河北省地下水壓采工程區(qū)坑塘水體動態(tài)變化分析

趙 浩，張瑞芳，齊永青，周大邁

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071001；2. 國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000；3. 河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000；4. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，石家莊 050021)

在北方的華北平原一帶，淡水資源嚴(yán)重匱乏，人均水資源量僅為300 m3。人們長期以來靠開采地下水維持日常的運轉(zhuǎn)，而且水資源利用率低，存在很多浪費現(xiàn)象，導(dǎo)致深層地下水的開采量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自然所能補給的能力，造成華北地區(qū)地下水位大幅下降，并形成巨大的地下水漏斗[1,2]。而坑塘作為重要的內(nèi)陸水體，不僅對社會經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要，而且也是維持區(qū)域生態(tài)平衡與安全的必要條件[3]。因此地表的坑塘水域資源的功能性日益顯著，尤其是其對農(nóng)業(yè)灌溉的積極影響，地表坑塘可以在豐水期存儲部分水資源，到了枯水期，人們可以利用其中儲存的水資源進(jìn)行灌溉。所以如何提高坑塘水資源的利用效率，完善坑塘周圍水域配套水利工程措施成為當(dāng)下熱門話題。

一般情況下，將坑塘定義為人工開挖或天然形成的蓄水量小于10 萬m3的土地。劉乙玄等[4]歸納總結(jié)了坑塘在生態(tài)系統(tǒng)中的功能以及研究現(xiàn)狀并提出了對坑塘生態(tài)功能的展望。王艷穎等[5]就3次降雨徑流后坑塘濕地對生源要素氮的凈化效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明坑塘還能對湖泊水體的富營養(yǎng)化緩解發(fā)揮明顯的作用。由此可見，坑塘對生態(tài)環(huán)境的調(diào)節(jié)有著巨大作用。宋求明等[6]基于MODIS遙感影像用歸一化植被指數(shù)(NDVI)閾值法提取了洞庭湖水面的面積，但是MODIS數(shù)據(jù)在提取較小水體時其250 m的分辨率略顯不足。Charles Verpoorter[7,8]基于Landsat 7 ETM+數(shù)據(jù)開發(fā)了一種GWEM的水體提取算法，并建立了全球尺度的湖泊數(shù)據(jù)庫。羅玲等[9]基于Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過監(jiān)督分類和歸一化水體指數(shù)(NDWI)方法提取了湖泊和水庫/坑塘的信息并系統(tǒng)分析了松嫩平原西部湖泊和水庫/坑塘蓄水面積的時空動態(tài)變化?？梢奓andsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)在提取水體上具有優(yōu)勢。在嚴(yán)重依賴開采地下水的華北平原，坑塘作為一種非常規(guī)水體，有著很重要的調(diào)蓄作用。目前華北地區(qū)地下水限制開采的背景下，有必要較系統(tǒng)的分析和統(tǒng)計坑塘的分布和動態(tài)變化情況，使坑塘充分發(fā)揮調(diào)蓄作用和相應(yīng)的灌溉能力。

本文基于Landsat系列衛(wèi)星的TM/ETM+/OLI遙感影像，對2000-2014年間夏季的河北省地下水壓采工程區(qū)的坑塘水體進(jìn)行了提取，并查明了地表坑塘有關(guān)數(shù)據(jù)，估算了其蓄水能力，分析了坑塘作為灌溉水源的保障能力波動情況，對此地區(qū)的水資源保護(hù)和農(nóng)業(yè)灌溉提供有力的科學(xué)支持。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究概況

本文研究區(qū)為河北省地下水壓采工程區(qū)項目分區(qū)，所在位置位于河北省東部環(huán)渤海低平原區(qū)，即渤海西部海拔低于60 m的低平原區(qū)，屬于黃淮海平原的一部分，主要包括滄州、衡水、邢臺、邯鄲、保定、廊坊等市的44個縣市，經(jīng)度范圍大致為114°35′E ～117°52′E，緯度范圍大致為36°8′N ～39°24′N，全區(qū)面積約1.964 萬km2。本地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬春寒冷干燥，夏季炎熱多雨。多年平均氣溫 10.0～14.2 ℃，平均年降水量400～500 mm，降水時空分布不均，主要集中在夏季 6-8月，春季和秋冬季較為干旱，年均蒸發(fā)量900～1 400 mm，干燥度1.5左右[10,11]。研究區(qū)基本處在海河流域內(nèi)，區(qū)內(nèi)主要河流有大清河、子牙河、滏陽河，主要水庫、湖泊有白洋淀、衡水湖、大浪淀等(見圖1)。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 The scope of study area

1.2 數(shù)據(jù)資料的獲取

在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn/)上獲取2000年landsat-5 TM衛(wèi)星影像、 2007年landsat-7 ETM+衛(wèi)星影像(首先進(jìn)行去條帶處理)和2014年的Landsat-8 OLI衛(wèi)星影像。為了不影響水體提取結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)所有的影像的云量均小于5%。

氣象資料由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)提供。為2000-2013年間七八月份研究區(qū)范圍內(nèi)20個氣象臺站的月值氣象資料，包括平均氣溫和累月降水量。

