ETWatch: ETWatch: 蒸散遥感估算方法与应用蒸散遥感估算方法与应用

吴炳方中国科学院遥感与数字地球研究所

2014年 1 月 北京

规划年节水管理总投资额 (亿元 )

（ China water resources, 2003 ）

流域 规划年 农业 工业 生活 总额

海河流域2001-2010 144 157 9 310

2011-2030 169 103 13 285

黄河流域2001-2010 162 91 5 258

2011-2030 134 62 8 204

典型流域的节水投资

地下水超采

华北平原地下水漏斗

地下水潜在开采量

年均超采率 : 30~60亿m3

总额 : 80~100 亿m3

5亿m3(山东 )

10亿m3 (淮河 )

5亿m3( 辽西 )

7亿m3(汾河 )

4亿m3 ( 新疆 )

水管理存在的问题

灌溉效率增加节约的水资源，被用来扩大灌溉面积，导致了更大的水资源消耗，减少了下游的来水量。

十一五期间，宁夏引黄河水量减少 25亿立方米，新增灌溉面积66.5万亩，灌溉水利用系数由0.38提高至 0.43，粮食产量提高

耗水量？

1. ET 介绍

2. ETWatch新集成化方法

3. 黑河流域 ET动态监测

4. 模型评估

5. ETWatch应用

蒸散 (ET)-真实耗水量 蒸散是水分循环的重要组成部分 ET 是干旱、半干旱地区水资源的主要消耗量

澳大利亚 90% 的降水以蒸散发的形式回到大气中 埃及 80% 的入境水资源通过 ET 消耗 海河流域 98% 的水以 ET 形式消耗 吐鲁番更是高达 99%

ET 的监测与降雨和水文观测同等重要。

蒸散量观测方法

水平衡方法– 水文模型 : P+I=ET+R+S– 蒸渗仪 : 一段时间内的土壤水分变化

能量平衡方法– Penman-Monteith (Monteith, 1965)– 潜在 ET 和作物系数 .

ETc = ETo* Kc*Ks– 波文比系统– 大孔径闪烁仪– 涡度相关系统

点数据，不能反映 ET 的空间异质 性涡度相关系统

大孔径闪烁仪

区域 ET遥感估算方法 与传统方法的结合

– 遥感数据：分类，每种作物类型的作物系数 , Ray etc（ 2001 ）， Goodrich etc（ 2000 ）， Granger etc(2000), …

与水文模型结合– Mauser etc.（ 1998） PROMET Model; Chen etc.(2002） NDVI-

DSTV Model, Olioso etc.（ 1999 ） SAVT Model; Keur etc.（ 2001） DAISY Model

能量平衡– Shuttleworth and Wallace 1985: The theoretical relationship between

foliage temperature and canopy resistance in sparse crop– SEBAL （ Bastiaanssen, W. G.,Menenti, M., et al. 1998 ） , GEF 项

目只引进了可执行文件– SEBS (Su, Z. 2002), 948 项目 , 水利部干旱监测– METRIC (Allan, 2005): 改进了 SEBAL 模型

1. ET 介绍

2. ETWatch新集成化方法

3. 黑河流域 ET动态监测

4. 模型评估

5. ETWatch应用

模型集成 多源遥感协同 模型方法：

净幅射 土壤热通量 粗糙度模型 边界层 时间拓展方法

ETWatch模型集成

AquaFY3

FY2LandsatHJ，ZY-3

Envi satRadarsat

GPS/北斗

ET融合模型 高时空分辨率的蒸散

地表阻抗模型

晴天的地表阻抗

逐日地表阻抗

Penman-Montieth

逐日蒸散（中低分辨率）

P-M 反演

净辐射

净辐射模型

睛天的蒸散(高、中、低分辨率)

