基于SEBAL模型的不同覆被條件下區(qū)域蒸散發(fā)研究

安樂生，朱　磊，劉　春

(1.安慶師范大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，安徽 安慶 246133；2.安徽省地礦局326地質(zhì)隊，安徽 安慶 246003)

?

基于SEBAL模型的不同覆被條件下區(qū)域蒸散發(fā)研究

安樂生1，朱磊1，劉春2

(1.安慶師范大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，安徽 安慶 246133；2.安徽省地礦局326地質(zhì)隊，安徽 安慶 246003)

應(yīng)用遙感技術(shù)定量估算區(qū)域蒸散發(fā)較之傳統(tǒng)方法具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)適用性。基于地表能量平衡原理的SEBAL模型和TM影像數(shù)據(jù)，結(jié)合黃河三角洲具體的土地利用方式和覆被類型，反演計算該地區(qū)不同時段的日蒸散發(fā)，追蹤分析蒸發(fā)水分的來源。結(jié)果顯示：4、6月區(qū)域蒸散發(fā)均值分別為2.99、4.74 mm。區(qū)內(nèi)地表覆被情況顯著影響地面蒸散發(fā)，進(jìn)而影響潛水蒸散。8-9月份的蘆葦濕地內(nèi)，裸地潛水蒸發(fā)系數(shù)均小于1，蘆葦?shù)貪撍舭l(fā)系數(shù)一般大于1，在地下水埋深為5 cm時，蘆葦?shù)貪撍舭l(fā)量約為裸地的3倍。黃河三角洲地區(qū)潛水常年作為重要水源支持植被的生長發(fā)育，該地區(qū)開發(fā)建設(shè)應(yīng)特別重視潛水與植被之間的相互作用關(guān)系與反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，積極采取有效的人為調(diào)控和管理措施。

蒸散發(fā)；潛水蒸發(fā)；遙感估算；SEBAL模型；黃河三角洲

蒸散發(fā)是地表水熱平衡的重要參量，是農(nóng)作物生長狀況和產(chǎn)量的重要指標(biāo)[1]。估算區(qū)域蒸散發(fā)的方法有兩類，一類是以水文學(xué)和氣象學(xué)為主，如水量平衡原理、SPAC理論、參考作物騰發(fā)量等方法；另一類是以遙感技術(shù)為主，如統(tǒng)計經(jīng)驗法、數(shù)值模型、全遙感信息模型等方法[2]。與傳統(tǒng)的蒸散發(fā)計算方法相比，遙感技術(shù)經(jīng)濟(jì)、適用、有效，在非均勻下墊面的區(qū)域蒸散發(fā)監(jiān)測上具有明顯的優(yōu)越性，相關(guān)研究也十分常見。郭玉川等利用SEBAL模型和MODIS數(shù)據(jù)對新疆焉耆盆地的日蒸散發(fā)與月蒸散發(fā)情況進(jìn)行了計算模擬，獲取了相關(guān)地面特征參數(shù)[3]。李寶富等運(yùn)用遙感資料與SEBAL模型估算了塔里木河干流區(qū)蒸散發(fā)，顯示各土地利用/覆被類型蒸散發(fā)量大小主要與其植被覆蓋度和水分供給條件有關(guān)，而日總蒸散發(fā)量大小與各土地利用/覆被類型面積密切相關(guān)[4]。

黃河三角洲地區(qū)日照較長，空氣干燥，年蒸發(fā)量大于年降水量，年均蒸發(fā)量為1 860.9 mm，是降水量的3.5倍。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，而濕地生態(tài)尤為敏感。本研究在反演黃河三角洲蒸散發(fā)的基礎(chǔ)上，考慮這一地區(qū)地下水位埋深很淺，進(jìn)一步追蹤分析地表蒸發(fā)水分的來源，以期為該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、水資源合理利用和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

