节水措施对玛纳斯河流域蒸散发变化相关分析

王 翠

（中工武大设计研究有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

社会经济的不断发展给全球淡水资源带来越来越大压力，尤其是在过去的近一个世纪里，越来越多的土地在人为驱动下转换成农业灌溉生产区。为了解决水资源短缺及水资源时空分布不均，人们采用一系列节水措施达到提高水资源可用性的目的，例如修建水坝和水库，大面积采用滴灌，输水渠道防渗等。这些节水措施往往针对性地使用在局部地区，尤其是干旱与半干旱区，这样的人为干预，较大尺度的影响了陆地水通量。本文选取中国膜下滴灌技术研发地玛纳斯河流域作为研究区，分析了流域节水措施进一步发展潜力，得出节水措施对流域蒸散发影响，研究成果对于认识干旱区绿洲生态环境变化与人类活动的相互作用机制具有重要意义。

1 研究区节水措施发展概况

玛纳斯河流域位于中国天山北坡经济带核心区域，地处准噶尔盆地南缘，典型山地—绿洲—荒漠景观格局，地貌上分为上游高山区、中部平原区和下游荒漠区。行政区包括昌吉州的玛纳斯县、塔城地区的沙湾县、石河子市、农八师、农六师的新湖总场以及克拉玛依市的小拐乡。

玛纳斯河流域是我国典型干旱区内陆河流域，水资源分配和利用是决定该地区土地利用、农业生产和社会经济发展的关键性因素。流域通过渠系、水库等水利工程设施将出山口径流引入平原区构成人工水系。流域先后修建了12座大中型平原水库，水库群现有总库容为5.84×108m3。干支渠285条，全长956km，斗渠2687条，全长3528.8 km，年引水量为16.4×108m3。流域水资源经过多年的开发，发展为中国第四大灌溉农业区。平原区分布包括莫索湾灌区、石河子灌区、下野地灌区、清水河灌区等10余个灌区[1]。

20世纪60年代以来，水资源需求量也逐年增加，流域节水灌溉面积不断扩大，流域内地表水资源有限，人们开始转向依赖于开采地下水。自1996年起，流域大面积运用膜下滴灌节水措施，流域农田灌溉方式经历了大水漫灌、沟灌到先进的膜下滴灌的发展历程。节水措施的大力推广，地下水长期过度开采，地表面的人为扰动，下垫面覆盖情况发生改变，造成水循环要素随之改变，蒸散发作为最重要的耗散项与地表面环境息息相关[2~3]，分析节水措施对玛纳斯河流域蒸散发影响，揭示节水措施下流域水循环要素和蒸散发间相互作用关系，对节水措施的进一步推广及区域生态安全具有重要意义。

流域大规模发展节水，尤其是农业节水，使得流域有限的水资源能够满足流域内人口不断增长和经济快速发展的需要。流域内运用的主要节水措施包括滴灌技术，渠道防渗，水库大坝修建和修复等。由表1、表2可知，截止2015年，流域水资源利用率达96%。地下水开采率56.8%。

表1 区域水资源量及利用现状（单位：108m3）

表2 滴灌技术应用前后玛纳斯河流域节水指标

滴灌技术的不断推广，使田间水利用系数，渠系水利用系数，灌溉水利用系数不断提高。节水灌溉耕地面积不断增大，流域内农田灌溉亩均用水量不断减少。截止2015年，流域亩均用水量为430 m3/亩，节水灌溉耕地面积比82.1%，但是节水措施强度未达到国际领先水平，流域还具有节水措施发展空间。目前，发达国家亩均用水量可减少至400 m3/亩，节水灌溉耕地面积比可达90%。从现状数据可看出，玛纳斯河流域节水措施应用具有很大发展潜力。

2 数据和方法

2.1 数据收集与处理

研究所用数据包括蒸散发产品数据，气象数据。

选用 MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光谱仪）全球蒸散产品MOD16A2数据集中2000-2014蒸散发年值作为研究蒸散发数据，数据来源：http://www.ntsg.umt.edu/project/mod16。MOD16数据集的地表蒸散量反演算法是Mu等先后在2007年和2011年基于Penman-Monteith公式和地表能量平衡理论改进后的算法[4~5]。所用数据及用途，时间空间范围见表3。

表3 研究数据列表

2.2 研究方法

2.2.1 蒸散发数据验证方法

利用均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MRE)等定量指标对估算ET和MOD16A2_ET进行对比验证[6~7]。计算公式分别为:

式中：n为观测样本个数 (n=15)；ETmi和ETwi分别为提取的MOD16蒸散发产品站点数据和彭曼蒙特斯公式（Penman Monteith Equation）估算PET的值或蒸发皿观测等验证数据。

2.2.2 蒸散发数据分析方法

利用最小二乘法，基于各栅格计算2000年~2014年蒸散量的变化趋势，计算公式为:

式中:slope为变化速率，为mm·(15a)－1；n为研究时段长，n=15;ETMi为第i年MOD16_ET实际和潜在蒸散量。其中，slope为负表示蒸散量变化趋势为减少；slope为正表示蒸散量变化趋势为增加[8~9]。

3 节水措施下蒸散发结果和分析

3.1 MOD16蒸散产品精度验证

提取MOD16蒸散发矢量图上对应站点的实际蒸散发ET和潜在蒸散发PET数据，选用流域石河子和莫索湾两个国家级气象站点数据验证MOD16蒸散发产品的精度。气象站点蒸发皿数据是较可靠水面蒸发值可作为潜在蒸散发PET的验证数据，由于缺少流域实际蒸散发ET的观测资料，且有研究表明，随着地区干燥度增加，实际蒸散发量占降水量的比例呈增加趋势，并最终倾向于降水量[16~17]，因此选取站点降雨数据验证流域实际蒸散发，均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MRE)见表4，表4验证结果表明，MOD16蒸散发产品在研究区具有可用性。

表4 MOD16蒸散发数据验证结果

3.2 流域蒸散发时空演变分析

通过MOD16蒸散发产品解译可以得到2000年~2014年实际蒸散发（ET）和潜在蒸散发（PET）时空分布特征图，见图1。从图1可得，玛纳斯河流域实际ET年平均值200 mm~250 mm，潜在PET年平均值1600 mm~1800 mm。年平均ET与PET的差距非常大，说明玛纳斯河流域属于非常干旱与半干旱地区。以五年为时间界限，可将十五年蒸散发数据划分三个阶段，则可明显看出流域PET和ET变化规律，即ET先减小后增大，PET先增大后减小。在变化趋势上呈现良好相关性，年际间PET减少则ET增加，说明玛纳斯河流域实际蒸散发与潜在蒸散发存在良好的互补关系。

图1 玛纳斯河流域ET、PET年际变化曲线对比图

3.3 节水措施下玛纳斯河流域蒸散发变化相关分析

图2 玛纳斯河流域2000年~2014年ET、PET变化趋势分布图（MOD16）

大值，流域出现近十五年最干旱。玛纳斯河流域平原区耕地越来越湿润趋势，而其他区域则显示越来越干旱趋势，进一步论证流域绿洲化和荒漠化同时加剧的现状。

2)针对玛纳斯河流域节水条件下环境因子变化的生态效应，从绿洲化和荒漠化两个角度开展节水措施下流域蒸散发变化情况，从流域蒸散发变化情况可进一步确定流域合理的耕地面积，是节水措施条件下流域生态的安全基础。

利用最小二乘法，基于各栅格计算2000年~2014年蒸散量的变化趋势得到图2，即2000年~2014年蒸散（ET）、潜在蒸散（PET）变化趋势分布图，图中大于0为增长趋势，小于0为减少趋势，与0偏移量大说明趋势明显。从图2可知，ET与PET在空间上成相反变化趋势，ET在平原区耕地区域显示增加趋势，其余区域显示减少趋势，而PET在平原区耕地区域显示减少趋势，其余区域显示增加趋势，说明玛纳斯河流域平原区耕地有越来越湿润趋势，而其他区域越来越干旱。

干旱区水资源数量时空分布状况是控制流域荒漠化和绿洲化进程的主导因子。流域节水措施条件下耕地面积逐年增长，下垫面环境改变，地表实际蒸散发在人类活动密集区呈现增加趋势，其他地区呈现减少趋势，而潜在蒸散发变化趋势与实际蒸散发相反。因此，流域人类活动，尤其是节水措施的推广，影响了流域土地利用类型，改变了流域农田水循环过程。

4 结论

1)通过分析流域近15年流域蒸散发变化规律，得出节水措施不断推广可改变蒸散发下垫面环境、改变农田水循环过程。在2008年流域实际蒸散发出现极小值，潜在蒸散发出现极