莆田市木蘭溪流域有效降水量與可利用降水資源分布研究*

廖 廓 吳作航 李欣欣 孫蔡亮

(1.福建省海峽氣象科學研究所，福建 福州 350001；2.福建省氣候中心，福建 福州 350001；3.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100)

水資源是人類賴以生存的自然資源，也是國家十分重視的戰(zhàn)略資源[1]。河流是地球水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，對河流流域的研究不僅可以增強對水資源變化與利用的有效認識，同時對于當?shù)剞r業(yè)以及社會發(fā)展也具有重要意義。木蘭溪是福建八大河流之一，橫貫莆田市中、南部，流域面積廣，其重要程度不言而喻。因此，亟需了解木蘭溪流域近年來水體面積變化、有效降水量以及可利用降水量的情況。

遙感技術具有快速、宏觀、范圍廣等優(yōu)勢，十分適合進行水體面積變化的監(jiān)測。研究者們常用的遙感數(shù)據(jù)源有Landsat、MODIS、高分衛(wèi)星、高分一號寬幅數(shù)據(jù)、極軌衛(wèi)星NOAA/AVHRR以及FY-1號衛(wèi)星等[2-6]。研究方法亦多種多樣，有結合遙感數(shù)據(jù)水文數(shù)據(jù)土地利用數(shù)據(jù)使用突變檢測法進行研究[7]，也有使用WI1水體指數(shù)[8]、基于決策樹分類的方法進行研究[9]，亦有學者通過對比多種分析方法，得出了改進的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI對水體提取精度較高的結論[10-11]。針對有效降水量，主流方法有使用逐日降水資料[12-14]、土壤濕度數(shù)據(jù)[15-16]或使用多模塊方法[17]，通過反演獲得有效降水量的估算模型，探索作物有效降水量的時空分布特性。

可利用降水資源是大氣降水資源中可被人們實際利用的降水資源，受到了許多研究者的關注。多年來，研究者們利用多年降水數(shù)據(jù)，對諸多地區(qū)進行了較為成功的研究[18-22]，主要采用的方法有高橋浩一郎公式[23-24]、皮爾遜-Ⅲ型曲線[25]、EOF分解和趨勢分析[26]和灰色拓撲預測方法[27]。也有部分學者進行了不同方向的探索，如王冀等[28]利用IPCC-AR4模式、陳豫英等[29]利用氣溫降水結合植被指數(shù)(NDVI)進行一系列的研究。其中，蒸散量ET是研究可利用降水資源的一個重要參數(shù)，部分學者通過傳統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)計算蒸散量[30-33]，也有部分學者使用遙感技術反演得到蒸散量的時空分布格局并分析了演變規(guī)律[34-36]，兩種方法獲取的蒸散量均可以參與到后續(xù)可利用降水量的研究中。

本文以福建省木蘭溪流域為研究區(qū)域，首先使用2001年、2010年和2019年三期Landsat遙感影像獲取改進的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)進行水體面積的提取，研究木蘭溪18年來三期水體面積的時間變化特征；其次根據(jù)氣象觀測數(shù)據(jù)，研究木蘭溪2000年以來有效降水量的時空分布特征與時間序列曲線；再次，根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)與Penman-Monteith公式,研究木蘭溪2000年以來氣候蒸發(fā)潛力的時空分布特征與時間序列曲線；最后，基于MODIS數(shù)據(jù),使用Beps模型反演得到木蘭溪2000年以來蒸散量，再根據(jù)可利用降水資源公式，獲得可利用降水資源的時空分布特征與時間序列曲線。這些研究成果可為福建省和莆田市開展生態(tài)環(huán)境污染治理和生態(tài)文明建設及充分利用水資源提供科學決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