黃河三角洲位于渤海灣南岸和萊州灣西岸，主要分布于山東省東營市和濱州市境內(nèi)，由古黃河三角洲和現(xiàn)代黃河三角洲兩部分組成?，F(xiàn)代黃河三角洲是指1855年黃河改道入渤海后淤積形成的，以寧海為頂點，東起淄脈溝，西至徒駭河，向海伸展到16 m等深線附近的扇形堆積體。本研究東、北以海岸線為界，西、南延伸至北部自然保護(hù)區(qū)西端和東部自然保護(hù)區(qū)的南端(118°34′-119°15′E，37°36′-38°09′N)，總面積約2 719.8 km2，其中1855年以后的現(xiàn)代黃河三角洲占86.5%[5]，見圖1。研究區(qū)屬小清河以北黃泛平原區(qū)，地勢低平，海拔高度低于15 m，地面坡降為1/8 000-1/12 000。該區(qū)地下水位埋深普遍較淺，一般為0.5-2.0 m，崗地與河灘高地較深，坡地次之，洼地與濱海低地最淺(大部分小于1.0 m)[6]。

圖1研究區(qū)地理位置

1.2研究方法

利用2008年4月14日和2009年6月4日兩期LANDSAT TM影像資料與SEBAL模型[7]估算研究區(qū)不同時間的地表蒸散發(fā)。SEBAL模型蒸發(fā)面的能量平衡計算式為

λET=Rn-G-H

(1)

式中，λET為潛熱通量，W·m-2；λ為潛熱蒸發(fā)系數(shù)，通常取2.49×106W·m-2·mm-1；ET是蒸散發(fā)，W·m-2；Rn為地面凈輻射通量，W·m-2；G為土壤熱通量，W·m-2；H為顯熱通量，W·m-2。

凈輻射通量(Rn)為地表向下長、短波輻射與向上長、短波輻射的差值，其表達(dá)式為Rn=Qin(1-α)+(Sin-Sout)-(1-ε)Sin

(2)

式中，Qin為入射到地表的太陽短波輻射，W·m-2；α為地表反照率，無量綱；Sin、Sout分別為太陽入射、地表反射的長波輻射，W·m-2；ε為地表比輻射率，無量綱。

(3)

顯熱通量表達(dá)式為

(4)

式中，ρ為空氣密度，kg·m-3；Cp為空氣定壓比熱容，J·kg-1·K-1；ΔT為距離地面高度h1和h2處的溫度差(h1和h2通常分別取0.1m和2.0m)，K；ra為熱量傳輸?shù)目諝鈩恿W(xué)阻抗，s·m-1。

以上各式計算的均是瞬時通量，需要借助蒸發(fā)比[Λ，潛熱通量λET與可利用能量(Rn- G)之比]轉(zhuǎn)換為日通量[8]。蒸發(fā)比及顯熱通量計算式分別如下

(5)

(6)

式中，ET24為日蒸散量，mm；Rn24為日平均凈輻射通量，W·m-2；G24為日平均土壤熱通量，W·m-2。

2　結(jié)果與討論

2.1不同土地利用/覆被類型的地表日蒸散量

潛水蒸發(fā)并不是實際意義上的蒸散發(fā)，而是在蒸發(fā)(土壤蒸發(fā)、植物騰發(fā))的條件下由地下水通過毛細(xì)管上升作用向包氣帶輸送水分的過程。黃河三角洲地區(qū)蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，因此地表蒸散需水除消耗包氣帶水分外，有相當(dāng)一部分來自于埋深較淺的潛水。這同時也表明，區(qū)域地表總蒸散量在一定程度上能夠反映不同土地利用與覆被類型下的潛水蒸散強(qiáng)弱。

圖2是運(yùn)用遙感資料與SEBAL模型估算的2008年4月14日和2009年6月4日區(qū)域蒸散量。4月14日和6月4日研究區(qū)蒸散發(fā)分別介于0.04-5.26mm、0.13-7.31mm之間，平均值分別為2.99、4.74mm。區(qū)域蒸散發(fā)最大值出現(xiàn)在水體，而最小值則出現(xiàn)在居民點或工礦用地。

