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ETWatch: 蒸散遥感估算方法与应用

ETWatch: 蒸散遥感估算方法与应用. 吴炳方 中国科学院遥感与数字地球研究所 2014 年 1 月 北京. 典型流域的节水投资. 规划年节水管理总投资额 ( 亿元 ). （ China water resources, 2003 ）. 华北平原 地下水漏斗. 地下水超采. 总额 : 80~100 亿 m 3. 4 亿 m 3 ( 新疆 ). 5 亿 m 3 ( 辽西 ). 5 亿 m 3 ( 山东 ). 7 亿 m 3 ( 汾河 ). 10 亿 m 3 ( 淮河 ). 年均超采率 : 30~60 亿 m 3. 地下水潜在开采量.

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  1. ETWatch: 蒸散遥感估算方法与应用 吴炳方 中国科学院遥感与数字地球研究所 2014年1月 北京

  2. 典型流域的节水投资 规划年节水管理总投资额 (亿元) （China water resources, 2003）

  3. 华北平原 地下水漏斗 地下水超采 总额: 80~100 亿m3 4亿m3 (新疆) 5亿m3(辽西) 5亿m3(山东) 7亿m3(汾河) 10亿m3 (淮河) 年均超采率:30~60亿m3 地下水潜在开采量

  4. 水管理存在的问题 • 灌溉效率增加节约的水资源，被用来扩大灌溉面积，导致了更大的水资源消耗，减少了下游的来水量。 • 十一五期间，宁夏引黄河水量减少25亿立方米，新增灌溉面积66.5万亩，灌溉水利用系数由0.38提高至0.43，粮食产量提高 • 耗水量？

  5. ET 介绍 • ETWatch新集成化方法 • 黑河流域ET动态监测 • 模型评估 • ETWatch应用

  6. 蒸散(ET)-真实耗水量 • 蒸散是水分循环的重要组成部分 • ET是干旱、半干旱地区水资源的主要消耗量 • 澳大利亚90%的降水以蒸散发的形式回到大气中 • 埃及80%的入境水资源通过ET消耗 • 海河流域98% 的水以ET形式消耗 • 吐鲁番更是高达99% • ET的监测与降雨和水文观测同等重要。

  7. 蒸散量观测方法 • 水平衡方法 • 水文模型: P+I=ET+R+S • 蒸渗仪: 一段时间内的土壤水分变化 • 能量平衡方法 • Penman-Monteith (Monteith, 1965) • 潜在ET 和作物系数. ETc = ETo* Kc*Ks • 波文比系统 • 大孔径闪烁仪 • 涡度相关系统 • 点数据，不能反映ET的空间异质性 • 大孔径闪烁仪 涡度相关系统

  8. 区域ET遥感估算方法 • 与传统方法的结合 • 遥感数据：分类，每种作物类型的作物系数, Ray etc（2001），Goodrich etc（2000），Granger etc(2000), … • 与水文模型结合 • Mauser etc.（1998）PROMET Model; Chen etc.(2002）NDVI-DSTV Model, Olioso etc.（1999） SAVT Model; Keur etc.（2001）DAISY Model • 能量平衡 • Shuttleworth and Wallace 1985: The theoretical relationship between foliage temperature and canopy resistance in sparse crop • SEBAL （Bastiaanssen, W. G.,Menenti, M., et al. 1998 ）, GEF项目只引进了可执行文件 • SEBS (Su, Z. 2002), 948项目, 水利部干旱监测 • METRIC (Allan, 2005): 改进了 SEBAL模型

