基于MOD16的北洛河流域蒸散發空間格局演變研究

赫曉慧, 梁冰潔, 郭恒亮, 田智慧

(1.鄭州大學 水利與環境學院, 河南 鄭州 450001; 2.鄭州大學 鄭州智慧城市研究院, 河南 鄭州 450001)

基于MOD16的北洛河流域蒸散發空間格局演變研究

赫曉慧2, 梁冰潔1, 郭恒亮2, 田智慧2

(1.鄭州大學 水利與環境學院, 河南 鄭州 450001; 2.鄭州大學 鄭州智慧城市研究院, 河南 鄭州 450001)

[目的] 探究北洛河流域地表實際蒸散發年際和年內的時空變化特征,為該區域的生態基準與生態需水量研究、退耕還林效果研究提供理論依據。[方法] 基于北洛河流域2000—2014年MOD16遙感數據、氣象數據、水文數據和2011年土地利用數據,采用流域水量平衡法、均值法、標準差法和線性趨勢法進行蒸散發(ET)時空變化特征分析。[結果] 流域年蒸散量在波動中緩慢上升,波動范圍為395.4～517.4 mm/a,15 a ET均值為446.74 mm/a,年內蒸散量呈單峰型分布,季節性變化特征明顯,地表蒸散主要集中在5—9月,最高值出現在8月;經與北洛河流域的實測降水空間插值結果比較,MOD16-ET估算結果的相對誤差均值為12.04%,相關系數達到0.81;流域內上游至下游的ET剖面線波動明顯,呈不規則的“波動曲線”形態;流域內ET值年際變化空間分布特征明顯,中游和上游地區以增加趨勢為主,下游以減少趨勢為主。[結論] 近15 a來北洛河流域蒸散發整體呈現增大趨勢,主要驅動因素為人類活動,尤其是退耕還林和水土保持等工程的實施。

MOD16; 北洛河流域; 地表蒸散發; 空間格局演變

文獻參數： 赫曉慧，梁冰潔，郭恒亮，等.基于MOD16的北洛河流域蒸散發空間格局演變研究[J].水土保持通報，2017,37(1)：177-182.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.032； He Xiaohui, Liang Bingjie, Guo Hengliang, et al.Analysis of spatial and temporal variation of evapotranspriation based on MOD16 in Beiluo River basin[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：177-182.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.032

地表實際蒸散發(ET)是水文循環和地表能量平衡的重要環節，也是植被生存必須的生理過程和地表物質循環的重要載體[1-2]。充分了解蒸散發(ET)的時空格局變化過程，準確測算流域地表ET，對于定量認識生態需水規律、旱情監測、科學灌溉以及生態保護與恢復具有重要意義[3]。

近年來，國內的諸多學者對流域蒸散發進行了研究，如田輝等[4]利用氣象、水文及遙感數據，說明黑河流域的蒸散發與主要水資源消耗區有一定關系。然而，由于學者們對遙感數據有高時間分辨率、易獲取等的需求，很多人把目光轉向了MODIS數據，如曹永強[5]等利用MODIS對海河流域蒸散發的時空演變規律進行了研究；周峰等[6]利用MODIS對伊河流域地表蒸散發與植被指數和地表溫度的關系進行了研究。但是他們對于蒸散發的研究多集中在北方地區，對于西北地區的黃土高原溝壑區的研究則相對較少。北洛河流域地形地貌復雜多變，植被類型多樣，在黃土高原具有極佳的代表性，加之近些年在氣候暖干化和人類活動影響下[7]，流域生態環境變化迅速，流域蒸散發的情況復雜。

本文擬基于MOD16-ET數據，在利用流域水量平衡法進行精度驗證基礎上，對北洛河流域地表ET的時空及其變化特征進行探討，以期揭示北洛河流域地表ET變化規律，為認識流域生態需水規律及流域生態保護提供參考，同時為加強流域水資源管理提供依據[8]。

1 研究區概況

北洛河流域，全長680 km，是陜西省縱跨緯度最大的河流，流域面積2.69×104km2。北洛河屬黃河流域，為渭河一級支流。發源于陜西省榆林市定邊縣，干流流經榆林、延安、渭南3地市，地理坐標為東經107°34′45″—110°01′37″，北緯34°57′13″—37°17′03″，多年平均(1956—2000年)年降雨量535.5 mm，屬大陸性季風氣候，由南向北、自東向西遞減。降雨年內分布不均，集中在7—9月，且多暴雨，破壞性大，水土流失極為嚴重。自產水資源量1.045×109m3，屬于資源型缺水區。

