CN113065090B - 一种区域农田灌溉用水量分析计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域农田灌溉用水量分析计算方法，包括：1、以降水量、出入境水量、跨流域调水量、遥感监测的水蓄变量为输入，基于水量平衡方程，推求区域总耗水量；2、以推求的总耗水量为约束，选取遥感蒸散发产品，获得区域太阳能驱动的总耗水量；3、基于土地利用空间分布，获取农田范围，利用遥感蒸散发产品计算得到农田区域的耗水量，扣除其中的有效降水量，得到灌溉耗水量；4、基于灌溉耗水量与灌溉用水量之间的比例关系，推算灌溉用水量；5、进行区域多年灌溉用水分析时，收集多年数据，重复上述步骤，计算逐年农田灌溉用水量。本发明的优点在于：可以快速计算出大范围的农田灌溉用水量，对农业灌溉用水的统计调查数据进行复核。

Description

一种区域农田灌溉用水量分析计算方法

技术领域

本发明涉及农业灌溉用水分析技术领域，特别涉及一种基于多源遥感数据和水量平衡原理的区域农田灌溉用水量分析计算方法。

背景技术

随着社会经济发展和人口迅猛增长,以及全球气候变化的影响,水资源短缺问题日益严重。农业用水占我国用水总量的62％，灌溉用水占农业用水的90％以上。灌溉用水的精确估算对总用水量统计的准确性有着重要的影响，也对水资源管理有重要的意义。但农业用水总量大、单量小而分散，计量相对工业和生活用水难度大，区域农业用水总量估算受数据条件限制，较多依靠人工经验，存在较大的不确定性，亟需结合新数据条件研究改善。

现行的灌溉用水估算方法大体可以分为两类，一类是典型调查和定额推演法，一类是水量平衡推算法。前者主要根据灌溉定额与实灌面积数据进行估算。灌溉定额的确定首先要进行典型调查，然后进行定额推演，根据《灌溉用水定额编制导则》(GB/T 29404—2012)要求确定省级分区、典型县和水文年型，收集有关数据，整理分析资料，合理调整并确定省级分区主要作物灌溉用水定额。在灌溉定额的确定上，总体存在农业用水计量设施不完善、复杂灌区统计难度大等问题。此外，灌溉用水定额是一个动态指标，但现行灌溉用水定额不能按照水文气象变化、田间水分状况及作物长势等及时调整，导致定额匡算在水文气象变化巨大的时候不能准确计算农业用水量。

许多学者提出根据区域水量平衡原理计算农业灌溉用水量的方法，回避了典型调查面临的农业用水计量设施不足、复杂灌区统计难度大等问题，同时水量平衡法运用当年的水文气象要素进行平衡计算，能有效反应水文气象变化对农业用水的影响，在水文气象变化巨大的时候也能使用。基于水量平衡计算农业用水的方法能较好的解决典型调查和定额推演法的问题，但是需要获取准确的区域来去水量及储水量的变化值，而传统的观测手段获取准确的区域储水量还有一定困难，导致这种计算方法难以推广应用或结果不确定。

遥感技术作为地球信息科学的前沿技术，是最为有效的对地观测技术和信息获取的手段之一。随着各类高空间、时间、光谱分辨率民用卫星的出现，定量遥感技术进一步发展，遥感与地理信息系统、全球导航技术及物联网等技术不断融合，遥感在农业领域的应用广度和深度不断扩展。遥感蒸散发、农作物长势、重力卫星陆水储量等遥感数据产品不断丰富，有望填补水量平衡方程中耗水、蓄水量变化的监测空白，但各类产品都存在概念、精度和适用性问题，需要解决遥感数据与水量平衡要素在概念上的对应关系问题，以及将多种遥感产品如何结合支撑灌溉用水估算的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种区域农田灌溉用水量分析计算方法，基于遥感观测手段获取区域水储量变化和蒸散发量，建立遥感蒸散发与区域耗水量的对应关系，再利用水量平衡方程检验多源遥感数据的一致性和可靠性，选取合理的区域遥感蒸散发数据，提取农田区域的遥感蒸散发作为农田区域总耗水量，将农田总耗水量拆解成降水耗水量和灌溉耗水量，由灌溉耗水量推算得到灌溉用水量。本发明可以快速计算出大范围的农田灌溉用水量，对农业灌溉用水的统计调查数据进行复核。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种区域农田灌溉用水量分析计算方法，包括以下步骤：

