海河流域ET 耗水量分布特征研究

王文生，齊建懷，朱新軍，鄒潔玉

（水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170）

1 引言

海河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，水資源需求日益增加，但近年流域內(nèi)降水量偏少（2002—2008年年均降水量 495.7mm），而同期平均耗水量（511.1mm）較高，水資源供耗形勢(shì)緊張，特別是降水與水資源消耗時(shí)空分布之間的不協(xié)調(diào)現(xiàn)狀，更加劇了流域水資源供需矛盾。利用流域的遙感ET成果，分析全流域分年度的耗水量及其空間分布狀況，研究耗水空間分布規(guī)律、時(shí)間變化趨勢(shì)和下墊面影響，掌握流域和區(qū)域水資源消耗分布現(xiàn)狀，可為基于耗水的水資源管理及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境用水等提供數(shù)據(jù)參考。

2 研究區(qū)基本情況

海河流域是全國(guó)政治文化中心和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)之一。流域地處溫帶半濕潤(rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫由南往北和由平原向山地降低，極端最高氣溫一般出現(xiàn)在6、7月份，極端最低氣溫一般出現(xiàn)在1、2月份。流域1956—2000年多年平均降水量535 mm，是我國(guó)東部沿海降水最少的地區(qū)。冬季寒冷少雪，盛行北風(fēng)和西北風(fēng)；春季氣溫回升快，風(fēng)速大；夏季氣候濕潤(rùn)，降雨多，多東南風(fēng)；秋季天高氣爽，降雨量少。流域?qū)儆谫Y源性嚴(yán)重缺水地區(qū)，以不足全國(guó)1.3%的水資源量承擔(dān)著11%的耕地面積和10%人口的用水任務(wù)，水資源供需矛盾十分突出。1980—2000年，流域水資源總開(kāi)發(fā)利用程度達(dá)98%；其中，灤河及冀東沿海和徒駭馬頰河開(kāi)發(fā)利用率為74%，海河北系、海河南系高達(dá)105%和109%。流域水資源開(kāi)發(fā)利用程度已經(jīng)嚴(yán)重超過(guò)國(guó)際上公認(rèn)的安全開(kāi)發(fā)利用程度，需從減少水資源消耗的角度真正降低水資源的開(kāi)發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)流域水資源的可持續(xù)利用。

3 ET耗水量分布特征

3.1 ET耗水量空間分布特征

海河流域2002—2008年多年平均ET耗水量為511.1 mm，遙感ET耗水量的空間分布如圖1所示。

從圖1可以看出，海河流域ET耗水量的空間分布各年規(guī)律性比較強(qiáng)：山區(qū)ET值較低，尤其是內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)的灤河上游山區(qū)、永定河三家店上游山區(qū)最低；平原區(qū)ET值較高，尤其是環(huán)渤海帶及徒駭馬頰河平原區(qū)最高；流域ET值南部高于北部，北京、天津、石家莊等城市低于郊區(qū)和農(nóng)田。

平原區(qū)ET值比山區(qū)多年平均高190 mm，這是因?yàn)樯絽^(qū)地表主要以稀疏草地、灌木林地或疏林地為主，覆蓋指數(shù)較低，旱地多為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，ET值較低；而平原區(qū)是海河流域主要糧食種植區(qū)，農(nóng)業(yè)多為復(fù)種指數(shù)較高的兩季作物，且多以開(kāi)采地下水、引用地表水及引黃灌溉等人工灌溉為主，導(dǎo)致ET耗水量較高。

3.2 ET耗水量時(shí)間分布特征

對(duì)海河流域2002—2008年各月的ET耗水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)年內(nèi)12個(gè)月份的ET空間分布為：沿太行山、燕山山脈的山區(qū)ET值較低，1—12月為10～90～10 mm，變化幅度不大；平原區(qū)1—12月為10～210～10 mm，變化幅度比較大，其中山東省齊河縣、禹城市，河北省定州市、望都縣、徐水縣、高碑店市變化非常明顯。2002—2008年各年月過(guò)程的ET耗水量如圖2所示。

