史曉亮，周政輝，王馨爽

（1.西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安710054；2.河南省漯河水文水資源勘測(cè)局，河南漯河462000；3.自然資源部陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安710054）

地下水是淡水資源重要的組成部分，約占全球淡水資源總量的30%［1］，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。目前世界面臨的人口、資源、環(huán)境三大問題均直接或間接與地下水有關(guān)［2］。我國人均水資源短缺，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展和人口的急劇增加，地表水資源愈顯不足且污染嚴(yán)重，而地下水以其儲(chǔ)量豐富、水質(zhì)良好等優(yōu)點(diǎn)被大量開發(fā)利用［3］，因此地下水在用水結(jié)構(gòu)中所占的比例不斷增大，成為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)生活的重要水源［4］。但是一些局部地區(qū)過量開采地下水，造成地下水采補(bǔ)失衡，地下水位持續(xù)下降，并引發(fā)地面沉降、生態(tài)環(huán)境退化、地下水污染等一系列問題。因此，為科學(xué)合理地開發(fā)利用地下水資源，迫切需要加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，掌握地下水的時(shí)空變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水的可持續(xù)開發(fā)利用和有效保護(hù)［5］。

傳統(tǒng)的地下水監(jiān)測(cè)方法，如鉆井觀測(cè)和水井觀測(cè)，存在著布設(shè)維護(hù)耗費(fèi)人力物力、空間分布過于稀疏而難以有效反映地下水分布的空間異質(zhì)性、無法實(shí)現(xiàn)大面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等不足［6-7］。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和可利用遙感影像的不斷豐富，基于遙感技術(shù)的地下水監(jiān)測(cè)方法得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。許多學(xué)者基于重力衛(wèi)星、InSAR等多源遙感影像在不同區(qū)域開展了地下水監(jiān)測(cè)研究。曹艷萍等［8］利用GRACE重力測(cè)量衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演了黑河流域2003—2008年地下水的時(shí)空變化特征。楊成生等［9］基于 Envisat ASAR數(shù)據(jù)，利用SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)大同盆地地面沉降形變特征，并構(gòu)建了地下水位波動(dòng)與地表形變之間的關(guān)系。但是GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率較低，且反演結(jié)果為水儲(chǔ)量變化，而不是地下水位或埋深；而SAR影像數(shù)據(jù)獲取成本較大，因此限制了InSAR技術(shù)在地下水監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。

近年來，采用光學(xué)與熱紅外遙感反演地表參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建地下水監(jiān)測(cè)模型的研究取得一定進(jìn)展。塔西甫拉提·特依拜等［10］以Landsat-7 ETM+的第6波段為數(shù)據(jù)源，基于地表溫度和地下水的相關(guān)關(guān)系，建立了反演地下水位的定量模型。李相等［11］以新疆庫車縣綠洲-荒漠交錯(cuò)帶為研究區(qū)，利用遙感技術(shù)反演土壤含水量，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演得到地下水埋深分布狀況。目前通過單一地表生物物理參數(shù)反演地下水位的相關(guān)研究中，通過反演獲取土壤含水量，進(jìn)而建立地下水監(jiān)測(cè)模型的方法應(yīng)用最為廣泛。但是，基于土壤含水量的地下水模型建立在土壤水和地下水相互補(bǔ)給的基礎(chǔ)上，以往相關(guān)研究對(duì)于該方法的適用范圍涉及較少。筆者結(jié)合多源地理空間數(shù)據(jù)，識(shí)別基于土壤含水量的干旱區(qū)地下水遙感監(jiān)測(cè)模型適用范圍，進(jìn)而選取新疆阿克蘇河流域的綠洲-荒漠交錯(cuò)區(qū)為典型研究區(qū)，構(gòu)建基于土壤含水量的地下水監(jiān)測(cè)模型，并分析其時(shí)空變化特征，以期豐富無資料地區(qū)地下水監(jiān)測(cè)手段，有效擴(kuò)大地下水監(jiān)測(cè)的覆蓋范圍。

1 研究方法

1.1 理論基礎(chǔ)

