畢小雪，楊士斌，王玉芳，許新宜，楊 薇

（1.海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津 300061；2.北京師范大學(xué)，北京 100875）

1 引言

全球環(huán)境基金 （Global Environment Facility，簡(jiǎn)稱(chēng)GEF）支持下的“海河流域水資源與水環(huán)境綜合管 理 ” （Integrated Water and Environment Management，IWEM）項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱(chēng)GEF海河項(xiàng)目）旨在海河流域范圍內(nèi)探討水資源與水環(huán)境綜合管理的協(xié)調(diào)機(jī)制和行動(dòng)計(jì)劃，提高海河流域水資源與水環(huán)境的綜合管理水平，減輕流域水污染狀況，從而改善渤海的水環(huán)境質(zhì)量。

按照項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)要求，漳衛(wèi)南運(yùn)河子流域是整個(gè)項(xiàng)目中以污染防治為重點(diǎn)的子流域級(jí)水資源和水環(huán)境綜合管理項(xiàng)目，其主要內(nèi)容是編制水資源與水環(huán)境綜合管理戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（SAP），潞城市作為該子流域上游一個(gè)重要的縣級(jí)市開(kāi)展水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃（IWEMP）的編制[1]。

世界銀行水資源專(zhuān)家提出，在流域水量平衡關(guān)系中，只有ET才是閉合區(qū)域內(nèi)水資源的凈消耗量，即ET是一個(gè)區(qū)域的“真實(shí)”耗水量[2]。只有控制區(qū)域的ET量，才能從根源上控制水的損耗，終止地下水的過(guò)度開(kāi)采，使全流域在可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，逐漸達(dá)到一個(gè)較合理的用水平衡并恢復(fù)良好的生態(tài)環(huán)境[3]。加強(qiáng)ET管理是促進(jìn)水資源合理規(guī)劃的有效手段[4]。因此，結(jié)合海河流域水資源管理的需要和遙感技術(shù)的發(fā)展，GEF海河項(xiàng)目提出了一種基于ET技術(shù)的水資源管理方法，主要體現(xiàn)在遙感ET的應(yīng)用、目標(biāo)ET理論、SWAT模型在ET模擬中的應(yīng)用以及ET平衡分析。

筆者從基于ET技術(shù)的水資源管理方法出發(fā)，首先分別從供耗平衡原理、SWAT模型[5-7]、遙感ET 3個(gè)方面計(jì)算出潞城市的基準(zhǔn)年綜合ET，進(jìn)而推算出規(guī)劃年的目標(biāo)ET。通過(guò)構(gòu)建潞城市SWAT模型，設(shè)置不同的農(nóng)業(yè)管理方式，得到不同情景下的模擬ET，并將其與相應(yīng)的目標(biāo)ET進(jìn)行平衡分析。充分將ET技術(shù)應(yīng)用到潞城市水資源管理中，為調(diào)整潞城市水資源利用與分配方式、制定合理的IWEMP提供一定的決策依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

潞城市域全境屬海河流域漳衛(wèi)南運(yùn)河子流域，地處山西省東南部，西北與襄垣縣以山為界，東北與黎城縣隔河相望，東南與平順縣谷嶺交錯(cuò)，西南與長(zhǎng)治市郊區(qū)垣川接壤。市境輪廓呈不規(guī)則四方形狀，面積為614.94 km2。境內(nèi)氣候?qū)僦袦貛Т箨懶詺夂?；多年平均年氣溫?.2℃；多年平均年降雨量為501.6 mm；多年平均年蒸發(fā)量為1 559.3 mm。常流河有濁漳南源和濁漳干河，其他均為季節(jié)性河流。潞城市轄4個(gè)鎮(zhèn)（店上鎮(zhèn)、翟店鎮(zhèn)、微子鎮(zhèn)、辛安泉鎮(zhèn)）、3個(gè)鄉(xiāng)（史回鄉(xiāng)、合室鄉(xiāng)、黃牛蹄鄉(xiāng)）、2個(gè)辦事處（潞華辦事處、成家川辦事處），共202個(gè)行政村。

隨著潞城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源問(wèn)題日益嚴(yán)峻。地表水可利用率低，河流污染嚴(yán)重，導(dǎo)致地表水可供水量日趨衰減，水資源的供需矛盾日益突出。

