薛 陽，金曉媚，朱曉倩

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

寧夏沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)蒸散量變化特征及水均衡方法驗(yàn)證

薛 陽，金曉媚，朱曉倩

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

在干旱的內(nèi)陸地區(qū)，蒸散是地表水和地下水主要的排泄方式之一，準(zhǔn)確估算地表蒸散量為干旱區(qū)水資源合理開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)?；贛ODIS遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用SEBS模型估算了寧夏沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)2001—2014年的區(qū)域蒸散量，分析了其影響因素，并應(yīng)用水均衡原理對(duì)蒸散量計(jì)算結(jié)果的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的年蒸散量在2001—2014年間總體上是逐漸增加的，從2001年的434.27 mm增加為2014年的517.82 mm；研究區(qū)主要的蒸散量為耕地蒸散量，農(nóng)業(yè)占據(jù)了全區(qū)近2/3的耗水量；SEBS模型與水均衡原理計(jì)算的蒸散量結(jié)果吻合度較高，很好地驗(yàn)證了SEBS模型計(jì)算區(qū)域地表蒸散量的可靠性。

蒸散量；SEBS；MODIS；水均衡；沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)

在干旱的內(nèi)陸地區(qū)，蒸散(Evapotranspiration，簡(jiǎn)稱ET)是地表水和地下水主要的排泄方式之一，主要包括地表的蒸發(fā)和植被的蒸騰。準(zhǔn)確估算地表蒸散量是水資源量計(jì)算的關(guān)鍵，不僅對(duì)深入了解區(qū)域水循環(huán)和地表能量平衡具有重要意義，也為干旱區(qū)水資源合理開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

2005年，崔亞莉[1]、張長(zhǎng)春[2～3]等利用遙感技術(shù)對(duì)黃河三角洲區(qū)域蒸散量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，下墊面條件是蒸發(fā)量時(shí)空分布主要控制因素。2008年，金曉媚[4]等應(yīng)用NOAA/AVHRR 數(shù)據(jù)，將水文數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用SEBS模型估算了張掖盆地區(qū)域地表蒸散量，并應(yīng)用水均衡原理進(jìn)行了驗(yàn)證。2011年，J Timmermans[5]等定量地評(píng)價(jià)了SEBS模型應(yīng)用于不同空間和時(shí)間尺度的差異性及誤差情況。2013年，Weiqiang Ma等利用ASTER遙感數(shù)據(jù)運(yùn)用SEBS模型估算了澳大利亞灌區(qū)的實(shí)際蒸散量分布規(guī)律，將實(shí)測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果加以校正，得到了理想的結(jié)果[6]。2014年Nuria Pardo等將遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)與氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，基于SEBS模型，運(yùn)用SEBS-0、SEBS-SM、SEBS-NDVI三種模型方法相互驗(yàn)證，計(jì)算了農(nóng)田的蒸發(fā)比和能量平衡的組分[7]。2015年，李海濤等應(yīng)用日凈輻射通量與蒸散量的比值恒定的原理，通過計(jì)算蒸發(fā)比得到了日蒸散量[8]。

寧夏沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)地處我國(guó)西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)，缺水少雨，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。本文以沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)為研究區(qū), 基于MODIS數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域蒸散量進(jìn)行了估算，并運(yùn)用水均衡原理，從區(qū)域尺度上對(duì)SEBS模型的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 研究區(qū)概況

寧夏沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)位于黃河上游下河沿水文站至石嘴山水文站之間，沿黃河兩岸地形呈“J”型帶狀分布，區(qū)域總面積約為9 308 km2。區(qū)內(nèi)地勢(shì)南高北低，平均海拔1 100～1 200 m。沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)以青銅峽水利樞紐為界，將其分割為上游的衛(wèi)寧平原和下游的銀川平原。衛(wèi)寧平原地處寧夏的中部，呈東西-北東向展布。平原寬度2.5～14 km，面積1 721 km2。銀川平原位于寧夏北部，南起青銅峽峽口沖積扇，北至石嘴山，西靠賀蘭山，東倚鄂爾多斯臺(tái)地，是寧夏政治、經(jīng)濟(jì)、文化的中心。南北長(zhǎng)165 km，東西寬42～60 km，總面積7 617 km2。

