9.4.2 基于ET的唐徕渠灌区供水管理模式构建
(1)模型构建。通过实测的现状ET与灌区可持续发展、生态耗水需求、水资源管理红线等条件或情景下的目标ET进行比较,采用工程节水、农业节水、生物节水等措施使现状ET不断与目标区域ET一致,进而达到灌区内的ET及其时空分布与唐徕渠供水水资源总量及其时空分布相平衡。
为真实反映灌区水资源承载能力,分别确定丰、平、枯水年的目标ET。因丰、平、枯水年的灌区ET不同,丰水年降水偏多,土壤湿度较大,区域蒸腾蒸发量大；而枯水年降水偏少,土壤湿度较小,区域蒸腾蒸发量小。枯水年水资源消耗量大于水资源补给量,适度开采地下水补充水资源消耗；丰水年水资源消耗量小于水资源补给量,地下水得到回补。通过地下水的调节,使水资源消耗量和水资源补给量基本持平,实现水资源动态平衡。
根据灌区允许蒸腾蒸发量系列分析计算可得到多年平均和不同频率的区域允许蒸腾蒸发量,在保障地下水动态平衡的前提下(利用地下水“以丰补歉” 的特性),确定丰、平、枯水年的目标ET。当灌区降水量介于丰、枯水年降水量之间时采用内插法确定目标ET,当灌区降水量大于丰水年或小于枯水年降水量时,依据降水量与目标ET的关系外延确定目标ET,由此可以推求不同降水年份所对应的目标ET,见图9.28。
寻找影响灌区水土平衡的主要因素,如灌溉面积、种植结构、供水特征等,确定关键要素。以灌区效益最大化为目标,统筹考虑灌区经济社会发展规划及目标,在灌溉面积、灌溉水量之间寻找最佳结合点。利用调研数据构建灌区水土平衡数据库,在明确调控目标的基础上,确定调控原则,在灌区水土资源变化时给出相应的种植结构、供水总量等对策和建议,保证灌区效益最大化。
图9.28 基于ET控制的唐徕渠灌区水资源管理模型结构
(2)现状ET测算方法。现状ET是指现状条件下实际发生的区域蒸散发的总和。目前虽然ET监测与计算方法很多,如水量平衡模型、水热平衡模型、互补相关模型和彭曼-蒙蒂斯模型等,但在区域综合尺度上常用的方法仍较为有限,目前水资源管理领域常用的计算方法较多,本书选择典型方法予以介绍。
1)耗水系数法。耗水系数法主要是将ET分解为可控ET和不可控ET分别进行计算。可控ET可依据区域的农业用水量、工业用水量、生活用水量乘以对应的耗水系数来获得,不可控ET则通过建立天然降水与天然蒸发之间的相关关系来推估现状条件下的不可控ET。两者之和即为现状综合ET,计算公式为
式中：ET综合为区域现状综合ET值,mm；W农业为区域农业用水量,m3；W工业为区域工业用水量,m3；W生活为区域生活用水量,m3；A为区域总面积,m2；P为多年平均年降水量,mm；α1、α2、α3为不同用水部门的耗水量系数；β为天然降水-蒸发系数。
唐徕渠灌区主要以农业和生态环境供水为主,蒸发蒸腾量ET可以分为区域综合ET(ET综合),耕地现状ET(ET耕地),非耕地现状ET(ET非耕地)以及单一作物ET(ETi)等。灌区ET综合是耕地、非耕地、农村、城市、水面等所有地(水)面的蒸腾蒸发综合值,是ET计算面积占土地总面积的加权平均值。
式中：A总为灌区总面积,万亩或hm2；A耕地为灌区耕地面积,万亩或hm2；A非耕地为非耕地面积,万亩或hm2。
2)灌溉定额法。通过提取不同土地利用类型的面积,根据现状ET定额进行综合计算。以耕地为例,先计算单一作物的ET值,即ETi,再计算耕地上多种作物的综合ET值,即ET综合,具体步骤如下。
单一作物ET的计算：通过土壤水分消耗法或水量平衡法计算出ETi。
耕地ET的计算：以作物的种植面积为权重计算出耕地上多种作物的综合ET值,即耕地现状ET值。其中,复种(同一块土地上在一年内连续种植超过一熟(茬)作物的种植制度)的多种作物,以其累加值进行计算,耕地ET的计算公式为
式中：ET耕地为耕地现状ET值,mm；
为耕地上多种作物的平均ET值,mm；ETi为单一作物ET值,mm；Ai为不同作物的种植面积,m2。
