華北平原大型灌區(qū)生態(tài)水文綜合觀測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)呂華芳;雷慧閩;楊大文;薄宏波【摘要】清華大學(xué)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(jìn)行農(nóng)田生態(tài)水文綜合試驗(yàn)研究.該觀測網(wǎng)絡(luò)通過對不同空間和時(shí)間尺度的水、熱、物質(zhì)循環(huán)的連續(xù)觀測，形成對不同時(shí)間和空間尺度水循環(huán)機(jī)理的系統(tǒng)認(rèn)識，為現(xiàn)代水文學(xué)與水資源科學(xué)的發(fā)展提供試驗(yàn)數(shù)據(jù).同時(shí)，將該網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星遙感觀測相結(jié)合，可以將田間觀測推廣到全灌區(qū)，對指導(dǎo)該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理和制定社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃具有重要的實(shí)踐意義.該觀測網(wǎng)絡(luò)測量項(xiàng)目完整，觀測手段先進(jìn)，可為其他類似站網(wǎng)的建設(shè)提供參考.【期刊名稱】《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》【年(卷)，期】2013(030)005【總頁數(shù)】5頁(P26-29,33)【關(guān)鍵詞】農(nóng)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(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，清華大學(xué)水利水電工程系,北京100084冰沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，清華大學(xué)水利水電工程系北京100084冰沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，清華大學(xué)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(nóng)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(nóng)業(yè)用水占到總用水量的63%，且有效利用率僅為40%左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家，農(nóng)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(chǎn)區(qū)，占我國農(nóng)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(nóng)業(yè)水資源利用效率不僅可以減少農(nóng)業(yè)水資源的消耗，同時(shí)還有利于控制農(nóng)業(yè)面源污染對環(huán)境和生態(tài)的影響，因此農(nóng)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(guān)農(nóng)業(yè)生態(tài)節(jié)水應(yīng)用基礎(chǔ)理論與試驗(yàn)研究方面比較薄弱，缺乏農(nóng)業(yè)生態(tài)節(jié)水發(fā)展所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累［3］。尺度理論將是農(nóng)業(yè)生態(tài)節(jié)水領(lǐng)域解決實(shí)際問題的關(guān)鍵，需要利用先進(jìn)的觀測手段和全方位的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，從具有代表性的點(diǎn)尺度（小尺度）上的研究著手，找出水資源消耗的機(jī)理，將得到的研究結(jié)果擴(kuò)展到區(qū)域上（大尺度上）。山東省聊城市位山灌區(qū)設(shè)計(jì)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(nóng)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(jìn)行農(nóng)田生態(tài)水文綜合試驗(yàn)研究，通過對常規(guī)氣象因子、水循環(huán)、能量循環(huán)和物質(zhì)（碳、水質(zhì)）循環(huán)等項(xiàng)目在不同空間和時(shí)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(zhì)（碳、水質(zhì)）循環(huán)的變化規(guī)律，為現(xiàn)代水文學(xué)與水資源科學(xué)的發(fā)展提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，對指導(dǎo)該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理和制定社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃具有重要的實(shí)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(yàn)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(jìn)行農(nóng)田實(shí)際狀況的觀測，觀測項(xiàng)目包括水文、氣象及生態(tài)學(xué)研究中所涉及的要素，為氣象-水文-生態(tài)過程的機(jī)理研究，模型的輸入、率定和驗(yàn)證提供必要和完整的數(shù)據(jù)?？刂圃囼?yàn)場由若干控制測坑組成，進(jìn)行水肥耦合控制試驗(yàn)，用于掌握不同水分和養(yǎng)分條件下的作物耗水機(jī)理、作物產(chǎn)量形成過程和水質(zhì)運(yùn)移規(guī)律。