北洛河流域地形地貌復雜多變，植被類型多樣，在黃土高原具有極佳的代表性。其上中游位于黃土丘陵溝壑區和破碎殘源溝壑區，占71%，屬于封山育林(草)的重點區域，自1999年以來，區域植被覆蓋率大幅上升；中游包括子午嶺林區；下游屬于黃土階地區，農業生產發達。由于流域的復雜性，流域內人類活動區域差異大，水土流失嚴重，流域的蒸散量直接影響該區水資源可利用總量與區域生態提升效果。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及處理

數據來源具體見表1。MOD16產品是美國NASA研究團隊在Penman-Monteith公式的基礎上進行改進后估算得到的。

表1 研究所用數據資料

使用MRT軟件將采用HDF格式的MODIS16產品轉換為WGS-1984經緯度坐標系統下的GeoTiff格式，并進行軌道拼接、投影轉換、重采樣等操作；利用ArcGIS去除MODIS 16數據中的無效值后，裁取研究區。

2.2 研究方法

2.2.1 MOD16產品精度檢驗 為了保證遙感監測蒸散量的準確性，首先要對流域MOD16產品地表蒸散量的有效性進行檢驗。目前遙感數據反演蒸發的精度驗證多采用流域水量平衡法，年尺度的流域水量平衡中，土壤蓄水量所占比例較小，因此可假定流域年降雨量等于流域年蒸發量(ET)與年徑流量之和。

Pi=ETi+Di

(1)

式中：Pi——流域某年年降雨量(mm)；ETi——流域某年年蒸發量(mm)；Di——流域某年年徑流量(mm)。

本研究采用北洛河流域范圍內3個變量的平均深度。年降水平均深度的求取，主要采用流域內及其周邊各氣象站點的實測值進行克里金插值，然后求出流域內年降水柵格數據的均值；年徑流深度為流域下游水文站點狀頭的實測年徑流量與其控制面積的比值；蒸散量平均深度為流域內MOD16-ET數據的柵格均值。

2.2.2 蒸散發時空演變的評估指標 研究采用均值法、標準差法和線性趨勢法模擬北洛河流域每個柵格單元2000—2014年蒸散的空間差異、穩定性和變化趨勢[9-12]。

(2)

(3)

(4)

3 結果與分析

3.1 MOD16-ET數據精度驗證

由北洛河流域空間插值結果與遙感估算蒸散發結果(表2)，可見插值降水量與蒸散和徑流之和基本吻合，二者相關系數為0.81，達到顯著相關。北洛河流域差值降水量與MODIS16-ET估算精度不高，可能是因為近年來，流域上游丘陵溝壑區實時水土保持工程使蓄水量增加，導致流域的水量平衡式出現一定的偏差，尤其是在降水豐年偏差更大，如2003,2011年，這一偏差與遙感反演無關。因此MODIS16-ET數據精度總體上滿足研究區要求，可用于北洛河流域地表蒸散量的時空與變化特征研究。

表2 2000—2013年北洛河流域水文變量

3.2 北洛河流域2000—2014年ET時間變化特征

3.2.1 ET年變化特征 由圖1可以看出，2000—2014年北洛河流域地表蒸散量(ET)年際波動不大，年均值的變化范圍為395.4～517.4 mm，15 a ET平均值為446.74 mm，各年份ET均值呈現一定的波動，其中明顯超出多年平均值的年份為2002—2004,2012,2014年，其中2003年蒸散量最大，超出平均值70.69 mm，相對變化率達到了15.8%；明顯低于多年平均值的年份為2000,2001,2009,2011年，其中2001年蒸散量最小，比平均值少51.35 mm，相對變化率達到了-11.5%。2003年北洛河流域降雨量較多，7—10月較常年偏多，大幅超出多年平均降水量，較多的降雨帶來較為充足的水分，良好的供水條件有利于蒸散發，此年ET比其余年份更接近ET0(潛在蒸散量)，其值也較大。2002,2012,2014年的降水也較為充足，其蒸散量也較高；2004年的插值降水量較計算降水量少，這可能是由插值方法本身的誤差引起的。而2000年降水量的蒸散量也較少，2001,2009,2011年插值的降水量較計算降水量多，是因為空間插值本身就會有很大的誤差?？傮w來看，北洛河流域ET呈增加趨勢，降水量對蒸散量有著很大的影響。

圖1 北洛河流域2000—2014年地表蒸散量(不含水體和城鎮)

