基于遥感的农业灌溉用水量核算方法研究

石家庄市水资源综合服务中心 杨晓清

前言

农业用水是我国经济社会用水的重要组成部分。根据河北省水资源公报，2020 年河北省总用水量为182.76 亿 m3，其中农业用水量达 107.70 亿 m3，占总用水量的59%，农业灌溉用水量为95.75 亿m3，占农业用水量的89%。因此农业灌溉用水量统计数据的准确性和合理性对用水总量统计工作至关重要。农业用水点多、面广、计量设施薄弱、种植结构复杂，且受气候、土壤、作物、耕作方法及灌溉方式等诸多因素影响，农业灌溉用水统计难度较大。

河北省现有规模以上农业灌溉机井达94 万眼以上，基本处于无计量状态，短期内不可能实现全部机井安装计量设施。针对农业用水取水水源分散、计量率低的客观现实，较为便捷和准确地实现区域农业用水核算，主要有两种技术方案：一是以电折水，即依据区域农灌用电量数据和试验量测确定的以电折水系数核算区域农业灌溉用水量；二是实际定额法，即依据作物观测期实际用水定额和作物面积核算区域农业灌溉用水量。

目前这两种方法的实际应用还存在很多问题，为此河北省开展了农业用水典型观测站网及配套遥感调查体系建设，选取典型井、典型县开展农业地下水开采量遥感调查，利用遥感数据进行农作物精细分类和种植面积提取，配合农作物实测亩均灌溉用水量，核算区域农业灌溉用水量，为用水总量统计提供重要的辅助数据。

根据河北省地形地貌、地表岩性分区、种植结构等因素，选取正定县为研究试点之一。

1 正定县概况

1.1 自然地理情况

正定县位于河北省西南部，地处太行山东麓，属太行山前洪冲积平原，地势平坦、地形高低变化不大，地貌单一。

1.2 气象

正定县位于北温带半干旱、半湿润季风气候区，其特点是大陆季风气候明显，春秋短，冬夏长，四季分明。多年平均年降水量为534 毫米，1954 年降水量最多达1105 毫米，1957 年降水量最少，仅 265 毫米。2021 年降水量为913.2 毫米，为2000 年以来22 年中最大降雨量。

1.3 种植结构

正定县属于太行山山前平原区，主要农产作物分两季，一季冬小麦，另一季是玉米。粮食种植面积占90%，蔬菜、花生、豆类等经济作物种植面积占10%。

2 技术路线

灌溉用水定额因灌溉分区、作物类型、灌溉方式、土壤类型的不同，分别有不同的数据。灌溉分区分为井灌区、井渠双灌区和渠灌区，土壤类型分为粉土、粉质黏土、粉砂以及中砂，灌溉方式分为管灌、畦灌、喷灌和滴灌。

2020 年在正定县选取9 个典型村，农作物、土壤、灌溉方式需有代表性。在典型村农灌井上统一安装机械水表记录全村2021 年地下水的实际开采量，得到典型村2021 年农业灌溉实际用水量。

根据野外调查及2020 年农作物种类遥感解译结果，在正定县选取典型井安装远传水表计量设施80套，观测特定作物2021 年的用水量，观测周期为2021年1 月1 日至2021 年12 月31 日。通过典型井观测记录的一年内特定作物灌溉用水量及特定作物面积，计算出年内各类型农作物在不同土壤类型、不同灌溉类型条件下的典型井亩均灌溉用水量。通过遥感技术提取2021 年9 个典型村不同农作物种植面积，与相应农作物、土壤类型、灌溉类型的典型井亩均灌溉用水量相乘后累加，得到2021 年典型村农业灌溉核算用水量。

典型村农业灌溉核算用水量与该村计量的农业灌溉实际用水量对比分析，评价利用遥感监测方法核算该村农业灌溉用水量的精度及可行性。

以典型井、典型村测算结果为基础，运用遥感技术提取2021 年正定县全境各类型农作物种植面积，与相应农作物、土壤类型、灌溉类型的典型井亩均灌溉用水量相乘后累加，得到全县农业灌溉核算用水量。

3 农作物种植信息遥感解译及特征分析

3.1 基础资料

遥感基础资料包括：统计年鉴、社会经济现状等；近年降雨量、蒸发量及气温资料；土壤数据、灌溉方式、灌溉类型、农作物类型、农时信息、地表水灌溉分布、农作物灌溉定额、行政区划矢量边界、地形数据、遥感卫星数据、几何校正参数影像等数据。

