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遥感和GIS技术评估灌溉性能：南加州案例研究

Saleh Taghvaeian，A.M.ASCE1克里斯托弗·M·尼尔，A.M.ASCE2约翰·奥斯特伯格3Subramania I.Sritharan4多伊尔·瓦茨5

摘 要

本文介绍了遥感数据在解决空间分布灌溉公平性、充分性和可持续性方面的潜力。 应用地表能量平衡算法(SEBAL)绘制了南加州某灌区实际蒸散量图。 还基于Priestley-Taylor方法绘制了潜在ET图，并对其进行了修改，以考虑水平输送能量对增强/抑制ET的影响。 遥感产品在地理信息系统环境中与地面数据相结合，以量化若干灌溉和排水性能指标。 实际ET的场间和场内变异系数与以往的研究相当，表明整个灌区的用水量是均匀的。相对ET高，说明灌溉供给充足。 根据地下水深度的大小和均匀性的两项绩效指标的结果显示，发达的露天排水沟网络也被发现处于最佳水平。

多伊：10.1061/(ASCE。 1943- 4774.0001306. 这项工作是根据知识共享属性4.0国际许可证的条款提供的，http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

作者关键词：蒸散；大地卫星；性能指标；地下水。

Remote Sensing and GIS Techniques for Assessing

Irrigation Performance: Case Study in Southern California

Abstract

This paper presents the potential of remotely sensed data in addressing spatially distributed irrigation equity, adequacy, and sustainability. The surface energy balance algorithm for land (SEBAL) was implemented to map actual evapotranspiration (ET) over an irrigation district in southern California. Potential ET was also mapped based on the Priestleyamp;#8211;Taylor method, modified to account for the effect of horizontally transported energy on enhancing/suppressingET.Remotely sensed products were integrated with ground-based data in a Geographical Information System (GIS) environment to quantify several irrigation and drainage performance indicators. The among- and within-field coefficients of variation of actual ET were comparable to previous studies, suggesting that water consumption was uniform across the irrigation district. The relative ET was high, indicating that irrigation supply was adequate. The extensive network of open drains was also found to be functioning at an optimal level according to the results of two performance indicators based on the magnitude and uniformity of groundwater depth. DOI:10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001306.This work is made available under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license, http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Author keywords: Evapotranspiration; Landsat; Performance indicators; Groundwater.

导言

历史上，美国西部以其干旱的气候、低降水和频繁的干旱而闻名，这使得水管理在这一地区成为一个非常复杂的问题。 美国西部的水治理必须以这样一种方式进行，即不仅要满足相互竞争的部门日益增加的需求，而且要保护生态系统和动植物重要生态环境。 此外，对气候变化可能造成的后果的新关切增加了这一具有挑战性的任务的复杂性。

灌溉约占总取水量的65%，是自1950年以来美国最大的淡水使用量。 毫不奇怪，大多数农业提款（86%)和灌溉面积(75%）都在17个毗连的西部各州(Hutson等人。 2004)。 因此，准确地确定需要将多少水转用于灌溉以及如何将其划分为不同的消费和非消费用途具有重要意义。 在灌溉方案尺度上量化水平衡分量具有广泛的应用，包括但不限于启动和评估节水做法，改进灌溉调度(Santos等人。 2008),开发灌溉现代化场景(Isidoro等人。 2004)，评估生物物理和经济产水量(Teixeira等人。 2008) 和管理土壤盐渍化 (Faci等人。 1985; Khan等人。 2006; Marlet等人。 2009).

对于干旱和半干旱地区的灌溉计划，如美国西部的灌溉计划，最重要的水分平衡成分是作物蒸散(ET)。虽然作物ET的精确点测量在农业水资源管理中得到了广泛的应用，但最近开发的遥感技术具有可接受的精度(Gowda等人。 2008)，同时提供空间分布的数据，以便能够在单个像素的尺度上进行更高层次的分析。 空中或空间遥感数据的另一个优点是其客观性，这是一个重要的特点，可以革命性地制定和标准化基准，以比较来自世界各地的灌溉计划。 当结合水平衡信息 时，遥感ET也可以用于评价灌溉和排水系统的性能(Ahadi等人。 2013)。 灌溉性能传统上是根据点测量来评估的。 这种方法的一个主要警告是，结果只能提供一个值，表示测量位置下游的整个区域。 考虑到水的应用和分区是由场到场的高度变化，传统方法的结果是不太有用的，因为研究的规模从场到区和盆地的增加。 遥感和地理信息系统技术的最新发展是在追求像素的基础上评估整个方案的业绩成为可能(Bastiaansen和Bos1999年).

