呂夢宇 齊永青 王仕琴

一、前言

隨著人口越來越多，我國糧食增產(chǎn)的需求越來越大。華北低平原區(qū)分布有大面積的中低產(chǎn)農(nóng)田，糧食增產(chǎn)潛力巨大，但該區(qū)也是我國水資源嚴(yán)重缺乏地區(qū)之一。糧食生產(chǎn)長期依靠抽提深層地下水來實現(xiàn),長期的灌溉造成該區(qū)地下水位快速下降,形成了世界上最大的復(fù)合型地下水位降落漏斗區(qū),并引起一系列的環(huán)境問題[1-3]。另一方面該區(qū)淺層地下水多咸水和微咸水分布，目前利用率不足40%[4]。同時該區(qū)是降雨相對豐富地區(qū)，年降水量450～600mm,并且位于海河流域南系諸河下游，汛期雨洪資源十分豐富，充分利用坑塘集蓄雨洪資源是解決該區(qū)糧食生產(chǎn)水資源需求的重要途徑[2,5]。因此，查明不同降水年型下地表坑塘集蓄雨洪資源的能力，可為環(huán)渤海低平原區(qū)糧食增產(chǎn)提供水資源保障，對于保障區(qū)域地下水安全和糧食安全具有重要意義。

近年來，隨著遙感科學(xué)的不斷發(fā)展，基于遙感技術(shù)的水資源監(jiān)測成為全球變化和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要研究內(nèi)容[6]?？犹磷鳛榈乇硭Y源的重要組成部分，得到了許多研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。使用遙感數(shù)據(jù)對坑塘進(jìn)行識別和監(jiān)測的研究已經(jīng)取得重要進(jìn)展。范鵬鵬等[7]利用三期Landsat 衛(wèi)星TM遙感數(shù)據(jù)對多年來洪湖市坑塘的時空演變進(jìn)行了分析。范亞民等[8]利用多期遙感影像從時間 、空間和利用類型3個方面分析了近30年來太湖圍湖利用及東太湖網(wǎng)圍養(yǎng)殖的時空變化特征。羅玲等[9]基于多期遙感影像提取1990年、2000年和2013年湖泊和水庫/坑塘分布信息，探討1990-2013年間松嫩平原西部湖泊和水庫/坑塘蓄水面積和數(shù)量的變化及驅(qū)動因素。黃翀等[10]基于國產(chǎn)自主環(huán)境一號小衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對2010年黃河三角洲生態(tài)調(diào)水暨刁口河流路恢復(fù)過水試驗進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和初步評價。近30年國內(nèi)外相關(guān)研究很多，但大多集中于河湖濕地的研究，而基于遙感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于坑塘提取的研究和應(yīng)用相對較少。

南皮縣是雨洪坑塘集蓄利用研究示范區(qū)，也是“渤海糧倉”項目縣域糧食增產(chǎn)的主要示范區(qū)。本文以華北低平原區(qū)雨洪坑塘集蓄利用示范區(qū)——河北省南皮縣的坑塘水研究對象，借鑒國內(nèi)外對于水體信息提取的經(jīng)驗，利用多時相的LandsatTM5和LandsatOLI_TIRS8遙感數(shù)據(jù)對研究區(qū)的坑塘信息進(jìn)行提取，查明在不同降水年型下南皮縣坑塘蓄水量，進(jìn)而明確坑塘在不同降水年型下作為灌溉水源的保障能力，為合理開發(fā)利用坑塘水進(jìn)行提供科學(xué)依據(jù)。

二、研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

南皮縣位于河北省的東南部，滄州市的南部，處于內(nèi)陸平原與濱海平原過渡地區(qū)（圖1），屬黃河、海河沖積平原，地理位置11632E 11702E，37 50N 3811N，為暖溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫12.3℃，降水年內(nèi)分配不均年際變化大，多年平均降水量為572.5mm，6—8月降水量約占全年總降水量的73.6%。面積大約為800km2,耕地面積為5.313萬hm2，主要的農(nóng)作物有小麥、玉米、棉花等[8,11-13]。南皮縣地表水系發(fā)達(dá)，主要包括大運(yùn)河、漳衛(wèi)新河、宣惠河、四港新河四條主要的河流與大浪淀，還包括大浪淀的五條引水渠(一、二、三、四、五號干溝）、大浪淀排水渠、肖圈干渠、路東溝等主要的排水溝渠。

2.2 數(shù)據(jù)源

本文所用遙感數(shù)據(jù)為L a n d s a t T M 5及其Landsat8OLI_TIRS影像數(shù)據(jù)，遙感影像軌徑號為Path/Row：122/34，影像獲取日期分別為2001年9月9日、2009年8月30日以及2014年8月12日。全景影像質(zhì)量較好，2014年8月份影像分布少量云，但并未覆蓋研究區(qū)，對研究區(qū)水體提取無影響；其他年份圖像質(zhì)量比較好，無云和條帶影響。根據(jù)自中國氣象共享服務(wù)網(wǎng)（http://www.escience.gov.cn）下載的南皮縣多年氣象數(shù)據(jù)，南皮縣多年平均降雨量為572.5mm，選取2001、2009、2014年年降雨量分別為521mm、978.6mm、323.8mm，這三個年份可以代表平水年、豐水年、枯水年典型降水年型。

利用研究區(qū)矢量邊界提取研究區(qū)3期遙感影像，并以2001年的TM影像作為參考圖像，分別對2009年和2014年的影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和幾何校正，校正誤差控制在1個像元以內(nèi)。

