基于遙感的農(nóng)業(yè)灌溉用水量核算方法研究

石家莊市水資源綜合服務(wù)中心 楊曉清

前言

農(nóng)業(yè)用水是我國經(jīng)濟社會用水的重要組成部分。根據(jù)河北省水資源公報，2020 年河北省總用水量為182.76 億 m3，其中農(nóng)業(yè)用水量達 107.70 億 m3，占總用水量的59%，農(nóng)業(yè)灌溉用水量為95.75 億m3，占農(nóng)業(yè)用水量的89%。因此農(nóng)業(yè)灌溉用水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準確性和合理性對用水總量統(tǒng)計工作至關(guān)重要。農(nóng)業(yè)用水點多、面廣、計量設(shè)施薄弱、種植結(jié)構(gòu)復雜，且受氣候、土壤、作物、耕作方法及灌溉方式等諸多因素影響，農(nóng)業(yè)灌溉用水統(tǒng)計難度較大。

河北省現(xiàn)有規(guī)模以上農(nóng)業(yè)灌溉機井達94 萬眼以上，基本處于無計量狀態(tài)，短期內(nèi)不可能實現(xiàn)全部機井安裝計量設(shè)施。針對農(nóng)業(yè)用水取水水源分散、計量率低的客觀現(xiàn)實，較為便捷和準確地實現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)用水核算，主要有兩種技術(shù)方案：一是以電折水，即依據(jù)區(qū)域農(nóng)灌用電量數(shù)據(jù)和試驗量測確定的以電折水系數(shù)核算區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量；二是實際定額法，即依據(jù)作物觀測期實際用水定額和作物面積核算區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量。

目前這兩種方法的實際應用還存在很多問題，為此河北省開展了農(nóng)業(yè)用水典型觀測站網(wǎng)及配套遙感調(diào)查體系建設(shè)，選取典型井、典型縣開展農(nóng)業(yè)地下水開采量遙感調(diào)查，利用遙感數(shù)據(jù)進行農(nóng)作物精細分類和種植面積提取，配合農(nóng)作物實測畝均灌溉用水量，核算區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量，為用水總量統(tǒng)計提供重要的輔助數(shù)據(jù)。

根據(jù)河北省地形地貌、地表巖性分區(qū)、種植結(jié)構(gòu)等因素，選取正定縣為研究試點之一。

1 正定縣概況

1.1 自然地理情況

正定縣位于河北省西南部，地處太行山東麓，屬太行山前洪沖積平原，地勢平坦、地形高低變化不大，地貌單一。

1.2 氣象

正定縣位于北溫帶半干旱、半濕潤季風氣候區(qū)，其特點是大陸季風氣候明顯，春秋短，冬夏長，四季分明。多年平均年降水量為534 毫米，1954 年降水量最多達1105 毫米，1957 年降水量最少，僅 265 毫米。2021 年降水量為913.2 毫米，為2000 年以來22 年中最大降雨量。

1.3 種植結(jié)構(gòu)

正定縣屬于太行山山前平原區(qū)，主要農(nóng)產(chǎn)作物分兩季，一季冬小麥，另一季是玉米。糧食種植面積占90%，蔬菜、花生、豆類等經(jīng)濟作物種植面積占10%。

2 技術(shù)路線

灌溉用水定額因灌溉分區(qū)、作物類型、灌溉方式、土壤類型的不同，分別有不同的數(shù)據(jù)。灌溉分區(qū)分為井灌區(qū)、井渠雙灌區(qū)和渠灌區(qū)，土壤類型分為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂以及中砂，灌溉方式分為管灌、畦灌、噴灌和滴灌。

2020 年在正定縣選取9 個典型村，農(nóng)作物、土壤、灌溉方式需有代表性。在典型村農(nóng)灌井上統(tǒng)一安裝機械水表記錄全村2021 年地下水的實際開采量，得到典型村2021 年農(nóng)業(yè)灌溉實際用水量。

