以ET管理理念为核心的水资源管理在现代水资源管理中的重要性与可行性

中国水利水电科学研究院  王浩（院士）

1．蒸发蒸腾（ET）在水循环和能量循环中的作用

蒸发蒸腾量，也称蒸散发量（Evapotranspiration，简写为ET），是蒸发（Evaporation）和蒸腾（Transpiration）量的总称。它由植被截流蒸发量、植被蒸腾量、土壤蒸发量和水面蒸发量构成，涉及水循环过程、能量循环过程和物质循环过程，并伴随着物理反应、化学反应和生物反应。一方面蒸发蒸腾通过改变不同含水子系统内水量的组成直接影响产汇流过程，进而影响陆地表面降水的重新分配。另一方面，蒸发蒸腾通过影响进入陆地表面的太阳净辐射的分配比率（主要体现在土壤热通量、返回大气的显热通量和因蒸发进入到大气的潜热通量之间分配关系）来影响区域的生态地理环境状况和水分条件。由此可见，蒸发蒸腾作为区域水量平衡和能量平衡的主要成分，不仅在水循环和能量循环过程中具有极其重要的作用，而且也是生态过程与水文过程的重要纽带。因此，开展以蒸发蒸腾为核心的水资源管理的研究，对区域社会人水和谐发展具有重要的意义。有关蒸发蒸腾在水循环和能量循环过程中的作用可由图1给出直观的体现。（图1   区域/流域水循环和能量循环的相互作用，见左）

注：图中符号的含义，在能量循环过程中：Rn、H、λE和G分别为区域/流域平均净辐射量、显热通量、潜热通量和土壤热通量；在水文循环过程中：P、E、R和ΔS分别为区域/流域多年平均降水量、蒸发蒸腾量、平均径流量和流域水蓄变量。

2. 开展以ET为核心的水资源管理的作用和意义

目前有关蒸发蒸腾的研究较多，主要集中于三个方面：在微观层面上，着眼于对植被吸收、散失水分的生理过程的研究；在农田微气候区域上，结合植被的生存环境，对影响蒸发蒸腾量的不同因素进行定量化的研究；在宏观区域尺度上主要围绕着遥感（RS）反演蒸发蒸腾量而展开。尽管以上研究为认识蒸发蒸腾的机理奠定了基础，但是能够实现区域水资源管理的研究则主要体现在后两个方面，即农田微气候区域上对影响蒸发蒸腾量不同因素的定量研究和宏观区域尺度上围绕RS反演蒸发蒸腾量的研究。

在农田尺度上，近年来国内外学者立足于微观植被蒸腾机理，结合农田微气候条件相继提出了非充分灌溉、调亏灌溉以及控制性根系交替灌溉等农田节水灌溉方式。其实质是通过调节农田蒸发蒸腾量的方式，实现在不减产或少减产的前提下，减少水资源的供给，提高水资源利用效率的目的。这在一定程度上体现了以“ET管理理念”为核心的农田水资源管理。但这仅集中在灌溉供水量的减少方面，没有对大气降水的利用做出进一步的分析。同时，也没有将农田尺度上降水和灌溉水的蒸发蒸腾的消耗效用体现出来。尽管如此，农田尺度蒸发蒸腾量的研究在生产实践中对调控蒸发蒸腾做了有益的探索，为进一步在宏观尺度上研究蒸发蒸腾量的调控措施奠定了基础。

在宏观尺度（流域或区域尺度）上，由于自然界陆面特征复杂多样，时空变异性极大，因而，蒸发蒸腾的宏观研究较少。尽管近年来随着遥感（RS）技术的发展，利用遥感影像，结合地面实测资料反演区域蒸发蒸腾量的研究得到了长足的发展。但是，遥感反演蒸发蒸腾量主要立足于能量系统，建立在能量平衡的基础上，对蒸发蒸腾在水循环系统中维持水量平衡的作用却很少涉及。因此，立足于区域水循环系统和能量循环系统的对宏观尺度蒸发蒸腾的研究鲜有报道。

