遙感估算蒸散發及其在中國盤山風景區水資源保護中的應用

姚立英，馬 吉吉，陳 璐，吉 晟

(1.天津市環境保護科學研究院，天津300191;2.河北工業大學經濟管理學院，天津300130;3.天津市聯合環保工程設計有限公司，天津300191)

水資源作為一種重要的自然資源與社會、經濟、生態環境構成水資源復合系統[1]，是國家、地區，甚至工業項目發展必須考慮的綜合問題。天津盤山風景名勝區水資源以地下水為主，由于特殊的巖體和斷層結構，地下水和地表水為相對閉合的流域系統。但是由于缺少可利用地下水資源數據，導致該區域存在盲目開發利用水資源的問題。

天津盤山風景名勝區的水資源補給主要是大氣降水，在已知水資源補給和儲排條件下，合理估算蒸散發量E對于確定區域地下水資源利用至關重要。筆者利用遙感影響數據分析區域內的植被蒸散發量，建立地下水平衡圖，指導中國天津盤山風景名勝區水資源利用。

1 植被蒸散發量估算模型

對蒸散發量的估算國際上已有200a的歷史，20世紀80年代以前基于Dalton理論建立了一系列的經驗公式，80年代以后主要是應用改進的彭曼公式[2]。目前，確定作物蒸散發量的主要方法有空氣動力學法、波文比能量平衡法、遙感法、水量平衡法[3]。應用遙感技術估算區域蒸散發量是經濟可行的方法。

應用遙感技術研究區域蒸散發量中，地表能量平衡方程和Penman-Monteith阻力模型是物理基礎堅實且應用最廣的方法[4]，具體模型有 SEBAL模型、植被指數-溫度梯度模型、半經驗模型、瞬時蒸散發量時間尺度擴展等[5]。

筆者采用統計經驗法進行分析，該法是由Jackson等[6]于1977 年提出，由 Seguin 等[7-8]改進的用遙感的冠層輻射表面溫度估算農田蒸散發量的回歸模型，模型所需輸入的參數較少，但可以很好地模擬有不同植被覆蓋度的各種下墊面的復雜蒸發蒸騰機理，利用該模型可以估算出合理的蒸散發量。

筆者利用美國Idaho大學設計的Ref-et軟件包計算區域蒸散發量。模型及參數如下:

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為非中性層結凈力穩定度修正系數。

計算B、n的值時需要引入歸一化植被指數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，可以根據下式可以計算出瞬時的蒸散發量Einst。

式中，λ為蒸發潛熱(2.4×106W/m2·mm)。

式中:f為潛在蒸散發系數，定義為每個像元的瞬時蒸散發與由氣象數據計算的潛在蒸散的比值;Er為日水面蒸發量。

最后，1 d的蒸散發量Eday可由下式來計算。

式中:Er24為影像獲得當天的蒸散發量。

2 研究區域概況

2.1 自然環境概況

中國盤山風景名勝區位于天津北部薊縣，規劃面積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。

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，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;側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，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 社會經濟概況

盤山風景名勝區規劃面積106 km2，其中許家臺鄉占地約28 km2，官莊鎮占地約78 km2，39個村莊有32088人，目前風景區內居民產業結構以農業為主，外出務工為輔，農民年平均收入7500元左右。

2007年盤山風景名勝區接待游客51萬人次，實現旅游收入2734萬元。游客平均年增長率為10%左右，人均消費平均年增長率為15%左右。

2.3 水資源概況

2.3.1 大氣降水

根據薊縣統計年鑒，1957—2006年薊縣地區多年平均降水量為655.6 mm，年內降水量分配極不均勻，6—9月降水量約占全年降水量的80%。盤山風景名勝區內匯水區面積為84.73 km2，按年平均降水量655.6mm計算，折合降水量為5554.9萬m3/a。

2.3.2 河流

盤山地區河流屬氵句河水系，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，加之盤山地區地勢北高南低，高差大，多地形雨，故河流自北向南流，且源短流急。

根據薊縣多年統計資料，區域內降水時空分布不均，河流徑流與降水分布相一致，規劃區徑流折合水量為1170.8萬m3/a。

2.3.3 地下水

地下水的補徑排條件受地貌、構造、含水介質、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，結構致密堅硬，本身為不透水隔水巖層，然而花崗巖節理發育，球狀風化明顯，大氣降水極易滲入風化層，富含碎屑巖孔隙潛水。特別是山間小盆地、河谷地帶、山麓地區為厚層第四紀松散堆積物，賦水條件較好，為松散地層孔隙水分布區，是區域的地下水補給區。

巖體和巖脈對地下水導向作用明顯。盤山地區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，與盤山花崗巖體呈弧形展布，恰好成為盤山地區地下水運移的天然擋水壩，使盤山花崗巖體與兩側巖脈之間以及盤山南麓白云巖地層的地下水十分富集。

盤山地區南部分布著一條橫亙東西的薊縣大斷層，是薊縣境內規模最大的壓扭性斷裂。該斷層由于受區域性地殼應力的持續作用，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給，而在此一線匯集，因而沿斷層線北側有不少泉水出露，形成一條東西向分布的泉群帶。