根據(jù)野外調(diào)查及2020 年農(nóng)作物種類遙感解譯結(jié)果，在正定縣選取典型井安裝遠傳水表計量設(shè)施80套，觀測特定作物2021 年的用水量，觀測周期為2021年1 月1 日至2021 年12 月31 日。通過典型井觀測記錄的一年內(nèi)特定作物灌溉用水量及特定作物面積，計算出年內(nèi)各類型農(nóng)作物在不同土壤類型、不同灌溉類型條件下的典型井畝均灌溉用水量。通過遙感技術(shù)提取2021 年9 個典型村不同農(nóng)作物種植面積，與相應農(nóng)作物、土壤類型、灌溉類型的典型井畝均灌溉用水量相乘后累加，得到2021 年典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量。

典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量與該村計量的農(nóng)業(yè)灌溉實際用水量對比分析，評價利用遙感監(jiān)測方法核算該村農(nóng)業(yè)灌溉用水量的精度及可行性。

以典型井、典型村測算結(jié)果為基礎(chǔ)，運用遙感技術(shù)提取2021 年正定縣全境各類型農(nóng)作物種植面積，與相應農(nóng)作物、土壤類型、灌溉類型的典型井畝均灌溉用水量相乘后累加，得到全縣農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量。

3 農(nóng)作物種植信息遙感解譯及特征分析

3.1 基礎(chǔ)資料

遙感基礎(chǔ)資料包括：統(tǒng)計年鑒、社會經(jīng)濟現(xiàn)狀等；近年降雨量、蒸發(fā)量及氣溫資料；土壤數(shù)據(jù)、灌溉方式、灌溉類型、農(nóng)作物類型、農(nóng)時信息、地表水灌溉分布、農(nóng)作物灌溉定額、行政區(qū)劃矢量邊界、地形數(shù)據(jù)、遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、幾何校正參數(shù)影像等數(shù)據(jù)。

據(jù)調(diào)查，正定縣全境為純井灌區(qū)，灌溉類型單一。

正定縣總面積為468km2，土壤巖性有中砂、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土4 種類型。按土壤巖性分區(qū)，中砂主要分布在正定縣南樓鄉(xiāng)北部，面積約10.15km2，占比約2.17%；粉砂呈“U”字型分布在正定縣南樓鄉(xiāng)—新安鎮(zhèn)—西平樂鄉(xiāng)—新城鋪鎮(zhèn)4 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，南牛鄉(xiāng)北部也有分布，面積約85.98km2，占比18.34%；粉土主要分布在正定縣中部，面積約264.84km2，占比56.51%，粉質(zhì)黏土主要分布在正定鎮(zhèn)大孫村、西上澤村、諸福屯村一線以南地區(qū)，面積約107.72km2，占比為22.98%。

3.2 2020 年農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)遙感解譯

通過遙感解譯將2020 年正定縣農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)及面積進行初步統(tǒng)計，遙感解譯結(jié)果顯示正定縣2020年農(nóng)作物種植面積分別為：小麥17737 公頃、玉米14033 公頃、花生6675 公頃、林地7110 公頃、果樹1423 公頃、蔬菜 3512 公頃、大棚 140 公頃，為 2020 年底選取典型井提供了技術(shù)支撐。

3.3 2021 年農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)遙感解譯及特征分析

通過多源遙感影像收集，以高分辨率影像為底圖，利用實地調(diào)查選取不同作物類型的樣點，建立解譯標志，計算各農(nóng)作物類別樣本的基本光譜特征信息?；谵r(nóng)作物光譜特征、物候信息、植被指數(shù)，建立不同農(nóng)作物類別，提取農(nóng)作物種植分類遙感信息。遙感數(shù)據(jù)解譯結(jié)果與野外實地采集參與分類及精度評價的測試樣本相驗證，用于評價分類準確度。

正定縣夏收季遙感解譯成果總體解譯精度為90%，Kappa 系數(shù)為0.88。秋收季遙感解譯成果總體解譯精度為93%，Kappa 系數(shù)為0.91?？傮w解譯精度符合項目遙感解譯精度要求。