其原因在于，一方面，尽管蒸发蒸腾作为水循环系统的主要消耗项，具有与降水、径流等其他水循环要素同等重要的作用，但是由于受到光照、风速、大气湿度等气象条件、土壤水分以及区域下垫面条件等众多因素的影响，成为“四水”转化过程中最难监测的要素，进而难以开展大范围的监测。另外，在水资源相对丰富、自然水循环为主导的水文循环过程中，依据区域水量平衡（多年平均尺度的水量平衡公式：ET＝P＋I－O）即可得到区域水资源的总消耗量，而蒸发蒸腾量又是其中的主要组成部分。因而，在宏观尺度上，由于难以获得大范围蒸发蒸腾监测的第一手资料和缺乏实际应用的必要性等原因，使得立足于水循环，开展大尺度的蒸发蒸腾的实地监测和从宏观尺度调控蒸发蒸腾量进行水资源管理均未受到广泛的重视。

另一方面，目前在能量循环中，由于显热流和潜热流（蒸发）的精度区分存在困难，遥感对于复杂下垫面区域反演蒸发蒸腾量的精度不能满足实际需求（据统计目前遥感反演ET的相对精度维持在85％左右），使得立足于能量循环进行宏观尺度蒸发蒸腾的实际应用较少。这些原因在一定程度上使人们感到在宏观尺度上进行以“ET管理”为核心的水资源管理不仅困难重重而且没有必要。

然而，随着水资源匮乏程度的日益严重，人类活动的进一步加剧，流域水循环呈现出明显的“自然－人工”二元特性，流域蒸发蒸腾的消耗项变得愈加复杂，不仅包括自然水循环的植被蒸腾、土壤和水面蒸发，而且也包括取水－输水－用水－耗水－排水过程的蒸发蒸腾消耗。在现代二元水循环过程中，仅依靠区域水量平衡进行蒸发蒸腾消耗量的估算已远远不能满足人们对水循环消耗项的全面认识，更不能有针对性地进行蒸发蒸腾消耗量的调控。同时，伴随着全球气候的变暖，能量条件也发生了明显的变化，而能量循环作为水循环的主要驱动力，在作用水循环的同时，也受到水循环过程的影响，且其耦合作用在当前气候条件下变得更为复杂，使得仅依靠能量平衡原理计算蒸发蒸腾难以客观反映实际。为此，在水资源匮乏程度日益加剧的今天，仅重视开源，即增加陆地水系统的输入和用水过程末端的节水，已无法全面提高水资源在其动态转化过程中的效用。只有重视水循环过程中的每一个环节，充分考虑水循环的每一个分过程——大气过程、地表过程、土壤过程以及地下过程的消耗转化，才能实现“真实”节水的目的。而在水循环过程中，蒸发蒸腾量均作为水循环大系统的主要消耗项，对水资源的利用效用方面起着决定性的作用。因此，对水资源进行以“ET管理”为核心的现代水资源管理，是传统水资源管理向现代水资源管理转变的必然趋势，也是未来进一步提高水资源利用效用，缓解水资源短缺的重要方面。全球环境基金GEF项目——海河流域水资源与水环境综合规划与管理项目，提出在区域尺度的水资源开发利用中采用以ET为核心的水资源管理具有一定的新意。

3．以“供需平衡”为核心的传统水资源管理与以“ET管理”为核心的水资源管理的关系

传统的水资源管理是以供需平衡为指导思想的。即在有限的水资源供给条件下，通过采取工程或非工程措施（种植结构调整、产业结构调整以及管理等手段的实施），尽可能满足区域的水资源需求。而以“ET管理”为核心的水资源管理，则是建立在区域水资源的供给和消耗关系的基础之上的。即在以有限水资源消耗量为上限的条件下，在保证农民基本收益的前提下，采取各种工程或非工程措施，最终实现水资源的高效利用。同样是以提高水资源利用率，增加经济产出为目的，但是它们在“节水”概念和管理对象上却存在着差异。

