華北平原大型灌區(qū)生態(tài)水文綜合觀測網(wǎng)絡設計

華北平原大型灌區(qū)生態(tài)水文綜合觀測網(wǎng)絡設計呂華芳;雷慧閩;楊大文;薄宏波【摘要】清華大學水利水電工程系在華北平原地區(qū)建立生態(tài)水文綜合觀測網(wǎng)，進行農田生態(tài)水文綜合試驗研究.該觀測網(wǎng)絡通過對不同空間和時間尺度的水、熱、物質循環(huán)的連續(xù)觀測，形成對不同時間和空間尺度水循環(huán)機理的系統(tǒng)認識，為現(xiàn)代水文學與水資源科學的發(fā)展提供試驗數(shù)據(jù).同時，將該網(wǎng)絡與衛(wèi)星遙感觀測相結合，可以將田間觀測推廣到全灌區(qū)，對指導該地區(qū)農業(yè)水資源管理和制定社會經濟可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃具有重要的實踐意義.該觀測網(wǎng)絡測量項目完整，觀測手段先進，可為其他類似站網(wǎng)的建設提供參考.【期刊名稱】《實驗技術與管理》【年(卷)，期】2013(030)005【總頁數(shù)】5頁(P26-29,33)【關鍵詞】農田生態(tài)系統(tǒng);水文綜合觀測站;水熱循環(huán);通量觀測;多尺度【作者】呂華芳;雷慧閩;楊大文;薄宏波【作者單位】水沙科學與水利水電工程國家重點試驗室，清華大學水利水電工程系,北京100084冰沙科學與水利水電工程國家重點試驗室，清華大學水利水電工程系北京100084冰沙科學與水利水電工程國家重點試驗室，清華大學水利水電工程系北京100084;山東省聊城市位山灌區(qū)管理處,山東聊城252000【正文語種】中文【中圖分類】S271-33我國農田生態(tài)系統(tǒng)占國土面積的19%，是我國第3大植被生態(tài)系統(tǒng)［1］。農業(yè)用水占到總用水量的63%，且有效利用率僅為40%左右，遠低于發(fā)達國家，農業(yè)生態(tài)節(jié)水已弓I起國家的高度重視。華北平原是我國最大的糧食產區(qū)，占我國農田總面積的18.6%［2］，而水資源量僅占全國水資源量的3%（1956—2000年平均），提高農業(yè)水資源利用效率不僅可以減少農業(yè)水資源的消耗，同時還有利于控制農業(yè)面源污染對環(huán)境和生態(tài)的影響，因此農業(yè)生態(tài)用水的合理高效利用在華北平原尤為重要。目前，我國有關農業(yè)生態(tài)節(jié)水應用基礎理論與試驗研究方面比較薄弱，缺乏農業(yè)生態(tài)節(jié)水發(fā)展所需要的基礎數(shù)據(jù)積累［3］。尺度理論將是農業(yè)生態(tài)節(jié)水領域解決實際問題的關鍵，需要利用先進的觀測手段和全方位的試驗設計，從具有代表性的點尺度（小尺度）上的研究著手，找出水資源消耗的機理，將得到的研究結果擴展到區(qū)域上（大尺度上）。山東省聊城市位山灌區(qū)設計灌溉面積33.87萬hm2（508萬畝），是華北平原半干旱半濕潤區(qū)、黃河下游的大型引黃灌區(qū)，多年平均引黃水量約10億m3，是我國第5大灌區(qū)，在我國北方農田生態(tài)系統(tǒng)中具有較好的代表性。在該地區(qū)建立生態(tài)水文綜合觀測網(wǎng)，進行農田生態(tài)水文綜合試驗研究，通過對常規(guī)氣象因子、水循環(huán)、能量循環(huán)和物質（碳、水質）循環(huán)等項目在不同空間和時間尺度上的連續(xù)觀測，定量分析灌區(qū)水分消耗、能量循環(huán)和物質（碳、水質）循環(huán)的變化規(guī)律，為現(xiàn)代水文學與水資源科學的發(fā)展提供試驗數(shù)據(jù)的同時，對指導該地區(qū)農業(yè)水資源管理和制定社會經濟可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃具有重要的實踐意義。位山灌區(qū)生態(tài)水文綜合觀測網(wǎng)（見圖1）由3部分組成：通量觀測塔（見圖2）,控制試驗場（見圖3）和灌區(qū)水文氣象觀測網(wǎng)。其中，通量觀測塔位于作物均一的大田中，進行農田實際狀況的觀測，觀測項目包括水文、氣象及生態(tài)學研究中所涉及的要素，為氣象-水文-生態(tài)過程的機理研究，模型的輸入、率定和驗證提供必要和完整的數(shù)據(jù)?？刂圃囼瀳鲇扇舾煽刂茰y坑組成，進行水肥耦合控制試驗，用于掌握不同水分和養(yǎng)分條件下的作物耗水機理、作物產量形成過程和水質運移規(guī)律。