通過遙感解譯，正定縣2021 年夏收農(nóng)作物有冬小麥、西瓜、春玉米以及蔬菜，農(nóng)作物種植面積為19629公頃；主要農(nóng)作物種植類型以冬小麥為主，種植面積16436 公頃，占比83.7%；花生為次要種植類型，種植面積2173 公頃，占比11.1%；西瓜、春玉米、蔬菜的種植面積分別為519 公頃、357 公頃、144 公頃，分別占農(nóng)作物種植面積的2.7%、1.8%、0.7%。冬小麥在正定各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有大面積分布，且呈現(xiàn)集中連片的種植特征，西瓜主要分布在滹沱河沿岸區(qū)域，春玉米、蔬菜種植規(guī)模較小，分布較為分散。

2021 年秋收農(nóng)作物有玉米、花生、大豆以及蔬菜，農(nóng)作物種植面積為20490 公頃，主要農(nóng)作物以玉米為主，種植面積17944 公頃，占比87.6%；花生為次要種植類型，種植面積2173 公頃，占比10.6%；大豆、蔬菜的種植面積分別為284 公頃、89 公頃，占比1.4%、0.4%。冬小麥與夏玉米輪作是正定縣主要種植特征，因此，玉米和夏收季冬小麥的分布特征一樣，有大面積分布，且呈現(xiàn)集中連片的種植特征；花生主要分布在南樓鄉(xiāng)、正定鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植面積較少；花生、大豆、蔬菜種植面積較小，分布較為分散。

2021 年冬季農(nóng)作物種植類型為冬小麥和蔬菜，農(nóng)作物種植面積為16422 公頃，冬小麥種植面積為16260公頃，占比99%；蔬菜種植面積為162 公頃，占比1%。

4 典型井選取及水量監(jiān)測

4.1 典型井選取

選取原則：典型井選取成井10 年以內(nèi)的農(nóng)業(yè)機井，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常且出水量穩(wěn)定；單井控制范圍內(nèi)土壤類型、灌溉方式單一；各井觀測期內(nèi)任意季節(jié)所灌溉作物種類單一。

根據(jù)典型井的選取原則，正定縣內(nèi)選取了80 眼典型井安裝遠傳計量設(shè)備。選取的典型井覆蓋了全部土壤類型、作物種類、灌溉方式，基本保證區(qū)域內(nèi)各類土壤類型、灌溉方式的農(nóng)作物都能得出相應的典型井畝均灌溉用水量。

4.2 確定典型井控制面積

典型井所在位置、控制作物類型、灌溉方式等確定之后，需要將典型井所控制的作物面積圈定。野外人員通過調(diào)查詢問并利用手持GPS 記錄典型井所控制作物面積的拐點坐標，并在奧維互動地圖上進行初步圈定。遙感通過坐標及作物特征解譯進一步確定該典型井所控制作物的面積，提高典型井控制作物面積的準確率。

4.3 典型井用水量統(tǒng)計

典型井監(jiān)測用水量通過遠傳計量設(shè)備傳輸至在河北省水量監(jiān)控平臺上并記錄農(nóng)灌用水量數(shù)據(jù)。通過平臺典型井2021 年1 月至2021 年12 月用水數(shù)據(jù)可以分析各典型井所圈定的特定土壤類型、特定灌溉方式下特定作物2021 年的農(nóng)業(yè)灌溉用水數(shù)據(jù)。

4.4 灌溉定額試驗

在典型井區(qū)域范圍內(nèi)，針對小麥、玉米、花生、西瓜等典型作物，開展灌溉定額試驗，準確記錄試驗期間的起止時間、作物種類、水表數(shù)、測定流量數(shù)等數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上求取作物的畝均灌溉用水量。

4.5 作物典型井畝均灌溉用水量可靠性分析

根據(jù)河北省農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃、水資源條件和現(xiàn)有的行政區(qū)分區(qū)，綜合考慮土壤類型、灌溉方式的不同將作物典型井畝均灌溉用水量進行分類，分別與對應的河北省用水定額對比，分析試驗結(jié)果的可靠性。