据调查，正定县全境为纯井灌区，灌溉类型单一。

正定县总面积为468km2，土壤岩性有中砂、粉砂、粉土、粉质黏土4 种类型。按土壤岩性分区，中砂主要分布在正定县南楼乡北部，面积约10.15km2，占比约2.17%；粉砂呈“U”字型分布在正定县南楼乡—新安镇—西平乐乡—新城铺镇4 个乡镇，南牛乡北部也有分布，面积约85.98km2，占比18.34%；粉土主要分布在正定县中部，面积约264.84km2，占比56.51%，粉质黏土主要分布在正定镇大孙村、西上泽村、诸福屯村一线以南地区，面积约107.72km2，占比为22.98%。

3.2 2020 年农作物种植结构遥感解译

通过遥感解译将2020 年正定县农作物种植结构及面积进行初步统计，遥感解译结果显示正定县2020年农作物种植面积分别为：小麦17737 公顷、玉米14033 公顷、花生6675 公顷、林地7110 公顷、果树1423 公顷、蔬菜 3512 公顷、大棚 140 公顷，为 2020 年底选取典型井提供了技术支撑。

3.3 2021 年农作物种植结构遥感解译及特征分析

通过多源遥感影像收集，以高分辨率影像为底图，利用实地调查选取不同作物类型的样点，建立解译标志，计算各农作物类别样本的基本光谱特征信息。基于农作物光谱特征、物候信息、植被指数，建立不同农作物类别，提取农作物种植分类遥感信息。遥感数据解译结果与野外实地采集参与分类及精度评价的测试样本相验证，用于评价分类准确度。

正定县夏收季遥感解译成果总体解译精度为90%，Kappa 系数为0.88。秋收季遥感解译成果总体解译精度为93%，Kappa 系数为0.91。总体解译精度符合项目遥感解译精度要求。

通过遥感解译，正定县2021 年夏收农作物有冬小麦、西瓜、春玉米以及蔬菜，农作物种植面积为19629公顷；主要农作物种植类型以冬小麦为主，种植面积16436 公顷，占比83.7%；花生为次要种植类型，种植面积2173 公顷，占比11.1%；西瓜、春玉米、蔬菜的种植面积分别为519 公顷、357 公顷、144 公顷，分别占农作物种植面积的2.7%、1.8%、0.7%。冬小麦在正定各个乡镇均有大面积分布，且呈现集中连片的种植特征，西瓜主要分布在滹沱河沿岸区域，春玉米、蔬菜种植规模较小，分布较为分散。

2021 年秋收农作物有玉米、花生、大豆以及蔬菜，农作物种植面积为20490 公顷，主要农作物以玉米为主，种植面积17944 公顷，占比87.6%；花生为次要种植类型，种植面积2173 公顷，占比10.6%；大豆、蔬菜的种植面积分别为284 公顷、89 公顷，占比1.4%、0.4%。冬小麦与夏玉米轮作是正定县主要种植特征，因此，玉米和夏收季冬小麦的分布特征一样，有大面积分布，且呈现集中连片的种植特征；花生主要分布在南楼乡、正定镇，其他乡镇种植面积较少；花生、大豆、蔬菜种植面积较小，分布较为分散。

2021 年冬季农作物种植类型为冬小麦和蔬菜，农作物种植面积为16422 公顷，冬小麦种植面积为16260公顷，占比99%；蔬菜种植面积为162 公顷，占比1%。

4 典型井选取及水量监测

4.1 典型井选取

选取原则：典型井选取成井10 年以内的农业机井，设备运转正常且出水量稳定；单井控制范围内土壤类型、灌溉方式单一；各井观测期内任意季节所灌溉作物种类单一。

根据典型井的选取原则，正定县内选取了80 眼典型井安装远传计量设备。选取的典型井覆盖了全部土壤类型、作物种类、灌溉方式，基本保证区域内各类土壤类型、灌溉方式的农作物都能得出相应的典型井亩均灌溉用水量。

4.2 确定典型井控制面积

典型井所在位置、控制作物类型、灌溉方式等确定之后，需要将典型井所控制的作物面积圈定。野外人员通过调查询问并利用手持GPS 记录典型井所控制作物面积的拐点坐标，并在奥维互动地图上进行初步圈定。遥感通过坐标及作物特征解译进一步确定该典型井所控制作物的面积，提高典型井控制作物面积的准确率。