  9. ET 介绍 • ETWatch新集成化方法 • 黑河流域ET动态监测 • 模型评估 • ETWatch应用

  10. ETWatch模型集成 • 模型集成 • 多源遥感协同 • 模型方法： • 净幅射 • 土壤热通量 • 粗糙度模型 • 边界层 • 时间拓展方法

  11. ETWatch模型输入数据

  12. ET 介绍 • ETWatch新集成化方法 • 黑河流域ET动态监测 • 模型评估 • ETWatch应用

  13. ETWatch模型监测结果 2000-2012年黑河流域年蒸散发时间序列 2000年 2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年

  14. ETWatch模型监测结果 黑河流域典型下垫面类型下日ET(2000.1.1-2012.12.31)时间变化

  15. ETWatch模型监测结果 2000-2012年黑河流域降水亏缺 ET P ET-P

  16. ET 介绍 • ETWatch新集成化方法 • 黑河流域ET动态监测 • 模型评估 • ETWatch应用

  17. 大满站 2012年中游绿洲大满站蒸散发数据及验证结果 蒸散发日变化过程线 蒸散发月变化过程线 中游绿洲大满站地表蒸散发数据 其中： ET_EC(Daman)代表着大满超级站涡动观测值 ET_EC(3号)代表着涡动矩阵中3号站点涡动观测值

  18. 大满站 2012年6-9月份中游绿洲大满站蒸散发数据及验证结果 2012年5月26至9月14日, ETWatch估算值与大满站EC观测值以及涡动矩阵中3号EC观测值对比图

  19. Future ETWatch • Integration of remote sensing and in-situ for • Filling satellite gap • Real time ET generation • More accurate and reliable ET data • Suitable both for watershed plan and agriculture water management • In situ tower networks: for eddy covariance and other five layers of meteorological sensors.

  20. ET 介绍 • ETWatch新集成化方法 • 黑河流域ET动态监测 • 模型评估 • ETWatch应用

  21. Application: ETWatch in China Hai basin 1984-2009 Haihe2003-2009 Beijing 2002-2010 Aibi2006-2009 Tianjing 2002-2008 Turpan2006-2015 Hebei 2002-2008 Sanbei2003-2009

  22. 水管理方法 传统水管理 ET管理 水平衡分析 需水预测 供水来源 (使用新的输水设备和灌溉技术提高供水量) 耗水平衡分析 不同区域的耗水量 不同区域可耗水量 (节水潜力和用水效率分析) 没有考虑ET和可用水资源量 投资关注点为提高灌溉效率 目标ET依赖于可耗水量 投资关注点为提高水效率

  23. ET管理目标 • 可控和不可控ET ：可控ET是指可以人为控制的蒸散发量，如农田ET；不可控ET指不能或难以干扰区的蒸散发量，如水面、林地和草地ET,不可控ET包括雨养农业区、林地、自然草地和湿地区耗水。 • 有效和无效ET:：有效ET是指所有对经济社会和生态系统有益的蒸散发量，包括农作物、林地和草地等的消耗量；无效ET指未利用土地上产生的蒸散发量，如盐碱地、水库水面、荒漠 • ET 管理目标：(1) 减少无效ET；(2) 将部分无效ET 转变成有效ET；(3) 增加有效ET的生产力。

  24. ET管理的内容 海河流域 北京市 吐鲁番 世行项目 • 耗水平衡 • 真实节水分析 • 提高水分生产力 • 水管理效益监测与评价 • ……

  25. 流域综合耗水量 • 区域耗水量的估算基于能量平衡角度估算，分为三部分： 一部分是太阳能 一部分是生物能 一部分是矿物能。 • 98% 的水量通过蒸腾蒸发（ET）的方式消耗掉

  26. 流域耗水平衡分析 • 2002-2007年区域平均蓄变量为 -62.3 亿方 • 农业耗水量占全流域耗水量的54.3%，而农业用水量约占流域用水量的70%

  27. 流域水分亏缺 ET P ET-P Unit of Agriculture & Environment, IRSA, CAS

  28. Spatio-temporal variation of Evapotranspiration in Hai basin from 1984 to 2009 1981 1989 1998

  29. 北京市耗水结构 2004-2008年北京市各类用地耗水　　亿方

  30. 密云县耗水结构 2004-2008年密云县各类用地耗水　　

  31. 水分生产率分析 多年平均ET(mm) 生物量（kg/ha） 水分生产率（kg/m3） • 平原区耕地多年平均水分生产率为1.0kg/m3，整体水平偏低。 • 北部滦河和北四河下游平原水分生产率不超过0.8kg/m3， • 南部平原水分生产率均值较北部平原高，最高可达1.09kg/m3 • 当ET达到575mm时，水分生产率保持不变，产量增长幅度明显降低 平原区ET、产量、水分生产率关系

