遙感估算蒸散發(fā)及其在中國盤山風(fēng)景區(qū)水資源保護(hù)中的應(yīng)用

姚立英，馬 吉吉，陳 璐，吉 晟

(1.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，天津300191;2.河北工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，天津300130;3.天津市聯(lián)合環(huán)保工程設(shè)計(jì)有限公司，天津300191)

水資源作為一種重要的自然資源與社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境構(gòu)成水資源復(fù)合系統(tǒng)[1]，是國家、地區(qū)，甚至工業(yè)項(xiàng)目發(fā)展必須考慮的綜合問題。天津盤山風(fēng)景名勝區(qū)水資源以地下水為主，由于特殊的巖體和斷層結(jié)構(gòu)，地下水和地表水為相對閉合的流域系統(tǒng)。但是由于缺少可利用地下水資源數(shù)據(jù)，導(dǎo)致該區(qū)域存在盲目開發(fā)利用水資源的問題。

天津盤山風(fēng)景名勝區(qū)的水資源補(bǔ)給主要是大氣降水，在已知水資源補(bǔ)給和儲排條件下，合理估算蒸散發(fā)量E對于確定區(qū)域地下水資源利用至關(guān)重要。筆者利用遙感影響數(shù)據(jù)分析區(qū)域內(nèi)的植被蒸散發(fā)量，建立地下水平衡圖，指導(dǎo)中國天津盤山風(fēng)景名勝區(qū)水資源利用。

1 植被蒸散發(fā)量估算模型

對蒸散發(fā)量的估算國際上已有200a的歷史，20世紀(jì)80年代以前基于Dalton理論建立了一系列的經(jīng)驗(yàn)公式，80年代以后主要是應(yīng)用改進(jìn)的彭曼公式[2]。目前，確定作物蒸散發(fā)量的主要方法有空氣動力學(xué)法、波文比能量平衡法、遙感法、水量平衡法[3]。應(yīng)用遙感技術(shù)估算區(qū)域蒸散發(fā)量是經(jīng)濟(jì)可行的方法。

應(yīng)用遙感技術(shù)研究區(qū)域蒸散發(fā)量中，地表能量平衡方程和Penman-Monteith阻力模型是物理基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)且應(yīng)用最廣的方法[4]，具體模型有 SEBAL模型、植被指數(shù)-溫度梯度模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、瞬時蒸散發(fā)量時間尺度擴(kuò)展等[5]。

筆者采用統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行分析，該法是由Jackson等[6]于1977 年提出，由 Seguin 等[7-8]改進(jìn)的用遙感的冠層輻射表面溫度估算農(nóng)田蒸散發(fā)量的回歸模型，模型所需輸入的參數(shù)較少，但可以很好地模擬有不同植被覆蓋度的各種下墊面的復(fù)雜蒸發(fā)蒸騰機(jī)理，利用該模型可以估算出合理的蒸散發(fā)量。

筆者利用美國Idaho大學(xué)設(shè)計(jì)的Ref-et軟件包計(jì)算區(qū)域蒸散發(fā)量。模型及參數(shù)如下:

式中:Rn為日輻射量;Le為潛熱通量;B為日感熱通量的平均總傳導(dǎo)率;Tr為地方時13:00時的地表溫度;To為地表上50 m處氣溫;n為非中性層結(jié)凈力穩(wěn)定度修正系數(shù)。

計(jì)算B、n的值時需要引入歸一化植被指數(shù)I。

式中:N*為觀測角度，受傳感器飄移及大氣校正的不確定性的影響較小;I100為植被覆蓋度為100%的I值;I0為裸土的I值。

在已知潛熱通量Le時，可以根據(jù)下式可以計(jì)算出瞬時的蒸散發(fā)量Einst。

式中，λ為蒸發(fā)潛熱(2.4×106W/m2·mm)。

式中:f為潛在蒸散發(fā)系數(shù)，定義為每個像元的瞬時蒸散發(fā)與由氣象數(shù)據(jù)計(jì)算的潛在蒸散的比值;Er為日水面蒸發(fā)量。

最后，1 d的蒸散發(fā)量Eday可由下式來計(jì)算。

式中:Er24為影像獲得當(dāng)天的蒸散發(fā)量。

2 研究區(qū)域概況

2.1 自然環(huán)境概況

中國盤山風(fēng)景名勝區(qū)位于天津北部薊縣，規(guī)劃面積106 km2，地勢北高南低，主峰掛月峰海拔864.4 m，最低處在官莊鎮(zhèn)南部邊緣，海拔高度僅有17 m。地貌類型為山地和平原兩種基本形態(tài)。

