实施ET管理中的关键技术问题

刘  钰

（GEF海河项目中央联合专家组、中国水科院水利所）

一、ET管理的理念

所谓“ET管理”，就是以耗水量控制为基础的水资源管理，是资源型缺水地区加强水管理的必然趋势。在GEF海河流域水资源与水环境综合管理项目中，世界银行将ET管理作为项目的核心，主要是针对海河流域长期超采地下水、入渤海水量大幅度减少的现状提出的水管理理念的转变。这一理念同水利部提出的由“供水管理”向“需水管理”转变不谋而合。

世行提出ET管理的理念是从2001～2005年实施的利用世行贷款发展节水灌溉项目中的“真实节水”概念发展而来的。海河流域属资源性缺水地区，为解决这一地区的水资源供需矛盾，国家和地方政府投入了大量资金发展节水灌溉。但是，随着节水灌溉面积的扩大和灌溉水利用效率的提高，海河流域地下水超采的局面并没有得到明显改善。由此可以认识到，通过工程措施提高水的利用率所产生的节水效果，主要是减少了取用水量，属工程性节水；而在海河流域这样的资源性缺水地区，更应当关注的是资源性节水，也就是世行提出的“真实节水”。所谓“真实节水”，就是减少耗水、控制ET。

ET管理在我的水资源管理实践中并不是一个全新的概念。长期以来，我国农业灌溉用水量就是以农作物的ET为基础确定的。80年代中期在汇总全国300多个灌溉试验站ET监测数据的基础上，出版了《全国主要农作物需水量等值线图集》和《中国主要作物需水量与灌溉》等专著，为指导灌区灌溉制度和配水方案的确定提供了依据。但目前我国的ET管理大多还仅用于灌溉用水的管理中，有一定的局限性。这是由于受到ET监测方法和手段的制约。以往的ET监测，以单点和单一作物为主。确定区域ET的方法有两种，一是将小尺度点上的实测数据用内插、外推等方法扩展到大尺度范围；二是在测定大尺度区域降雨、径流等来水和去水量的基础上，用水量平衡方程反求ET。这两种方法都有局限性。第一种方法在由点到面的外推过程中存在很大的盲目性和不确定性，因为人工监测ET需要的人力和设备投资较大，所以ET监测点数量一般很少，而且大多设在灌溉试验站的农田里，缺少城市和生态环境的ET监测数据，也缺少多种作物套种等复合植被的ET监测数据。第二种方法用水量平衡方程反求，只能得到较大尺度的综合ET总量，难以解决ET在小尺度的空间分布问题。

随着卫星遥感技术的发展，利用遥感数据和模型反演区域ET技术应运而生，并成为当前国内外的研究热点。遥感监测ET技术的应用，使测定各种尺度的ET和空间分布成为可能，为大范围的ET管理提供了有效监测手段。

二、实施ET管理中的关键技术问题

在流域范围内全面实施ET管理是一项新技术，目前国内外都没有成功的经验，其中有许多关键性的技术问题需要在实践中研究解决、逐步完善。经过GEF海河项目实施两年多的实践，认识到在流域范围内实施ET管理需要重点解决的关键技术问题，主要有以下几方面：（1）遥感监测ET数据的精度；（2）不同尺度ET监测数据的验证与耦合；（3）可控ET与不可控ET的区分；（4）建立ET与可调控的用水指标间的关系；（5）不同地区、不同阶段目标ET的确定。