以“供需平衡”为核心的传统水资源管理中的“节水”，通常是指通过修建科学合理的水利工程，水资源管理工程等手段，来提高水资源的利用效率。但是，其衡量的指标侧重于不同措施实施后的源头取水量和末端用水量间水量的变化量，即节水量的多少。对水循环（自然和社会）过程中的消耗量并没有进一步依据消耗效用进行区分，即对消耗的有益与否的关注较少；从而使得“节水”重在水量的量值，而对实际中的水资源消耗效率的认识相对薄弱，特别是在输水过程中，这一点体现最为明显。在水资源的实际消耗过程中，尽管在农业灌溉中提出的不同的灌溉制度在一定程度上体现了通过“ET管理”理念提高耗水效率的内涵，但是，其管理的程度和涉及的范围既不深入也不系统，更未能将水资源的消耗作为水资源合理配置的基础。

以“ET管理”为核心的水资源管理理念中的“节水”，是从水资源消耗的效用出发，不仅重视循环末端的节水量，而且将水循环过程中每一环节中用水量的消耗效用依据其是否参与生产分为生产性消耗和非生产性消耗，其中生产性消耗也称为有效消耗，又进一步细分为高效消耗和低效消耗，非生产性消耗常通常又称为无效消耗。只有明确水资源在循环过程中的消耗效用，以减少无效消耗量，提高有效消耗为目的，才能立足于水循环系统，使区域有限的水资源利用效率最大化，才能明确区域水资源高效利用下水资源的净亏缺量，明确供水与耗水之间 “真实” 的节水量。因此，实行以蒸发蒸腾为核心的水资源管理，对区域水资源的合理利用具有重要的意义。

在管理对象上，以“供需平衡”为核心的传统水资源管理，其管理的主要对象是水循环过程中的径流量，即主要集中于狭义水资源的利用和管理。对于在生产活动和生态环境保护方面发挥重要作用的非径流性水资源如土壤水并不涉及。以“ET管理”为核心的水资源管理，则是立足于水循环全过程，是以全部水汽通量为对象的管理。

由以上分析可见，传统的节水理念更多地体现为水循环末端用水量的节约，而以“ET管理”为核心的节水则是对区域/流域水资源量的节约，后者是对前者在节水，提高水资源利用效率方面有益的补充。以ET管理为核心的水资源管理的实质是在传统水资源管理的需求侧进行更深层次的调控和管理，也是对水循环过程中水资源消耗过程的一种管理。因此，在现代环境下，针对水资源短缺日益严重的现状，立足于水循环，进行以水资源消耗为核心的水资源管理不仅必要而且非常迫切。

4. 遥感ET监测与分布式水文模型相结合是实现以“ET管理”为核心的区域水资源管理的重要手段

尽管在区域/流域水循环过程中，在有限补给的基础上，合理调控区域/流域的蒸发蒸腾量，提高其消耗效用，必然会减少水资源的需求，实现“真实”节水的目的。但是，由于蒸发蒸腾作为水循环中的一个过程量，且受到自然和人类活动等众多因素的影响，区域/流域蒸发蒸腾结构和效用不仅变得越加复杂、而且鉴别的难度也进一步提高。要实现以“ET管理”为核心的水资源管理，为水资源的高效利用提供切实的指导，就必须对复杂的蒸发蒸腾结构和效用做出精确评价。而在此过程中，区域/流域蒸发蒸腾的监测和层次化评价成为新的难点。这也是一些研究者对以ET为核心的水资源管理可行性的担忧。诚然，由于蒸发蒸腾受众多因素的影响，在分析利用过程中不确定性因素较多且相互间的关系复杂。然而，随着现代科技手段的发展，“3S”技术和分布式水文模型的出现为此提供了技术支撑。