3 潞城市目標(biāo)ET的確定

3.1 基準(zhǔn)年綜合ET計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，2004年作為該項(xiàng)目基準(zhǔn)年。筆者分別從供耗平衡原理、SWAT模型和遙感ET 3個(gè)方面計(jì)算基準(zhǔn)年的綜合ET值。

3.1.1 基于供耗平衡原理的ET計(jì)算

供耗平衡原理是指在實(shí)際水資源消耗量和總的目標(biāo)消耗量 （或稱(chēng)之為水資源允許最大消耗量ET）間的平衡。潞城市的最大可用ET，是指當(dāng)?shù)厮锌梢杂糜谡羯l(fā)的水量，用本地降水量與其他可以蒸發(fā)的水量之和減去通過(guò)徑流方式流出本地的水量。根據(jù)潞城市2004年基線調(diào)查報(bào)告可知，該地區(qū)雖有出入境河流，但多數(shù)為過(guò)境流量，2004年尚未開(kāi)始建立污水處理廠（2005年興建），且沒(méi)有境外調(diào)水，因此以上部分不納入計(jì)算。按照現(xiàn)狀水權(quán)分配，潞城市可利用水資源量為0.44億m3；考慮到河道生態(tài)需水的因素，假定由于降水形成的自產(chǎn)徑流量的10%作為區(qū)域內(nèi)河道的生態(tài)需水量，通過(guò)供耗平衡原理計(jì)算得到全市的最大可用ET為510.70 mm。

3.1.2 基于SWAT模型的ET計(jì)算

利用北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的潞城市SWAT模型應(yīng)用工具，建立潞城市SWAT模型，模擬基準(zhǔn)年ET值[8-10]。根據(jù)潞城市數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字河網(wǎng)圖，利用ArcGIS9.2版本的空間分析模塊，將潞城市劃分為64個(gè)子流域。輸入土地利用圖和土壤圖，按照模型要求進(jìn)行重分類(lèi)并疊加，生成413個(gè)水文響應(yīng)單元（HRU），構(gòu)建SWAT模型參數(shù)庫(kù)。將其與氣象、降雨信息等輸入到潞城市SWAT模型應(yīng)用工具中，設(shè)置基準(zhǔn)年的作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉制度和灌溉水源，最終得到模擬ET結(jié)果為462.61 mm。

3.1.3 基于遙感技術(shù)的ET計(jì)算

中科院遙感所提供了基于ETWatch系統(tǒng)生產(chǎn)的30m×30m分辨率的2003、2007、2008年的山西省潞城市全市的遙感ET，見(jiàn)表1。

表1 2003、2007、2008年潞城市遙感ET數(shù)據(jù)

由表1可知，潞城市高分辨率的遙感ET數(shù)據(jù)缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列，只有2003、2007、2008年3年的數(shù)據(jù)?？紤]到缺少基準(zhǔn)年2004年的遙感數(shù)據(jù)，且現(xiàn)有3年的數(shù)據(jù)差別較大，這里暫取其平均值，約為448.3 mm。而綜合ET為遙感ET與工業(yè)及生活耗水ET之和，根據(jù)基線調(diào)查結(jié)果，現(xiàn)狀工業(yè)與生活耗水量約為2 586萬(wàn)m3，折合ET值為42.06 mm，因此由遙感數(shù)據(jù)得到的綜合ET值為490.36 mm。

3.1.4 潞城市基準(zhǔn)年綜合ET值的確定

由以上3種方法計(jì)算得到的綜合ET值差別較大，其中的任何一個(gè)結(jié)果均不能完全代表基準(zhǔn)年的實(shí)際綜合ET值。因此，筆者綜合考慮了以上3種方法的差異性及潞城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)種植特點(diǎn)，結(jié)合GEF海河項(xiàng)目要求，對(duì)上述3個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均作為潞城市基準(zhǔn)年的綜合ET值，即為487.9 mm。

3.2 規(guī)劃年目標(biāo)ET確定

目標(biāo)ET理論是水資源管理研究的前沿，受到世行項(xiàng)目專(zhuān)家組的高度推崇，被確定為GEF海河項(xiàng)目的重要基礎(chǔ)理論。目標(biāo)ET是指在一個(gè)特定發(fā)展階段的流域或區(qū)域內(nèi)，以其水資源條件為基礎(chǔ)，以生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為約束，滿足經(jīng)濟(jì)持續(xù)向好發(fā)展與和諧社會(huì)建設(shè)要求的可消耗水量。