主要植被類型是針葉林、針闊混交林、闊葉林和灌草叢。針葉林主要分布在360～800 m以上地區(qū)，其中油松林在盤山分布廣泛，常見于海拔360～800 m之間的山地陰坡及半陰坡。群落覆蓋度達(dá)90%左右，林下伴生多種灌木和草本植物，具有原始油松林的特點(diǎn);側(cè)柏林呈片狀分布在海拔400～600 m的陽坡及半陰坡。針闊葉混交林分布在300～500 m的半陰坡，常有小片的油松林、側(cè)柏林與栓皮櫟林、麻櫟林呈鑲嵌分布，形成天津市及華北地區(qū)少見的針闊葉混交林群落?？偢采w度80% ～90%。落葉闊葉林廣泛分布在低山丘陵區(qū)，從100～700 m的陽坡和半陰坡。以殼斗科的栓皮櫟林、麻櫟林、槲櫟林、槲樹林最為常見，是水源涵養(yǎng)林的主要植被類型，也是華北暖溫帶落葉闊葉林地帶性植被類型的典型代表。除森林植被之外，大面積低山丘陵區(qū)均為灌草叢植被類型所覆蓋，該植被類型由灌木、草本植物所組成[9]。

2.2 社會經(jīng)濟(jì)概況

盤山風(fēng)景名勝區(qū)規(guī)劃面積106 km2，其中許家臺鄉(xiāng)占地約28 km2，官莊鎮(zhèn)占地約78 km2，39個村莊有32088人，目前風(fēng)景區(qū)內(nèi)居民產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)為主，外出務(wù)工為輔，農(nóng)民年平均收入7500元左右。

2007年盤山風(fēng)景名勝區(qū)接待游客51萬人次，實(shí)現(xiàn)旅游收入2734萬元。游客平均年增長率為10%左右，人均消費(fèi)平均年增長率為15%左右。

2.3 水資源概況

2.3.1 大氣降水

根據(jù)薊縣統(tǒng)計(jì)年鑒，1957—2006年薊縣地區(qū)多年平均降水量為655.6 mm，年內(nèi)降水量分配極不均勻，6—9月降水量約占全年降水量的80%。盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)匯水區(qū)面積為84.73 km2，按年平均降水量655.6mm計(jì)算，折合降水量為5554.9萬m3/a。

2.3.2 河流

盤山地區(qū)河流屬氵句河水系，主要河流有漳河和禿尾巴河。因盤山與華北大平原以斷層接觸，缺少過渡的丘陵地區(qū)，加之盤山地區(qū)地勢北高南低，高差大，多地形雨，故河流自北向南流，且源短流急。

根據(jù)薊縣多年統(tǒng)計(jì)資料，區(qū)域內(nèi)降水時空分布不均，河流徑流與降水分布相一致，規(guī)劃區(qū)徑流折合水量為1170.8萬m3/a。

2.3.3 地下水

地下水的補(bǔ)徑排條件受地貌、構(gòu)造、含水介質(zhì)、埋藏特征和邊界條件的控制。從宏觀上看，盤山主體為中生界盤山花崗巖體，分布面積為60 km2，為印支期侵入巖，結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，本身為不透水隔水巖層，然而花崗巖節(jié)理發(fā)育，球狀風(fēng)化明顯，大氣降水極易滲入風(fēng)化層，富含碎屑巖孔隙潛水。特別是山間小盆地、河谷地帶、山麓地區(qū)為厚層第四紀(jì)松散堆積物，賦水條件較好，為松散地層孔隙水分布區(qū)，是區(qū)域的地下水補(bǔ)給區(qū)。

巖體和巖脈對地下水導(dǎo)向作用明顯。盤山地區(qū)北后子峪輝長輝綠巖脈和許家臺輝長輝綠巖脈，分布在盤山花崗巖體的東西兩側(cè)，與盤山花崗巖體呈弧形展布，恰好成為盤山地區(qū)地下水運(yùn)移的天然擋水壩，使盤山花崗巖體與兩側(cè)巖脈之間以及盤山南麓白云巖地層的地下水十分富集。

盤山地區(qū)南部分布著一條橫亙東西的薊縣大斷層，是薊縣境內(nèi)規(guī)模最大的壓扭性斷裂。該斷層由于受區(qū)域性地殼應(yīng)力的持續(xù)作用，局部地帶形成糜棱巖化，該斷層在很大程度上控制了北部基巖地下水對南部平原的補(bǔ)給，而在此一線匯集，因而沿?cái)鄬泳€北側(cè)有不少泉水出露，形成一條東西向分布的泉群帶。

山前平原區(qū)地下水補(bǔ)給接受來自山區(qū)的側(cè)向徑流補(bǔ)給，是地下水的排泄區(qū)，排泄方式為開采和潛水蒸發(fā)。

3 基礎(chǔ)資料收集

3.1 遙感數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)來源為2006—2007年中巴資源衛(wèi)星(ZY01/ZY02)數(shù)據(jù)，中巴資源衛(wèi)星軌道號373/55，地圖投影UTM，地球坐標(biāo)WGS_84，傳感器CCD，中巴資源衛(wèi)星的其他數(shù)據(jù)見表1。對影像的處理包括幾何校正、輻射校正和地面參數(shù)的提取。