通過對不同土地利用/覆被類型日蒸散量的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(圖3)，4月14日區(qū)內(nèi)水體(不包括黃河水，黃河水因含沙量高日蒸散量略小，約為3.35-3.88 mm)、灘涂、葦草地、耕地的日蒸散量均值依次為4.88、3.50、2.76、2.19 mm，而6月4日4者日蒸散量均值分別為6.23(黃河水約為5.15-5.36 mm)、5.19、5.63、3.67 mm。6月4日較4月14日相比，區(qū)內(nèi)日蒸散量明顯增大，這主要與氣溫升高有關(guān)(4月14日和6月4日的氣溫分別為13-22℃和21-34℃)；葦草地日蒸散發(fā)增幅顯著高于耕地，這是因為該地區(qū)6月份蘆葦正值生長旺盛季節(jié)，葦草地蒸發(fā)蒸騰耗水量大，而耕地作物冬小麥已進(jìn)入成熟收割階段，其蒸散耗水量小。

由圖3可以看出，地表覆被情況顯著影響地面蒸散發(fā)。在黃河三角洲地區(qū)，無植被覆蓋的灘涂或裸地地表蒸散量較大，在降水有限的情況下，包氣帶水不足以支撐長時間的高強(qiáng)度蒸散，必須通過潛水蒸發(fā)來維持蒸散平衡。而有植被土壤的地表蒸散發(fā)受植物類型及其生長狀況顯著影響，在天然植被或作物生長發(fā)育的關(guān)鍵時期，其日蒸散發(fā)量接近或甚至高于灘涂，在降水及灌溉有限的條件下，也必然依賴于潛水蒸發(fā)來維持相關(guān)平衡。

圖3　不同土地利用/覆被類型蒸散發(fā)

2.2植被因素對潛水蒸發(fā)的影響

潛水蒸發(fā)是多種因素共同作用的結(jié)果，有無植被、植被具體類型及其生長狀況等均不同程度地影響潛水蒸發(fā)。本研究因時間關(guān)系未對黃河三角洲地區(qū)不同植被條件下的潛水蒸發(fā)進(jìn)行試驗觀測，但可以結(jié)合相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和研究成果來分析植被因素對潛水蒸發(fā)的影響。張穎等[9]在遼河口蘆葦濕地區(qū)開展了潛水蒸發(fā)試驗(2009年8月9日-10月1日，歷時54 d)，得出了不同埋深下的潛水蒸發(fā)系數(shù)(C)，見表1。由于遼河口與黃河口區(qū)位相近，在植被發(fā)育等方面存在很多相似性，可根據(jù)研究區(qū)內(nèi)墾利縣氣象站多年(1986-2002年)月平均水面蒸發(fā)量(E0)的實測數(shù)據(jù)及表1中的相關(guān)經(jīng)驗系數(shù)估算黃河三角洲8-9月份裸地與蘆葦?shù)氐臐撍舭l(fā)量(Eg)，其結(jié)果見表2。

表1　不同地下水埋深的潛水蒸發(fā)系數(shù)

表2　不同地下水埋深下裸地和蘆葦?shù)?8-9月)的潛水蒸發(fā)比較

由表1和表2可知，在同一類型的試驗地內(nèi)，潛水蒸發(fā)系數(shù)隨潛水埋深的增加而減小。8-9月份的蘆葦濕地內(nèi)，裸地潛水蒸發(fā)系數(shù)均小于1，蘆葦?shù)貪撍舭l(fā)系數(shù)一般大于1，在地下水埋深為5 cm時，蘆葦?shù)貪撍舭l(fā)量約為裸地的3倍。黃河三角洲地區(qū)蘆葦生長季為4-10月，在其生長期初期(4月)出現(xiàn)高速增長，之后這種高速增長趨于平緩，并在8月中旬種群生長達(dá)到最大高度、在9月中旬出現(xiàn)地上凈生產(chǎn)量的極大值。在蘆葦生長的一個完整生命周期內(nèi)，不同地下水埋深條件下，裸地與蘆葦?shù)氐臐撍舭l(fā)系數(shù)及二者潛水蒸發(fā)量間的大小關(guān)系還有待于進(jìn)一步深入研究。

