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1、北京市农业水资源监测与管理,二一二年四月二十一日,2011年度农业节水科技奖交流材料（二等奖）,申报单位：中国水利水电科学研究院 北京市水利水电技术中心,汇 报 提 纲,项目关键成果及其取得方式,先进性,1,来源与背景,成熟程度 适用范围,创新点,应用情况及存在问题,效益及发展前景,一、来源与背景,我国农业用水面临的突出问题,一、来源与背景,干旱是影响粮食生产的最大灾种,近5年，农作物年均因旱受灾3.1亿亩，其中成灾1.8亿亩，绝收3600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49%、52%和49%。每年因旱灾年均损失粮食450多亿斤，占因自然灾害损失粮食的50%以上
2、。,-从损失上看:,-从区域上看:,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、华南地区的秋旱等，北方有的地区是“十年九旱”。,干旱是影响粮食生产的最大灾种,一、来源与背景,-从历史上看:,自1970年代初期开始，干旱危害一直呈加重趋势，在1990年代末期达到高峰，2000年前后有所下降，但近几年又呈上升趋势。,-从近几年看:,2006年我国经历了川渝大旱，损失粮食100亿斤；2007年东北地区的夏伏旱，损失粮食100亿斤；2009年东北地区的夏伏旱，损失粮食160亿斤；2010年西南地区的特大干旱，损失粮食33.7亿斤，直接造成夏粮减产。,缺水是制
3、约粮食生产的突出矛盾,一、来源与背景,水资源与耕地密切相关，耕地紧张的背后实际上是缺水问题。有水就有耕地，就有生产能力。解决好水的问题，东北西部有60亿斤以上的增产潜力，三江平原有350亿斤的增产潜力，新疆北部有200亿斤的潜力。,节水是提高粮食单产的有效途径,一、来源与背景,有关专家测算，如果将灌溉水的粮食生产效率提高0.1公斤/立方米，旱作区每毫米降水的粮食生产效率提高0.1公斤/亩，可增加粮食生产能力1000亿斤以上，相当于河南省全年的粮食产量。,粮食安全的基础在耕地，粮食增产的潜力在节水。在保护耕地数量、改善耕地质量的同时，应更加重视节水农业建设与发展。,结论：,节约用水，利国利民,重
4、工程措施轻非工程措施基于供水的管理理念 静态、固定，实效性差农业用水量计算及灌溉定额的确定过于宏观、概化；农业节水效果，缺乏客观、准确的评价体系,一、来源与背景,大型灌区农业节水管理中存在的问题,一、来源与背景,新的农业用水管理理念：,灌溉依据：作物耗水量ET,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,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、
5、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,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,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
6、，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渗漏水量。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。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)作物系数Kc标定研究,作物需水量定义,植株蒸腾 Traspiration,株间蒸发 Evaporation,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,
7、(一)作物系数Kc标定研究,作物需水量意义,研究思路,(一)作物系数Kc标定研究,作物需水量ETp,VI,LAI,Kc,作物参考需水量ET0,线性关系,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,(一)作物系数Kc标定研究,Kc与植被指数VI的关系推导,VI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。,F1(B)=F1(K,V,G),Kc=F1(B)f1(LAI),LAI=f(VI),K
8、c=F1(B)f1(LAI)=f2(VI),二、关键成果及其取得方式,(一)作物系数Kc标定研究,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。,二、关键成果及其取得方式,(一)作物系数Kc标定研究,以MODIS为数据源，选取植被指数如下表：,冬小麦KcVI关系模型,玉米作物系数Kc-VI关系模型,二、关键成果及其取得方式,(一)作物系数Kc标定研究,成果特色,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,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
9、发，节约农业用水，就需要对土壤水分进行实时、动态监测。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)土壤含水量遥感分析,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,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。,影响植物光谱的因素 植物叶子的颜色叶子的组织结构叶子的含水量植物的覆盖度,(二)土壤含水量遥感分析,二、关键成果及其取得方式,以上模型验证结果显示，小麦模型的平均相对误差为5.15，其中小于10%的占9
10、0%；玉米模型的平均相对误差为4.31，其中小于10%的占93%，小于20%的占100%，已经达到了精度要求。,模型精度分析及验证,(二)土壤含水量遥感分析,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,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。作物精量灌溉预报是在气象预报的基础上，根据对灌区各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
11、续利用。,二、关键成果及其取得方式,(三)作物精量灌溉预报模型,(三)作物精量灌溉预报模型,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,其中，W(x,y)：当前土壤含水量；I(x,y)：预报时段内灌水量；Pe(x,y):预报时段内降水量；ET(x,y)：预报时段内正散发。,灌溉预报模型计算流程,Yes,No,(三)作物精量灌溉预报模型,二、关键成果及其取得方式,(三)作物精量灌溉预报模型,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
12、得方式,(四)基于ET的节水效果评价方法研究,研究思路,遥感ET,遥感生物量,作物耗水规律,作物耗水量生物量关系,作物耗水量水分生产率关系,有效降雨,评价方法,二、关键成果及其取得方式,水分生产率,三、关键成果及其取得方式,(四)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,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
13、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。,三、关键成果及其取得方式,Class：=1：总灌水量不足区；=2：总灌水量适宜区；=3：阶段灌水量不合理区；=4：总灌水量过量区。,二、关键成果及其取得方式,(四)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,冬小麦,2004,2005,2006,(四)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,玉米,2004,2005,2006,充分发挥了遥感技术手段的优越性以及遥感ET精度高、省时省力，而且可实现大范围长期宏观监测的优势；
14、将遥感技术应用于作物系数Kc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、决策以及农业灌溉节水效果的快捷、客观定量评估；创新性地提出了基于遥感ET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。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。,三、项目先进性,创新点一：将遥感ET新技术综合应用于典型作物耗水量监测、灌溉管理、节水效果评估等过程，提出了基于遥感ET的区域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，推求了区域典型作物全生育期的作物系数，开发了作物系数遥感标
15、定模型，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ET的耗水量生物量、耗水量水分生产率关系，对区域典型作物用水效果进行了定量评价。,四、创新点,五、成熟程度 适用范围,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。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,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示范，为
16、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,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,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
17、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,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。,社会环境效益显著,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。,谢谢！,节约用水，利国利民,