寧夏沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)地處中溫帶干旱區(qū)，干旱少雨，日照充足，蒸發(fā)強(qiáng)烈為典型大陸性氣候。多年平均降水量180～400 mm，多集中在6—9月。年蒸發(fā)量為1 825 mm，接近降水量的10倍。流經(jīng)寧夏沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的主要河流為黃河及其支流苦水河、清水河，黃河自西南向東北延伸，從下河沿站入口，經(jīng)衛(wèi)寧平原，過青銅峽，到石嘴山麻黃溝出境，是沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)的主要灌溉水源。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 方法

Z.Su等[9～10]開發(fā)的表面能量平衡系統(tǒng)(Surface Energy Balance System, SEBS)，將衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的可見光、近紅外和熱紅外波段資料與大氣模式輸出數(shù)據(jù)結(jié)合，達(dá)到了更連貫地估算大氣湍流通量的目的。

任一時(shí)刻凈輻射通量在感熱通量、地面、土壤熱通量和潛熱通量間平衡，則地表能量平衡方程表示如下[11]：

(1)

式中：Rn——凈輻射通量；G0——土壤熱通量；H——湍流感熱通量；λE——湍流潛熱通量；λ——汽化潛熱，代表一定體積水通過蒸散發(fā)由液態(tài)變成氣態(tài)所需的能量；

E——水分實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量。

日蒸散量計(jì)算如下：

(2)

2.2 數(shù)據(jù)

選取2001—2014年中等分辨率的MODIS數(shù)據(jù)，共計(jì)2 576景，應(yīng)用SEBS模型估算區(qū)域地表蒸散量。主要包括空間分辨率為500 m 的MOD09A1數(shù)據(jù)與空間分辨率為1 000 m 的MOD11A2數(shù)據(jù)，分別是地表反射率產(chǎn)品和地表比輻射率與地表溫度產(chǎn)品。將MODIS11A2的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(主要包括重投影、重采樣等)，使兩種遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品達(dá)到一致。

采用空間分辨率為250 m、時(shí)間分辨率為16d的MOD13Q1植被指數(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分析區(qū)域地表蒸散發(fā)的影響因素。研究區(qū)植被的生長(zhǎng)季是每年6、7、8、9四個(gè)月，可以較好地反映研究區(qū)植被的生長(zhǎng)狀況和類型[12]。因此，研究中選用了2001—2014年每年6—9月的NDVI數(shù)據(jù)，共計(jì)112景，并進(jìn)行重采樣，使其與MODIS11A2數(shù)據(jù)的空間分辨率保持一致。

為了提取區(qū)域不同用地類型蒸散量以及分析區(qū)域地表蒸散發(fā)的影響因素，應(yīng)用了空間分辨率30 m的Landsat TM數(shù)據(jù)解譯植被和耕地的面積，數(shù)據(jù)時(shí)間為2001、2003、2007、2010和2014年，影像預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、大氣校正、研究區(qū)裁剪等。

SEBS模型中使用到了地表高程、坡向和坡度等相關(guān)地形數(shù)據(jù)，其中坡向和坡度通過數(shù)字地形可以由地表高程數(shù)據(jù)分析得到。為了較好地反映區(qū)域地形的空間變化特征，研究選用空間分辨率30 m 、90 m的兩組SRTM-DEM數(shù)據(jù)，分別與TM數(shù)據(jù)、MODIS數(shù)據(jù)相匹配。

