遥感技术在灌溉管理中的应用研究进展

作者:文博论文查重     发表时间:2021-10-21 11:57:15   浏览次数:89


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  摘要:发展灌溉农业是满足全球人口日益增长的粮食需求的先决条件。但由于灌溉农业的扩张,导致灌区水资源出现了越来越多的问题,例如,灌溉农业的涝渍和土壤盐渍化。对这一双重威胁,传统方法是采取减少入流的预防措施,也可以采取增加水盐外流的补救措施,但效果并不理想。遥感和地理信息系统(GIS)的出现,为灌溉农业的涝渍和盐碱地监测和评价技术提供了一个良好的技术支撑。该文阐述了灌溉农业水资源及其研究意义,分析了遥感和地理信息系统应用的背景,概述了遥感和地理信息系统技术在水资源问题管理中的综合应用。

  关键词:遥感和地理信息系统(GIS);农业灌溉;水资源管理;土壤盐渍化

  中国位于亚洲的东部,受大陆性季风气候的影响,形成了水资源地区分布不均衡和受季节变化影响的特点:东多西少、南多北少;夏秋多,冬春少。我国水资源人均占有量较低,仅占世界平均水平的1/4,是一个严重缺水的国家,农业灌溉是水资源利用的重中之重。为了满足未来粮食对日益稀缺的水资源的需求,必须更好地管理灌溉用水。灌溉用水的管理和规划需要可靠的信息,然而目前可利用的水资源信息是有限的,遥感和地理信息系统的出现很好地解决了这一问题,它可以为广大地区提供关于陆地表面农业和水文条件的相关信息。

  自20世纪以来,灌溉农业的涝渍和盐碱化成为了干旱和半干旱地区的生产力发展的两大威胁。在我国,降水量稀少且在分布上极不均匀。我国的年平均降水量估计为628mm,在西北和北部地区,如塔里木盆地,年降水量多在50mm以下,作物需水量主要由补充灌溉提供。相反,长江中下游平原等地区,年降水量多在800mm以上。然而,在平均水量可能充足的地区,由于年平均降水量的75%都在雨季的6—9月,也可能出现水资源过剩和短缺的时期。水资源过剩时,造成的水涝灾害也会导致水资源短缺。涝渍问题不仅会降低肥沃土壤的产量,也会导致水资源的浪费。

  过去已经进行了许多试验,研究咸水和非咸水浅层地下水位对作物用水的影响及其对渍水和盐渍化管理的影响。McFarlane和Williamson[1]研究了澳大利亚西南部试验集水区内涝和盐度的原因。他们得出结论,即使在低盐水平下,水涝可能比盐更严重地抑制植物生长。Kitamura[2]等分析了日本干旱地区咸海盆地农田盐碱化的原因。他们建议避免将水稻和旱地作物混作,同一种作物尽量种植在同一个灌溉区内,这样可以控制盐分和地下水位,他们提出通过引入渠道衬砌和改善土地平整来减少水在运输过程中或田间应用中的损失。Singh[3]模拟了印度灌溉半干旱地区不同政策对内涝和盐碱化问题的长期影响。该研究建议实施适当的水管理战略,例如改变种植方式,减少水稻面积,减少地下水的使用,增加运河水的使用以及运河衬砌,以将地下水水位降至安全深度并防止地下水位进一步上升,以缓解该地区的水资源问题。

  在过去30年中,研究人员广泛使用遥感和地理信息系统技术解决灌溉农业的水资源问题。在最近的一段时间里,还没有对地理空间技术在处理水涝和盐分问题方面的应用进行过回顾。本文概述了遥感和GIS技术在灌溉农业水资源管理中的应用。

  1研究背景

  灌溉引起的内涝和盐渍化在世界各地发生,排水系统不完善、无衬砌土渠渗水和灌溉田渗水是问题的主要原因。据联合国粮农组织统计,在2.3亿hm2的灌溉土地中,有超过19%的土地(即4500万hm2)受到盐分的影响。这些受影响地区大部分是由于人类活动和灌溉水管理不善导致的。随着灌溉农业的发展,其面积预计将进一步增加。

  通常,人们通过数值模拟、水文社会经济和气象分析以及洪涝面积估算等常规技术来研究涝渍和盐渍化问题。值得注意的是,这些技术需要大量的数据,但这些数据不易获取,因此,在数据观测点薄弱的地区研究洪涝灾害风险是困难的。值得庆幸的是,遥感和地理信息系统为实时监测和评估涝渍地区的程度提供了一种很好的替代方法——地理信息系统。地理信息系统可以定义为一个以高效的方式捕捉、存储、操作、分析和显示空间信息的系统。数据输入子系统、数据存储与检索子系统、数据处理与分析子系统、数据报告子系统是GIS软件的通用组件。地理信息系统已经发展成为一个高度复杂的数据库管理系统,用于汇集和存储水资源管理中通常需要的大量数据。由于地理信息系统软件能够将各种数据组合到一个易于理解的设置中,因而可以显著改变研究人员处理水资源问题的方式。