土壤热通量模型

土壤热通量

能量平衡方程

大气水汽含量模型

水汽含量

空气动力学粗糙度模型

粗糙度

边界层高度算法

边界层气象参量

山区

裸土

城镇

水体

LAI

土壤湿度

风速

净辐射

气象

ETWatch

参量 描述 数据来源 晴天 阴天Rn 净辐射 遥感 + 气象 ○ ○G 土壤热通量 遥感 ○ ×rs 陆地表阻抗 遥感 + 气象 ○ ○

地表阻抗模型重建获得es 饱和水汽压 气象 ○ ○ea 实际水汽压 气象 ○ ○ra 空气动力学阻抗 气象 ○ ○

Z0m 空气动力学粗糙度长度 遥感 ○ ×NDVI 归一化植被指数 遥感 ○ ○

S-G 模型重建获得

LST 地表温度 遥感 ○ ×Albedo 地表反照率 遥感 ○ ○

Filter 方法扩展获得

LAI 叶面积指数 遥感 ○ ○LAI-NDVI 转换获得

Meteo parameters

相对湿度 , 平均风速 , 日照时数 , 空气压强 , 空气温度 气象 ○ ○

ABL边界层空气温度 , 边界层风速 , 边界层空气压强 , 边界层湿度 , 边界

层露点温差遥感 ○ ○

ETWatch模型输入数据

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2. ETWatch新集成化方法

3. 黑河流域 ET动态监测

4. 模型评估

5. ETWatch应用

ETWatch模型监测结果2000-2012 年黑河流域年蒸散发时间序列

2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 2004 年 2005 年

2006 年 2007 年 2008 年 2009 年 2010 年 2011 年

2012年

ETWatch模型监测结果

黑河流域典型下垫面类型下日 ET(2000.1.1-2012.12.31) 时间变化

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

20000101 20001231 20011231 20021231 20031231 20041230 20051230 20061230 20071230 20081229 20091229 20101229 20111229 20121228

dai

ly E

T/m

m

阿柔站 关滩森林站 花寨子站 盈科站

ETWatch模型监测结果

2000-2012 年黑河流域降水亏缺

ET P ET-P

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4. 模型评估

5. ETWatch应用

2012 年中游绿洲大满站蒸散发数据及验证结果

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1th 2th 3th 4th 5th 6th 7th 8th 9th 10th 11th 12th

ET

/mm

ET_EC(Daman)

ET_EC(3号)

ETWatch

Month ET_EC(Daman) ET_EC(3 )号 ETWatchm01 4. 08m02 7. 19m03 30. 54m04 46. 14m05 77. 74m06 126. 06 124. 36 130. 11m07 140. 88 145. 13 134. 45m08 129. 83 113. 74 110. 70m09 67. 44m10 25. 23m11 9. 30m12 2. 86

year 645. 77

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ET

/mm

ET_EC(Daman)

ET_EC(3号)

ETWatch

中游绿洲大满站地表蒸散发数据

其中：ET_EC(Daman) 代表着大满超级站涡动观测值ET_EC(3号 ) 代表着涡动矩阵中 3 号站点涡动观测值

蒸散发日变化过程线 蒸散发月变化过程线

大满站

2012年 5月 26至 9月 14日 , ETWatch 估算值与大满站 EC 观测值以及涡动矩阵中 3号 EC 观测值对比图

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2012

0526

2012

0529

2012

0601

2012

0604

2012

0607

2012

0610

2012

0613

2012

0616

2012

0619

2012

0622

2012

0625

2012

0628

2012

0701

2012

0704

2012

0707

2012

0710

2012

0713

2012

0716

2012

0719

2012

0722

2012

0725

2012

0728

2012

0731

2012

0803

2012

0806

2012

0809

2012

0812

2012

0815

2012

0818

2012

0821

2012

0824

2012

0827

2012

0830

2012

0902

2012

0905

2012

0908

2012

0911

2012

0914

ET

/mm

ET_EC(Daman)

ET_EC(3号)

ETWatch

2012年 6-9 月份中游绿洲大满站蒸散发数据及验证结果

460.60

431.23

441.01

400

410

420

430

440

450

460

470

ET_EC(Daman) ET_EC(3号) ETWatch

ET

/mm

大满站

Integration of remote sensing and in-situ for Filling satellite gap Real time ET generation More accurate and reliable ET data Suitable both for watershed plan and

agriculture water management

In situ tower networks: for eddy covariance and other five layers of meteorological sensors.