灌區(qū)水文氣象觀測網(wǎng)包括地下水位、水質、降雨、溫濕度、灌溉量、常規(guī)氣象要素、河道流量等項目，用于觀測這些要素的空間變化規(guī)律，為研究整個位山灌區(qū)生態(tài)水文循環(huán)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。三部分觀測從點到面，從地下到地上，組成了不同尺度灌區(qū)生態(tài)水文過程的綜合觀測體系。水資源量與氣候變化密切相關［4］,CO2作為最主要的溫室氣體，它所引起的全球變暖及其可能的影響在全球引起了高度關注，CO2減排成為國際氣候談判的關鍵議題。因此，探尋陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2減排的有效方法成為人們關注的焦點，而了解不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程及機理，量化各生態(tài)系統(tǒng)CO2吸收和排放狀況，是實現(xiàn)CO2減排、保護全球氣候環(huán)境的關鍵問題［5］。研究表明，農田是區(qū)域碳循環(huán)的一個重要組成部分［6］。對于農田生態(tài)系統(tǒng)而言，蒸散發(fā)和碳通量與區(qū)域耗水、糧食產量及CO2排放等緊密相關，在太陽輻射的能量驅動下，以植物光合作用為主要途徑，水循環(huán)、能量循環(huán)以及碳循環(huán)三者緊密耦合在一起，在此背景下，水分及碳循環(huán)為核心的農田生態(tài)水文過程研究成為生態(tài)水文學的前沿和熱點問題之一［7］。以渦度相關技術為核心的通量觀測是國際上測定蒸散發(fā)和碳通量的標準方法［8-9］,其最大優(yōu)點是在配合凈輻射和土壤熱通量觀測的情況下，可通過地表能量平衡閉合度評價系統(tǒng)的觀測精度［10］,這也是評價渦度相關技術精度的主要方法，也使該技術成為唯一能夠實現(xiàn)自我精度評價的觀測手段。通量觀測塔(高10m)位于灌區(qū)的中心(N36°38'55.5”,E116°03'15.3"),其下墊面為一個約400mx500m的矩形農田，其土質均勻、種植結構為單一的冬小麥和夏玉米，田間的氣象條件、灌溉條件及種植條件與當?shù)貙嶋H情況相符，在灌區(qū)內具有代表性，觀測設備布置在試驗田的中心位置［11］,其具體配置見圖2。觀測均采用全球主流儀器生產商制造的儀器設備，開展標準化的項目觀測，保證了數(shù)據(jù)觀測的精度以及不同站點間數(shù)據(jù)的可比性。核心觀測：采用CampbellScientific公司生產的超聲風速計與LICOR公司生產的CO2/H2O分析儀組成的渦度相關系統(tǒng)，進行CO2、顯熱（由于垂向溫度梯度造成的熱通量）、潛熱（作物及地表的蒸發(fā)和騰發(fā)）和土壤中的熱通量的連續(xù)觀測。這與傳統(tǒng)的測坑法觀測作物耗水量的方法不同，它不改變土壤和大氣條件，直接觀測田間的蒸發(fā)和騰發(fā)量，實施長期的、連續(xù)的和非破壞性的定點監(jiān)測［12］。輔助觀測包括：常規(guī)氣象觀測（降雨、空氣溫/濕度、輻射、日照時數(shù)、風速/風向等），植被狀態(tài)觀測（葉面積指數(shù)、生物量等），2個0~1.6m深的土壤觀測剖面進行土壤狀態(tài)觀測（土壤熱通量、土壤溫度、土壤水分、土壤水勢、地下水埋深）。以上均為自動觀測、數(shù)據(jù)自動采集和存儲。此外，還配有土壤呼吸以及植物光合作用的觀測進行碳循環(huán)研究；配有土壤蒸發(fā)、植物蒸騰等觀測進行水分循環(huán)觀測?？刂圃囼瀸τ谘芯哭r業(yè)節(jié)水、施肥控制以及減少農肥污染具有重要意義。試驗場（見圖3）位于灌區(qū)內許營鄉(xiāng)堌堆王村，占地3.32公頃（49.8畝），試驗區(qū)3.05公頃（45.8畝），包括27塊灌溉試驗測坑和常規(guī)氣象觀測場。試驗測坑包括9塊有底測坑（規(guī)格是4mx4mx2m）和18塊無底測坑（規(guī)格是4mx4m）o測坑進行冬小麥和夏玉米的輪番種植，開展的觀測項目有：灌溉量、施肥量、測坑土壤水分、土壤水水質等。設計試驗方案為：將27塊試驗田分成9組進行不同施肥灌溉條件的對比實驗，每組包括3塊試驗田，相當于設置3個重復試驗以減小誤差。研究位山灌區(qū)生態(tài)水文過程的空間分布，需要掌握水文氣象要素的空間變化規(guī)律，為模型的輸入、率定和檢驗提供必要的數(shù)據(jù)。水文氣象觀測網(wǎng)各站點均勻分布在灌區(qū)的內外。其中，氣象站、降雨和溫濕度站用于觀測常規(guī)氣象要素，可作為水文模型的輸入數(shù)據(jù)，為便于數(shù)據(jù)采集，儀器均為自記式（每1h測量1次），可根據(jù)實際需求，定期采集存儲器內的數(shù)據(jù)。