2.1 遥感监测ET数据的精度

实现ET管理，首先要解决的是不同尺度ET的监测，利用遥感数据和模型反演ET技术的应用，使大范围监测ET的时空分布成为可能，为区域ET管理提供了支撑。但是，遥感监测ET是一项新技术，目前国内外均有大量学者正在开展这方面的研究，已开发出许多模型，如国际专家Bastiaanssen等人的SEBAL模型和Su Z等人的SEBS模型，美国的METRIC 模型，我国中科院地理所张仁华等人开发的双层遥感ET模型，清华大学刘志武等人开发的PT-VITT模型，中科院遥感所吴炳方等人开发的ETWatch模型等。这些遥感监测ET模型都是结合某一地区的气候和下垫面条件开发的，当将其应用到其它地区或气候条件时，必须进行模型参数的率定和验证。目前，还没有能够完全适用于各种气候和下垫面条件的通用模型。并且大多数模型都是对平原的农田和生态系统适应性较好，对山区、城市适应性较差；对降雨较少的干旱区精度较好，对阴雨天相对较多的地区精度较差；对气温较高的时段精度较好，当气温较低时（特别时0oC以下时）精度较差。

海河流域属于半湿润、半干旱地区，山区面积占流域总面积的60％，平原区下垫面也十分复杂，城市面积占平原区面积比较大(仅大中型城市就有25座)，农田中温室大棚较多，这给利用遥感数据和模型反演ET技术的应用带来了很多困难，致使遥感监测ET数据的精度成为人们广泛关注和担心的问题，也成为在海河流域全面实施ET管理的制约因素。目前，利用遥感数据和模型生产的ET在年尺度上相对误差大约10％左右（时间尺度越小误差越大），而海河流域的节水目标就是使综合ET降低10％，有人担心利用遥感监测ET数据会不会把我们的节水潜力淹没了，这种担心不是没有道理的。

遥感监测ET数据的精度能不能满足未来ET管理的需求（相对误差小于5％）？对此应该是有信心的。本人建议可通过以下途径解决遥感监测ET数据的精度问题：

（1）遥感监测ET数据与地面监测数据耦合

ET在时间和空间上均是高度变化的，利用遥感数据和模型反演ET技术的基本原理，决定了这一方法在解决ET的空间分布上具有优势，而在时间分布上精度不高。因为遥感实际能够得到的只是卫星过境瞬时的ET，其它时间的ET只能依靠外推。高分辨率的卫星过境次数本来就少，在半湿润地区卫星过境时又经常会遇到阴雨天，造成能够用于外推的ET实测值更少。而地面实测的ET正可以弥补这一缺陷。地面监测点的小尺度ET虽然得不到ET的空间分布，但它可以实现连续、实时监测，遥感监测ET数据与地面监测数据耦合，可以提高遥感ET的时间分辨率。目前，海河流域已建立了几个包括大孔径闪烁仪（LAS仪）在内的地面观测站，承担遥感ET模型验证的技术单位也广泛收集了中科院、水科院等研究机构设置在海河流域的多个ET监测站数据，这些数据可以为提高遥感监测ET数据的精度提供支撑。

（2）遥感监测ET数据与分布式水文模型数据耦合

利用遥感数据和模型反演ET的基本原理是能量平衡，而一个地区的ET不仅满足能量平衡原理，还必然符合水量平衡的基本规律。ET是能量平衡与水量平衡的结合点。因此，可以通过遥感ET模型与分布式水文模型的融合（或两模型数据的耦合），提高ET的精度。分布式水文模型可采用国际上普遍采用的SWAT模型和中国水科院自主研发的二元模型(DWEMM)。

2.2 不同尺度ET监测数据的验证与耦合

在用地面ET监测数据率定和验证遥感ET模型和数据时，由于尺度不同，会面临不同尺度ET如何转换与耦合的技术问题。遥感得到的ET数据是按像元大小给出的，低分辨率的MODIS数据是1km×1km的，高分辨率的TM数据是30m×30m的。地面监测数据由于监测方法不同，空间尺度大小也不同。LAS仪测得的是以发射和接收镜之间距离（2～5km）为长轴的椭圆型面积上的ET，涡度相关法测得的是观测高度100倍范围风浪区的ET，蒸渗仪测得的是2m×2m范围的ET，径流计和土壤含水量监测法测得的是点上的ET。这些数据尺度不同，大尺度的往往是不同下垫面植被的综合ET，小尺度的是单一植被的ET，相互之间如何建立联系是需要认真研究的问题，也是解决遥感ET模型率定和验证的关键技术问题。

