塔里木河中游沙漠化地區地下水位遙感監測

管文軻, 霍艾迪, 吳天忠, 何曉霞, 易 秀, 鐘家驊, 溫軼然

(1.新疆林業科學院 造林治沙研究所, 新疆 烏魯木齊 830002; 2.長安大學 環境科學與工程學院,陜西 西安 710054; 3.新疆塔里木胡楊林國家級自然保護區, 新疆 庫爾勒841000)

塔里木河中游沙漠化地區地下水位遙感監測

管文軻1, 霍艾迪2, 吳天忠1, 何曉霞3, 易 秀2, 鐘家驊2, 溫軼然2

(1.新疆林業科學院 造林治沙研究所, 新疆 烏魯木齊 830002; 2.長安大學 環境科學與工程學院,陜西 西安 710054; 3.新疆塔里木胡楊林國家級自然保護區, 新疆 庫爾勒841000)

[目的] 探討沙漠化地區地下水位的分布狀況及其對沙漠植被的影響，為塔里木河流域生態環境保護提供科學依據。[方法] 利用MODIS衛星遙感數據，采用遙感—數學—模型學融合的研究方法，在實地考察塔里木河中游區域的地下水位、土壤水分和其他輔助資料的基礎上，通過建立土壤水分和地下水位的線性方程，提出在土壤中存在毛細管補給條件時，簡便、有效地監測沙漠化地區地下水埋深的監測模型，并在塔河中游沙漠化地區進行實地驗證。[結果] 該模型反演地下水位和實測地下水位之間的相關系數為0.896 9，誤差較小。研究結果符合實際。[結論] 在較大范圍且地下水埋深不大于6 m的沙漠化地區，利用MODIS多波段遙感模型監測并評價地下水位埋深的空間分布是可行的。

沙漠化地區; MODIS數據; 地下水位; 遙感監測模型

地下水是非常重要的自然資源之一。區域地下水埋深是了解區域地下水資源狀況的一個重要參數，它與區域生態環境息息相關。一般來說，常規的獲取地下水埋深的方法為長觀法、統測法等，但實現這些方法的基礎條件是該區必須有觀測井或機、民井。在沙漠化地區，尤其是在新疆塔里木河流域，這樣的條件是很難滿足的，這就需要有更先進的監測技術和手段。因此，合理利用地下水，探索地下水位監測省錢、省力的科學方法，對干旱、半干旱地區的生態平衡、經濟建設和可持續發展至關重要。

現階段，利用遙感衛星影像進行地下水位監測技術和方法取得了蓬勃的發展。如有學者發現植被的生長發育或退化與地下水位埋深基本呈動態平衡關系[1]。另一方面，研究人員運用遙感數據及PCA間接排序法識別上海崇明東灘自然保護區的鹽沼植被取得了較好效果[2]。也有學者通過遙感從研究植被、水系、溫度等因素與地下水的依存、制約關系，推斷出了地下水富集帶[3-5]。20世紀90年代后期，對于地下水埋深遙感監測研究發展到RS，GIS，GPS一體化應用研究方向。通過建立多源遙感資料與水文、地質和物探資料的擬合關系曲線，建立由地質、地貌、水文因素線形特征圖、土地利用圖，DEM和實測數據構成的地理信息系統，推斷淺層地下水富水區、地下水位埋深等[6-9]。還有學者利用雷達圖像在土壤介電常數和土壤對雷達波段的反射特性，提出了在地下水位3 m以上的高水位區測定地下水位的方法[10-11]。以上研究從不同的視角探索了遙感監測地下水位的方法，這些方法有共同的特點，就是通過遙感手段，間接獲取地下水位埋深。也有不少學者認為植被群落能較好地體現淺層地下水位埋深，但是至今為止，尚未有人將兩者直接聯系起來進行較深入的沙漠化區域淺層地下水埋深空間分布研究。遙感具有宏觀、綜合、動態、快速等特點，為地下水資源調查和監測提供了新的探測手段。

塔里木河中游沙漠化地區光照強烈，在一定程度上可以忽略植被對反射率的影響，可以把像元反射率看成是純土壤反射率。這使經土壤水分的遙感建立有效監測地下水位遙感模型具備了前提條件。本文擬通過遙感技術建立土壤水分與地下水位之間的關系，探索滿足一定條件下的地下水位遙感監測的省錢、省力的科學方法。