木蘭溪流是福建省中部最大的河流，發(fā)源于戴云山脈支脈的筆架山，至三江口注入興化灣，干流總長168km。沿途集納大小溪澗360條，木蘭溪流域位于25°22′N～25°25′N，118°38′E～119°06′E，流域面積1732 km2。地形以低山為主，地勢自西北向東南傾斜。木蘭溪流域屬亞熱帶海洋性季風氣候，四季分明，雨量充沛。植被屬閩東南戴云山熱帶雨林小區(qū)，土質多呈酸性。多年來，較嚴重的水土流失是木蘭溪流域主要的生態(tài)環(huán)境問題。據(jù)2000年衛(wèi)星遙感資料，木蘭溪流域水土流失面積達262.34km2，形勢日益嚴重，河道輸沙量增大，泥沙淤積明顯，特別是下游南北洋河網(wǎng)泥沙淤積、河床抬高、防洪能力降低、洪澇災害不斷，同時水環(huán)境污染也加劇。1999年莆田正式拉開治理木蘭溪“千年水患”的序幕，2011年徹底結束了洪水不設防的歷史，2017年木蘭溪榮獲“全國十大最美家鄉(xiāng)河”稱號。

2 資料來源和統(tǒng)計方法

2.1 氣候要素觀測資料

木蘭溪流域氣候要素觀測資料來源于福建省氣象信息中心與莆田市氣象局，主要包括平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、降水量、日照時數(shù)、相對濕度、蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)。降水數(shù)據(jù)來源于莆田市氣象局提供的木蘭溪16個氣象站2010年和2019年的日降水數(shù)據(jù)；年降水量通過全年逐日降水量的累加得到；年平均降水量采用ArcGIS的克里金插值法對年降水量進行空間插值得到，空間分辨率為250m。蒸散量(ET)通過遙感Beps模型反演得到，潛在蒸發(fā)量(PET)根據(jù)Penman-Monteith公式計算得到。蒸散和潛在蒸發(fā)的數(shù)據(jù)選取利用MODIS數(shù)據(jù)反演之后的全國數(shù)據(jù)，用ArcGIS的掩膜工具得到木蘭溪流域的ET和PET，時間范圍為2000—2018年，空間分辨率為1km。

2.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測資料

研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)來自從美國地質調查局(USGS)網(wǎng)站下載的2001年、2010年和2019年陸地資源系列衛(wèi)星(Landsat)數(shù)據(jù)，由于時間序列較長，包含多光譜傳感器(multispectral scanner,MSS)、專題制圖儀(the matic mapper,TM)及OLI(operational land imager)傳感器接收的數(shù)據(jù)。選擇研究區(qū)冬季無云、無條帶的影像數(shù)據(jù)，遙感信息如表1所示，對遙感數(shù)據(jù)進行輻射定標和大氣校正。

表1 研究區(qū)Landsat遙感影像信息

2.3 水體面積資料

水體面積數(shù)據(jù)使用改進的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI),由三期的Landsat影像數(shù)據(jù)提取得到。

2.4 氣候蒸發(fā)潛力計算方法

潛在蒸發(fā)是表征大氣蒸發(fā)能力的一個量度，它標志大氣中存在著一種控制充分濕潤下墊面蒸發(fā)過程的能力，是評價氣候干濕程度、水庫設計、作物耗水和計算作物生產潛力的重要指標，通常是利用氣象要素計算得出。彭曼-蒙梯斯(Penman-Monteith)模型被廣泛用于農田參考作物潛在蒸散量的計算。

公式如下：

式中，u2為2m高度的風速，T為空氣溫度(℃)。本研究用該式計算了年潛在蒸發(fā)量。

2.5 蒸散計算方法

在可利用降水資源的計算中，蒸散的估算十分重要。本次研究通過構建遙感蒸散模型估算蒸散，采用BEPS模型對其蒸散進行研究。

ET=Tplant+Tunder+Eplant+Splant+Sground

此總式中，Tplant為上層植被的蒸騰(mm)；Tunder為下層植被的蒸騰(mm)，非森林地區(qū)為0；Eplant為植被截留降水的蒸發(fā)；Splant為植被截留降雪的升華(mm)；Sground為地表積雪的升華(mm)。