2.3 可控ET与不可控ET的区分

在海河流域实施ET管理，首先要区分可控ET与不可控ET。可控ET指可以通过人为管理措施调控的ET，如耕地中的灌溉农田，可以通过改善灌溉制度、控制灌溉水量、地膜覆盖等措施，减少农作物的ET消耗；而没有灌溉条件的雨养农田、林地、天然草场和湿地等的ET是不可调控的。ET管理的重点应放在可控ET上，因为只有可控ET是“真实节水”的潜力所在。

可控ET与不可控ET的区分的主要依据是遥感提供的土地利用类型分布，但由于遥感数据的分辨率不够高，土地利用类型分类不够细，不能详细区分不同作物，更不能辨别灌溉农田和雨养农田，这就需要将遥感提供的土地利用类型分布与统计数据对比，并进行重点区的实地调查，由此确定可控ET的范围和面积，并将这些范围作为ET监测和管理的重点。

2.4 建立ET与可调控的用水指标间的关系

ET是水分的蒸发和蒸腾量，是消失在空中看不见、摸不着的水量，对ET的控制和管理是通过对可调控的用水指标进行控制和管理来实现的。为使ET管理具有可操作性，需要建立不同尺度ET与可调控用水指标（如灌溉定额、灌水定额、灌溉用水量、地表引水量、地下水开采量等）之间的关系，通过控制用水指标实现对ET的控制和管理。

如何建立ET与可调控的用水指标间的关系是ET管理中的一个难点问题。可行的方法是用水平衡模型作为工具，在不同区域模型率定和验证的基础上，进行多种情景方案的模拟，从中寻找ET与灌溉定额、地表引水量、地下水净开采量或地下水埋深等指标之间的关系。

2.5 不同地区不同阶段目标ET的确定

ET管理的实质就是“以供定需”的水资源管理，目标是控制不同地区的耗水量，使之与当地不同阶段的可利用水资源量相平衡。因此，合理确定不同地区、不同阶段的目标ET，是ET管理的核心。所谓“目标ET”是与不同发展阶段区域水平衡和经济可持续发展需求相适应的ET。确定目标ET必须综合考虑现状ET分布、区域水平衡分析和水资源配置等几方面因素。

（1）现状ET分布

现状ET分布是确定目标ET的基础，对现状ET进行分析可以发现，目前海河流域内相同作物在产量水平相近的条件下ET值有较大差别，说明农业节水仍然大有潜力。从现状ET分布和水分生产效率分布，可以得到不同土地利用类型的合理ET范围，为确定目标ET提供依据。

（2）区域水平衡分析和水资源配置

ET管理的目标是实现区域来水和去水的平衡，减少并逐步消除地下水超采，保持合理的河、湖、湿地等生态环境耗水量，适当增加入海水量。针对不同地区目标ET的水量平衡分析，应分层次进行，并按照“自上而下，自下而上”的原则进行互动。

流域级水量平衡分析要解决流域范围内水资源的合理调配问题，包括空间上的“以丰补缺”，时间上的“合理调蓄”，行业间的“优化配置”等，需要借助比较复杂的分布式水文模型和水资源配置模型进行耦合模拟分析，据此将流域级不同阶段的综合目标ET分配到各子流域、各县（市、区）和各用水行业。

县级水平衡分析可采用相对简单的方法或模型，但也必须考虑水的空间交换和时间变化，县级能够从上游得到多少水，需要给下游放出多少水，是需要从流域级的水平衡分析得到的，县级水平衡分析不仅可以对流域级分配的目标ET进行检验和确认，还可以对县内不同土地利用类型的目标ET进行分配，为实现县级目标ET管理提供情景分析方案。