遠(yuǎn)離人工綠洲的天然荒漠區(qū)，在沒有降水和灌溉且不存在側(cè)向地下水補(bǔ)給的條件下，土壤水分含量隨地下水埋深而變化。地下水埋深越淺，毛細(xì)作用越明顯，土壤含水量越??；埋深較深時(shí)則相反［12］。土壤含水量受地下水埋深影響極大，當(dāng)潛水位較高時(shí)，表層土壤可得到毛管水的補(bǔ)給，使其保持較高的土壤含水量；隨著潛水位下降，土壤含水量隨毛管水的補(bǔ)給減少而下降，以至土壤的有效含水量不能滿足植物的生理需要而形成干旱。因此，在干旱荒漠區(qū)，地下水埋深是影響土壤含水量的決定性因素［13］。

地下水的動(dòng)態(tài)變化會(huì)影響土壤水的動(dòng)態(tài)變化，反過來，土壤水的動(dòng)態(tài)變化也會(huì)影響地下水的動(dòng)態(tài)變化，二者相互作用、相互影響，屬于同一系統(tǒng)內(nèi)部自調(diào)節(jié)自適應(yīng)過程［14］，這為建立土壤含水量與地下水埋深分布的關(guān)系模型提供了理論依據(jù)。而地表土壤的反射光譜特征在一定程度上能夠反映地表淺層土壤的水分含量狀況，因此在干旱區(qū)可以基于光學(xué)和熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演土壤含水量，進(jìn)而結(jié)合地下水觀測(cè)井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于土壤含水量的地下水遙感監(jiān)測(cè)模型。

1.2 基于土壤含水量的地下水監(jiān)測(cè)模型適用范圍識(shí)別

由于基于土壤含水量的地下水監(jiān)測(cè)模型建立在土壤水和地下水相互補(bǔ)給的基礎(chǔ)上，因此該監(jiān)測(cè)模型具有一定的適用范圍。根據(jù)上述基礎(chǔ)理論，參考相關(guān)研究結(jié)論，本研究提出地下水與土壤含水量相互補(bǔ)給區(qū)域的適用條件：①植被覆蓋度＜30%；②多年平均降水量＜200 mm；③非灌區(qū)或農(nóng)田，非城鄉(xiāng)建設(shè)用地。

本研究綜合利用全國長時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)，以及降水量、土地利用等多源地理空間數(shù)據(jù)，劃定基于土壤含水量的地下水監(jiān)測(cè)模型的適用范圍。

1.3 土壤含水量的遙感反演方法

土壤水分、地表溫度和植被指數(shù)三者之間相互影響，因此目前通過溫度-植被指數(shù)（Ts-NDVI）特征空間的變化來綜合反映土壤水分狀況，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用［15］。 J.C.Price［16］分析認(rèn)為，NDVI和地表輻射溫度構(gòu)成的散點(diǎn)圖為三角形。R.Nemani等［17］研究表明，地表溫度和植被指數(shù)之間為梯形關(guān)系。I.Sandholt等［18］研究發(fā)現(xiàn)，Ts和NDVI構(gòu)成的圖中有很多等值線，從而提出利用溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）監(jiān)測(cè)地表濕度狀況［19］，并得到了廣泛的應(yīng)用，其計(jì)算公式為

式中：TVDI為溫度植被干旱指數(shù)，其值在0～1之間，TVDI越大，表示對(duì)應(yīng)的土壤濕度越??；Ts為任意像元的地表溫度，本文利用MODIS LST代替；Tsmax為某一NDVI對(duì)應(yīng)的最高地表溫度（即干邊），Tsmax＝a+bNDVI（a和b為干邊擬合方程的系數(shù)）；Tsmin為某一NDVI對(duì)應(yīng)的最低地表溫度（即濕邊），Tsmin＝c+dNDVI（c和 d為濕邊擬合方程的系數(shù)）［20］。

1.4 地下水監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建

收集整理研究區(qū)地下水監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)埋深數(shù)據(jù)，并將其劃分為兩部分：大部分監(jiān)測(cè)站地下水埋深數(shù)據(jù)用于模型構(gòu)建，小部分監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)用于模型精度的驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合土壤含水量的遙感反演結(jié)果，將用于模型構(gòu)建的地下水監(jiān)測(cè)站地下水埋深數(shù)據(jù)與土壤含水量在空間上建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，提取對(duì)應(yīng)像元的地下水埋深和土壤含水量，進(jìn)而利用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，構(gòu)建地下水監(jiān)測(cè)模型。然后，根據(jù)驗(yàn)證站的地下水埋深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)像元的地下水埋深模擬值，采用線性回歸方程判定系數(shù)（R2）、相對(duì)誤差（RE）和均方根誤差（RMSE）3個(gè)指標(biāo)對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 基于土壤含水量的地下水監(jiān)測(cè)模型適用范圍

