北京农业水资源监测与管理课件.ppt

1、先进性先进性1来源与背景来源与背景235创新点创新点6应用情况及存在问题应用情况及存在问题7效益及发展前景效益及发展前景 我国人均水资源仅为世界平均水平的我国人均水资源仅为世界平均水平的1/41/4。正常情况下，每年农业缺水大体上是正常情况下，每年农业缺水大体上是在在300300亿亿400400亿立方米。亿立方米。未来农业用水零增长，水资源面临长未来农业用水零增长，水资源面临长期不足状况。期不足状况。总量不足总量不足 时间分布：常年夏季降水量占全年的时间分布：常年夏季降水量占全年的70%70%以上。以上。空间分布：淮河以北地区耕地面积占空间分布：淮河以北地区耕地面积占全国的近全国的近2/32/

2、3，空间分布：空间分布：拥有水资源量却不足全国拥有水资源量却不足全国的的1/51/5。分布不均分布不均 农业灌溉水每立方米平均生产农业灌溉水每立方米平均生产1 1公斤粮公斤粮食。食。每亩每毫米降水生产每亩每毫米降水生产0.50.5公斤粮食。公斤粮食。以上两项指标均仅为发达国家水平的以上两项指标均仅为发达国家水平的一半。一半。利用率不高利用率不高 近近5 5年，农作物年均因旱受灾年，农作物年均因旱受灾3.13.1亿亩，其中成灾亿亩，其中成灾1.81.8亿亩，绝收亿亩，绝收36003600多万亩，分别占各种自然灾害农作多万亩，分别占各种自然灾害农作物总受灾面积、成灾面积、绝收面积的物总受灾面积、成

3、灾面积、绝收面积的49%49%、52%52%和和49%49%。每年因旱灾年均损失粮食每年因旱灾年均损失粮食450450多亿斤，占因自然灾害损多亿斤，占因自然灾害损失粮食的失粮食的50%50%以上。以上。三北地区的春旱、秋旱，黄淮地区的春旱、秋旱、三北地区的春旱、秋旱，黄淮地区的春旱、秋旱、冬旱，江淮地区、西南地区的夏伏旱，长江流域、华南冬旱，江淮地区、西南地区的夏伏旱，长江流域、华南地区的秋旱等，北方有的地区是地区的秋旱等，北方有的地区是“十年九旱十年九旱”。自自19701970年代初期开始，干旱危害一直呈加重趋势，年代初期开始，干旱危害一直呈加重趋势，在在19901990年代末期达到高峰，年

4、代末期达到高峰，20002000年前后有所下降，但近年前后有所下降，但近几年又呈上升趋势。几年又呈上升趋势。20062006年我国经历了川渝大旱，损失粮食年我国经历了川渝大旱，损失粮食100100亿斤；亿斤；20072007年东北地区的夏伏旱，损失粮食年东北地区的夏伏旱，损失粮食100100亿斤；亿斤；20092009年年东北地区的夏伏旱，损失粮食东北地区的夏伏旱，损失粮食160160亿斤；亿斤；20102010年西南地年西南地区的特大干旱，损失粮食区的特大干旱，损失粮食33.733.7亿斤，直接造成夏粮减产。亿斤，直接造成夏粮减产。水资源与耕地密切相关，耕地紧张的背后实际上是缺水水资源与耕地

5、密切相关，耕地紧张的背后实际上是缺水问题。问题。有水就有耕地，就有生产能力。有水就有耕地，就有生产能力。解决好水的问题，东北西部有解决好水的问题，东北西部有6060亿斤以上的增产潜力，亿斤以上的增产潜力，三江平原有三江平原有350350亿斤的增产潜力，新疆北部有亿斤的增产潜力，新疆北部有200200亿斤的潜力。亿斤的潜力。有关专家测算，如果将灌溉水的粮食生产效率提高有关专家测算，如果将灌溉水的粮食生产效率提高0.10.1公斤公斤/立方米，旱作区每毫米降水的粮食生产效率提立方米，旱作区每毫米降水的粮食生产效率提高高0.10.1公斤公斤/亩，可增加粮食生产能力亩，可增加粮食生产能力10001000