灌区内的非耕地包括房屋、院落、畜禽养殖场、道路、河渠、坑塘、空闲地、林地、草场以及其他设施的占地等。这些用地的水分消耗状况各不相同,用人工方法单独测算很难。为此,需先测出灌区水分腾发消耗总量,扣除耕地腾发水分消耗量,即可得出非耕地水分消耗量。非耕地一般不需要灌溉,所以,单位面积的非耕地水分消耗量小于单位面积的耕地水分消耗量。对于一些农业用水比例较高,且地貌类型相对单一的地区而言,可将区域划分为耕地与非耕地两大类,其中非耕地现状ET可通过实测或试验获得的折算系数乘以耕地现状ET来计算。具体计算公式为
式中：ET非耕地为非耕地现状ET值,mm；ET耕地为耕地现状ET值,mm；η为折算系数。
这样综合现状ET值即可由耕地ET值和非耕地ET值乘以相应的面积权重计算,并获得区域的综合现状ET值,计算公式为
式中：ET综合为区域综合现状ET值,mm；ET耕地为耕地现状ET值,mm；A耕地为区域耕地面积,m2；ET非耕地为非耕地现状ET值,mm；A非耕地为区域非耕地面积,m2；A为灌区耕地总面积,m2。
3)遥感监测法。随着卫星遥感技术的发展,卫星遥感监测ET相比传统地面监测ET方法的优越性越发明显,并在流域水管理中表现出了很好的应用前景。由于卫星遥感可监测从区域到农田不同尺度的ET值,且不受空间和时间限制,为大范围的ET管理提供了更好的监测手段。同时卫星遥感监测ET克服了人工测土壤水分变化、以点代面计算ET产生的误差,且直接反映了土地利用类型、植物生长状况和ET的关系。目前国际上广泛采用的利用遥感技术估算ET的方法可分为3类：与传统地面监测和计算相结合的方法、与水文模型相结合的方法和基于地表能量平衡方程的方法。
(3)目标ET测算方法。目标ET是综合ET的一种,但其意义与确定方法与一般ET综合均不同,且在水资源规划与管理中是一个不可或缺的参数,故本书单独加以说明。目标ET是指在一个特定发展阶段的流域或区域内,以其水资源条件为基础,以生态环境良性循环为约束,满足经济持续发展与和谐社会建设要求的可消耗水量。该指标从总量上给出该区域的ET管理目标。ET管理理念是实现灌区总的腾发量与当地可利用的水资源量的平衡,即目标ET值等于当地多年平均可利用的水资源量W均；对于独立的水文单元即为多年平均年降水量P均,即ET目标＝P均。目前,目标ET的计算方法主要有以下3种：
1)自上而下测算法。该方法主要从区域整体角度出发,依据区域水循环原理,通过水量平衡方程推求区域的目标ET。目标ET可理解为在一个特定发展时期内的流域或区域,多年平均年降水量不变、入境水量以及外调水量一定的情况下,保证一定的入海水量和河川径流量以维持河口与河道内的生态平衡,并满足适宜且持续向好的社会经济建设和发展总量所需的可消耗水量。可给出如下计算公式：
式中：ET总为灌区ET总量,mm；ETn为通常情况下的蒸散发量,mm；Wp为运出区域的农业产品中的含带水量(一般较小,通常可忽略),万m3；P为降水量,mm；Win为时段内的入境水量,万m3；Wt为时段内的流域外调入水量,万m3；Wout为时段内的出境水量,万m3；ΔW为时段内当地水资源蓄变量,万m3；ETuc为不可控ET,mm；ETc为可控ET,mm。
由上述水量平衡方程可知,在流域或区域多年降水量不变,控制入境(外调)水量和出境水量,且蓄变量不变(保证流域或区域生态环境用水,河川径流量和地下水不超采)的情况下,所求出的ET总即为目标值。
2)自下而上测算法。该方法主要是通过不同土地利用类型(如耕地、城乡建设用地等)分别统计计算其目标ET,加权后获得综合目标ET。不同的土地利用类型可通过不同的方法(如水文模型法、土壤墒情法、定额法和径流系数法等)进行计算,以获得其准确科学的目标ET。自上而下方法提出了区域的总体目标ET,而自下而上方法则能给出目标ET在不同土地利用类型以及空间上的分布,两者相互验证,可确定更为准确的区域目标ET。
3)综合测算法。根据自身发展对ET的需求制定目标ET,主要是根据区域社会经济发展对ET的需求来调整目标ET。目标ET取决于可能实施的控制耗水管理措施和未来经济发展规划、规模,通过计算可能的ET削减确定目标ET。
(4)ET控制。ET控制是目标ET的实践环节,主要通过制定高效用水方案确定现状ET的削减量,即ET削减。削减ET是现状ET与目标ET的差值,也是ET控制的目标值。对于区域水资源蓄变量为零或接近零的地区,直接通过现状ET与目标ET计算即可获得。高效用水方案的实施是将低效ET转化为高效ET,提高水资源利用效率。