由前述研究結(jié)果可知，基準(zhǔn)年綜合ET為487.9 mm。參考《海河流域節(jié)水和高效用水戰(zhàn)略研究》的研究成果，潞城市2020年目標(biāo)ET為467.00 mm。依據(jù)文獻(xiàn)[1]，至2010、2020年分別完成削減ET量的40%與100%，從而得到2010、2020年的目標(biāo)ET分別為480、467 mm。

4 規(guī)劃年模擬ET計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)[1]，結(jié)合潞城市基準(zhǔn)年水資源利用現(xiàn)狀，對(duì) 2010年平水年 （P=50%）、2010年枯水年（P=75%）、2020年平水年 （P=50%）、2020年枯水年（P=75%）4個(gè)情景進(jìn)行設(shè)置，分別采用不同的作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉制度以及灌溉水源[11]，利用潞城市SWAT模型應(yīng)用工具進(jìn)行情景模擬，情景設(shè)置及模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

5 ET平衡分析計(jì)算

ET平衡分析計(jì)算，即為規(guī)劃年的模擬ET與相應(yīng)的目標(biāo)ET間的平衡分析計(jì)算，所得到的差值即為削減ET值。不同情景下的潞城市ET平衡分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，如圖1所示。

結(jié)果表明，在情景年2010年，不同水平年的模擬ET均低于目標(biāo)ET。這說(shuō)明了調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，加大節(jié)水灌溉力度，可減少農(nóng)業(yè)耗水量。而枯水年的模擬值大于平水年的模擬值，這是由于枯水年降雨較平水年減少，導(dǎo)致灌溉水量加大，從而使無(wú)效ET增多。因此，針對(duì)不同的作物類(lèi)型，需要實(shí)施不同的灌溉方式，積極實(shí)行覆蓋保墑措施，提高作物的水分利用效率，從而減少無(wú)效ET的產(chǎn)生。

表2 情景設(shè)置及模擬結(jié)果

表3 不同情景下潞城市ET平衡分析計(jì)算結(jié)果

在2010年基礎(chǔ)上，2020年將進(jìn)一步調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，加大林地的種植面積，減少耕地面積，同時(shí)減少灌溉水量，但是模擬ET較2010年并沒(méi)有減少。這是因?yàn)榱值孛娣e的增加使得植物蒸騰量增加，從而導(dǎo)致ET總量并未降低。在這樣的情況下，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，積極發(fā)展溫室及其他高效農(nóng)業(yè)。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明，盡管2020年的模擬ET低于目標(biāo)ET，但是兩者差距減小。因此，在進(jìn)一步加大農(nóng)業(yè)管理方式調(diào)整力度的基礎(chǔ)上，要注重其他水源的開(kāi)發(fā)與利用，加強(qiáng)水資源的合理配置，降低耗水量，以提高地區(qū)水資源綜合利用水平。

圖1 不同情景下潞城市ET平衡分析

6 結(jié)論

根據(jù)GEF海河項(xiàng)目要求，結(jié)合潞城市的實(shí)際情況，開(kāi)展了基于ET技術(shù)的水資源管理方法研究。從供耗平衡原理、SWAT模型和遙感ET 3個(gè)方面計(jì)算出基準(zhǔn)年的綜合ET值。結(jié)合目標(biāo)ET理論，計(jì)算出規(guī)劃年目標(biāo)ET。從調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉制度和灌溉水源3個(gè)方面，設(shè)置不同的情景，利用潞城市SWAT模型應(yīng)用工具模擬ET值，進(jìn)行ET平衡分析計(jì)算，通過(guò)改善情景設(shè)置使模擬ET值達(dá)到水資源管理目標(biāo)，從而為潞城市水資源管理提供科學(xué)的決策依據(jù)。

需要指出的是，目前可獲得的遙感解譯ET數(shù)據(jù)的精度還未達(dá)到較高的水平，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需考慮其本身存在的誤差。并且針對(duì)像海河流域這樣高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)的地區(qū)，SWAT模型在水庫(kù)、灌溉、取用水模擬方面存在不足，今后需做進(jìn)一步的改進(jìn)。

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