2.6 可利用降水資源計算方法

局地可利用降水資源的多少取決于降水、蒸發(fā)和徑流量等的變化。如不考慮地下水的開采、利用及徑流的情況,僅從氣象的角度考慮,降水量與蒸發(fā)量之差越大,則局地可利用降水資源越豐富,反之可利用降水資源則越匱乏。因此年可利用降水量F代表可利用降水資源，其計算公式如下：

F=P-ET

式中，P是年降水量(mm)，ET是年蒸散量(mm)，可以認為是總耗水量。

3 木蘭溪流域水體面積時間變化特征

3.1 水體面積提取

使用改進的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)進行水體面積的提取。MNDWI是在對歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)分析的基礎上,對構成該指數(shù)的波長組合進行了修改，如下式所示，將該指數(shù)在含不同水體類型的遙感影像進行了實驗，大部分獲得了比NDWI更好的效果，特別是提取城鎮(zhèn)范圍內的水體。

式中，RGreen、RNIR、RMIR分別為綠波段、近紅外波段、遠紅外波段的反射率。

3.2 水體面積時間變化特征

通過木蘭溪流域2001年、2010年和2019年水體面積變化統(tǒng)計圖(圖1)與統(tǒng)計表(表2)可知，木蘭溪水體面積經(jīng)歷了先擴大后減小的變化過程，總體呈弱的減小趨勢。從2001年到2010年水體面積呈現(xiàn)增大趨勢，由21.62 km2增大到27.19 km2，面積擴大5.56 km2，年均增加速率為2.86%，占全流域面積由1.27%增加到1.60%。從2010年到2019年水體面積呈現(xiàn)縮小趨勢，2019年水體面積為17.11 km2，面積較2010年縮小10.08 km2，年均縮小速率為4.12%，占全流域面積縮小到1.01%。總體來說，木蘭溪流域從2001年到2019年水體面積呈現(xiàn)縮小趨勢，面積縮小4.51 km2，年均縮小速率為1.46%。

圖1 木蘭溪流域2001年、2010年和2019年水體面積

表2 木蘭溪2001年、2010年和2019年水體面積變化

4 有效降水量和可利用降水資源評估方法

4.1 有效降水量時空分布

木蘭溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均有效降水量空間分布如圖2所示，多年平均有效降水量為1826 mm，2000年、2010年、2019年有效降水量分別為1892mm、2309 mm和1962 mm，有效降水量呈波動上升的趨勢。從空間上看，有效降水量空間分布不均，整體上呈從西北向東南遞減。木蘭溪流域2000年有效降水量在1875～1905mm之間，高值區(qū)主要分布在西部，低值區(qū)主要分布在東部及中部。木蘭溪流域2010年有效降水量在1720～2600mm之間，高值區(qū)主要分布在北部，低值區(qū)主要分布在南部。2019年有效降水量在1460～2240mm之間，相較于2010年減少260～360mm，高值區(qū)主要分布在西北部，低值區(qū)主要分布在東部及南部。從多年平均空間分布可知，木蘭溪流域近20年有效降水量在1600～1960mm之間，高值區(qū)主要分布在西北部，低值區(qū)主要分布在東部及南部。

圖2 木蘭溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均有效降水量空間分布

木蘭溪流域2000—2019年的有效降水量時間變化如表3所示，總體呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。氣候傾向率為135.21 mm·(10a)-1，趨勢線為y=13.521x+1684.4(R2=0.0468)，如圖3所示。從有效降水量的長期變化來看，2003年達到極小值，該年有效降水量1148 mm；在2011年大幅度減少， 2016年木蘭溪流域有效降水量達到最大值，為2500 mm，此后兩年繼續(xù)減少，2019年有效降水量為1962 mm。