灌溉測流站用于測量不同地段的渠道流量，該數(shù)據(jù)也是水文模型的必要輸入量。渠道放水期間，采用自動水位計連續(xù)監(jiān)測各斷面的水位，并根據(jù)水位-流量關系得到通過斷面的流量。地下水觀測井和水文站則提供地下水埋深、水質和河道徑流的觀測數(shù)據(jù)，用于水文模型的率定和驗證，其中地下水埋深的觀測同樣采用自記式地下水位儀（每6h測量1次）。水質則通過人工定期采集地下水，依托其他專業(yè)單位通過水質分析獲得，而河道流量的觀測則依托聊城市水文局，采用標準的水文測驗方法進行測量。（1）經過多年的連續(xù)觀測，位山引黃灌區(qū)生態(tài)水文綜合觀測站積累了大量的水分、能量、碳通量觀測資料，從蒸散發(fā)、能量分配、碳通量傳輸?shù)幕疽?guī)律以及三者之間的耦合關系，分析并揭示了農田生態(tài)水文過程的機理。（2）基于位山通量觀測站和觀測網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)，在陸面過程模型SiB2的基礎上，構建了用于模擬田間尺度水分-能量-碳通量的水文強化陸面過程模型（HELP）；與作物生長模型耦合，進一步建立了田間尺度生態(tài)水文模型（HELP-C），實現(xiàn)了對作物與水文循環(huán)之間相互作用的模擬；利用衛(wèi)星遙感資料及GIS數(shù)據(jù)，將HELP（或HELP-C）與分布式水文模型相耦合，構建了灌區(qū)尺度的生態(tài)水文模型，實現(xiàn)了對灌區(qū)水分、能量和碳循環(huán)的耦合模擬。并采用構建的灌區(qū)生態(tài)水文模型模擬了位山灌區(qū)蒸散發(fā)及碳通量的歷史變化過程，預測了在未來氣候及灌溉情景下灌區(qū)作物耗水、灌溉需水、糧食產量以及CO2通量的可能變化［7］。（3）基于地下水位觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)，以地下水位變化為重點，得到了引黃灌溉條件下位山灌區(qū)的水循環(huán)特征，為該地區(qū)農業(yè)水資源的可持續(xù)利用提供了科學依據(jù)［13］。通過灌溉控制試驗，積累了大量的不同灌溉量、施肥量的對比試驗數(shù)據(jù)，進行了土壤剖面中水分、鹽分和氮素的詳細采樣分析，基于農田觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬，得到了灌溉與施肥影響下，農田鹽分與氮素的分布及運移規(guī)律［13］。此外，在觀測結果的基礎上，已經發(fā)表系列學術論文[14-23],獲得了國內外同行的高度評價。試驗站成果還被應用于指導位山灌溉處編制灌區(qū)灌溉和抗旱規(guī)劃，取得良好效果，不僅提高了位山灌區(qū)的灌溉業(yè)務水平，也為探討灌區(qū)的節(jié)水灌溉新途徑提供了基礎，對促進灌區(qū)現(xiàn)代化建設具有重要現(xiàn)實意義，經濟和社會環(huán)境效益顯者。隨著試驗觀測的深入，認識到以水為介質的泥沙和水質研究在灌區(qū)具有與水循環(huán)本身同樣重要的意義，認識到已有試驗設計存在一些不足。主要表現(xiàn)在：一是水質測量的頻次太低，無法準確掌握水質的運移規(guī)律；二是缺乏泥沙方面的測量項目。為此，需以水質和泥沙為核心，進一步完善和擴充其基本功能；計劃建立更多的標準氣象場；以通量觀測塔為中心，建立農田水循環(huán)觀測系統(tǒng)，包括增加設置灌溉和排水的量水系統(tǒng)，修建具有防滲能力的灌溉毛渠和排水毛溝，設置超聲波流量計，用以精確測量進入和流出田間的地表水量；建立具有適當密度的土壤水分自動觀測網(wǎng)；設置一個具備常規(guī)水質指標（包括pH、水溫、濁度、電導率、硝酸鹽含量、DO、COD等）分析能力的水質分析實驗室；設置一個用于灌區(qū)泥沙數(shù)量和顆粒級配分析試驗的泥沙分析實驗室。從而使觀測內容更加全面（包括標準氣象因子、水循環(huán)、能量循環(huán)和物質（碳、泥沙和水質）循環(huán)，并提高觀測設備的精度和自動化水平，使之成為華北平原大型農業(yè)灌區(qū)中一個典型的水文-氣象-泥沙-水質綜合觀測與試驗研究基地?！鞠嚓P文獻】[1]任憲韶.全面建設海河流域水利保障體系促進流域經濟社會又好又快發(fā)展[J].中國水利，2007（24）:60-62.[2]WuD,YuQ,LuC,etal.QuantifyingproductionpotentialsofwinterwheatintheNorthChinaPlain[J].EuropeanJournalofAgronomy,2006,24（3）:226-235.