6、亿斤以上，相亿斤以上，相当于河南省全年的粮食产量。当于河南省全年的粮食产量。n重工程措施轻非工程措施重工程措施轻非工程措施n基于供水的管理理念基于供水的管理理念 静态、固定，实效性差静态、固定，实效性差n农业用水量计算及灌溉定额的确定过于宏观、概化；农业用水量计算及灌溉定额的确定过于宏观、概化；n农业节水效果，缺乏客观、准确的评价体系农业节水效果，缺乏客观、准确的评价体系一、来源与背景一、来源与背景 作物需水量作物需水量 充分灌溉充分灌溉 灌溉定额灌溉定额 总量控制总量控制 灌溉制度灌溉制度 供水计划供水计划一、来源与背景一、来源与背景n新的农业用水管理理念：新的农业用水管理理念：n 灌溉依据

7、：灌溉依据：节水农业的关键在单位水量的产出，即水资源的高效率利用。节水农业并不是单纯的节水，它必然是与产出联系在一起。一、来源与背景一、来源与背景中国水利水电科学研究院从GEF海河项目伊始就致力于遥感ET技术的探索与应用，并为北京市水资源管理提供技术支撑。基于ET需水管理理念，充分发挥遥感技术手段的优越性，将其应用于作物耗水量和土壤水分监测、作物灌水量预报、节水效果评价等环节中，实现区域灌溉准确预报、决策以及农业灌溉节水效果的快捷、客观定量评估。二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式研究区概况研究区概况项目以北京市冬小麦-夏玉米为研究对象。涉及通州区、大兴区的全部和顺义区、房山区、昌

8、平区、怀柔区、密云区和平谷区的平原部分，土地面积441055公顷，约占全市土地总面积的26.81%。作物系数Kc标定研究土壤含水量遥感分析作物精量灌溉预报模型基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式l FAO定义：指生长在大面积农田上的作物群体，在给定的环境中在土壤水分适宜、正常生长、产量水土壤水分适宜、正常生长、产量水平较高条件下平较高条件下所消耗的水量,包括植株蒸腾和棵间蒸发量之和，简称腾发量，又称田间耗水量或作物需水量，表示为ET（Evapotranspiration)。不包括输配水过程中径流损失和田间

9、渗漏水量。l 在生产实践中用作物的蒸腾量和颗间蒸发量来表示作物需水量。l ET值根据需要可按时间分为单项作物某一生育阶段ET，全生育期的ET等。也可按地域空间分为某一作物种植区的ET，某灌区的ET等。(一一)作物系数作物系数KcKc标定研究标定研究q作物需水量定义作物需水量定义 植株蒸腾 Traspiration株间蒸发 Evaporation q作物需水量或田间耗水量是反映农业用水最关键的基础数据。农田节水的核心就是通过降低无效的蒸腾蒸发，提高水分利用效率，实现资源型和效益型节水。二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式q作物需水量意义作物需水量意义 q研究思路研究思路 (一一)作物

10、系数作物系数KcKc标定研究标定研究作物需水量作物需水量ETpVILAIq作物种类Kq品种Vq发育期q作物生长状况G作物参考需水量作物参考需水量ET0线性关系线性关系二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式ETp=ET0*Kc二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式qKc与植被指数与植被指数VI的关系推导的关系推导 qVIVI对作物生长和土壤水分的指示作用对作物生长和土壤水分的指示作用 植被指数NDVI是植被生长状态及植被盖度的最佳指示因子。一般说来，NDVI能反映植被状况，而植被状况与植被水分含量、蒸腾蒸发量、土壤水分有关。植被指数可以密切反映各种测量所得土壤的水分有效性。F

11、1(B)=F1(K,V,G)Kc=F1(B)f1(LAI)LAI=f(VI)Kc=F1(B)f1(LAI)=f2(VI)二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式本研究主要针对北京市主要大田作物冬小麦、玉米等进行分析研究。区县名称缩写小麦样本个数玉米样本个数区县名称缩写小麦样本个数玉米样本个数通州57海淀10密云22大兴85怀柔22房山46顺义36昌平21平谷11延庆04区县合计区县合计2834二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式主要植被指数主要植被指数计算公式计算公式NDVIEVIRVISAVI以MODIS为数据源，选取植被指数如下表：类型类型关系模型关系模型R2KcNDV