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域蒸散量分布特征

沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)年蒸散量的計(jì)算是基于日蒸發(fā)量得到的，利用地表能量平衡系統(tǒng)SEBS結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，得到了沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的日蒸散量，乘以相應(yīng)月份的天數(shù)獲得月蒸散量，求和即為相應(yīng)年份的年蒸散量。下載2001—2014年逐月的MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)圖像預(yù)處理后選取晴空無云的圖像，最終選取了共計(jì)2 422景MODIS數(shù)據(jù)用于計(jì)算14年的蒸發(fā)量。圖1是2014年的計(jì)算結(jié)果，即沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)2014年區(qū)域年蒸散量空間分布圖。

圖1 沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)2014年區(qū)域年蒸散量分布圖Fig.1 Regional annual ET distribution of Yellow River Economic Zone in 2014

從圖中的空間分布可以看出，研究區(qū)衛(wèi)寧平原西部沙坡頭地區(qū)，主要為沙地和裸土，其實(shí)際蒸散量非常小，接近于0；銀川平原西部主要為賀蘭山山前地區(qū)，植被覆蓋較低，蒸散量也相對(duì)較小；銀川平原南部和衛(wèi)寧平原東部區(qū)域，主要用地類型為耕地，蒸散量相對(duì)較高；而從研究區(qū)穿過的黃河以及銀川平原西北部的沙湖以及中部湖泊地帶，年蒸散量最高。

基于蒸散量的計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)年蒸散量的變化規(guī)律，見圖2。

圖2 沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)2001—2014年實(shí)際蒸散量的年際變化規(guī)律Fig.2 Interannual actual ET variation of Yellow River Economic Zone during 2001—2014

結(jié)果表明，沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)年際蒸散量的變化可以分為兩個(gè)階段：2001—2012年，除去2003年年蒸散量較低之外，主要變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從2001年的434.27 mm增加為2012年的585.37 mm；2012年之后，年蒸散量呈減小趨勢(shì)，減少為2014年的517.82 mm。

3.2 區(qū)域耕地蒸散量的分布特征

沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)主要的用地類型為耕地, 耕地的蒸散發(fā)是沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)區(qū)域蒸散發(fā)的主要組成部分,占據(jù)了研究區(qū)主要的生態(tài)耗水量。本文應(yīng)用高分辨率的Landsat TM遙感數(shù)據(jù)分別提取了沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)2001、2003、2007、2010、2014年的耕地面積，結(jié)合蒸散量計(jì)算結(jié)果，提取了區(qū)域的耕地蒸散量(表1)。

表1 沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)耕地蒸散量及耗水量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Farmland ET and water consumption statistics of Yellow River Economic Zone

通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)耕地2003年的蒸散量最小，為812.27 mm；2010年的年蒸散量最大，為1 239.16 mm。2014年的蒸散量較2010年減小，但是耕地面積和2010年相比卻增加了，這與研究區(qū)種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整有關(guān)。根據(jù)《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在2001—2013年間，研究區(qū)的耕地面積總體是呈增加趨勢(shì)的，特別是在2001—2008年耕地面積上升趨勢(shì)明顯，但是從2008之后，耕地面積變化相對(duì)平穩(wěn)。由于沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)主要的農(nóng)作物類型為水稻、小麥和玉米，本次研究分別統(tǒng)計(jì)了這三種作物類型在2001—2013年間的變化。結(jié)果顯示：玉米的面積呈明顯增加趨勢(shì)，小麥的面積在2006年之后呈減小趨勢(shì)，水稻的面積在2010年后趨于穩(wěn)定，呈緩慢下降的趨勢(shì)(圖3)。種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整是耕地蒸散量變化的主要影響因素?？傮w上看, 耕地面積占全區(qū)的比例逐年增加；同時(shí), 耕地耗水量占全區(qū)耗水量的比例呈上升趨勢(shì), 從2001年的60.3%上升到2014年的71.8%。沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的農(nóng)業(yè)耗水占據(jù)了全區(qū)近2/3的耗水量。因此, 耕地面積的增加是全區(qū)年蒸散量增大的原因之一。

圖3 2001—2013年研究區(qū)主要農(nóng)作物面積變化Fig.3 Area variation of staple crops in the study area during 2001—2013