本研究采用的1982—2016年GIMMS（Global In-ventor Modeling and Mapping Studies）NDVI數(shù)據(jù)來源于國家自然科學(xué)基金委員會(huì)中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//westdc.westgis.ac.cn），并基于像元二分模型獲取全國多年平均植被覆蓋度［21］?；谥袊?00個(gè)氣象站1961—2011年的降水量，利用反距離權(quán)重插值法，獲取全國年均降水量的空間分布。此外，收集了全國2015年土地利用類型以及灌區(qū)分布數(shù)據(jù)。基于地下水與土壤水互相補(bǔ)給區(qū)域的適用條件，綜合利用上述多源地理空間數(shù)據(jù)，在GIS空間分析技術(shù)支持下，得到基于土壤含水量的地下水監(jiān)測(cè)模型的適用范圍。

在新疆的準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地部分地區(qū)、青藏高原北部、內(nèi)蒙古西北草原區(qū)等地，地下水與土壤水之間存在相互補(bǔ)給關(guān)系，地下水受到土壤含水量影響，因此可以利用光學(xué)和熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演土壤含水量，進(jìn)而構(gòu)建地下水監(jiān)測(cè)模型。

3 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

3.1 研究區(qū)概況

基于上述地下水監(jiān)測(cè)模型適用范圍的識(shí)別結(jié)果，選擇阿克蘇河流域綠洲-荒漠交錯(cuò)區(qū)作為典型研究區(qū)。阿克蘇河發(fā)源于吉爾吉斯斯坦科克沙勒山，是新疆維吾爾自治區(qū)的三大國際河流之一，為新疆南部第一大河。阿克蘇河流域位于天山南麓、塔里木盆地北緣，總面積約7.0萬km2。流域地勢(shì)自東北向西南逐漸降低，地貌有明顯的分帶現(xiàn)象，依次為中低山丘陵、山前洪積扇群、沖洪積傾斜平原及沖積平原。該區(qū)地處歐亞大陸深處，屬暖溫帶干旱型氣候區(qū)，具有大陸性氣候的顯著特征：氣候干燥，蒸發(fā)量大，降水量小且年、季變化大；晴天多，日照時(shí)間長，熱量資源豐富；氣候變化強(qiáng)烈，冬季寒冷，夏季炎熱，晝夜溫差大，年均風(fēng)速小。

3.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的主要遙感數(shù)據(jù)源為2003—2015年4—10月的 MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)，包括地表溫度（LST）（MOD11A2：8 d合成，空間分辨率為1 km）數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)（NDVI）（MOD13A2：16 d合成，空間分辨率為1 km）數(shù)據(jù)，來源于美國航天局網(wǎng)站（http：//ladsweb.nascom.nass.gov/data/search.html）。 利用 MRT（MODIS Reprojection Tools）軟件對(duì)下載獲取的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、投影與格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，最終獲取研究區(qū)MODIS地表溫度和歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)集。

地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)內(nèi)良種場(chǎng)水管站、阿瓦提縣黃宮村一小隊(duì)等9個(gè)觀測(cè)井（見圖1）2003—2012年月均地下水埋深數(shù)據(jù)，用于地下水監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建。

圖1 研究區(qū)和地下水觀測(cè)井位置

4 結(jié)果與分析

4.1 研究區(qū)地下水監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建

基于2003—2012年長時(shí)間序列的MODIS NDVI和LST數(shù)據(jù)，利用溫度植被指數(shù)（TVDI）反演研究區(qū)土壤含水量，結(jié)合分布于研究區(qū)內(nèi)8個(gè)地下水觀測(cè)井的實(shí)測(cè)地下水埋深數(shù)據(jù)（不包括用于模型驗(yàn)證的阿瓦提縣豐收二場(chǎng)良繁場(chǎng)的觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)），建立了月尺度的地下水埋深監(jiān)測(cè)模型（見圖2）。從圖2可以看出，研究區(qū)土壤含水量和地下水埋深之間存在較明顯的指數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，選擇阿瓦提縣豐收二場(chǎng)良繁場(chǎng)的地下水觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果顯示，地下水埋深的模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的判定系數(shù)（R2）、相對(duì)誤差（RE）分別為0.75和9%，基本達(dá)到了大范圍地下水監(jiān)測(cè)的精度要求。