12、I线性线性y=2.0824x-0.02420.6671指数指数y=0.8098Ln(x)+1.60550.6752KcRVI线性线性y=0.2644x+0.12300.5495指数指数y=0.8078Ln(x)+0.10090.6410KcSAVI线性线性y=2.7185x+0.02730.7350指数指数y=0.7387Ln(x)+1.81320.7853KcEVI线性线性y=1.3306x+0.50510.3818指数指数y=0.2235Ln(x)+1.2263 0.4753作物类型作物类型关系关系类型类型关系模型关系模型R2春玉米春玉米KcNDVI线性线性y=0.9169x+0.3956

13、0.7567指数指数y=0.3598Ln(x)+1.15270.8190KcRVI线性线性y=0.0838x+0.53840.5145指数指数y=0.3069Ln(x)+0.50350.6296KcSAVI线性线性y=1.1291x+0.46010.6720指数指数y=0.3357Ln(x)+1.25830.7440KcEVI线性线性y=0.3653x+0.80840.2726指数指数y=0.1093Ln(x)+1.06880.2103夏玉米夏玉米KcNDVI线性线性y=0.9751x+0.30070.7231指数指数y=0.464Ln(x)+1.13760.7013KcRVI线性线性y=0.

14、0857x+0.49710.6753指数指数y=0.3377Ln(x)+0.40140.7229KcSAVI线性线性y=1.0976x+0.41230.7013指数指数y=0.3683Ln(x)+1.21240.6619KcEVI线性线性y=0.6506x+0.60270.4149指数指数y=0.2626Ln(x)+1.1177 0.3503二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式基于遥感方法标定作物系数Kc空间上推求作物整个生育期的Kc实现作物实际耗水量监测作物系数Kc标定研究土壤含水量遥感分析作物精量灌溉预报模型基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其

15、取得方式p土壤水是作物生长和发育的直接水分来源，在农作物的生长过程中起着关键作用。为了提高土壤水的利用率，减少无效蒸发，节约农业用水，就需要对土壤水分进行实时、动态监测。p遥感反演土壤水分的原理：就是利用地表反射的太阳辐射或本身发射的远红外、微波辐射等信息和变化规律推算土壤水分含量。二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式不同类型土壤的光谱反射特性 沙土在不同含水量下的反射特性土壤的光谱特性土壤的光谱特性植物的光谱特性：不同的植物由于结构和叶绿素含量不同，具有不同的光谱特征，特别是近红外波段有较大的差别。p影响植物光谱的因素 植物叶子的颜色植物叶子的颜色叶子的组织结构叶子的组织结构叶子

16、的含水量叶子的含水量植物的覆盖度植物的覆盖度二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式 作物全生育期的土壤水分监测作物全生育期的土壤水分监测 MODIS数据源数据源 NDVI=0.3:作物覆盖下，引入植被指数的改进热惯量方法作物覆盖下，引入植被指数的改进热惯量方法 根据浅层根据浅层020cm土壤水分推求深层土壤水分推求深层040cm土壤水分土壤水分 2005年数据进行模型率定，年数据进行模型率定，2006年数据进行模型验证年数据进行模型验证以上模型验证结果显示，小麦模型的平均相对误差为以上模型验证结果显示，小麦模型的平均相对误差为5.155.15，其中小于，其中小于10%10%的占的占9

17、0%90%；玉米模型的平均相对误差为；玉米模型的平均相对误差为4.314.31，其中小于，其中小于10%10%的占的占93%93%，小于，小于20%20%的占的占100%100%，已经达到了精度要求。，已经达到了精度要求。模型精度分析及验证模型精度分析及验证二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式作物系数Kc标定研究土壤含水量遥感分析作物精量灌溉预报模型基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式q灌溉是农业生产过程中的重要环节和技术措施，科学的灌溉不仅节省水量、增加效益，而且可以减轻农业环境的负荷。q作物精量灌溉预报是在气象预报的基础上，根据对灌区各