通常，在植物處于生長期時，植被生長條件下的潛水蒸發(fā)會大于裸地的潛水蒸發(fā)，且這種現(xiàn)象隨地下水埋深的增加及包氣帶土層顆粒的增大而愈加明顯(一般沙土最為明顯，粉土次之，而粘土最弱，這主要是由于包氣帶巖性差別會造成毛管作用力大小不同)。當(dāng)植物處于非生長期時，植被生長條件下的潛水蒸發(fā)并不總是大于潛水蒸發(fā)[10]。劉路廣等在豫東水利工程管理局惠北水利科學(xué)試驗站(惠北試驗站)進(jìn)行相關(guān)觀測發(fā)現(xiàn)，在地下水埋深為0.45 m時，輕壤土有作物在3-9月份潛水蒸發(fā)大于裸地，而沙壤土有作物在3-5月份潛水蒸發(fā)大于裸地；當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.95 m時，輕壤土有作物只有3-5月份潛水蒸發(fā)大于裸地，而沙壤土有作物潛水蒸發(fā)基本上小于裸地；當(dāng)?shù)叵滤裆钸_(dá)到2.95 m時，由于有無植被情形下毛管作用力的顯著差異，上述兩種性質(zhì)的土壤有作物時潛水蒸發(fā)均大于裸地[11]。因黃河三角洲內(nèi)陸地區(qū)與惠北試驗站在引黃灌溉、土壤質(zhì)地(輕壤土、沙壤土)、作物種植類型(冬小麥、夏玉米)等方面具有很多的共性，惠北試驗站所獲得的相關(guān)觀測數(shù)據(jù)及其研究成果對了解黃河三角洲地區(qū)裸地與作物生長下的潛水蒸發(fā)有一定的參考價值。

研究區(qū)地下水常年作為重要水源支持植被的生長發(fā)育，同時破壞地表植被勢必加劇蒸發(fā)與濃縮，產(chǎn)生土壤次生鹽漬化。因此，該區(qū)域植被與潛水之間存在極為密切的作用與反作用關(guān)系。研究區(qū)作為黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心區(qū)，在其開發(fā)過程中首先應(yīng)明白一個基本事實，即在自然狀態(tài)下，海水入侵頂托和地表蒸發(fā)濃縮會導(dǎo)致潛水鹽分不斷上升，土壤積鹽將愈加嚴(yán)重[5]。因此，該地區(qū)開發(fā)建設(shè)應(yīng)特別重視潛水與植被之間的相互作用關(guān)系與反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，積極采取有效的人為調(diào)控和管理措施。應(yīng)繼續(xù)加大黃河下游調(diào)水調(diào)沙的力度，充分發(fā)揮生態(tài)調(diào)度的“壓咸補(bǔ)淡”作用，以防止地表蒸散發(fā)引起潛水過度蒸發(fā)導(dǎo)致土壤鹽漬化加重。

3　結(jié)　　論

(1) 地表日蒸散發(fā)量的反演顯示黃河三角洲地區(qū)4、6月區(qū)域蒸散發(fā)均值分別約為2.99、4.74 mm。區(qū)內(nèi)地表蒸散強(qiáng)烈，且地表覆被情況顯著影響地面蒸散發(fā)，進(jìn)而影響潛水蒸散。

(2) 區(qū)內(nèi)潛水蒸發(fā)系數(shù)隨潛水埋深的增加而減小。8-9月份的蘆葦濕地內(nèi)，裸地潛水蒸發(fā)系數(shù)均小于1，蘆葦?shù)貪撍舭l(fā)系數(shù)一般大于1，在地下水埋深為5 cm時，蘆葦?shù)貪撍舭l(fā)量約為裸地的3倍。

(3) 黃河三角洲地區(qū)地下水常年作為重要水源支持植被的生長發(fā)育，該區(qū)域植被與潛水之間有極為密切的作用與反作用關(guān)系。因此，該地區(qū)開發(fā)建設(shè)應(yīng)特別重視潛水與植被之間的相互作用關(guān)系與反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，積極采取有效的人為調(diào)控和管理措施。

[1] 張榮華,杜君平,孫睿. 區(qū)域蒸散發(fā)遙感估算方法及驗證綜述[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2012, 27(12): 1295-1307.