Future ETWatch

1. ET 介绍

2. ETWatch新集成化方法

3. 黑河流域 ET动态监测

4. 模型评估

5. ETWatch应用

Application: ETWatch in China

Aibi2006-2009

Turpan2006-2015

Sanbei2003-2009

Hai basin 1984-2009Haihe2003-2009

Beijing 2002-2010

Tianjing 2002-2008

Hebei 2002-2008

水管理方法

水平衡分析

需水预测

供水来源( 使用新的输水设备和灌溉技术提高供水量 )

耗水平衡分析

不同区域的耗水量

不同区域可耗水量( 节水潜力和用水效率分析 )

传统水管理 ET 管理

可控和不可控 ET ：可控 ET 是指可以人为控制的蒸散发量，如农田 ET ；不可控 ET 指不能或难以干扰区的蒸散发量，如水面、林地和草地 ET,不可控 ET 包括雨养农业区、林地、自然草地和湿地区耗水。

有效和无效 ET: ：有效 ET 是指所有对经济社会和生态系统有益的蒸散发量，包括农作物、林地和草地等的消耗量；无效 ET 指未利用土地上产生的蒸散发量，如盐碱地、水库水面、荒漠

ET 管理目标： (1) 减少无效 ET； (2) 将部分无效 ET 转变成有效 ET；(3) 增加有效 ET 的生产力。

可控和不可控 ET ：可控 ET 是指可以人为控制的蒸散发量，如农田 ET ；不可控 ET 指不能或难以干扰区的蒸散发量，如水面、林地和草地 ET,不可控 ET 包括雨养农业区、林地、自然草地和湿地区耗水。

有效和无效 ET: ：有效 ET 是指所有对经济社会和生态系统有益的蒸散发量，包括农作物、林地和草地等的消耗量；无效 ET 指未利用土地上产生的蒸散发量，如盐碱地、水库水面、荒漠

ET 管理目标： (1) 减少无效 ET； (2) 将部分无效 ET 转变成有效 ET；(3) 增加有效 ET 的生产力。

ET管理目标

ET

可控ET 不可控ET

无效ET 无效ET有效ET

增加效益转变 节水

ET 管理的内容

耗水平衡 真实节水分析 提高水分生产力 水管理效益监测与评价 ……

海河流域北京市 吐鲁番世行项目

流域综合耗水量

区域耗水量的估算基于能量平衡角度估算，分为三部分：一部分是太阳能一部分是生物能一部分是矿物能。

98% 的水量通过蒸腾蒸发（ ET ）的方式消耗掉

流域耗水平衡分析

2002-2007年区域平均蓄变量为 -62.3 亿方农业耗水量占全流域耗水量的 54.3%，而农业用水量约占流域用水量的 70%

2002-2007年区域平均蓄变量为 -62.3 亿方农业耗水量占全流域耗水量的 54.3%，而农业用水量约占流域用水量的 70%

分项 (108m3) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Average %

水资源量 I+P 1320.2 1899.0 1764.8 1595.8 1448.8 1590.4 1603.1 100.00%

入境流量 I 46.4 36.1 42.3 37.3 46.3 42.8 41.9 2.60%

降水量 P 1273.8 1862.9 1722.4 1558.5 1402.5 1547.5 1561.3 97.40%

出境水量 R 1.8 21.8 37.1 24.9 13.9 17.1 19.4 　

水资源消耗量 Q 1511.5 1833.8 1661.8 1556.6 1672.7 1639.8 1646 100.00%

农业蒸散发（ ET） 842.2 970.0 919.6 843.8 902.3 889.9 894.6 54.30%

生态环境 ET 637.5 832.4 706.6 671.0 728.7 708.2 714.1 43.40%

生活耗水量 Qb 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.10%

工业生产耗水量 Qm 30.9 30.6 34.9 40.9 40.9 40.9 36.5 2.20%

区域蓄变量 ⊿ s -193.1 43.4 65.9 14.4 -237.8 -66.5 -62.3

流域水分亏缺

Unit of Agriculture & Environment, IRSA, CAS

ET P ET-P

1981

1989

1998

Spatio-temporal variation of Evapotranspiration in Hai basin from 1984 to 2009

北京市耗水结构

2004-2008 年北京市各类用地耗水　　亿方　 2004 2005 2006 2007 2008 平均 百分比

水体 2.0 1.9 2.2 2.4 2.3 2.2 2.5%

林地 52.8 51.1 50.5 53.8 55.1 52.7 60.8%

草地 4.2 3.8 3.6 3.7 3.6 3.8 4.4%

耕地 22.7 20.3 19.1 20.0 21.2 20.7 23.8%

建设用地 5.3 5.2 5.1 6.1 7.6 5.9 6.8%

未利用地 1.6 1.5 1.5 1.5 1.4 1.5 1.8%

总计 88.7 83.8 82.0 87.6 91.2 86.7

密云县耗水结构

类型2004 2005 2006 2007 2008 平均 百分比

(亿方 ) (亿方 ) (亿方 ) (亿方 ) (亿方 ) (亿方 ) %水体 0.66 0.67 0.73 0.94 0.66 0.73 5.6%林地 8.46 8.51 8.01 8.33 7.62 8.18 62.3%草地 1.60 1.43 1.44 1.30 1.30 1.41 10.8%耕地 1.96 1.74 1.79 2.08 2.47 2.01 15.3%