步骤1、以区域降水量、流入流出水量、跨流域调水量、遥感监测的水蓄变量为输入，基于水量平衡方程，推求区域总耗水量；

步骤2、以区域水量平衡方程推求的总耗水量为约束，选取遥感蒸散发产品，获得太阳能驱动耗水量的空间分布；

所述步骤2包括如下子步骤：

步骤21、基于区域耗水的分类特征，按照公式(2)对区域总耗水量进行分解：

W_耗＝ET+W_m+W_h 式(2)

其中，ET为太阳能源驱动的耗水；W_m为工业类矿物能驱动的耗水；W_h为生活类生物能驱动的耗水；

步骤22、收集时段内工业耗水量作为W_m、时段内生活耗水量作为W_h，根据公式(2)推求太阳能驱动的耗水量ET；

步骤23、收集多种遥感蒸散发数据产品，包括中等分辨率成像光谱仪MODIS蒸散发产品MOD16和全球陆面数据同化系统GLDAS的蒸散发产品，统计时段内区域总蒸散发量；

步骤24、将步骤22中计算得出的太阳能驱动耗水量ET与步骤23得到的区域遥感总蒸散发量进行比较，选取较为接近的遥感蒸散发数据，作为区域太阳能耗水量的空间分布；

步骤3、基于土地利用空间分布，获取农田范围，利用选取的遥感蒸散发产品和农田范围计算农田区域的耗水量，扣除其中的有效降水量，得到灌溉耗水量；

步骤4、基于灌溉耗水量与灌溉用水量之间的比例关系，推算灌溉用水量；

步骤5、对区域进行多年灌溉用水分析时，收集多年数据，重复上述步骤，计算多年的农田灌溉用水量。

进一步地，所述步骤1包括：

步骤11、根据水量平衡原理，构建区域水量平衡方程，如公式(1)所示：

P+W_I-W_o-W_耗+W_D＝ΔW 式(1)

其中，P为计算时段内区域降水量；ΔW为计算时段内区域的蓄水变化量；W_I为计算时段内流入区域的水量；W_o为计算时段内流出区域的水量；W_D为计算时段内通过调水工程调入区域的水量，调入为正、调出为负；W_耗为计算时段内区域消耗的总水量；

步骤12、收集区域及周边雨量站的站点观测降水数据，利用反距离权重法转换为面雨量，统计出时段区域总降水量；

步骤13、收集重力恢复和气候实验卫星的等效水柱高数据，根据其在区域内的网格数和面积，统计出区域水储量变化值；

步骤14、收集区域出入境控制径流站、调水工程调入调出口门的监测站记录数据，统计推算出时段内区域的流入流出、调入调出水量；

步骤15、基于水量平衡方程公式(1)，计算区域内消耗的总水量W_耗。

进一步地，所述步骤3包括：

步骤31、基于与计算时间匹配的土地利用空间分布数据，将区域划分为农田和非农田区域，利用步骤24选取的遥感蒸散发数据，统计农田区域的蒸散发量，作为农田区域的总耗水量ET_农；

步骤32、逐日计算农田区域的有效降雨量，累积后得到全年总有效降雨量：

步骤33、从农田区域总耗水量中，减去有效降水量，得到农田灌溉耗水量，如公式(3)所示：

W_灌耗＝ET_农-P_有效 式(3)。

进一步地，所述步骤4包括：

步骤41、基于田间水量平衡试验，获取区域典型作物田间灌溉水量与灌溉耗水之间的转换系数α，利用系数α将灌溉耗水量转换为灌溉水量，如公式(4)所示：

步骤42、如无田间水量平衡试验，在节水灌溉模式下，可以认为灌溉耗水量W_灌耗等同于田间灌溉水量W_灌。

5.根据权利要求2所述的农田灌溉用水量分析计算方法，其特征在于：所述步骤5包括：

步骤51、对每年的数据重复步骤11至步骤23；

步骤52、逐年将各类遥感蒸散发数据与水量平衡方程推算出来的太阳能耗水量进行比较，选出每年匹配最好的蒸散发数据进行组合，形成区域太阳能耗水多年序列的空间分布；

步骤53、重复步骤3至4，至计算出逐年的灌溉水量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

利用遥感监测数据解决了区域水量平衡分析中蓄水量变化和太阳能驱动耗水量的获取问题，利用水量平衡方程控制多源遥感数据的一致性，选取可用的遥感蒸散发产品，进一步分解得到农田灌溉耗水量，转换得到农田灌溉水量，确保了灌溉水量大范围分析计算的可行性和结果的合理性。