（1）遥感反演蒸发蒸腾量的方法

近30多年来，随着技术手段的进步，蒸发蒸腾估算和监测已取得了重大进展。20世纪50、60年代考虑不同作物在不同气象条件下的蒸发蒸腾的监测和计算已经成熟；20世纪80年代大气近地层观测技术与地气间能量和物质交换的研究大大提高了蒸发蒸腾的观测和计算精度。然而，这些观测和计算方法均是在一些地面站点进行的，由于人力物力的限制，很难用于较大区域，存在着以点代面，以偏概全，不能完全反映研究区域的时空间变异性等问题。而20世纪中后期“3S”技术，特别是遥感（RS）技术的出现，由于其可以克服传统监测方法中定点观测难以推广到大面积的局限性，可将研究区域逐渐扩展到较大尺度。地面观测资料与遥感技术的有机结合将为从大尺度研究蒸发蒸腾提供了可能。

尽管遥感不能直接测量蒸发蒸腾，但充分利用其时空连续性和大跨度的特点，可将地面实测值通过卫星遥感扩展到大的区域或流域上。同时，在遥感反演区域蒸发蒸腾量时，能够充分考虑蒸发蒸腾的主要驱动因子——太阳辐射，利用能量平衡原理，在综合考虑净辐射通量Rn、土壤热通量G和显热通量H的基础上，通过能量平衡方程获得区域不同时段的蒸发蒸腾量。多波段卫星遥感还可以测量或反演水文气象模式所需的一些基本地面参数，能够相对准确地描绘蒸发蒸腾的空间分布。这些遥感反演区域蒸发蒸腾的能力和特点，为进行宏观尺度的蒸发蒸腾的监测和计算提供了相对可靠的工具。当然，在认识遥感监测蒸发蒸腾优势的同时，我们也不能否认遥感反演蒸发蒸腾受到卫星影像监测范围和时间上的局限，其反演结果的精度还不够高，且未全面考虑蒸发蒸腾的水循环特性。但是，随着遥感技术和反演模型的进一步发展，其对蒸发蒸腾的反演精度将会得到进一步提高；同时，新发展起来的分布式水文模拟技术能够克服遥感反演蒸发蒸腾缺乏直接考虑水循环过程的缺点，与遥感反演相结合对提高复杂下垫面条件下的蒸发蒸腾的测算精度有积极的作用。

（2）分布式水文模型对区域蒸发蒸腾的模拟

分布式水文模型，是20世纪70年代逐渐发展起来的。其中，基于物理机制的分布式水文模型，是能够客观地反映气候以及下垫面因子的空间变化的水循环模拟模型。在模拟中，分布式物理水文模型依据下垫面条件将研究区域划分为不同的子单元，通过将水循环各要素过程联系起来进行模拟，以解决不同空间尺度的水文响应，给出较为全面的对水循环过程的模拟结果。对于蒸发蒸腾量的模拟值通常采用空气动力学及能量平衡原理，并考虑土壤水热运移情况、植被叶面积截流、叶气孔水汽扩散和根系吸水等情况，采用不同的方法进行计算获得。因此，分布式物理水文模型对区域以“ET管理”为核心水资源管理的实现提供了新的技术支撑。下面以WEP模型为例，对分布式物理水文模型模拟蒸发蒸腾量的计算给出简要说明。

WEP模型是一个具有物理机制的分布式水文模型。除具有通常分布式模型的共性之外，该模型还立足于水量平衡和能量平衡原理，能够对“自然－人工”二元水循环全要素进行模拟，能够详尽计算水循环过程中自然主循环过程和人工侧支循环过程中产生的各种蒸发蒸腾量。同时，在流域水循环的模拟中，为考虑计算单元内土地利用的不均匀性，采用了“马赛克”法即把计算单元内的土地归为数类，通常包括：裸地－植被域、灌溉农田域、非灌溉农田域、水域和不透水域5大类。裸地－植被域又进一步分为裸地、草地和林地3类，不透水域分为城市地面与都市建筑物2类。灌溉农田也可依据典型作物的种类进一步细分。另外，为便于描述土壤蒸发、不同根系埋深植被的根系吸水，将透水区域的表层土壤分割成3层，以反映土壤的含水率随深度的变化。