建设用地 0.31 0.31 0.22 0.40 0.41 0.33 2.5%未利用地 0.47 0.44 0.46 0.49 0.43 0.46 3.5%总计 13.46 13.11 12.65 13.53 12.89 13.13 100.0%

2004-2008 年密云县各类用地耗水　　

水分生产率分析

多年平均 ET(mm) 生物量（ kg/ha ） 水分生产率（ kg/m3 ）

平原区耕地多年平均水分生产率为 1.0kg/m3 ，整体水平偏低。

北部滦河和北四河下游平原水分生产率不超过 0.8kg/m3 ，

南部平原水分生产率均值较北部平原高，最高可达 1.09kg/m3

当 ET 达到 575mm 时，水分生产率保持不变，产量增长幅度明显降低

；

te

ts

ET

YiCWP

te

ts

DMHiYi

平原区 ET 、产量、水分生产率关系

流域农业节水潜力

以各个水资源三级功能分区的平均水分生产率为临界值，得到流域平原区总的节水潜力为 68 亿方。

2002 2003 2004 2005 2006

遥感估算灌溉水量（ 2002-2006 ）（ mm ）

After ProjectAfter Project

Before Project

节水效果评价

小麦季管灌措施实施以后，两个区域 ET差值由原来的负值转变为正值 , 意味着管灌实施区域耗水量减少； 小麦季项目实施区比非项目区单位面积耗水量小 16.5mm

管灌，2005

节水效果评价 -管灌措施

农业节水管理措施成效

300

400

500

600

700

800

2005

2006

2007

2008

2009

ET (

mm)

节水区果园 非节水区果园

0

200

400

600

800

1000

1200

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007

/mm

蒸散量

- ET小麦 玉米 ET棉花

- 小麦 玉米 灌溉水 棉花 灌溉水

400

500

600

700

800

900

1000

1990

1992

1995

1997

1999

2001

2003

2005

2007

2009

ET(m

m)

0

150

300

450

600

750

900

1990

1992

1995

1997

1999

2001

2003

2005

2007

ET(m

m)、灌水量

0

150

300

450

600

750

900

降水量 灌溉需水量 ET

邯郸市内丘果园滴灌措施平均节水 77mm;

邯郸市曲周县，种植结构调整平均节水82mm

北屯村示范区 , 采取农艺、工程、科学灌溉管理等相结合的综合节水模式，平均节水 76mm;大曹庄村示范区 , 工程措施平均节水47mm.

大兴小麦管灌措施平均节水 16.5mm

石家庄栾城北屯示范区，秸秆覆盖 平均节水 49.6mm

各项节水措施实施成效对比

节水效果 小麦管灌

秸秆覆盖

果园喷灌 + 滴

灌

种植结构调整

综合节水

( 工程）

综合节水( 农艺 + 工程 +

管理）

面积 /10^4km2 4.5 4.5 0.2 4.5 5.4 5.4

节水量 /mm 16.5 49.6 77.0 82.0 47.0 76.0

节水总量 /10^8m3

7.4 22.3 1.4 36.8 25.4 41.1

采补平衡亏缺量 /10^8m3

54.9 40.0 60.9 25.5 36.9 21.2

农田可控 ET/mm 109.0

休耕面积 /10^4km2 1.9

占灌溉农田面积 /%

19.9% 流域 62.3 亿方水资源量亏缺，综合节水实施节水总量 41.1 亿方，各项节水措施实施仍不能实现流域水资源的采补平衡，需要休耕 19.9% 的农田面积。

南水北调工程引水 90 ～ 140亿方 / 年，是解决海河流域水资源亏缺、逐步改善流域生态环境的一个重要举措。

密云县耗水结构

密云县水库上下游各类用地多年平均耗水　　

类型

水库上游 水库下游 耗水总量 上下游耗水比

面积 (亩 ) ET(亿方 ) 面积 (亩 ) ET(亿方 )　水体 127234.0 0.70 6647.3 0.03 22.9

林地 1526436.0 6.17 459581.2 2.01 3.1

草地 269653.6 0.93 127371.6 0.49 1.9

耕地 220545.0 0.77 337873.0 1.24 0.6

建设用地 21245.8 0.06 93545.2 0.27 0.2

未利用地 101515.5 0.36 27614.8 0.10 3.7

总计 2266629.9 8.99 1052633.