2 研究方法

和其他水體，如湖泊或者河流的不同之處在于，坑塘水面較小，而且形狀不規(guī)則，其與周圍植被和潮濕的土壤緊密相連容易混淆，所以提取水體時需要極為精細(xì)。Landsat衛(wèi)星具有長期數(shù)據(jù)積累的優(yōu)勢,方便進(jìn)行多年的動態(tài)監(jiān)測，同時Landsat TM/ETM+/OLI傳感器都包含植被和土壤等背景因素且能夠很好地區(qū)分出來，如反映水體信息的短波紅外波段(0.85～1.7 μm)。因此，本研究中選用Landsat衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，并對下載的多幅圖像進(jìn)行篩選對比，選取了圖像質(zhì)量相對較好的幾景圖像。

利用ENVI 5.1軟件對下載的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正，再進(jìn)行拼接、裁剪等預(yù)處理。然后通過公式推算和4、3、2波段標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成圖像、歸一化水體指數(shù)(NDWI)與改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)提取水體的效果進(jìn)行比較(見圖2)，確定最適合在本研究中提取坑塘水體的方法，即福州大學(xué)徐涵秋的改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)方法[12-15]。

歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)、改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)的計算公式如下：

(1)

圖2 MNDWI、NDWI與RGB(近紅、中紅和藍(lán)波段)組合對比(從左到右依次排列)0值代表水體Fig.2 Comparison of MNDWI, NDWI and combination of red, green and blue (Near infrared, mid infrared and blue band) 0 value represents water

(2)

式中：BMIR為中紅外波段；BNIR為近紅外波段；BGreen為綠光波段。

MNDWI原理是利用土壤的反射率從近紅外波段到中紅外波段(0.76～1.75 μm)驟然轉(zhuǎn)強，而水體在該波長范圍內(nèi)的反射率降低的規(guī)律，采用中紅外波段替換近紅外波段。相較于NDWI得出的水體指數(shù)將會增大，可以較精確地區(qū)分出細(xì)小水體和土壤地物。從而得出結(jié)論：MNDWI對細(xì)小水體或淺水體的反應(yīng)程度比NDWI強。

然后在ArcGIS平臺中進(jìn)行二值化處理，把背景和水體區(qū)分出來。最后去除單個像元，即面積在900 m2以下的，對坑塘蓄水的研究沒有太大意義的小坑塘。此外，在遙感圖像中也提取出一些線狀水體如河流、溝渠等。由于河道中的水是流動的，沒有蓄水能力，所以本研究不將其作為研究對象。研究區(qū)西部，黃驊、海興存在部分近海及海岸濕地，由于土地表面鹽漬化嚴(yán)重，且土壤水溶性鹽含量較高，因此其地表坑塘水資源并不能適于農(nóng)業(yè)灌溉[16,17]，因此提取出的水體不計算在坑塘面積之內(nèi)。此外，面積較大的湖泊、水庫，如白洋淀、衡水湖等水體也不再研究范圍之內(nèi)。提取坑塘水體的過程中為避免出現(xiàn)較大誤差，在ArcGIS 平臺下結(jié)合遙感影像和Google Earth采用目視解譯的方法，對水體信息進(jìn)行佐證。最后將研究區(qū)范圍裁剪出來，得出研究區(qū)內(nèi)的坑塘水體圖(見圖3)。

圖3 2000、2007、2014年夏季河北省地下水壓采工程區(qū)坑塘分布情況Fig.3 Distribution of pit-ponds in 2000, 2007, 2014 in groundwater restricted exploitation area in Hebei province

3 結(jié)果與分析

(1)坑塘分布情況。從圖3可以看出從坑塘的提取結(jié)果圖可以看出，研究區(qū)范圍內(nèi)坑塘分布呈北多南少、東多西少的格局。滄州市、廊坊市、衡水市境內(nèi)坑塘分布最密集，這與區(qū)域氣候、地理條件有著很大關(guān)系。滄州環(huán)渤海地區(qū)屬于暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，較之研究區(qū)西部的大陸性季風(fēng)氣候，氣候比較濕潤，降水條件較好。研究區(qū)北部小白河、大清河、中亭河、子牙河、等流經(jīng)此區(qū)域，從而地表水資源較為豐富，使得大部分坑塘蓄水充足。

(2)坑塘數(shù)量、面積變化情況。河北省地下水壓采工程區(qū)內(nèi)2000年的坑塘數(shù)量最多，為13937個；到了2007年坑塘數(shù)量驟降，減少到9 313個，萎縮現(xiàn)象明顯；2014年坑塘數(shù)量減少到8 423個，變化不顯著。坑塘蓄水面積在2000年最大，達(dá)到12 644.1 hm2，在2000-2007年間坑塘蓄水總面積呈現(xiàn)下降趨勢，減少到9 349.0 hm2。而到2014年坑塘面積縮減到4 835.2 hm2，萎縮現(xiàn)象明顯。2000、2007和2014年坑塘數(shù)量和面積呈明顯下降趨勢，就坑塘數(shù)量來說2000-2007年減少明顯，減少了4 624個，而從2007-2014年的7 a間坑塘個數(shù)減少了890個。就坑塘的水域面積來說，2014年的坑塘總面積不足2000年的40%。盡管2007-2014年間坑塘數(shù)量減少不明顯，但是坑塘蓄水總面積明顯減少。這與區(qū)域氣候條件及人類開發(fā)與利用活動密切相關(guān)[18](見表1)。