表1 中巴資源衛(wèi)星參數(shù)

3.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象參數(shù)見表2[10]。

表2 氣象參數(shù)

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 植被類型遙感分析

采用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類相結(jié)合的辦法，即依據(jù)波譜統(tǒng)計(jì)特征，判別像元的類別歸屬，在監(jiān)督分類的基礎(chǔ)上給定自然集群的數(shù)目，由計(jì)算機(jī)自動進(jìn)行分類，之后根據(jù)先前建立的模板來判讀地物的類別歸屬，以此提高分類的精度。該區(qū)域的5大類LULC(土地利用/土地覆蓋)類型分別為無植被覆蓋地表、水體、闊葉植物、針葉植物、農(nóng)田及草地類。

為了增強(qiáng)圖像信息，減少數(shù)據(jù)冗余，提高地表覆蓋信息特征的監(jiān)測能力，對各圖像進(jìn)行主成分分析(KL變換)，KL變換的算法為:計(jì)算多波段圖像數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)，得到反映各波段間關(guān)系的協(xié)方差矩陣，然后求其特征值和特征向量。KL變換中前3個主分量包含了圖像數(shù)據(jù)99.23%的信息，其余主分量幾乎全是噪聲。經(jīng)過變換后，得出3個波段(第一、二、三主分量)，在紅、綠、藍(lán)彩色組合中，生長旺盛的農(nóng)作物(包括草地)呈現(xiàn)亮紫色，闊葉林呈深綠色，林地呈黃色。然后采用I指數(shù)(歸一化植被指數(shù))對主成分進(jìn)行修正，以提高對植被的判別的精度[11]，I指數(shù)介于－1到1之間。負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等;0表示有巖石或裸土;正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。

遙感影像中，歸一化植被指數(shù)值為近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和，見圖1。

式中:Nir為近紅外波段的反射值;R為紅光波段的反射值。

將I值作為一個重要的參考量對項(xiàng)目區(qū)地表植被進(jìn)行識別，同時利用歸一化植被指數(shù)(表3)計(jì)算日感熱通量的平均總傳導(dǎo)率和非中性層結(jié)凈力穩(wěn)定度修正系數(shù)。

表3 歸一化植被指數(shù)值

圖1 歸一化植被指數(shù)

使用ENVI軟件對主成分分析得到的結(jié)果進(jìn)行最大似然法監(jiān)督分類，從分類圖像中收集本項(xiàng)目各種地物類型的純樣本信息，結(jié)合土地利用類型圖，確定歸屬，對樣本進(jìn)行分類。監(jiān)督分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 監(jiān)督分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果 km2

4.2 蒸散發(fā)量計(jì)算分析

經(jīng)計(jì)算，盤山地區(qū)2007年度蒸散發(fā)量為3273.1 m3。

4.3 地下水可開采量

盤山風(fēng)景名勝區(qū)的水源補(bǔ)給主要來自大氣降水，在相對封閉的流域內(nèi)，地下水補(bǔ)給量為大氣降水量與多年平均徑流量、蒸散發(fā)量和地表水儲水變化的差值，而地下水多年平均補(bǔ)給量相當(dāng)于地下水多年平均可開采量。

式中:Q為地下水補(bǔ)給量;P為大氣降水量;R為多年平均徑流量;E為蒸散發(fā)量;α為地表水儲水變化。

盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)大氣降水量為5554.9萬m3/a，地表徑流量為1170.8萬m3/a，蒸散發(fā)量為3273.1萬m3/a，地表儲水變化為0，則可補(bǔ)給量為1111.0萬m3/a。

根據(jù)大氣降水入滲水補(bǔ)給量公式反推入滲系數(shù)，以驗(yàn)證上述結(jié)果，公式如下:

式中:Q為地下水補(bǔ)給量;A為匯水區(qū)面積;K為降雨平均入滲系數(shù);Prec為多年平均降雨量。

盤山地區(qū)匯水面積為84.73 km2，多年平均降雨655.6 mm，根據(jù)入滲量反推入滲系數(shù)為0.2，符合該地區(qū)入滲系數(shù)介于0.14～0.26之間的經(jīng)驗(yàn)值[12]，證明通過遙感手段獲取的地下水入滲量可靠。