  在过去的几十年里,一些研究证明了遥感和地理信息系统技术在探测和监测涝渍地区方面的有效性,肯定了遥感和地理信息系统技术在描述和确定涝渍地区的优先次序方面的重要作用,这些技术还可用于确定地下水补给和排泄的时空分布,能够捕捉时间和空间尺度上的信息。因此,遥感和地理信息系统是监测涝渍和盐碱化过程的重要工具。

  随着高速电子计算机的发展,遥感和地理信息系统技术在水资源问题管理中的应用大大增加。水涝引起的水分胁迫的视觉症状也可以通过遥感数据绘制出来。水涝引起的视觉症状可能包括叶片颜色、叶片厚度和生理结构。有研究表明,可见光和近红外多光谱图像是绘制涝渍地区、植被格局和干旱土壤的最有用的数据来源。

  2遥感与地理信息系统的综合利用

  遥感和地理信息系统的综合利用是管理和处理大规模数据的重要工具。邓非凡[4]利用遥感和GIS技术对研究区地下水富集性进行了准确评估。邓正栋[5]认识到遥感在基于地下水补给的研究中的价值,并认为它可以显著支持传统的评估和建模技术。同样,徐世俊[6]也对GIS在地下水研究中的应用进行了综述。这些评论表明,地理信息系统在水管理中的应用基本上是在以建模为主导的背景下进行的。

  遥感和地理信息系统技术有助于建立数据库、绘制地图和计算面积统计数据,比传统方法更快、更准确。付俊娥[7]应用支持向量机回归方法,建立了西北干旱地区地下水位遥感监测模型。孙天天[8]等利用遥感和地理信息系统技术评估吐鲁番地区的土地退化,他们使用综合遥感和地理信息系统方法对不同退化地区进行了评估。最近,王江波[9]评估了各种地形、水文和人为因素对内涝的影响。这项研究深入了解了我国城市一些地形参数与内涝的相互关系,而且这些参数也可能适用于具有类似地质水文框架的其他流域。

  遥感和地理信息系统的综合使用是分析大量水文地质数据和模拟饱和和非饱和条件下复杂地下水流的输送过程。为了利用遥感数据,必须了解多光谱图像记录的场景辐射与地下水位深度、土壤类型、植被覆盖等野外参数之间的对应关系。周伟[10]研究了通过遥感和地表地球物理技术获得的水文地质数据,以评估甘肃省黄河流域水资源利用现状。利用基于GIS的聚合方法对加权图进行整合,以识别研究区域的地下水潜力区。在地理信息系统中,快速组合不同类型的数据的可能性,使得其在水文应用中的应用显著增加。地理信息系统是一种相对较新的技术,可以为管理复杂的空间数据提供一个通用的平台。地理信息系统的灵活设计为分析大规模水文过程和评估土地管理变化对水质的影响提供了工具。王俊[11]针对目前长江流域水资源管理方面存在的问题,论述了建设水资源综合管理决策支持系统的必要性,提出了建设长江流域水资源模型是该系统的基础与核心。同时指出,构建长江流域水资源模型应综合考虑动态水文循环、需水预测、水资源优化配置、应急调水以及不同的气候变化模式。

  地理信息系统具有生成和覆盖各种数据层的能力,以便在空间和时间上把它们联系起来,同时提供了一套强大的统计工具来研究参数的空间变异性。在处理复杂的水资源管理问题的同时,地理信息系统可以分析运河地区作物、土壤和供水的空间变异性。尹涛对黄河三角洲地区植被生长旺盛期地下水埋深遥感反演。Mercau[12]研究了气候、作物选择和地形对浅层地下水动态的影响。该研究评估了5年极端降水波动期间的参数效应。利用遥感估测值、每日气象资料、作物活覆盖和死覆盖模拟土壤蒸发和蒸腾需求。为了准确获取区域内地下水埋深空间分布特征以及在水土环境变迁下其年际动态变化规律,徐存东[13]运用最优插值方法对研究区的地下水埋深观测数据进行了空间插值,结果表明,对研究区盐渍化土壤的水盐调控及地下水资源合理开发利用具有重要意义。

  3结语

  扩大灌溉农业对满足日益增长的粮食需求是必要的。然而,灌溉农业的集约化导致了灌溉土地的渍水和土壤盐渍化。灌溉农业的这2个威胁可以通过采取减少流入的预防措施或采取增加水和盐流出的补救措施来加以管理。遥感和地理信息系统是一种非常有用的工具,它为传统的涝渍盐碱地监测与评价技术提供了一个很好的选择,而且这些技术可以作为一种有效的存储、分析和显示空间信息的工具;与传统的数据相比,通过遥感解译,可以获得空间上详尽但不精确的验证数据。随着该技术的发展,对于基础设施薄弱、数据匮乏和存在主要水资源问题的发展中国家而言,显得尤为重要;而且该技术在洪涝灾害地区的特征描述和排序中有着重要的应用。

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  研究表明,遥感和地理信息系统的综合应用对于管理和处理大比例尺度数据更为有效,因为这些技术有助于数据库的创建和地图的生成。与传统方法相比,该技术可以快速组合不同类型数据,使得这些技术在水涝和盐度评估中的应用显著增加。——论文作者:安霞1张学东1秦安振2李旭1*孙占海1

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