山前平原區地下水補給接受來自山區的側向徑流補給，是地下水的排泄區，排泄方式為開采和潛水蒸發。

3 基礎資料收集

3.1 遙感數據

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

表1 中巴資源衛星參數

3.2 氣象數據

氣象參數見表2[10]。

表2 氣象參數

4 數據分析

4.1 植被類型遙感分析

采用監督分類和非監督分類相結合的辦法，即依據波譜統計特征，判別像元的類別歸屬，在監督分類的基礎上給定自然集群的數目，由計算機自動進行分類，之后根據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、農田及草地類。

為了增強圖像信息，減少數據冗余，提高地表覆蓋信息特征的監測能力，對各圖像進行主成分分析(KL變換)，KL變換的算法為:計算多波段圖像數據的統計特征參數，得到反映各波段間關系的協方差矩陣，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據99.23%的信息，其余主分量幾乎全是噪聲。經過變換后，得出3個波段(第一、二、三主分量)，在紅、綠、藍彩色組合中，生長旺盛的農作物(包括草地)呈現亮紫色，闊葉林呈深綠色，林地呈黃色。然后采用I指數(歸一化植被指數)對主成分進行修正，以提高對植被的判別的精度[11]，I指數介于－1到1之間。負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目區地表植被進行識別，同時利用歸一化植被指數(表3)計算日感熱通量的平均總傳導率和非中性層結凈力穩定度修正系數。

表3 歸一化植被指數值

圖1 歸一化植被指數

使用ENVI軟件對主成分分析得到的結果進行最大似然法監督分類，從分類圖像中收集本項目各種地物類型的純樣本信息，結合土地利用類型圖，確定歸屬，對樣本進行分類。監督分類統計結果見表4。

表4 監督分類統計結果 km2

4.2 蒸散發量計算分析

經計算，盤山地區2007年度蒸散發量為3273.1 m3。

4.3 地下水可開采量

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

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

盤山風景名勝區內大氣降水量為5554.9萬m3/a，地表徑流量為1170.8萬m3/a，蒸散發量為3273.1萬m3/a，地表儲水變化為0，則可補給量為1111.0萬m3/a。

根據大氣降水入滲水補給量公式反推入滲系數，以驗證上述結果，公式如下:

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

盤山地區匯水面積為84.73 km2，多年平均降雨655.6 mm，根據入滲量反推入滲系數為0.2，符合該地區入滲系數介于0.14～0.26之間的經驗值[12]，證明通過遙感手段獲取的地下水入滲量可靠。

5 盤山地區水資源利用分析

5.1 區域水資源利用現狀

盤山風景名勝區內現狀生產和生活用水主要以開采地下水為主，僅有少量農業灌溉采用地表水。大規模集中開采地下水主要集中在官莊鎮和許家臺鄉人口密集處:官莊鎮盤山供水站現狀供水能力為8000 m3/d，共有3眼井，井深200 m左右，開采深層地下水，供官莊鎮內的企業和居民及規劃區使用。許家臺鄉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，配套工程尚在建設過程中。

a.常住人口用水量。盤山風景名勝區內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年盤山風景名勝區內游客數量約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.工業用水量。盤山風景名勝區內工業企業主要有盤山啤酒廠、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家療養院等。以上企業用水均取用地下水，總用水量為189.6萬m3/a，新鮮用水量為152.1萬m3/a。

d.農灌用水量。盤山風景名勝區內農業用水主要為農田灌溉用水，2007年官莊鎮當年實灌面積為676.2 hm2，許家臺鄉當年實灌面積為153.3 hm2，平均灌水定額按4200 m3/hm2計，灌溉用水量為348.4萬 m3/a。

綜上所述，盤山風景名勝區內工業、居民、農灌、旅游等使用地下水的水量為627.7萬m3/a。地下水年均補給量為1111.0萬m3/a，現狀開采地下水量占地下年均補給量的56.6%，區域水平衡見圖2。

5.2 地下水利用問題分析

圖2 區域水平衡(單位:萬m3)

盤山地區降水量年際變化大，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%。則盤山地區年補給量能達到1111.0 m3的保證率僅為60%左右。盤山地下水補給周期長，由于開采量逐年加大和降水量分布不均，盤山地區出現了地下水水位下降、水景消失的現象。

目前盤山風景名勝區內不分用水水質要求、一概使用地下水的做法，如高水質的地下水被用作低水質要求的農灌等，造成優質地下水資源的浪費，尤其是深層地下水的補給需要相當漫長的時間。農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]。

該地區農業不僅用水量大，大量施用氮肥污染地下水質，以食品加工企業為主的鄉鎮企業廢水直接排入溝渠或沙坑，對地下水水質構成較大威脅，區內地下水水質、、Cl－、、等組分均有不同程度的增高[14]。而盤山被稱為礦泉水田，其水質是雙項達標的優質飲用天然礦泉水，作為寶貴的地下礦產資源，應該根據市場的需求進行有指導的統一規劃開發。

6 結語

盤山風景名勝區內地下水為優質礦泉水，面臨水量和水質的雙重威脅。地下水年均補給為1111.0 m3的保證率為60%左右，入滲系數為0.2，年均開采量占年均補給量的56.6%，農業灌溉占水資源利用量的55.5%，大量開采導致地下水水位下降、景區內水景枯竭。對水質的污染主要來自農業氮肥施用導致的三氮面源污染和以食品加工業為主的點源污染。

因此，盤山風景名勝區內的水資源保護對策為:涵養水源，加強對雨季強降水的節流，增加地下水資源補給量;發展設施農業和觀光農業，提高農業用水效率，降低農業用水量，減少農業面源污染;對區域內的食品加工企業廢水集中治理后排放。

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