3.3 水均衡方法驗(yàn)證

對(duì)于閉合的沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)流域，相鄰區(qū)域地下水每年的流入與流出量理論上是均衡的，其水量平衡方程可表示為：

(3)

式中：E——陸面蒸散量；P——降水量；R——研究區(qū)的耗水量； ΔW——蓄水變量。對(duì)于年均衡，ΔW≈0。

引黃灌區(qū)位于黃河上游下河沿—石嘴山兩水文站之間，以青銅峽水利樞紐為界，將其分割為上游的衛(wèi)寧灌區(qū)和下游的青銅峽灌區(qū)，與沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的面積基本一致。根據(jù)2001—2013年國(guó)家水利部《水資源公報(bào)》整理出黃河灌區(qū)的耗水量，見表2。

從水均衡角度看，區(qū)域降水量與耗水量之和為水資源消耗量，而干旱區(qū)水的主要消耗方式為蒸散發(fā)。將2001—2013年黃河灌區(qū)耗水量與SEBS模型計(jì)算的區(qū)域蒸散量進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2009年相對(duì)誤差最小，只有1.34%；2003年誤差最大，為18.28%；多年平均相對(duì)誤差為8.40%(表2)。兩者總體變化趨勢(shì)是一致的，即區(qū)域蒸散發(fā)量隨著黃河灌區(qū)耗水量的增加而增大。綜上分析可得知，在沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)，水均衡原理很好地驗(yàn)證了SEBS模型計(jì)算的蒸散量結(jié)果，說明SEBS模型的計(jì)算結(jié)果是可靠的。

表2 SEBS蒸散量與總耗水量誤差Table 2 Error of SEBS ET and total water consumption

4 區(qū)域蒸散量的影響因素

4.1 氣象因素

在干旱區(qū)，由于氣溫、降水對(duì)蒸散量的影響較大。因此，本次研究采用惠農(nóng)站、吳忠站、銀川站、陶樂站、中衛(wèi)站、中寧站等6個(gè)氣象站的資料求2001—2014年每月的平均氣溫、降水，與每月對(duì)應(yīng)的蒸散量建立相關(guān)性分析(圖4)。

從結(jié)果中可以看出，沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的蒸散量與氣溫的相關(guān)性最高，R2達(dá)到0.816；與降水的相關(guān)性一般，R2為0.375，但總體趨勢(shì)是：研究區(qū)蒸散量隨著氣溫和降水的增加而增加。

4.2 植被指數(shù)

為了分析植被對(duì)區(qū)域蒸散的影響，統(tǒng)計(jì)了沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)2001—2014年間的年蒸散量和年均植被指數(shù)間的關(guān)系(圖5)。結(jié)果顯示，年蒸散量隨著植被指數(shù)的增加而增大，因此，植被覆蓋越高，年蒸散量越大。

為了進(jìn)一步研究植被覆蓋對(duì)地表蒸散的影響，在NDVI分布圖中取一剖面，包括了裸土、草地、灌木、農(nóng)田等地貌，將NDVI與遙感定量反演得到的地表蒸散量進(jìn)行對(duì)比分析，提取剖面中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的NDVI值和地表蒸散量值，得到不同地貌NDVI值與地表蒸散量的變化特征，如圖6所示。

圖4 月蒸散量與氣象因素的相關(guān)性關(guān)系圖Fig.4 Correlation between monthly ET and meteorological factors

圖5 2001—2014年蒸散量與植被指數(shù)關(guān)系圖Fig.5 Relationship between annual ET and NDVI during 2001—2014

圖6 NDVI與對(duì)應(yīng)的蒸散量變化圖Fig.6 Variation of NDVI and the corresponding ET

從圖中可以看出，NDVI較小的區(qū)域，如裸土和城市建筑物地區(qū)，地表蒸散量的值也較小，總體小于2.5 mm/d；而耕地的NDVI值較高，相應(yīng)的地表蒸散量也較高，在3.5～5 mm/d之間變化，因此，NDVI和地表蒸散的變化呈正比關(guān)系，即植被覆蓋越高，地表蒸散量越大。