尽管遥感技术有许多好处，但研究项目与这些技术在现实世界中的实际应用之间仍然存在差距(Ambast等人。 2002)。巴斯蒂安森和博斯(1999)和巴斯蒂安森等人。 (2000)表示， 需要开展更多的示范项目，以提高水管理人员对航空航天图像潜力的认识水平，并促进利用这些工具提高灌溉性能。 本文的研究是在半干旱的南加州的一个灌溉区进行的。 为此采用了卫星能源平衡方法绘制ET。结果被整合在一个Arc GIS环境与地面测量的农业水文参数以估计几个性能指标，解决在不同的空间和时间尺度上灌溉的均匀性和充足性。 还引入了一个新的灌溉可持续性指标，并首次评价了另一个先前确定的指标。

1.系助理教授。 生物系统和农业工程，俄克拉荷马州大学，斯蒂尔 沃 特 ， OK74078 （ 相 应 作 者 ） 。 电 子 邮 件 ： Saleh.Taghvaeian@okstate.edu

2.Robert B.Daugherty Water for Food Global Institute ， Univ，研究主任。 内布拉斯加州，林肯，NE68508。

3.退休，美国垦殖局，丹佛，CO。

4.中央国家大学研究和赠款方案副主任，Wilberforce，OH45384。

5.系副教授。 地球和环境科学，赖特州大学，代顿，OH45435。注。 本稿于2017年8月30日提交；2017年12月29日批准；2018年4月10日在网上发布。 讨论期开放至2018年9月10日；个别论文必须单独提交讨论。 本文是copy;ASCE，ISSN0733-9437lt;灌溉与排水工程学报gt;的一部分

学习区

帕洛维德灌区位于加利福尼亚州东南部的帝国县和河滨县。约500平方公里的领土上，PVID是在1925年私人开发的，以服务本地的用水住户。 PVID内的大部分灌溉农田都在地表下灌溉(激光分级畦灌和沟灌)，从科罗拉多河接到的水通过一个延伸的网络灌溉渠(400公里)和明渠(230公里)。PVID的冲积土是多年来科罗拉多河的洪水沉积下来的。

这些土壤的中等质地使它们能够容纳大量的水，并易于排水。 苜蓿、棉花、小谷物和蔬菜是这个灌区最主要的作物。无花果。图 1 显示了PVID的假彩色卫星图像和指导科罗拉多河水的导流坝的位置，以及灌溉渠和明渠网络。

输入数据

收集或估计了几种类型的点和分布数据，以便评估整个研究区域的灌溉性能。 这些包括涌水量/流出量、降水、地下水深度、实际ET和潜在ET。

水流入/流出

科罗拉多河的水被分流到PVID的主运河使用了一个小的导流坝。 由于该地区相对平坦，农田大多是堵塞的末端沟和边界，地表径流不显著，任何产生的径流都指向排水沟。 因此，PVID的水流出由两个组成部分组成，即排水和运河溢出。高密度的深开排水沟（每平方公里约0.5公里），加上PVID冲积土壤的中等质地，大大促进了水从根部向排水沟的移动。所有的排水沟合并，并排放到PVID下游端的主出水口中。美国地质调查局(USGS)每天测量引水、排水和所有运河溢漏的流量，并在网上报告。 这些数据是从USGS(2010b)下载的)。

降水

PVID受益于一个由32个雨量计组成的网络，分布在整个地区。 这意味着每13.7平方公里的PVID耕地（每439平方公里就有一个雨量计）。

图 1. (a)加利福尼亚南部科罗拉多河沿岸PVID的假彩色Landsat TM5图像(图片由美国提供。 地质调查局)和(b)其灌溉渠和明渠网络

在ArcGIS中插值雨量计的点测量，为每个事件绘制降水图。

实际地下水深度

PVID有一个由260个测压计组成的网络，均匀分布在整个地区（每1.7平方公里地耕地就有一个测压计）。 每个测压仪每月测量一次地下水深度。 这些点测量被收集，分析质量，然后插值(Krigin法)在ArcGIS环境中生成实际地下水深度的月图(GWDa)。

实际蒸散量

利用爱达荷州陆地(SEBAL)实现的表面能量平衡算法对整个研究区域的实际蒸发量(ETA)进行了绘制 (巴斯蒂安森等人 1998年).SEBAL的性能在许多应用中得到了评估和验证（巴斯蒂安森等人， 1998年; 拉莫斯等人， 2009年)，在田间和集水区尺度上显示出较高的精确度(巴斯蒂安森等人。 2005). 在塞巴尔中，通过量化所有进出短波和长波辐射分量来估计净辐射值（Rn）。一旦确定Rn，土壤热流(G)被建模为净辐射比和地表温度和植被覆盖率的函数 。

SEBAL

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