18、田块作物真实耗水量的预测，确定出作物最近一次的灌水日期和灌水量，从而精细、准确的调整灌区的灌溉用水计划，提高灌水效率和水的利用率，实现农业水的可持续利用。二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式q灌溉预报基本原理 利用当前的土壤含水量推算下一阶段的土壤含水量，进而预报灌溉时间和灌水量。二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式其中，W(x,y)：当前土壤含水量；I(x,y)：预报时段内灌水量；qPe(x,y):预报时段内降水量；ET(x,y)：预报时段内正散发。初始土壤含水量0预报时段降水量Pe预报时段ETWtWmin结合作物种类计算土壤储水量开始根据水量平衡方程计算设定初始日期

19、和预报天数结束预报灌水量作物生育期适宜含水率下限WminYesNo二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式作物系数Kc标定研究土壤含水量遥感分析作物精量灌溉预报模型基于ET的节水效果评价方法研究二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式q研究思路遥感遥感ET 遥感生物量遥感生物量 作物耗水规律作物耗水规律 作物耗水量作物耗水量生物量关系生物量关系 作物耗水量作物耗水量水分生产率关系水分生产率关系 有效降雨有效降雨评价方法评价方法二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式水水分分生生产产率率三、关键成果及其取得方式三、关键成果及

20、其取得方式二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式 通过对作物全生育期耗水量与水分生产率和作物生物量的关系分析发现：（1）作物耗水量与水分生产率和作物生物量的关系都呈抛物线变化且存在极大值；（2）开始，随着作物耗水量的增加，作物生物量和水分生产率同时增大，当作物耗水量增加到一定程度后，二者增速放缓并逐步达到极大值，且作物水分生产率先于作物生物量达到峰值；（2）随着耗水量的进一步增加，生物量保持相对在高水平上，作物水分生产率开始产生负效应结论：有限供水条件下作物的耗水量应在两个抛物线的极大值点之间变化。有效降雨有效降雨耗水量耗水量水分生水分生产率关系抛物线产率关系抛物线作物水分生产率作物

21、水分生产率ETa ETa,maxETaETa,min且且ETa 0NoYes耗水量耗水量水分生水分生产率离散点产率离散点(Xi,Yi)（Xi，Yi,max）No Yes遥感遥感ET遥感生物量遥感生物量Class=2Class=4Class=3Class=2IDYi=Yi,max三、关键成果及其取得方式三、关键成果及其取得方式Class：=1：总灌水量不足区；：总灌水量不足区；=2：总灌水量适宜区；：总灌水量适宜区；=3：阶段灌水量不合理区；：阶段灌水量不合理区；=4：总灌水量过量区。：总灌水量过量区。二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方

22、式冬小麦冬小麦 分类分类 年份年份总灌水量总灌水量适宜区适宜区总灌水量总灌水量过量区过量区阶段灌水量阶段灌水量不合理区不合理区总灌水量总灌水量不足区不足区单产产量单产产量（kg/mu）2003-2004年年52%23%8%17%383.58 2004-2005年年42%26%17%15%364.28 2005-2006年年20%19%15%46%352.81 200420052006二、关键成果及其取得方式二、关键成果及其取得方式 分类分类 年份年份总灌水量总灌水量适宜区适宜区总灌水量总灌水量过量区过量区阶段灌水量阶段灌水量不合理区不合理区总灌水量总灌水量不足区不足区单产产量单产产量（kg/m

23、u）2004年年80%2%13%4%363.70 2005年年70%7%14%9%344.75 2006年年89%2%6%3%368.89玉米玉米200420052006p充分发挥了遥感技术手段的优越性以及遥感充分发挥了遥感技术手段的优越性以及遥感ETET精度高、省时省力，精度高、省时省力，而且可实现大范围长期宏观监测的优势；而且可实现大范围长期宏观监测的优势；p将遥感技术应用于作物系数将遥感技术应用于作物系数KcKc标定、土壤水分监测、作物灌水量预标定、土壤水分监测、作物灌水量预报、节水效果评价等环节中，实现了区域灌溉准确预报、决策以及农报、节水效果评价等环节中，实现了区域灌溉准确预报、决策