3.2.2 ET月變化特征 北洛河流域年內地表實際蒸散量分布不均勻，整體呈現單峰型分布，11月至次年4月，ET變動較平緩，約為8 mm，5—8月ET處于快速上升期，8月達到最高，為73 mm；9,10月ET迅速下降(圖2)。

圖2 北洛河流域不同月份多年平均地表蒸散量

受流域內海拔、降雨、溫度、空氣濕度、太陽輻射等多種因素的綜合影響[13]，北洛河流域四季地表蒸散量差異顯著。春季(3—5月)地表ET為39.01～195.96 mm，隨著氣溫的回升，地表蒸散量逐漸增加。夏季(6—8月)是北洛河流域的雨季，氣溫高、太陽輻射大，使得地表蒸散量顯著增加，ET值處于59.73～509.94 mm；秋季(9—11月)流域ET值處于69.31～160.71 mm，流域整體蒸散量較低，差值也較小，約90 mm，因為此季北洛河流域受大陸冷高壓氣團的影響，降雨量減少，溫度降低，蒸散量也隨之降低；冬季(12，1，2月)流域ET值處于38.58～82.77 mm，各地值均較小，受溫度影響顯著?？偟膩碚f，一年中的ET值，夏季>秋季>春季>冬季，多年均值分別占年蒸散量的44.67%，21.87%，17.41%，16.05%。

3.3 北洛河流域2000—2014年ET空間變異特征

北洛河流域多年蒸散平均值在248.27～925.91 mm，具有較強的空間分布規律，空間差異顯著，呈現出中間高兩頭低的變化趨勢。該特征與流域地表覆蓋的地帶性變化基本一致。具體表現為，葫蘆河流域、沮河流域與劉家河至南城里河段由于水量較為充足，多年平均蒸散量最高，達到900 mm/a左右；家河以上河段大都是溝壑或裸露的巖石，因此該區的年均蒸散量最小，僅為260 mm/a左右；南城里至狀頭河段及狀頭以下河段屬于關中平原的農耕區，年均蒸散量大致在500 mm/a左右。

北洛河流域ET值自上游向下游先升高后降低，表現為不規則的“波動曲線”形態(圖3)。位于中游的葫蘆河流域、沮水流域及周水流域等子午嶺林區，多年平均ET值較高；下游關中平原地區的渭南市中部等農業灌溉區ET值也較高；上游的榆林、延安局部的高原丘陵區及渭南局部的旱作農業區多年平均ET值則較低。

圖3 北洛河流域地表蒸散剖面

不同土地利用類型由于其本身的生理生態特征及其所處區域降水量的差異，其平均蒸散量[13]的分布特征表現出不同的變化特點。雖然原ET數據的生產計算過程中需要反照率、葉面積指數、地表覆蓋類型等遙感數據和輻射等氣象數據[14]，但是為了進一步分析各種土地利用類型的蒸散量特征，分別提取了各種土地覆蓋類型年均蒸散量統計特征。由圖4可以看出，流域內年均蒸散量與土地利用類型密切相關，不同土地覆蓋類型的年均蒸散量存在著較大的差異，林地的年均蒸散量值最高，達到549.98 mm/a，大大超過其他土地利用類型的蒸散量；未利用土地的年均ET值最低，僅為383.55 mm/a。總的來說，各土地覆蓋類型的年均蒸散量的排列順序是：林地>草地>水域>建筑用地>耕地>未利用土地。

圖4 不同土地利用類型的年平均蒸散量

3.4 北洛河流域2000—2014年ET變化特征

采用標準差法來分析北洛河流域2000—2014年ET的穩定性，去除極端值后將其等間隔劃分為3個區間[15]，北洛河流域ET整體呈現低波動居多，中度波動較少，高波動最少，穩定性地域較多的特征。ET呈低波動的區域面積約為60.2%，集中分布在流域的上游和中下游地區，并呈現出沿流域主干道呈帶狀分布的特點；ET呈中度波動的面積為35.64%，主要分布在北洛河中游的子午嶺林區植被較好的地區及下游的農耕區一帶，呈片狀分布；ET呈高波動的區域面積很小，不足5%，零散的分布在北洛河的中游及下游地區。

采用線性趨勢法分析北洛河流域15 a ET變化趨勢(圖5)，跟據K值范圍定義明顯減少(K<-10)、輕微減少(-10≤K<-3)、基本不變(-3≤K≤3)、輕微增加(3