表3 木蘭溪流域2010—2019年有效降水量時間序列

圖3 木蘭溪流域2010-2019年有效降水量時間變化

圖4 木蘭溪流域2000-2019年蒸發(fā)潛力時間變化

4.2 氣候蒸發(fā)潛力的時空分布

木蘭溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均氣候蒸發(fā)潛力空間分布如圖5所示，由圖5可知，多年平均氣候蒸發(fā)潛力為1321 mm，2000年、2010年、2019年氣候蒸發(fā)潛力分別為1274 mm、1276 mm和1268 mm。從空間上看，總體呈現(xiàn)自(西)北向(東)南逐漸增加的格局。木蘭溪流域2000年氣候蒸發(fā)潛力在1200-1320 mm之間，高值區(qū)主要分布在南部，低值區(qū)主要分布在西北部。2010年氣候蒸發(fā)潛力與2000年基本一致。2019年氣候蒸發(fā)潛力在1150～1330 mm之間，相較于2000年和2010年相差無幾，高值區(qū)主要分布在南部，低值區(qū)主要分布在北部。從多年平均空間分布可知，木蘭溪流域近20年氣候蒸發(fā)潛力在1240～1360 mm之間，高值區(qū)主要分布在南部，低值區(qū)主要分布在西北部。

圖5 木蘭溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均氣候蒸發(fā)潛力空間分布

木蘭溪流域2000-2019年氣候蒸發(fā)潛力時間變化如圖4和表4所示。由圖4和表4可知，總體呈現(xiàn)波動減少的趨勢，氣候傾向率為-46.19 mm·(10a)-1，趨勢線為y=-4.6192x+1369.7(R2=0.1212)。從氣候蒸發(fā)潛力的長期變化來看，最大值在2009年，該年氣候蒸發(fā)潛力為1426 mm，在2014年后大幅度減少，2016達到最小值，該年氣候蒸發(fā)潛力為1131 mm，之后增多。

表4 木蘭溪流域2000—2019年氣候蒸發(fā)潛力時間序列

圖6 木蘭溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均蒸散量空間分布

4.3 蒸散量的時空分布

木蘭溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均總耗水量空間分布如圖6所示。由圖6可知，多年平均總耗水量為714 mm，2000年、2010年、2019年總耗水量分別為610 mm、700 mm和719 mm。從空間上看，總體呈自(西)北向(東)南逐漸減小。木蘭溪流域2000年總耗水量在480～850 mm之間，高值區(qū)主要分布在西北部，低值區(qū)主要分布在南部及東部。2010年總耗水量在550～850 mm之間，高值區(qū)主要分布在北部，低值區(qū)主要分布在南部及東部。2019年總耗水量在500～920 mm之間，高值區(qū)主要分布在西北部，低值區(qū)主要分布在南部及東部。從2000—2019年的多年平均空間分布可知，木蘭溪流域近20年總耗水量在580～880 mm之間，高值區(qū)主要分布在西北部，低值區(qū)主要分布在南部及東部。

木蘭溪流域2000—2018年總耗水量時間變化如圖7和表5所示。由圖7和表5可知，總體呈現(xiàn)增加的趨勢，具體表現(xiàn)為“增加-減少-增加”，氣候傾向率為23.04 mm·(10a)-1，趨勢線為y=2.3041x+690(R2=0.0568)。從總耗水量的長期變化來看，從2000年開始呈現(xiàn)增加趨勢，2009年后小幅度減少，2010年低至670mm，此后又轉為增加趨勢，在2014年后大幅度減少，2016達到最小值，該年總耗水量593 mm，之后增多，2018年木蘭溪流域總耗水量達到最大值，為792 mm。