4.3 典型井用水量统计

典型井监测用水量通过远传计量设备传输至在河北省水量监控平台上并记录农灌用水量数据。通过平台典型井2021 年1 月至2021 年12 月用水数据可以分析各典型井所圈定的特定土壤类型、特定灌溉方式下特定作物2021 年的农业灌溉用水数据。

4.4 灌溉定额试验

在典型井区域范围内，针对小麦、玉米、花生、西瓜等典型作物，开展灌溉定额试验，准确记录试验期间的起止时间、作物种类、水表数、测定流量数等数据，在此基础上求取作物的亩均灌溉用水量。

4.5 作物典型井亩均灌溉用水量可靠性分析

根据河北省农业综合区划、水资源条件和现有的行政区分区，综合考虑土壤类型、灌溉方式的不同将作物典型井亩均灌溉用水量进行分类，分别与对应的河北省用水定额对比，分析试验结果的可靠性。

5 典型村农业灌溉实际用水量

2021 年各典型村农业灌溉实际用水量，通过在各选取的典型村农灌井上安装机械水表，由工作人员定期抄录用水量数据得出。

典型村机械水表的安装根据村委会提供的在册机井名单统一安装，对个别不适合安装机械水表的农灌井，需要将该井所控制的农业灌溉面积和用水量扣除，以保证典型村内的农灌井上的机械水表精确记录年内地下水实际开采量。

6 典型村农业灌溉核算用水量可行性评价

采用遥感技术提取了9 个典型村不同农作物种植面积，与相应农作物、土壤类型、灌溉类型的典型井亩均灌溉用水量相乘后累加，得出典型村农业灌溉核算用水量。

典型村农业灌溉核算用水量与该村计量的农业灌溉实际用水量数据对比分析，可评价利用遥感监测方法核算农业灌溉用水量的精度及可行性。

2021 年正定县9 个典型村农业灌溉核算用水量共计378 万立方米，农业灌溉实际用水量达449 立方米，误差值为16%，核算精度为84%。9 个典型村核算精度最高的为95%，最低的为75%。

7 正定县2021 年农业灌溉核算用水量计算

与典型村核算方式相同，采用遥感技术得到的正定县各类型农作物种植面积，与相应农作物、土壤类型、灌溉类型的典型井亩均灌溉用水量相乘后累加，即可得到正定县农业灌溉核算用水量。

8 典型井数据分析

8.1 不同灌溉方式对农业灌溉用水量的影响

正定县农业灌溉方式分为管灌、畦灌、喷灌和滴灌4 种。数据显示，当种植作物与土壤类型都相同时，作物亩均灌溉用水量受灌溉方式影响明显，管灌亩均灌溉用水相对较大，喷灌和畦灌次之，滴灌相对较小。

8.2 不同土壤类型对农业灌溉用水量的影响

正定县土壤类型分为粉土、粉质黏土、粉砂以及中砂4 种。数据显示，相同作物、灌溉方式下，土壤类型为中砂的亩均灌溉用水量较大，粉砂次之，粉土再次，粉质黏土亩均灌溉用水量最小。

8.3 不同作物类型对农业灌溉用水量的影响

依据遥感解译和野外实地调查数据，计算分析不同作物的用水情况可知：小麦、果树、蔬菜亩均用水量约130m3/亩～190m3/亩，玉米、西瓜、花生亩均用水量约70m3/ 亩～110m3/ 亩；大棚亩均水量约2003/ 亩～370m3/亩，林地亩均用水量约10m3/亩～40m3/亩。

8.4 不同作物年度灌溉用水量分布

农业灌溉数据显示，2021 年正定县大部分小麦灌溉次数共4 次，分别为3 月中旬至4 月中旬、4 月中旬至5 月中旬、5 月中下旬及12 月下旬。棉花灌溉集中在4～6 月，灌溉次数 1～3 次。花生灌溉集中在 4～6 月，灌溉次数1～2 次。玉米一般在6 月中下旬灌溉，2021 年降雨量较为丰沛，受降雨影响，玉米灌溉用水量有不同程度减少，甚至不用灌溉。

9 结语

高精度的遥感解译和详尽的野外调查为农业灌溉用水量核算方法的精度提供了可靠保证，为进一步推进农业灌溉用水的科学分析、智慧农业发展和农田灌溉现代化积累了科学依据。