  32. 流域农业节水潜力 • 以各个水资源三级功能分区的平均水分生产率为临界值，得到流域平原区总的节水潜力为68亿方。

  33. 遥感估算灌溉水量（2002-2006）（mm） 2002 2003 2004 2005 2006

  34. 节水效果评价 Before Project After Project

  35. 节水效果评价-管灌措施 管灌，2005 • 小麦季管灌措施实施以后，两个区域ET差值由原来的负值转变为正值,意味着管灌实施区域耗水量减少； • 小麦季项目实施区比非项目区单位面积耗水量小16.5mm

  36. 农业节水管理措施成效 大兴小麦管灌措施平均节水16.5mm 石家庄栾城北屯示范区，秸秆覆盖 平均节水49.6mm 邯郸市内丘果园滴灌措施平均节水77mm; 邯郸市曲周县，种植结构调整平均节水82mm 北屯村示范区,采取农艺、工程、科学灌溉管理等相结合的综合节水模式，平均节水76mm; 大曹庄村示范区,工程措施平均节水47mm.

  37. 各项节水措施实施成效对比 南水北调工程引水90～140亿方/年，是解决海河流域水资源亏缺、逐步改善流域生态环境的一个重要举措。 • 流域62.3亿方水资源量亏缺，综合节水实施节水总量41.1亿方，各项节水措施实施仍不能实现流域水资源的采补平衡，需要休耕19.9%的农田面积。

  38. 密云县耗水结构 密云县水库上下游各类用地多年平均耗水　　 • 水库上游耗水量是下游耗水量的2.2倍 • 密云水库耗水量多年平均计0.67亿方，占水面总耗水量的91%，占上游总耗水量的7.5%

  39. 水土保持工程对耗水格局的影响 ↑ 1.57% ↓4.1% ↑2.0% • 2000年后林灌草蒸散比重由90年代68.5% 增大到71.4%, 而耕地耗水比重减少了5.43%。 • 上下游耗水比值在2000年有明显的突变,从5.48增加到7.04。 密云水库上游耗水变化率分析 耕地 草地 林灌 • 2002-2008年，永定河上游耕地耗水比重减少，下降率为4.1%； • 林灌和草地耗水比重增加，增长率分别为2%、1.57%。

  40. 区域可控ET 可控ET:农田，果园和人工草坪等区域蒸散值与荒草地或休耕地蒸散的差值 不可控ET: • 生态ET：林地, 灌木，草地, 水面 • 建设用地ET:城镇，农村和独立工矿用地 • 耕地，园地，人工草坪扣除可控ET的蒸发量

  41. 小麦可控ET分析： 小麦总耗水1.57亿方，可控ET为0.97亿方，占总耗水的61.7%， 单位面积可控ET为207.1mm,不可控ET为127.6mm 玉米可控ET分析： 玉米总耗水2.88亿方，可控ET为1.76亿方，占总耗水的61%; 单位面积可控ET为144mm,不可控ET为91.4mm

  42. 耕地可控ET分析： 北京市耕地耗水量19.8亿方，占全市耗水量的25.2%。 耕地可控ET为12.42亿方，占耕地总耗水量的62.7%，在耕地区约计1/3的水资源量是不可控的。 单位面积可控ET为272.3mm，不可控ET为218.2mm 保证九个农田保护区耕地的可控ET为6.03亿方，占耕地耗水量的27%

  43. 节水型社会建设呼唤耗水管理 Lawn耗水(0.6t/m2.year) 北京人造雪场(年耗百万m3) 人工湖 北京洗车(年耗20个昆明湖） 退草植树 电厂冷却塔（年耗20亿m3） 渠道衬砌-减少渗漏、加强蒸发 解决方法 • 城市绿地、人工林、人工水面的遥感ET监测 • 工、矿业耗水监测方法 • 基于耗水的水资源管理制度(收费、水权、法律等) • 推广减少耗水量的技术和意识 • 实现基于ET的节水型社会建设

  44. 结论 • ET遥感监测精度与降雨量/径流量的观测精度取与同一水平 • ET管理可以简化水资源管理方法，提高水资源管理的精细水平 • ET管理的核心是: • 流域尺度的可持续耗水量控制 • 灌区尺度提高水分生产率

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