5 典型村農(nóng)業(yè)灌溉實際用水量

2021 年各典型村農(nóng)業(yè)灌溉實際用水量，通過在各選取的典型村農(nóng)灌井上安裝機械水表，由工作人員定期抄錄用水量數(shù)據(jù)得出。

典型村機械水表的安裝根據(jù)村委會提供的在冊機井名單統(tǒng)一安裝，對個別不適合安裝機械水表的農(nóng)灌井，需要將該井所控制的農(nóng)業(yè)灌溉面積和用水量扣除，以保證典型村內(nèi)的農(nóng)灌井上的機械水表精確記錄年內(nèi)地下水實際開采量。

6 典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量可行性評價

采用遙感技術(shù)提取了9 個典型村不同農(nóng)作物種植面積，與相應農(nóng)作物、土壤類型、灌溉類型的典型井畝均灌溉用水量相乘后累加，得出典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量。

典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量與該村計量的農(nóng)業(yè)灌溉實際用水量數(shù)據(jù)對比分析，可評價利用遙感監(jiān)測方法核算農(nóng)業(yè)灌溉用水量的精度及可行性。

2021 年正定縣9 個典型村農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量共計378 萬立方米，農(nóng)業(yè)灌溉實際用水量達449 立方米，誤差值為16%，核算精度為84%。9 個典型村核算精度最高的為95%，最低的為75%。

7 正定縣2021 年農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量計算

與典型村核算方式相同，采用遙感技術(shù)得到的正定縣各類型農(nóng)作物種植面積，與相應農(nóng)作物、土壤類型、灌溉類型的典型井畝均灌溉用水量相乘后累加，即可得到正定縣農(nóng)業(yè)灌溉核算用水量。

8 典型井數(shù)據(jù)分析

8.1 不同灌溉方式對農(nóng)業(yè)灌溉用水量的影響

正定縣農(nóng)業(yè)灌溉方式分為管灌、畦灌、噴灌和滴灌4 種。數(shù)據(jù)顯示，當種植作物與土壤類型都相同時，作物畝均灌溉用水量受灌溉方式影響明顯，管灌畝均灌溉用水相對較大，噴灌和畦灌次之，滴灌相對較小。

8.2 不同土壤類型對農(nóng)業(yè)灌溉用水量的影響

正定縣土壤類型分為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂以及中砂4 種。數(shù)據(jù)顯示，相同作物、灌溉方式下，土壤類型為中砂的畝均灌溉用水量較大，粉砂次之，粉土再次，粉質(zhì)黏土畝均灌溉用水量最小。

8.3 不同作物類型對農(nóng)業(yè)灌溉用水量的影響

依據(jù)遙感解譯和野外實地調(diào)查數(shù)據(jù)，計算分析不同作物的用水情況可知：小麥、果樹、蔬菜畝均用水量約130m3/畝～190m3/畝，玉米、西瓜、花生畝均用水量約70m3/ 畝～110m3/ 畝；大棚畝均水量約2003/ 畝～370m3/畝，林地畝均用水量約10m3/畝～40m3/畝。

8.4 不同作物年度灌溉用水量分布

農(nóng)業(yè)灌溉數(shù)據(jù)顯示，2021 年正定縣大部分小麥灌溉次數(shù)共4 次，分別為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，灌溉次數(shù) 1～3 次?；ㄉ喔燃性?4～6 月，灌溉次數(shù)1～2 次。玉米一般在6 月中下旬灌溉，2021 年降雨量較為豐沛，受降雨影響，玉米灌溉用水量有不同程度減少，甚至不用灌溉。

9 結(jié)語

高精度的遙感解譯和詳盡的野外調(diào)查為農(nóng)業(yè)灌溉用水量核算方法的精度提供了可靠保證，為進一步推進農(nóng)業(yè)灌溉用水的科學分析、智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)田灌溉現(xiàn)代化積累了科學依據(jù)。