表1 坑塘個數(shù)及面積統(tǒng)計Tab.1 Statistics of pit-ponds number and area

(3)不同面積等級坑塘變化分析。根據(jù)研究區(qū)坑塘特點，將坑塘按蓄水面積分為3個等級：一級(<0.5 hm2)、二級(0.5～1 hm2)、三級(>1 hm2)。根據(jù)圖4可以看出河北省地下水壓采工程區(qū)的坑塘數(shù)量以面積小于0.5 hm2的居多，面積在0.5～1 hm2之間的坑塘和面積大于1 hm2的坑塘數(shù)量相差不大?？傮w來說，從2000-2014年不同等級的坑塘數(shù)量均呈下降趨勢。其中2000-2014年間小于0.5 hm2的一級坑塘數(shù)量分別為8 847、4 525、6 604個呈先減少后增加的趨勢。2000-2007年坑塘數(shù)量減少4 525個，減少約50%，而從2007-2014年間坑塘數(shù)量增加了2 079個。面積在0.5～1.0 hm2的坑塘在2000-2007年間數(shù)量小幅增加了200個左右，在2007-2014年間面積減少一半。面積大于1 hm2的坑塘個數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，在2000-2007年間數(shù)量小幅減少了500個左右，在2007-2014年間則銳減了近一半。對于較小的一級坑塘，它們受降水等氣候條件影響較大，當(dāng)某一年份夏季降水量少的情況下，小坑塘內(nèi)的水體伴隨著較大的蒸發(fā)量其水域面積會大幅縮減甚至干涸。

圖4 不同面積等級的坑塘數(shù)量變化統(tǒng)計Fig.4 Capacity of pit-ponds water storage during 2000 to 2014

(4)估算坑塘的蓄水量。圖5是經(jīng)過對南皮縣坑塘實測面積和蓄水量得到的二者之間的線性回歸關(guān)系。

圖5 坑塘面積與蓄水量的關(guān)系Fig.5 Relationship between area and water storage

根據(jù)這個關(guān)系可以提取出公式(3)：

Y=4.03x+0.18

(3)

估算出河北省地下水壓采工程區(qū)內(nèi)坑塘的蓄水量見表2。

表2 2000-2014年坑塘蓄水能力Tab.2 Capacity of pit-ponds water storage during 2000 to 2014

由于坑塘蓄水量是由坑塘蓄水面積根據(jù)蓄水公式估算出來的，所以坑塘蓄水量與坑塘蓄水面積呈正相關(guān)。在2000-2014年的15 a間也是坑塘的蓄水能力也呈逐年減少的趨勢，尤其以2007-2014年間蓄水能力減少的較為迅速。

4 結(jié) 語

河北省地下水壓采工程區(qū)內(nèi)的坑塘作為一種非常規(guī)水體，其季節(jié)性差異非常明顯，它可以通過收集利用汛期的水資源用來排澇和灌溉實現(xiàn)其調(diào)蓄作用。研究區(qū)在8月份正處于一年之中降水最多的時期，并且空氣濕度大，坑塘基本可以儲滿水。到了秋季，研究區(qū)內(nèi)的玉米作物收獲，轉(zhuǎn)而種植冬小麥的時期，可以盡可能多的利用坑塘夏季儲存的水來灌溉，這樣不僅充分利用坑塘的蓄水能力，同時還可以減少區(qū)內(nèi)地下水的開采，如果對查明的坑塘周圍建立配套的工程措施，對緩解河北省的淡水資源短缺有重大意義。本文在河北平原地下水壓采工程區(qū)，以Landsat數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)源，利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)方法，提取了2000、2007和2014年的坑塘水體信息。

(1)通過對比NDWI、MNDWI和標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成3種方法在提取水體時的精度，認(rèn)為改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)在提取坑塘這種面積較小、與周圍差異不明顯的細(xì)小水體時較為準(zhǔn)確。

(2)河北省地下水壓采工程區(qū)內(nèi)坑塘主要分布在西部、北部；坑塘的面積和個數(shù)呈現(xiàn)明顯減少的趨勢；坑塘個數(shù)由2000年的13 937個減少到2014年的8 423個；坑塘面積由2000年的12 644.1 hm2減少到2014年的4 835.2 hm2；較之坑塘個數(shù)，坑塘面積萎縮更為嚴(yán)重。

(3)通過實測估算出的坑塘蓄水量對冬小麥的澆灌和減少地下水的開采都有意義。隨著坑塘灌溉保障作用進(jìn)一步增強，它將能成為華北平原農(nóng)村糧食增產(chǎn)和人居環(huán)境改善的重要手段。

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