[2] 武夏寧,胡鐵松,王修貴,等. 區(qū)域蒸散發(fā)估算測定方法綜述[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2006, 22(10): 257-262.

[3] 郭玉川,何英,董新光. 基于MODIS數(shù)據(jù)的區(qū)域蒸散發(fā)估算研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2008, 33(1): 44-47.

[4] 李寶富,陳亞寧,李衛(wèi)紅,等. 基于遙感和SEBAL模型的塔里木河干流區(qū)蒸散發(fā)估算[J]. 地理學(xué)報, 2011, 66(9): 1230-1238.

[5] 安樂生,趙全升,葉思源,等. 黃河三角洲地下水關(guān)鍵水鹽因子及其植被效應(yīng)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2011, 22(5): 689-695.

[6] 高茂生,葉思源,史貴均,等. 潮汐作用下的濱海濕地淺層地下水動態(tài)變化[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2010, 37(4): 24-27.

[7] Bastiaanssen W G, Molden D J, Makin I W. Remote sensing for irrigated agriculture: Examples from research and possible applications[J]. Agricultural Water Management, 2000, 46(2): 137-155.

[8] Wu C D, Cheng C C, Lo H C, et al. Application of SEBAL and Markov models for future stream flow simulation through remote sensing[J]. Water Resources Management, 2010, 24(14): 3773-3797.

[9] 張穎,鄭西來,伍成成,等. 遼河口蘆葦濕地區(qū)潛水蒸發(fā)試驗[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報, 2011, 28(4): 569-575.

[10] 胡順軍,田長彥,宋郁東,等. 裸地與潛水生長條件下的潛水蒸發(fā)模型[J]. 科學(xué)通報, 2006, 51(Z1): 36-41.

[11] 劉路廣,崔遠(yuǎn)來,馮躍華. 引黃灌區(qū)潛水蒸發(fā)規(guī)律與計算方法研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2011, 30(3): 18-22.

Research on Regional Evapotranspiration Based on SEBAL Model of Different Vegetation Cover

AN Le-sheng1, ZHU Lei1, LIU Chun2

(1.Environmental Science College, Anqing Normal University, Anqing, Anhui 246133, China;2.No.326 Geological Team, Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Anqing, Anhui 246003, China)

Compared with the traditional method, the quantitative estimation of regional evapotranspiration by remote sensing technology has good economic applicability. Based on the SEBAL model and TM image data, combined with the specific land use and vegetation types in the Yellow River Delta, the daily evapotranspiration of different time periods in this area was calculated by the inversion and the source of the water evaporation was analyzed. The following results were obtained: average regional evaporations of April and June are 2.99 and 4.74 mm, respectively. Regional vegetation coverage significantly affects the surface evaporation, and then affects the phreatic water evaporation. In reed wetland from August to September, bare land phreatic water evaporation coefficient was less than 1, but reed phreatic water evaporation coefficient was generally greater than 1. Groundwater is buried deeply 5 cm, reed phreatic water evaporation was about three times as many bare land. Most of the time phreatic water as an important water source supports the growth and development of vegetation in the Yellow River Delta. The area development and construction should pay special attention to the interaction relationship and feedback regulation mechanism between phreatic water and vegetation.

evapotranspiration; phreatic water evaporation; remote sensing estimation; SEBAL model; the Yellow River Delta

2016-01-03

安徽省高校自然科學(xué)研究一般項目(AQKJ2014B022)和安徽省公益性技術(shù)應(yīng)用聯(lián)動研究計劃項目(1501ld04051)。

安樂生，男，安徽桐城人，博士，安慶師范大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院副教授，研究方向為水土環(huán)境系統(tǒng)模擬。E-mail: als00316@163.com

時間：2016-8-17 11:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160817.1131.025.html

S156.4

A

1007-4260(2016)03-0097-05

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.03.025