圖2 基于土壤相對(duì)含水量的地下水埋深監(jiān)測(cè)模型

基于上述模型以及該區(qū)的土壤含水量遙感反演結(jié)果，估算得到阿克蘇河流域綠洲-荒漠交錯(cuò)區(qū)2003—2015年每年4—10月的地下水埋深。

4.2 研究區(qū)地下水埋深時(shí)空變化特征

4.2.1 地下水埋深年際變化

由圖3可見，阿克蘇河流域綠洲-荒漠交錯(cuò)帶2003—2015年地下水埋深年際波動(dòng)較大，但整體呈變深的趨勢(shì)。年均地下水埋深在2005年最淺（為2.24 m），2015年最深（為3.07 m），平均為2.43 m。從不同階段來看，2003—2005年研究區(qū)地下水埋深呈變淺趨勢(shì)，之后到2012年地下水埋深雖有所波動(dòng)，但整體呈變淺趨勢(shì)，2012年之后該區(qū)地下水埋深不斷增大。

圖3 2003—2015年研究區(qū)地下水埋深年際變化

4.2.2 地下水埋深空間分布特征

阿克蘇河流域綠洲-荒漠交錯(cuò)區(qū)地下水埋深受到地質(zhì)條件等多種因素的影響，空間差異明顯，總體表現(xiàn)為西淺東深的分布特征。從圖4可以看出，柯坪荒漠區(qū)與阿瓦提綠洲區(qū)交錯(cuò)帶的地下水埋深相對(duì)較淺，一般小于2.0 m；阿克蘇荒漠區(qū)與阿瓦提綠洲區(qū)交錯(cuò)帶的地下水埋深相對(duì)較深，一般為2.0～3.8 m；溫宿綠洲區(qū)和多浪綠洲區(qū)的部分地區(qū)地下水埋深為4.0～5.8 m。

圖4 研究區(qū)地下水埋深空間分布

5 討 論

5.1 基于遙感技術(shù)的地下水監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用前景

（1）可以擴(kuò)大地下水監(jiān)測(cè)覆蓋范圍。我國水利系統(tǒng)現(xiàn)有地下水監(jiān)測(cè)站約1萬個(gè)，大部分分布在北方平原區(qū)，南方與西部有些地區(qū)甚至還未開展地下水監(jiān)測(cè)工作，全國范圍內(nèi)地下水監(jiān)測(cè)工作不一致，造成同時(shí)期全國地下水監(jiān)測(cè)資料不完整。鑒于我國地下水監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，為提高地下水監(jiān)測(cè)水平，水利部和原國土資源部于2015年6月開始實(shí)施國家地下水監(jiān)測(cè)工程，建設(shè)地下水專用監(jiān)測(cè)站20 401個(gè)。國家地下水監(jiān)測(cè)工程的實(shí)施，使我國的地下水監(jiān)測(cè)水平和能力有了大幅度提升，有效監(jiān)控面積達(dá)350萬km2，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)我國大型平原盆地和集中連片巖溶山區(qū)地下水的區(qū)域監(jiān)控。但是，新疆、西藏、青海等地區(qū)地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)仍然較少，在空間尺度無法有效實(shí)現(xiàn)地下水的長時(shí)間序列觀測(cè)，而這些地區(qū)正是基于土壤含水量的地下水監(jiān)測(cè)方法的適用區(qū)域。因此，基于遙感技術(shù)對(duì)缺少地下水監(jiān)測(cè)站或監(jiān)測(cè)站密度低的干旱區(qū)進(jìn)行地下水監(jiān)測(cè)，將在傳統(tǒng)地下水監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，有效擴(kuò)大地下水監(jiān)測(cè)的覆蓋范圍。