圖1 2002-2008年海河流域遙感監(jiān)測(cè)ET空間分布（單位/mm）

由圖2可以看出ET的年內(nèi)變化具有以下規(guī)律：①8月份前為整體上升趨勢(shì)。其中，1—3月份氣溫回升，ET也有升高的趨勢(shì)，但因氣溫仍然較低，ET升高較為緩慢。4—5月份氣溫升高迅速，降水量開(kāi)始增多，此階段ET耗水量升高較快。6月份ET耗水量有明顯降低趨勢(shì)，這是因?yàn)楹：恿饔?月底至6月底為冬小麥?zhǔn)斋@至夏玉米出苗期，作物蒸騰量低，流域綜合ET降低。7—8月份流域內(nèi)夏季作物生長(zhǎng)茂盛且該階段降水量較為豐沛，氣溫較高，因此流域ET耗水量較高。②8月份后為整體下降趨勢(shì)。8月份的ET耗水量達(dá)到最高，之后由于氣溫、降水等因素影響，ET耗水量呈下降趨勢(shì)，12月份年均ET僅有6.9 mm。③10月份至次年3月份ET耗水量較低，僅占全年ET耗水量的15.3%；4—9月份的ET耗水量高，占全年ET耗水量的84.7%。

3.3 土地利用類型ET耗水特征

（1）海河流域土地利用信息：海河流域土地利用信息是基于MODIS遙感數(shù)據(jù)獲取的，其空間分辨率為250 m×250 m。經(jīng)對(duì)2004年遙感土地利用類型（見(jiàn)圖3）進(jìn)行分析，各土地利用類型對(duì)應(yīng)的面積見(jiàn)表1。

海河流域2004年土地利用類型中，旱地面積158 378 km2，占總面積的49.49%；林地面積6 740 km2，占總面積的 2.11%；灌木林面積 65 278 km2，占總面積的 20.40%；草地面積 53 166 km2，占總面積的16.61%；建設(shè)用地面積25 447 km2，占總面積的 7.95%。

表1 2008年海河流域土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)

（2）海河流域各土地類型ET耗水特征：根據(jù)各年土地利用及遙感監(jiān)測(cè)ET空間分布信息，對(duì)不同土地利用類型的ET信息進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型的ET耗水量如圖4所示。

從圖4可見(jiàn)，不同土地利用類型的ET耗水量差別較大，其中水體、蘆葦?shù)丶八镙^高，年均在600 mm以上；林地、旱地基本相當(dāng)，而灌木林地低于林地，草地更低；建設(shè)用地最低，年均僅217 mm。

（3）海河流域旱地ET耗水特征：海河流域主要土地利用類型為旱地，面積占流域總面積的49.5%，2004年旱地在海河流域的空間分布狀況、旱地ET耗水量的空間分布及旱地ET耗水量直方圖如圖5所示。

圖2 海河流域2002-2008年月過(guò)程ET耗水量

圖3 海河流域2008年土地利用類型

從圖5可以看出，海河流域平原區(qū)基本為旱地，流域山區(qū)的張（家口）宣（化）、蔚（縣）陽(yáng)（高）、涿（鹿）懷（來(lái)）、大同、天（鎮(zhèn)）陽(yáng)（高）、延慶、遵化、忻（州）定（襄）、長(zhǎng)治等盆地也主要為旱地，旱地ET的空間分布較有規(guī)律：山區(qū)旱地的ET耗水量較低，平原區(qū)較高，尤其是徒駭馬頰河區(qū)域更高。旱地ET耗水量呈雙峰分布，低峰值出現(xiàn)在360 mm左右，高峰值出現(xiàn)在640 mm左右。結(jié)合ET空間分布可以推斷山區(qū)旱地ET基本以360 mm左右為主，為山區(qū)河谷雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)；平原區(qū)旱地ET以640 mm為主，主要為灌溉農(nóng)業(yè)。

圖4 不同土地利用類型ET耗水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5 2004年海河流域旱地（左）、旱地ET耗水量（中）及旱地ET耗水量直方圖（右）

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)海河流域ET耗水量的時(shí)空分布特征及不同土地利用類型的ET耗水量進(jìn)行了分析。海河流域ET耗水量南部高于北部，平原區(qū)高于山區(qū)；月際變化較大，1月份最低，8月份最高；在植被復(fù)種指數(shù)高、實(shí)施人工灌溉的區(qū)域高，在復(fù)種指數(shù)低、植被覆蓋度低、無(wú)人工灌溉的區(qū)域低。

通過(guò)對(duì)流域ET耗水量的時(shí)空分布特征及影響因素的分析，認(rèn)為可以采取如改變種植結(jié)構(gòu)、優(yōu)化灌溉制度、蓄水保墑等措施降低ET消耗，為基于耗水的水資源管理提供科學(xué)數(shù)據(jù)和理論參考，從而真正實(shí)現(xiàn)流域水資源的可持續(xù)利用。