圖5 2000—2014年北洛河流域ET變化趨勢

北洛河流域年ET減少的面積約占17.20%，輕微減少占絕大部分，主要分布在北洛河的中下游地區，集中于銅川、渭南一帶。北洛河流域年ET基本不變的的區域面積約占60.27%，主要分布于北洛河流域北部的高原溝壑區，集中在延安市的西北部與銅川市的西北部。流域年ET增加的面積約占22.53%，以輕微增加為主，主要集中在北洛河流域的東部；ET顯著增加的區域主要集中在渭南市的中東地區，地屬關中平原農作區，這一帶ET增長趨勢明顯的原因是由于人為因素的影響使得該地地表水較為充足[17]。整體上，北洛河流域春季、夏季ET變化趨勢的空間分布與年ET較一致，秋季、冬季ET變化趨勢的空間分布較一致，冬季ET 變化趨勢較小，與年ET和其他季節的ET變化趨勢的空間分布存在一定的差異。年ET的變化趨勢主要受夏季影響，其次是春季、秋季，冬季對年ET變化趨勢的影響較弱。

4 結 論

(1) 基于MOD16產品的估算降水量與氣象站點的空間插值對比結果的相關系數為0.81，相對誤差均值為12.04%，較高的一致性說明，MOD16產品的精度一定程度上能夠滿足北洛河流域地表ET時空變化分析的要求。

(2) 從北洛河流域ET年際時序看，2002—2004,2012,2014年為蒸散“大年”；從年內分布規律看，ET呈單峰型分布格局，集中在5—9月，季節變化較明顯；從流域內ET 的空間分布看，多年ET均值表現為:子午嶺等土石林區>高原溝壑區>關中平原農作區>丘陵溝壑區；從四季ET空間分布看，夏、秋季ET與年ET空間分布基本一致，春、冬季ET與年ET空間分布有差異，差異較大的主要體現在關中平原農作區。

(3) 從15 a ET變化特征看，北洛河上游ET值以增加趨勢為主，顯示了退耕還林的成果，中游ET值以基本不變和輕微增加為主，下游ET值則以降低趨勢為主；從15 a各季節ET變化特征看，年ET的變化趨勢主要受夏季主導，冬季對年ET變化趨勢影響較弱。

(4) 流域內不同土地利用類型由于其物理特征等的不同，蒸散量也存在著較大的差異[18]。在年尺度上，年ET均值最高的是林地，達到925.91 mm，草地、水域、耕地次之，建筑用地最低，僅為248.27 mm。月尺度上的大小順序與年尺度上的基本一致，但由于人類活動[19-20]、氣象條件[21-22]、農作物特性等因素綜合作用的影響，不同土地類型ET的空間分布特征也不盡相同。

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Analysis of Spatial and Temporal Variation of Evapotranspriation Based on MOD16 in Beiluo River Basin

HE Xiaohui2, LIANG Bingjie1, GUO Hengliang2, TIAN Zhihui2

(1.SchoolofWaterConservancyandEnvironment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,He’nan450001,China;2.ZhengzhouWisdomCityInstitute,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,He’nan450001,China)

[Objective] The objective of this paper is to explore the spatial and temporal characteristics of evapotranspriation(ET) in the Beiluo River basin, and provide theoretical basis for the study of ecological benchmark and ecological water requirement and the effect of returning farmland to forest. [Methods] Based on MOD16 remote sensing image data, meteorological and hydrological date during 2000—2014, and the land use date in 2011, we used river basin water balance method, method of mean value, the standard deviation method and the linear trend method to analysis the spatial and temporal variation characteristics of evaporation. [Results] The mean annual evapotranspiration of Beiluo River basin increased slowly with values ranged from 395.4 to 517.4 mm, and average evapotranspiration during the past 15 years was 446.74 mm. The monthly variation of evapotranspiration within the year show a unimodal pattern, it was mainly concentrated in the period from May to September, and its peak value occurred in August. The average relative error was 12.04% between spatial interpolation results based on measured rainfall and estimates based on MOD16-ET, the correlation coefficient was 0.81. The profile line of ET changed greatly from upstream to downstream of the Beiluo River basin, which presented the irregular “wave curves”. The spatial variation of annual ET was obvious in the basin. The ET showed an increasing trend in the midstream and upstream, while it showed a decreasing trend in the downstream. [Conclusion] In the recent 15 years, the evapotranspiration in Beiluo River basin showed an increasing trend, and human activity was the main driving force, especially the implementation of grain for green project and soil and water conservation project.

MOD16; Beiluo River basin; ET; spatial-temporal variation

2016-04-18

2016-07-01

國家自然科學基金項目“水沙變化驅動下黃河下游河道橫向演變對濕地自然植被的影響研究”(41101095)

赫曉慧(1978—),女(漢族),河南省商丘市人,博士,副教授,主要從事環境遙感與水文生態、智慧城市研究。E-mail:hexh@zzu.edu.cn。

郭恒亮(1971—),男(漢族),河南省商丘市人,碩士,副教授,主要從事區域環境與城市規劃研究。E-mail:guohengliang@zzu.edu.cn。

B

1000-288X(2017)01-0177-06

P426.2