5 盤山地區(qū)水資源利用分析

5.1 區(qū)域水資源利用現(xiàn)狀

盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀生產(chǎn)和生活用水主要以開采地下水為主，僅有少量農(nóng)業(yè)灌溉采用地表水。大規(guī)模集中開采地下水主要集中在官莊鎮(zhèn)和許家臺鄉(xiāng)人口密集處:官莊鎮(zhèn)盤山供水站現(xiàn)狀供水能力為8000 m3/d，共有3眼井，井深200 m左右，開采深層地下水，供官莊鎮(zhèn)內(nèi)的企業(yè)和居民及規(guī)劃區(qū)使用。許家臺鄉(xiāng)目前已建成日供水能力為10000 m3的供水站1座，共6眼井，井深200～280 m，開采深層地下水，配套工程尚在建設(shè)過程中。

a.常住人口用水量。盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)人員包括常住人口和管理人員，2007年常住人口為33028人，管理人員為360人，總用水量為121.9萬m3/a。

b.游客用水量。2007年盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)游客數(shù)量約51萬人，散客用水量為1.5萬m3/a，住宿游客用水量為3.8萬m3/a，游客總用水量為5.3萬m3/a。

c.工業(yè)用水量。盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)主要有盤山啤酒廠、雀巢礦泉水廠、今晚潤天礦泉水廠、吉華化工廠、7家小礦泉水廠、10家小食品廠、10家療養(yǎng)院等。以上企業(yè)用水均取用地下水，總用水量為189.6萬m3/a，新鮮用水量為152.1萬m3/a。

d.農(nóng)灌用水量。盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水主要為農(nóng)田灌溉用水，2007年官莊鎮(zhèn)當(dāng)年實(shí)灌面積為676.2 hm2，許家臺鄉(xiāng)當(dāng)年實(shí)灌面積為153.3 hm2，平均灌水定額按4200 m3/hm2計(jì)，灌溉用水量為348.4萬 m3/a。

綜上所述，盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)工業(yè)、居民、農(nóng)灌、旅游等使用地下水的水量為627.7萬m3/a。地下水年均補(bǔ)給量為1111.0萬m3/a，現(xiàn)狀開采地下水量占地下年均補(bǔ)給量的56.6%，區(qū)域水平衡見圖2。

5.2 地下水利用問題分析

圖2 區(qū)域水平衡(單位:萬m3)

盤山地區(qū)降水量年際變化大，年降水量大于200 mm的保證率為100%，大于400mm的保證率為96%，大于600 mm的保證率為60%，大于800 mm的保證率為25%。則盤山地區(qū)年補(bǔ)給量能達(dá)到1111.0 m3的保證率僅為60%左右。盤山地下水補(bǔ)給周期長，由于開采量逐年加大和降水量分布不均，盤山地區(qū)出現(xiàn)了地下水水位下降、水景消失的現(xiàn)象。

目前盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)不分用水水質(zhì)要求、一概使用地下水的做法，如高水質(zhì)的地下水被用作低水質(zhì)要求的農(nóng)灌等，造成優(yōu)質(zhì)地下水資源的浪費(fèi)，尤其是深層地下水的補(bǔ)給需要相當(dāng)漫長的時間。農(nóng)灌用水占總用水量的55.5%，普遍采取大水浸灌的澆灌方式，地下水資源的有效利用率不足50%[13]。

該地區(qū)農(nóng)業(yè)不僅用水量大，大量施用氮肥污染地下水質(zhì)，以食品加工企業(yè)為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)廢水直接排入溝渠或沙坑，對地下水水質(zhì)構(gòu)成較大威脅，區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)、、Cl－、、等組分均有不同程度的增高[14]。而盤山被稱為礦泉水田，其水質(zhì)是雙項(xiàng)達(dá)標(biāo)的優(yōu)質(zhì)飲用天然礦泉水，作為寶貴的地下礦產(chǎn)資源，應(yīng)該根據(jù)市場的需求進(jìn)行有指導(dǎo)的統(tǒng)一規(guī)劃開發(fā)。

6 結(jié)語

盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)地下水為優(yōu)質(zhì)礦泉水，面臨水量和水質(zhì)的雙重威脅。地下水年均補(bǔ)給為1111.0 m3的保證率為60%左右，入滲系數(shù)為0.2，年均開采量占年均補(bǔ)給量的56.6%，農(nóng)業(yè)灌溉占水資源利用量的55.5%，大量開采導(dǎo)致地下水水位下降、景區(qū)內(nèi)水景枯竭。對水質(zhì)的污染主要來自農(nóng)業(yè)氮肥施用導(dǎo)致的三氮面源污染和以食品加工業(yè)為主的點(diǎn)源污染。

因此，盤山風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)的水資源保護(hù)對策為:涵養(yǎng)水源，加強(qiáng)對雨季強(qiáng)降水的節(jié)流，增加地下水資源補(bǔ)給量;發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)和觀光農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)用水效率，降低農(nóng)業(yè)用水量，減少農(nóng)業(yè)面源污染;對區(qū)域內(nèi)的食品加工企業(yè)廢水集中治理后排放。

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