表5 木蘭溪流域2000—2018年蒸散量時間序列

圖7 木蘭溪2000—2018年總耗水量的時間變化

圖8 木蘭溪2010—2019年平均可利用降水時間變化

表6 BEPS模型計算的10d和年蒸散量與觀測數(shù)據(jù)比較的統(tǒng)計結果

表6給出了BEPS模型模擬的10d和年ET與相應實測值比較的統(tǒng)計結果，10d尺度上，模型基本上能解釋83%～94%的ET變化，標準差(RMSE)在2.49～6.98mm/10d之間波動，平均為4.21mm/10d。但是，2003年在QYZ站、2001年在TMK站，模型的誤差相對較大，僅能解釋70%和78%的ET季節(jié)變化。模擬的ET年總量為229～729mm/a，而實際觀測的數(shù)據(jù)為231～769mm/a。16個站年的ET模擬值與觀測數(shù)據(jù)之間的關系可以表示為ET模擬=0.9056×ET實測+47.731,R2=0.8123，模擬的年ET的相對誤差RE為-23.91%～22.09%，RE的平均值為10.94%。以上驗證結果表明，BEPS模型可以用于木蘭溪ET的模擬計算。

4.4 可利用降水資源時空分布

木蘭溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均可利用水資源空間分布如圖9所示，多年平均可利用水資源為1112 mm，三年平均可利用水資源分別為1281 mm、1609 mm和1244 mm。從空間上看，總體呈自西北向東南逐漸減小。2000年可利用水資源在1050～1410 mm之間，高值區(qū)主要分布在南部，低值區(qū)主要分布在西北部。2010年可利用水資源在1130～1910 mm之間，高值區(qū)主要分布在西北部，低值區(qū)主要分布在南部。2019年可利用水資源在850～1450 mm之間，高值區(qū)主要分布在西北部，低值區(qū)主要分布在東部。從2010—2019年的多年平均空間分布可知，木蘭溪流域近20年可利用水資源在960～1260 mm之間，高值區(qū)主要分布在東部，低值區(qū)主要分布在中部往東。

木蘭溪流域2000—2019年可利用降水資源時間變化如圖8和表7所示。由圖8和表7可知，總體呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，具體表現(xiàn)為“減少-增加-減少”，氣候傾向率為112.37 mm·(10a)-1，趨勢線為y=11.237x+994.09,R2=0.0279。從可利用水資源的長期變化來看，2000—2013年呈現(xiàn)波動減少趨勢，2003年為極小值，可利用水資源為459 mm，2013—2016年大幅度增加，最大值為2016年，可利用水資源為1907 mm，此后又轉為減少趨勢，2018年可利用水資源低至873 mm。

圖9 木蘭溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均可利用降水空間分布

表7 木蘭溪流域2010—2019年可利用降水資源時間序列

5 結論與討論

綜合以上統(tǒng)計分析，得出以下結論：

①木蘭溪2001—2019年水體面積經(jīng)歷了先擴大后減小的變化過程，總體呈弱的減小趨勢，面積縮小4.51 km2，年均減小速率為1.46%。

②木蘭溪流域平均有效降水量空間分布整體上呈現(xiàn)從西北向東南遞減的格局，近20年有效降水量在1600～1960mm之間，高值區(qū)主要分布在西北部，低值區(qū)主要分布在東部及南部。從時間上看，總體呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。

③木蘭溪流域蒸發(fā)潛力總體呈現(xiàn)自(西)北向(東)南逐漸增加的格局，近20年氣候蒸發(fā)潛力在1240～1360 mm之間，高值區(qū)主要分布在南部，低值區(qū)主要分布在西北部。從時間上看，總體呈現(xiàn)波動減少的趨勢。

④木蘭溪流域蒸散量總體呈現(xiàn)自(西)北向(東)南逐漸減小的格局，近20年總耗水量在580～880 mm之間，高值區(qū)主要分布在西北部，低值區(qū)主要分布在南部及東部。時間變化表現(xiàn)為“增加-減少-增加”的趨勢，這證明了BEPS模型可以用于木蘭溪ET的模擬計算。

⑤木蘭溪平均可利用降水資源空間分布總體呈現(xiàn)自西北向東南逐漸減小的格局。木蘭溪流域近20年可利用水資源在960～1260 mm之間，高值區(qū)主要分布在東部，低值區(qū)主要分布在中部往東。時間變化表現(xiàn)為減少→增加→減少的趨勢。