三、研究方法

遙感特征信息的自動提取能夠大大減輕工作量，提高工作效率?？傮w來說，目前水體信息提取方法主要包括單波段法、多波段法和比值法[14,15]。本研究參照國內(nèi)外研究，采用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)方法提取研究區(qū)的水體信息，坑塘信息提取是在水體信息提取的基礎(chǔ)上，通過形狀指數(shù)與目視解譯方法去除河流，得到研究區(qū)坑塘分布信息。根據(jù)研究區(qū)坑塘蓄水庫容曲線，可以由水面面積進(jìn)一步計算得到坑塘蓄水量，從而查明坑塘在不同降水年型下作為灌溉水源的保障能力。

3.1 改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)

改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（Modified Normalized Difference Water Index），由于水體的反射從可見光到中紅外波段逐漸減弱，在近紅外和中紅外波長范圍內(nèi)吸收性最強(qiáng)，幾乎無反射，因此，利用可見光波段和中紅外波段的反差可以突出影像中的水體信息[14]。

式中，IMNDWI代表MNDWI的指數(shù)值；RG代表綠光波段的反射率值；RMIR 代表中紅外波段的反射率值。

3.2 坑塘蓄水庫容曲線

坑塘庫容曲線是表示坑塘占地面積與其相應(yīng)庫容關(guān)系的曲線，其計算公式為

式中，y代表蓄水能力（萬立方米），x代表占地面積（畝）。

四、結(jié)果與分析

4.1 坑塘空間分布格局

基于改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)方法提取的2001年、2009年、2014年坑塘分布信息，如圖2所示?？犹翉V布于整個研究區(qū)，主要分布在中西部的南皮、大浪淀鎮(zhèn)、劉八里鎮(zhèn)以及鮑官屯鎮(zhèn)的北部地區(qū)，并且呈現(xiàn)集中分布態(tài)勢。研究區(qū)內(nèi)分布有大浪淀水庫，但是水庫水作為滄州市區(qū)的居民生活用水，并不能為農(nóng)業(yè)用水提供保障，因此，將提取的大浪淀水庫信息剔除。

4.2 不同降水年型下坑塘面積統(tǒng)計特征及其分級

南皮縣地處近濱海平原，為暖溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候，降水年內(nèi)年際變化很大。為更直觀地呈現(xiàn)不同降水年型下的坑塘狀況，表1列出了不同降水年型下研究區(qū)不同面積等級的坑塘水體信息。

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根據(jù)研究區(qū)坑塘的特點(diǎn)，將其按面積大小分為如下5個等級：Ⅰ（＜5000m2）、Ⅱ（≥5000～10000m2）、Ⅲ（≥10000～20000m2）、Ⅳ（≥20000～40000m2）、Ⅴ（≥40000m2）。不同降水年型下坑塘的數(shù)量分級統(tǒng)計如表1所示，可以明顯看出：研究區(qū)坑塘均主要以小于5000m2的水體為主，小于5000m2的水體在2001年（平水年）、2009年（豐水年）和2014年（枯水年）蓄水總面積分別為75.55、100.96和39.68萬平方米?？犹翑?shù)量從豐水年到枯水年逐漸變少，其中以小于5000m2的坑塘減少數(shù)量和比例最為明顯。從豐水年到枯水年不同面積分級的坑塘數(shù)量變化呈現(xiàn)出異質(zhì)性，其中小于10000m2的坑塘數(shù)量呈現(xiàn)明顯減少的趨勢，大于10000m2的坑塘呈現(xiàn)增加趨勢。2種相反的變化趨勢可能與降雨量和人類活動干擾有關(guān)，大于10000m2坑塘增加可能主要是由于人為因素所致，而小于10000m2的坑塘數(shù)量減少主要是由于不同降水年型的影響。

4.3 不同降水年型下坑塘的蓄水能力

根據(jù)研究區(qū)坑塘蓄水庫容曲線，計算得到不同降水年型下研究區(qū)坑塘實際蓄水量。如表2所示：2001年-2014年不同降水年型下，坑塘具有較強(qiáng)的蓄水能力，尤其是豐水年型下蓄水量達(dá)1865.6萬立方米，做為農(nóng)業(yè)灌溉水源具有很好保障能力；不同降水年型下雨水集蓄能力也不同，平水年（2001年）、豐水年（2009年）和枯水年（2014年）的坑塘蓄水量分別為825、1865.6、910萬立方米；豐水年坑塘蓄水量顯著大于平水年與枯水年的蓄水量，主要是受降雨作用的影響；枯水年（2014）與平水年（2001）坑塘蓄水量與降雨量呈現(xiàn)相反的變化趨勢，主要是由于年份相差較遠(yuǎn)，可能是與人類活動干擾有關(guān)，如坑塘的開挖擴(kuò)大等。

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五、結(jié)論

本文以通過衛(wèi)星遙感影像提取的2001年、2009年和2014年的坑塘數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)探討了不同降水年型下的坑塘分布格局、坑塘蓄水面積特征及其蓄水能力的大小，得出以下結(jié)論：

（1）南皮縣坑塘廣布于整個研究區(qū)，主要分布在中西部的南皮、大浪淀鎮(zhèn)、劉八里鎮(zhèn)以及鮑官屯鎮(zhèn)的北部地區(qū)。

（2）降雨量對于中小型坑塘的數(shù)量及其蓄水面積具有顯著影響，坑塘數(shù)量及其蓄水面積從豐水年到枯水年呈現(xiàn)逐漸變少的趨勢；而人類活動對大型坑塘影響更明顯，由此可見，降雨量與人類活動均是影響區(qū)域坑塘數(shù)量與蓄水面積的重要因素。

（3）平水年（2001年）、豐水年（2009年）和枯水年（2014年）的坑塘數(shù)量分別為720、950、397個，蓄水能力分別為825、1865.6、910萬立方米，具有良好的蓄水能力，可以為農(nóng)業(yè)灌溉提供一個良好的保障。

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