（2）可以完善地下水監(jiān)測(cè)資料的時(shí)間連續(xù)性。我國各流域、各省（區(qū)、市）開展地下水監(jiān)測(cè)的時(shí)間不同，地下水開發(fā)利用程度高的區(qū)域早在20世紀(jì)60年代就開展了地下水監(jiān)測(cè)，而部分流域、?。▍^(qū)、市）截止目前開展地下水監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，使得各區(qū)域監(jiān)測(cè)資料序列不統(tǒng)一。利用遙感技術(shù)時(shí)間序列長的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合多源遙感影像，對(duì)于開展地下水監(jiān)測(cè)時(shí)間較短的區(qū)域，在時(shí)間尺度上可以有效擴(kuò)展地下水監(jiān)測(cè)序列。

（3）為地下水管理工作提供技術(shù)支撐。地下水管理和保護(hù)工作中，需定期對(duì)地下水資源進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)，了解區(qū)域地下水資源狀況。遙感技術(shù)在地下水變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，為地下水監(jiān)測(cè)站布設(shè)密度低的西北、西南等區(qū)域的地下水資源調(diào)查評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支撐。

5.2 地下水監(jiān)測(cè)模型的制約因素分析

基于遙感的地下水監(jiān)測(cè)模型是在土壤含水量反演的基礎(chǔ)上，結(jié)合地下水埋深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立起來的。該模型適用范圍主要為新疆、西藏等西部干旱地區(qū)，但這些區(qū)域地下水監(jiān)測(cè)站分布較少，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)欠缺。因此，在模型構(gòu)建時(shí)需要考慮地下水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可獲取性，從而影響了模型的推廣應(yīng)用。

由于傳統(tǒng)的地下水監(jiān)測(cè)方法存在監(jiān)測(cè)站過于稀疏而難以反映空間差異性、監(jiān)測(cè)資料不連續(xù)等不足，因此希望通過遙感技術(shù)獲取長時(shí)間序列、大范圍的地下水動(dòng)態(tài)變化資料。中分辨率遙感影像盡管空間分辨率較高，但重訪周期長，且受到云的影響，很難獲取時(shí)間序列長且數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的影像。因此，目前地下水連續(xù)監(jiān)測(cè)常用的遙感數(shù)據(jù)源是MODIS的歸一化植被指數(shù)（NDVI）和地表溫度（LST）數(shù)據(jù)，但是受數(shù)據(jù)本身以及反演算法等因素影響，MODIS LST數(shù)據(jù)在部分時(shí)間段可能存在異常值，從而影響土壤含水量模擬。遙感數(shù)據(jù)源質(zhì)量是地下水監(jiān)測(cè)模型的主要制約因素之一。

6 結(jié) 論

本文通過分析土壤水與地下水的相互補(bǔ)給關(guān)系，綜合多源遙感數(shù)據(jù)，劃分了基于土壤含水量的地下水監(jiān)測(cè)模型的適用范圍，以新疆阿克蘇河流域綠洲-荒漠交錯(cuò)區(qū)為典型研究區(qū)，構(gòu)建了干旱區(qū)地下水監(jiān)測(cè)模型，并分析了地下水埋深的時(shí)空變化特征，得出以下結(jié)論。

（1）新疆的準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地部分地區(qū)、青藏高原北部、內(nèi)蒙古西北草原區(qū)等干旱地區(qū)，地下水與土壤水之間存在相互補(bǔ)給關(guān)系，可以利用光學(xué)與熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演土壤含水量，進(jìn)而構(gòu)建地下水監(jiān)測(cè)模型。

（2）阿克蘇河流域荒漠-綠洲交錯(cuò)區(qū)2003—2015年地下水埋深年際波動(dòng)較大，但整體呈變深的趨勢(shì)，在空間上呈現(xiàn)西淺東深的分布特征。

（3）盡管遙感技術(shù)在監(jiān)測(cè)地下水方面存在數(shù)據(jù)源異常值、依賴于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等多種因素的制約，但是在傳統(tǒng)地下水監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，該方法可以有效擴(kuò)大地下水監(jiān)測(cè)的覆蓋范圍，為地下水監(jiān)測(cè)站布設(shè)密度低的西北、西南等區(qū)域的地下水資源調(diào)查評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。