灌區(qū)水文氣象觀測網(wǎng)包括地下水位、水質(zhì)、降雨、溫濕度、灌溉量、常規(guī)氣象要素、河道流量等項(xiàng)目，用于觀測這些要素的空間變化規(guī)律，為研究整個(gè)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(diǎn)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(guān)［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(guān)注，CO2減排成為國際氣候談判的關(guān)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(guān)注的焦點(diǎn)，而了解不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程及機(jī)理，量化各生態(tài)系統(tǒng)CO2吸收和排放狀況，是實(shí)現(xiàn)CO2減排、保護(hù)全球氣候環(huán)境的關(guān)鍵問題［5］。研究表明，農(nóng)田是區(qū)域碳循環(huán)的一個(gè)重要組成部分［6］。對于農(nóng)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(chǎn)量及CO2排放等緊密相關(guān)，在太陽輻射的能量驅(qū)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(nóng)田生態(tài)水文過程研究成為生態(tài)水文學(xué)的前沿和熱點(diǎn)問題之一［7］。以渦度相關(guān)技術(shù)為核心的通量觀測是國際上測定蒸散發(fā)和碳通量的標(biāo)準(zhǔn)方法［8-9］,其最大優(yōu)點(diǎn)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(jià)系統(tǒng)的觀測精度［10］,這也是評價(jià)渦度相關(guān)技術(shù)精度的主要方法，也使該技術(shù)成為唯一能夠?qū)崿F(xiàn)自我精度評價(jià)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(gè)約400mx500m的矩形農(nóng)田，其土質(zhì)均勻、種植結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)貙?shí)際情況相符，在灌區(qū)內(nèi)具有代表性，觀測設(shè)備布置在試驗(yàn)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(chǎn)商制造的儀器設(shè)備，開展標(biāo)準(zhǔn)化的項(xiàng)目觀測，保證了數(shù)據(jù)觀測的精度以及不同站點(diǎn)間數(shù)據(jù)的可比性。核心觀測：采用CampbellScientific公司生產(chǎn)的超聲風(fēng)速計(jì)與LICOR公司生產(chǎn)的CO2/H2O分析儀組成的渦度相關(guān)系統(tǒng)，進(jìn)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(shí)施長期的、連續(xù)的和非破壞性的定點(diǎn)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(shí)數(shù)、風(fēng)速/風(fēng)向等），植被狀態(tài)觀測（葉面積指數(shù)、生物量等），2個(gè)0~1.6m深的土壤觀測剖面進(jìn)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(jìn)行碳循環(huán)研究；配有土壤蒸發(fā)、植物蒸騰等觀測進(jìn)行水分循環(huán)觀測?？刂圃囼?yàn)對于研究農(nóng)業(yè)節(jié)水、施肥控制以及減少農(nóng)肥污染具有重要意義。試驗(yàn)場（見圖3）位于灌區(qū)內(nèi)許營鄉(xiāng)堌堆王村，占地3.32公頃（49.8畝），試驗(yàn)區(qū)3.05公頃（45.8畝），包括27塊灌溉試驗(yàn)測坑和常規(guī)氣象觀測場。試驗(yàn)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(jìn)行冬小麥和夏玉米的輪番種植，開展的觀測項(xiàng)目有：灌溉量、施肥量、測坑土壤水分、土壤水水質(zhì)等。設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案為：將27塊試驗(yàn)田分成9組進(jìn)行不同施肥灌溉條件的對比實(shí)驗(yàn)，每組包括3塊試驗(yàn)田，相當(dāng)于設(shè)置3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)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(yàn)提供必要的數(shù)據(jù)。水文氣象觀測網(wǎng)各站點(diǎn)均勻分布在灌區(qū)的內(nèi)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(shí)際需求，定期采集存儲器內(nèi)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(jì)連續(xù)監(jiān)測各斷面的水位，并根據(jù)水位-流量關(guān)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(zhì)和河道徑流的觀測數(shù)據(jù)，用于水文模型的率定和驗(yàn)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(zhì)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(zhì)分析獲得，而河道流量的觀測則依托聊城市水文局，采用標(biāo)準(zhǔn)的水文測驗(yàn)方法進(jìn)行測量。