4.3 濕地

沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)濕地分布較多，特別是銀川平原的北部，最大的濕地為沙湖區(qū)域。濕地類型主要為人工湖泊、魚塘等，單個(gè)面積較小，因此，本文采用更高分辨率的遙感圖像Landsat TM數(shù)據(jù)，進(jìn)行濕地的解譯提取。選取沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)2003、2007、2010和2014年的Landsat TM數(shù)據(jù)，應(yīng)用徐涵秋[13]的MNDWI水體指數(shù)法對(duì)沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的濕地面積進(jìn)行了遙感解譯。對(duì)濕地面積的變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析了濕地的變化趨勢(shì)(圖7)。

圖7 沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)濕地面積隨時(shí)間變化圖Fig.7 Time variation of wetland area of Yellow River Economic Zone

結(jié)果顯示，沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的濕地面積從2003—2014年呈明顯增加趨勢(shì)，從2003年的386 km2增長(zhǎng)至2014年537 km2，濕地面積增加了150 km2(表3)。對(duì)比濕地面積與蒸散發(fā)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)濕地年蒸散量的變化趨勢(shì)與濕地面積變化基本一致，所以濕地面積的增長(zhǎng)也是導(dǎo)致年蒸散量增加的主要影響因素之一。

表3 濕地面積統(tǒng)計(jì)表Table 3 Wetland area statistics

5 結(jié)論

(1)沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的年蒸散量在2001—2014年間總體上是逐漸增加的，從2001年的434.27 mm增加為2014年的517.82 mm，增加了19.24%；

(2)研究區(qū)主要的蒸散量為耕地蒸散量, 2001—2014年間耕地耗水量占全區(qū)耗水量的比例呈上升趨勢(shì), 從2001年的60.3%上升到2014年的71.8%；

(3)沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的蒸散量與引黃灌區(qū)耗水量的變化趨勢(shì)基本一致，與引用黃河水量、降水量之和吻合較好；

(4)沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的蒸散量的變化與氣候有一定的關(guān)系，主要與氣溫、降水呈正相關(guān)關(guān)系；與綠洲植被的變化密切相關(guān)，隨著植被指數(shù)和植被面積的增加而增大；與濕地面積變化有一定的相關(guān)性，隨著濕地面積的增加而增大。

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責(zé)任編輯：張若琳

Variation of evapotranspiration of Ningxia Yellow River economiczone and the validation using water budget method

XUE Yang, JIN Xiaomei, ZHU Xiaoqian

(SchoolofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

In the arid inland, evapotranspiration(ET) is the main way of discharge of groundwater and surface water. Accurate estimation of surface ET can provide the theory basis for reasonable exploitation and utilization of water resources and ecological environment protection in arid areas. Based on MODIS data, the regional ET of Ningxia Yellow River economic zone during the period of 2001—2014 was estimated using Surface Energy Balance System(SEBS) and the influencing factors of ET were analyzed in the meantime. Besides, the reliability of the ET results was validated using the principle of water budget. The results indicated that the annual actual ET of Ningxia Yellow River economic zone gradually increased from 2001 to 2014 with the value varying from 434.27 mm 2001 to 517.82 mm in 2014.The farmland ET is the major part of the total ET and agricultural water consumption accounted for nearly 2/3 of the regional water consumption. The result indicates that the SEBS ET is consistent with the value by water budget method, which is validated the reliability of SEBS model in regional ET estimation.

evapotranspiration;SEBS; MODIS; water budget; Yellow River economic zone

2016-05-10;

2016-07-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40772158)

薛陽(1990-)，女，碩士研究生，主要從事水環(huán)境遙感和生態(tài)水文學(xué)方面的研究。E-mail: xueyang@cugb.edu.cn

金曉媚(1968-)，女，教授，主要從事生態(tài)水文學(xué)方面的研究。E-mail: jinxm@cugb.edu.cn

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.05

P641.2

A

1000-3665(2017)03-0027-06