1 4.14 2.2 水库上游耗水量是下游耗水量的 2.2 倍 密云水库耗水量多年平均计 0.67 亿方，占水面总耗水量的 91% ，占上游总耗水量的 7.5%

2000 年后林灌草蒸散比重由 90 年代 68.5% 增大到 71.4%, 而耕地耗水比重减少了 5.43% 。

上下游耗水比值在 2000 年有明显的突变 ,从 5.48 增加到 7.04 。密云水库上游耗水变化率分析

水土保持工程对耗水格局的影响

y = -0. 7204x + 38. 929

33

34

35

36

37

38

39

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

/%

百分比

耕地

↓ 4.1%y = 0. 3511x + 16. 355

16

16. 5

17

17. 5

18

18. 5

19

19. 5

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

/%

百分比

草地

↑ 1.57%

y = 0. 2467x + 37. 457

36

36. 5

37

37. 5

38

38. 5

39

39. 5

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

/%

百分比

林灌

↑ 2.0%

耕地 草地

林灌 2002-2008 年，永定河上游耕地耗水比重减少，下降率为 4.1% ；

林灌和草地耗水比重增加，增长率分别为 2%、 1.57% 。

区域可控 ET

可控 ET: 农田，果园和人工草坪等区域蒸散值与荒草地或休耕地蒸散的差值不可控 ET:•生态 ET ：林地 , 灌木，草地 , 水面•建设用地 ET: 城镇，农村和独立工矿用地•耕地，园地，人工草坪扣除可控 ET 的蒸发量

月ET

叠加求和 文件个数不满足条件文

件个数

满足条件

生长季/年ET

错误信息

月ET

月ET

统计时间参数

土地利用图

空间统计

分类

林灌草ET，水体，建设用地，未利用地

ET

耕地，园地，人工草地，

NDVI文件NDVI文件

NDVI文件

植被生长区域

耕地区可控ET耕地，园地，人工草地不可控ET

区域不可控ET40

小麦可控 ET 分析：1.小麦总耗水 1.57 亿方，可控 ET 为0.97 亿方，占总耗水的 61.7% ，2.单位面积可控 ET 为 207.1mm, 不可控 ET 为 127.6mm

玉米可控 ET 分析：1.玉米总耗水 2.88 亿方，可控 ET 为1.76 亿方，占总耗水的 61%; 2.单位面积可控 ET 为 144mm, 不可控 ET 为 91.4mm

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耕地可控 ET 分析：1.北京市耕地耗水量 19.8 亿方，占全市耗水量的 25.2% 。2.耕地可控 ET 为 12.42 亿方，占耕地总耗水量的 62.7% ，在耕地区约计 1/3的水资源量是不可控的。3.单位面积可控 ET 为 272.3mm ，不可控 ET 为 218.2mm4.保证九个农田保护区耕地的可控 ET为 6.03 亿方，占耕地耗水量的 27%

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节水型社会建设呼唤耗水管理

Lawn 耗水 (0.6t/m2.year)

电厂冷却塔（ 年耗 20 亿 m3 ） 退草植树

人工湖 北京人造雪场 ( 年耗百万 m3) 北京洗车 ( 年耗 20 个昆明湖）

渠道衬砌 - 减少渗漏、加强蒸发

解决方法城市绿地、人工林、人工水面的遥感 ET 监测工、矿业耗水监测方法 基于耗水的水资源管理制度 ( 收费、水权、法律等 )推广减少耗水量的技术和意识实现基于 ET 的节水型社会建设

结论 ET 遥感监测精度与降雨量 / 径流量的观测精度取与同一水平 ET 管理可以简化水资源管理方法，提高水资源管理的精细水平 ET 管理的核心是 :

流域尺度的可持续耗水量控制 灌区尺度提高水分生产率