高,農田規模成片易于識別分類等優勢。都江堰灌區由于降雨豐沛,灌溉和降雨對作物蒸散發的影響難以區分,且都江堰灌區地處四川盆地,常年云霧覆蓋,難以獲取到清晰完整的遙感影像。此外,由于都江堰灌區涉及范圍較大,降雨、地形及作物種類也具有區域差異性,所以測算都江堰灌區農業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

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

4 結語

目前,都江堰灌區灌溉水有效利用系數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,傳統的水資源管理方式已經不能滿足新時代的社會需求。遙感技術的應用是未來農業用水管理需要重點發展的新途徑,將遙感手段與傳統方法相融合能夠提升工作效率,增強信息獲取的時效性、廣泛性。本文介紹了基于遙感技術的灌溉水有效利用系數測算的方法,提出了該方法應用于都江堰灌區還需進一步探討的問題,以期在后續的研究中能夠進一步優化,找到最適用于都江堰灌區的灌溉水有效利用系數測算方法及流程,為水資源高效利用管理提供有力的技術支撐。