24、以及农业灌溉节水效果的快捷、客观定量评估；业灌溉节水效果的快捷、客观定量评估；p创新性地提出了基于遥感创新性地提出了基于遥感ETET的区域农业用水效果评估的技术方法和的区域农业用水效果评估的技术方法和有限供水条件下的作物需水量计算方法。有限供水条件下的作物需水量计算方法。知名权威专家一致认为：项目研究成果对于农业用水与知名权威专家一致认为：项目研究成果对于农业用水与节水管理具有重要参考价值，达到国际先进水平。节水管理具有重要参考价值，达到国际先进水平。三、项目先进性三、项目先进性创新点一：将遥感创新点一：将遥感ETET新技术综合应用于典型作物耗水量监测、新技术综合应用于典型作物耗水量监测、灌溉

25、管理、节水效果评估等过程，提出了基于遥感灌溉管理、节水效果评估等过程，提出了基于遥感ETET的区域的区域农业用水效果评估的技术方法；农业用水效果评估的技术方法；创新点二：利用遥感数据并结合地面试验资料，推求了区域创新点二：利用遥感数据并结合地面试验资料，推求了区域典型作物全生育期的作物系数，开发了作物系数遥感标定模典型作物全生育期的作物系数，开发了作物系数遥感标定模型，并建立了有限供水条件下的作物需水量计算方法；型，并建立了有限供水条件下的作物需水量计算方法；创新点三：建立了典型作物全生育期基于遥感创新点三：建立了典型作物全生育期基于遥感ETET的耗水量的耗水量生物量、耗水量生物量、耗水量水分

26、生产率关系，对区域典型作物用水效水分生产率关系，对区域典型作物用水效果进行了定量评价。果进行了定量评价。四、创新点四、创新点五、成熟程度五、成熟程度 适用范围适用范围p 成熟程度成熟程度 项目组从2003年伊始就致力于遥感ET技术的探索与应用，2008年以后，研究成果不断成熟，并逐步在北京市农业水资源管理及潮白河流域水资源管理中得到成功应用。p 适用范围适用范围 本研究成果主要以冬小麦和夏玉米等典型作物开展的示范研究，但对其他作物也具有广普适用性，具有很好的推广价值。六、应用情况及存在问题六、应用情况及存在问题p应用情况应用情况 研究成果已在北京市农业用水管理及潮白河流域水资源管理中进行了应用

27、示范，为全市作物耗水量调查、土壤墒情监测、节水效果评估调查等工作节约大量资金。六、应用情况及存在问题六、应用情况及存在问题p应用情况应用情况 项目成果为北京市GEF海河项目“南水北调中线工程实施后北京市水资源合理配置战略研究”提供了开拓性思路，成为了该战略研究的科学基础和技术导向，同时，也为北京市水资源供需分析和南水北调中线工程入京后的水资源优化配置奠定科学基础，为北京市水资源管理工作提供技术储备，并为水资源管理的科学化、数字化提供先进的示范。六、应用情况及存在问题六、应用情况及存在问题p存在问题存在问题（一）项目成果中建立的基于遥感的农业节水评价方法是以北京市为示范研究区，今后将考虑在国内更

28、多区域选取代表示范区，结合试验区实测资料对该评价方法进行精准验证和修正完善。（二）项目成果主要以大田作物冬小麦和玉米典型作物开展示范研究。今后将课题组将进一步开展研究，继续扩大该成果在对不同类型作物、植物的示范应用。七、效益及发展前景七、效益及发展前景 项目研究成果为确定作物需水量提供了有效快捷技术手段。提出了基于遥感ET的区域农业用水效果评估的技术方法，实现了北京市区域典型作物用水效果的定量评价，进一步提高了农业用水监测与管理水平，对于提高流域农业用水调配的快速反应能力和综合管理能力，逐步实现农业用水的科学化管理具有重要现实意义。p社会环境效益显著社会环境效益显著p推广前景显著推广前景显著 项目成果可扩展到不同流域（区域）不同作物、植物，这将为掌握农业用水规律、制定合理的灌溉定额、实现水资源的可持续利用提供重要参考及决策依据。