（1）經(jīng)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(guān)系，分析并揭示了農(nóng)田生態(tài)水文過程的機(jī)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(chǔ)上，構(gòu)建了用于模擬田間尺度水分-能量-碳通量的水文強(qiáng)化陸面過程模型（HELP）；與作物生長模型耦合，進(jìn)一步建立了田間尺度生態(tài)水文模型（HELP-C），實(shí)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(gòu)建了灌區(qū)尺度的生態(tài)水文模型，實(shí)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(gòu)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(yù)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(chǎn)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(diǎn)，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(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)［13］。通過灌溉控制試驗(yàn)，積累了大量的不同灌溉量、施肥量的對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了土壤剖面中水分、鹽分和氮素的詳細(xì)采樣分析，基于農(nóng)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(nóng)田鹽分與氮素的分布及運(yùn)移規(guī)律［13］。此外，在觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上，已經(jīng)發(fā)表系列學(xué)術(shù)論文[14-23],獲得了國內(nèi)外同行的高度評價(jià)。試驗(yàn)站成果還被應(yīng)用于指導(dǎo)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(wù)水平，也為探討灌區(qū)的節(jié)水灌溉新途徑提供了基礎(chǔ)，對促進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義，經(jīng)濟(jì)和社會環(huán)境效益顯者。隨著試驗(yàn)觀測的深入，認(rèn)識到以水為介質(zhì)的泥沙和水質(zhì)研究在灌區(qū)具有與水循環(huán)本身同樣重要的意義，認(rèn)識到已有試驗(yàn)設(shè)計(jì)存在一些不足。主要表現(xiàn)在：一是水質(zhì)測量的頻次太低，無法準(zhǔn)確掌握水質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律；二是缺乏泥沙方面的測量項(xiàng)目。為此，需以水質(zhì)和泥沙為核心，進(jìn)一步完善和擴(kuò)充其基本功能；計(jì)劃建立更多的標(biāo)準(zhǔn)氣象場；以通量觀測塔為中心，建立農(nóng)田水循環(huán)觀測系統(tǒng)，包括增加設(shè)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(shè)置超聲波流量計(jì)，用以精確測量進(jìn)入和流出田間的地表水量；建立具有適當(dāng)密度的土壤水分自動觀測網(wǎng)；設(shè)置一個(gè)具備常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)（包括pH、水溫、濁度、電導(dǎo)率、硝酸鹽含量、DO、COD等）分析能力的水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)室；設(shè)置一個(gè)用于灌區(qū)泥沙數(shù)量和顆粒級配分析試驗(yàn)的泥沙分析實(shí)驗(yàn)室。從而使觀測內(nèi)容更加全面（包括標(biāo)準(zhǔn)氣象因子、水循環(huán)、能量循環(huán)和物質(zhì)（碳、泥沙和水質(zhì)）循環(huán)，并提高觀測設(shè)備的精度和自動化水平，使之成為華北平原大型農(nóng)業(yè)灌區(qū)中一個(gè)典型的水文-氣象-泥沙-水質(zhì)綜合觀測與試驗(yàn)研究基地。【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]任憲韶.全面建設(shè)海河流域水利保障體系促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)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(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水的理論創(chuàng)新及研究重點(diǎn)[J].水利學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，2010,25(4):604-613.姚玉剛，蔣躍林，李俊.農(nóng)田CO2通量觀測的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程科學(xué)，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(jī)理及模型研究[D].北京：清華大學(xué)，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(yīng)用渦度相關(guān)技術(shù)監(jiān)測地表蒸發(fā)蒸騰量的研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),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(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007,47(6):801-804,813.[12]耿紹波，魯紹偉，饒良懿，等.基于渦度相關(guān)技術(shù)測算地表碳通量研究進(jìn)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(xué)，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