附图说明

图1是本发明实施例区域农田灌溉水量分析计算的流程图；

图2是本发明实施例区域年降水量空间分布计算结果示意图；

图3是本发明实施例区域农田年有效降水量计算结果示意图；

图4是本发明实施例区域农田年灌溉耗水量计算结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种区域农田灌溉用水量分析计算方法，包括以下步骤：

步骤1、以区域降水量、流入流出水量、跨流域调水量、遥感监测的水蓄变量为输入，基于水量平衡方程，推求区域总耗水量。

步骤2、以区域水量平衡方程推求的总耗水量为约束，选取遥感蒸散发产品，获得太阳能驱动耗水量的空间分布。

步骤3、基于土地利用空间分布，获取农田范围，利用选取的遥感蒸散发产品和农田范围计算农田区域的耗水量，扣除其中的有效降水量，得到灌溉耗水量。

步骤4、基于灌溉耗水量与灌溉用水量之间的比例关系，推算灌溉用水量。

步骤5、对区域进行多年灌溉用水分析时，收集多年数据，重复上述步骤，计算多年的农田灌溉用水量。

以下是对上述流程的具体分析：

步骤1、以区域降水量、流入流出水量、跨流域调水量、遥感监测的水蓄变量为输入，基于水量平衡方程，推求区域总耗水量。

以年为计算时长，选取区域及周边雨量站观测的逐日降水数据，插值成区域逐日降水量网格数据，累加得到区域年降水量P，如图2所示；下载美国空间研究中心(CSR)提供的CSR RL05 Mascon等效水柱高产品，折算为区域水储量变化值(增加为正、减少为负)；统计区域出入境水文站径流观测数据、调水工程调水量数据，得到区域年出入境水量W_I、W_O和调入水量W_D(调入为正、调出为负)；利用公式(1)计算区域总耗水量W_耗：

W_耗＝P+W_I-W_O+W_D-ΔW (1)

步骤2：以区域水量平衡方程推求的总耗水量为约束，选取遥感蒸散发产品，获得太阳能驱动耗水量的空间分布。具体包括：

步骤21：收集区域工业和生活耗水量作为工业能驱动的耗水量W_m和生物能驱动的耗水量W_h，利用公式(2)计算出太阳能驱动的耗水量ET：

ET＝W_耗-W_m-W_h (2)

步骤22：收集了两类遥感蒸散发产品MOD16、GLDAS-NOAH，统计区域总蒸散发量，与公式(2)计算得到的ET进行比较，选取较为接近的遥感蒸散发产品作为太阳能驱动耗水量的空间分布。

步骤3、基于土地利用空间分布，得到农田区域的耗水量，扣除其中的有效降水量，得到灌溉耗水量。具体包括：

步骤31：选取与计算年份匹配的土地利用空间数据，获取区域农田范围，利用该空间范围，对步骤22选取的遥感蒸散发数据进行统计，获取农田区域总蒸散发量E_农。

步骤32：选取有效降水量计算方法(如公式3)，利用区域逐日降水量网格数据，逐日计算农田区域的有效降水量，累加得到全年的总有效降水量P_有效，如图3所示。

步骤33：从步骤31计算的农田总蒸散发量E_农中，扣除年有效降水总量P_有效，得到农田灌溉耗水量W_灌耗，如图4所示。

步骤4、基于灌溉耗水量与灌溉用水量之间的比例关系，推算灌溉用水量。

收集灌溉耗水量与灌溉用水量之间的比例α，利用公式(4)将灌溉耗水量转换为灌溉用水量。在节水灌溉区域，α可取1。

步骤5、对区域进行多年灌溉用水分析时，收集多年数据，重复上述步骤，计算多年的农田灌溉用水量。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种区域农田灌溉用水量分析计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、以区域降水量、流入流出水量、跨流域调水量、遥感监测的水蓄变量为输入，基于水量平衡方程，推求区域总耗水量；