[3]康紹忠，胡笑濤，蔡煥杰，等.現(xiàn)代農業(yè)與生態(tài)節(jié)水的理論創(chuàng)新及研究重點[J].水利學報，2004(12):1-7.丁相毅，賈仰文，王浩，等.氣候變化對海河流域水資源的影響及其對策[門.自然資源學報，2010,25(4):604-613.姚玉剛，蔣躍林，李俊.農田CO2通量觀測的研究進展[J].農業(yè)工程科學，2007,23(6):626-629.[6]AnthoniPM,FreibauerA,KolleO,etal.WinterwheatcarbonexchangeinThuringia,Germany[J].AgriculturalandForestMeteorology,2004,121(1/2):55-67.[7]雷慧閩.華北平原大型灌區(qū)生態(tài)水文機理及模型研究[D].北京：清華大學，2011.[8]BaldocchiDD,FalgeE,GuL,etal.anewtooltostudythetemporalandspatialvariabilityofecosystem-scalecarbondioxide,watervapor,andenergyfluxdensities[J].BulletinoftheAmericanMeteorologicalSociety,2001,82(11):2415-2434.[9]李思恩，康紹忠，朱治林，等.應用渦度相關技術監(jiān)測地表蒸發(fā)蒸騰量的研究進展[J].中國農業(yè)科學,2008,41(9):2720-2726.[10]WilsonK,GoldsteinA,FalgeE,etal.EnergybalanceclosureatFLUXNETsites[J].AgriculturalandForestMeteorology,2002,113:223-243.[11]雷慧閩，楊大文，沈彥俊，等.黃河灌區(qū)水熱通量的觀測與分析[J].清華大學學報：自然科學版，2007,47(6):801-804,813.[12]耿紹波，魯紹偉，饒良懿，等.基于渦度相關技術測算地表碳通量研究進展[J].世界林業(yè)研究,2010,23(3):24-28.[13]馬歡.人類活動影響下海河流域典型區(qū)水循環(huán)變化分析[D].北京：清華大學，2011.[14]LeiHuimin,YangDawen.SeasonalandinterannualvariationsincarbondioxideexchangeoveracroplandintheNorthChinaPlain[J].GlobalChangeBiology,2010(16):2944-2957.[15]LeiHuimin,YangDawen.InterannualandseasonalvariabilityinevapotranspirationandenergypartitioningoveranirrigatedcroplandintheNorthChinaPlain[J].AgriculturalandForestMeteorology,2010,150:581-589.[16]YangH,YangDW,LeiZD,etal.Variabilityofcomplementaryrelationshipanditsmechanismondifferenttimescales[J].ScienceinChinaSeriesE:TechnologicalSciences,2009,52(4):1059-1067.[17]LeiHuimin,YangDawen,ShenYanjun,etal.Simulationofevapotranspirationandcarbondioxidefluxinthewheat-maizerotationcroplandsoftheNorthChinaPlainusingthesimplebiospheremodel[J].HydrologicalProcesses,2011,25(20):3107-3120.[18]LeiHuimin,YangDawen,LokupitiyaE,etal.Couplinglandsurfaceandcropgrowthmodelsforpredictingevapotranspirationandcarbonexchangeinwheat-maizerotationcroplands[J].Biogeosciences,2010(7):3363-3375.[19]LeiHM,YangDW,SchymanskiSJ,etal.Modelingthecroptranspirationusinganoptimality-basedapproach[J].ScienceinChinaS