依据以上不同下垫面情况和模拟过程，可模拟计算不同计算单元分项的蒸发蒸腾和综合蒸发蒸腾。同时，也可根据蒸发蒸腾的机理，对各分项蒸发蒸腾的组成成分进一步细分为植被蒸腾、土壤蒸发，植被棵间蒸发以及冠层截留蒸发、洼地储流蒸发等蒸发蒸腾项。以此为基础，再结合蒸发蒸腾量对人类活动的作用，可继续分析蒸发蒸腾的消耗效用。在模型的精度方面，由于分布式物理水文模型建立在众多原型观测资料如降水、径流、区域/流域水蓄变量等的基础上，其模拟计算蒸发蒸腾的精度可以得到保证。依据水量平衡原理，时段的蒸发蒸腾量由降水、径流和区域/流域水蓄变量共同决定。其中降水和径流量，根据国家相关规范，二者的监测精度均在95％以上；区域水时段蓄变量，可依据河流、湖泊等地表水蓄变量和地下水潜水位、承压水水头的波动给出精度较高的测定和计算结果。因此，有关区域/流域蒸发蒸腾量的模拟误差可以控制在5％以内。由此可见，WEP模型能够从能量平衡和水量平衡的角度详尽的描述蒸发蒸腾消耗量的结构和消耗效率，为进行“减少无效消耗、提高有效消耗”的区域蒸发蒸腾的管理创造了条件。

此外，该模型还能够与区域宏观经济多目标决策模型、水资源配置模型相耦合，提供不同水资源利用方案、不同产业结构以及工程措施情景下的蒸发蒸腾量模拟结果。因此，建立在能量和水量平衡原理基础上的具有物理机制的分布式水文模型，为实现以“ET管理 ”为核心的区域水资源管理奠定了技术基础。

综上，遥感反演方法与具有物理机制的分布式水文模型的有机结合，功能互补，能够进一步提高蒸发蒸腾的监测和模拟的精度。因此，分布式物理水文模型（特别是由分布式物理水文模型、宏观经济多目标决策模型以及水资源合理配置模型间的相互耦合）与遥感ET监测的有机结合，将为从水循环和能量循环角度系统全面分析宏观尺度的蒸发蒸腾量提供了有力的技术支撑，为实现以“ET管理”为核心的水资源管理提供了可靠的技术手段。

5．结论

由以上分析可见，蒸发蒸腾在水循环和能量循环过程中具有十分重要的作用，随着水资源匮乏程度的日益严重，进行以蒸发蒸腾为核心的水资源管理是现代水资源发展的必然趋势，是对传统水资源管理的有益补充。因此，对于现代高强度人类活动干扰，具有“自然－人工”二元特性的水循环过程，只有分析其逐个过程中的ET消耗结构和消耗效率，立足于减少无效消耗，提高有效消耗，才能全面系统的实现水资源的高效利用，实现“真实”节水的目的。进行以“ET为核心”的水资源管理是应对全球水资源短缺现实的必然选择。

遥感遥测技术和分布物理水文模型（特别是集宏观经济多目标决策模型、水资源配置模型和分布式水文模型为一体的二元核心模型）的有机结合，能够实现功能互补，进一步从能量平衡和水量平衡的角度提高蒸发蒸腾的监测和模拟精度。这为实现以“ET管理”为核心的水资源管理提供了技术支撑。

总之，在水资源匮乏程度日益严重的今天，结合遥感和分布式水文模型，立足于水资源的供给和消耗，开展宏观尺度的以“ET管理”为核心的水资源管理不仅必要而且可行。