步骤2、以区域水量平衡方程推求的总耗水量为约束，选取遥感蒸散发产品，获得太阳能驱动耗水量的空间分布；

所述步骤2包括如下子步骤：

步骤21、基于区域耗水的分类特征，按照公式(2)对区域总耗水量进行分解：

W_耗＝ET+W_m+W_h 式(2)

其中，ET为太阳能源驱动的耗水；W_m为工业类矿物能驱动的耗水；W_h为生活类生物能驱动的耗水；

步骤22、收集时段内工业耗水量作为W_m、时段内生活耗水量作为W_h，根据公式(2)推求太阳能驱动的耗水量ET；

步骤23、收集多种遥感蒸散发数据产品，包括中等分辨率成像光谱仪MODIS蒸散发产品MOD16和全球陆面数据同化系统GLDAS的蒸散发产品，统计时段内区域总蒸散发量；

步骤24、将步骤22中计算得出的太阳能驱动耗水量ET与步骤23得到的区域遥感总蒸散发量进行比较，选取较为接近的遥感蒸散发数据，作为区域太阳能耗水量的空间分布；

步骤3、基于土地利用空间分布，获取农田范围，利用选取的遥感蒸散发产品和农田范围计算农田区域的耗水量，扣除其中的有效降水量，得到灌溉耗水量；

步骤4、基于灌溉耗水量与灌溉用水量之间的比例关系，推算灌溉用水量；

步骤5、对区域进行多年灌溉用水分析时，收集多年数据，重复上述步骤，计算多年的农田灌溉用水量。

2.根据权利要求1所述的农田灌溉用水量分析计算方法，其特征在于：所述步骤1包括：

步骤11、根据水量平衡原理，构建区域水量平衡方程，如公式(1)所示：

P+W_I-W_o-W_耗+W_D＝ΔW 式(1)

其中，P为计算时段内区域降水量；ΔW为计算时段内区域的蓄水变化量；W_I为计算时段内流入区域的水量；W_o为计算时段内流出区域的水量；W_D为计算时段内通过调水工程调入区域的水量，调入为正、调出为负；W_耗为计算时段内区域消耗的总水量；

步骤12、收集区域及周边雨量站的站点观测降水数据，利用反距离权重法转换为面雨量，统计出时段区域总降水量；

步骤13、收集重力恢复和气候实验卫星的等效水柱高数据，根据其在区域内的网格数和面积，统计出区域水储量变化值；

步骤14、收集区域出入境控制径流站、调水工程调入调出口门的监测站记录数据，统计推算出时段内区域的流入流出、调入调出水量；

步骤15、基于水量平衡方程公式(1)，计算区域内消耗的总水量W_耗。

3.根据权利要求1所述的农田灌溉用水量分析计算方法，其特征在于：所述步骤3包括：

步骤31、基于与计算时间匹配的土地利用空间分布数据，将区域划分为农田和非农田区域，利用步骤24选取的遥感蒸散发数据，统计农田区域的蒸散发量，作为农田区域的总耗水量ET_农；

步骤32、逐日计算农田区域的有效降雨量，累积后得到全年总有效降雨量：

步骤33、从农田区域总耗水量中，减去有效降水量，得到农田灌溉耗水量，如公式(3)所示：

W_灌耗＝ET_农-P_有效 式(3)。

4.根据权利要求3所述的农田灌溉用水量分析计算方法，其特征在于：所述步骤4包括：

步骤41、基于田间水量平衡试验，获取区域典型作物田间灌溉水量与灌溉耗水之间的转换系数α，利用系数α将灌溉耗水量转换为灌溉水量，如公式(4)所示：

步骤42、如无田间水量平衡试验，在节水灌溉模式下，可以认为灌溉耗水量W_灌耗等同于田间灌溉水量W_灌。

5.根据权利要求2所述的农田灌溉用水量分析计算方法，其特征在于：所述步骤5包括：

步骤51、对每年的数据重复步骤11至步骤23；

步骤52、逐年将各类遥感蒸散发数据与水量平衡方程推算出来的太阳能耗水量进行比较，选出每年匹配最好的蒸散发数据进行组合，形成区域太阳能耗水多年序列的空间分布；

步骤53、重复步骤3至4，至计算出逐年的灌溉水量。

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