1 研究方法

1.1 土壤水分與光譜反射率的關系

水體在近紅外和中紅外波段內的反射能量很少,而植被、土壤在這2個波段內的吸收能量較小,而且有較高的反射特性。沙漠化地區植被稀疏，因此,這為在忽略植被對土壤水分遙感影響的情況下,研究土壤水分和光譜反射率的關系提供了有利條件。

有研究表明隨土壤水分含量的增加而反射率呈下降趨勢,土壤水分含量與遙感影像MODIS的Band7波段的反射率一元線性回歸公式為[12-13]:

M=-0.270 6B7+0.139 6

(1)

式中：M——土壤水分含量;B7——MODIS影像數據的Band7波段的反射率。

1.2 地下水位遙感監測模型的建立

在土壤中存在毛管補給作用的沙漠化地區，地表淺層土壤水分含量是地下水位高低的直接反映。當潛水位高時，淺層土壤得到毛細管水的補給，使其保持較高的土壤含水量；隨著潛水位的下降，淺層土壤含水量隨毛細管水的補給減少、中斷而逐漸下降。因此，遙感監測研究區內地下水位的物理基礎是：在地下水位以上的土壤中存在毛細管，地下水通過毛細管作用能夠上升到達淺層土壤；地表土壤的反射光譜特征在一定程度上能夠反映地表淺層土壤的水分含量狀況。

假設y為從地面往下的垂直坐標軸，y=0為土壤—大氣接觸面。水分在毛細管中的分配可以用下式來描述[14]:

M2(y)=A+By， max(0,H-Hm)≤y≤Hm

(2)

式中：M——土壤水分;H——地下水埋深深度(m);Hm——從地下水—土壤接觸面地下水能上升到毛細管的高度(m)。Hm和土壤的理化性質有關，同樣土壤類型具有同樣的Hm值，土壤類型不同，地下水能上升到毛細管的高度也不一樣。常數A和B由下面的3種邊界條件來定義:

①土壤—地下水接觸面，y=H，土壤水分為最大值Mmax。

②地下水能上升到毛細管的高度處，y=H-Hm，土壤水分為最小值Mmin。

③在土壤—大氣接觸面，y=0，土壤水分為M0。

通過把①和②邊界條件運用到(2) 式可得:

(3)

若條件②被③代替:

(4)

研究區域年均降水量約為45.2 mm，年均蒸發量卻高達1 887～2 910 mm，約是降水量的40倍。土壤為固定、半固定沙丘上發育的風沙土，地表土壤水分M0=0，所以地下水位和地表土壤水分之間基本上沒有相關關系，而在此不必考慮(4)式。在常數Mmax，Mmin和Hm已知，并且遙感監測土壤水分的有效深度被測定的條件下，公式(2)為遙感監測地下水位提供了基礎條件。不過，由于遙感監測土壤水分有效深度只限于近地表很淺的土層，對于衛星來說，監測土壤水分的有效深度一般為0.10 m[15]，而淺層土壤水分和地下水位之間的相關關系不太穩定，準確地反映地下水位不是那么簡單的事情。下面從3種不同條件分析不同深度土壤水分和相應地下水位的關系。

(1) 地下水溢出地表的情況(H

(2) 毛細管條件(H?Hm)。 地下水位比第1種情況的地下水位低，但毛細管作用的表現使土壤淺層土壤水分的遙測成為了可能。

(3) 地下水位很低的情況(H>Hm)。 因為地下水位很低，地下水不能通過毛細管作用達到地面，無法實現地下水位的遙測。

由此可知，在第一種情況，地下水溢出地表，淺層土壤過度潮濕，形成沼澤地，地下水在遙感圖像中的表現多為水體。之所以第2種情況很有研究意義，是因為地下水沒有溢出地表，埋深深度比較理想。若用d來表示監測土壤水分的有效深度，并y=d，用Md來表示d深處土壤水分，式(3)代入式(2)可以得到土壤水分—地下水位關系方程，即:

(5)

式中：H——地下水位的埋深(m)；d——監測土壤水分的有效深度(m)；Hm——從地下水—土壤接觸面地下水能上升到毛細管的高度(m)；Mmax,Mmin——土壤水分的最大值和最小值；Md——d深處土壤水分含量(%)。

2 試驗數據

2.1 研究區域

新疆塔里木河中游沙漠化區域地處塔克拉瑪干大沙漠北緣，位于中國最長的內陸河——塔里木河中游，是塔里木盆地內陸干旱區中以胡楊林荒漠生態系統為保護對象的森林類型的主要保護區。屬典型的溫帶大陸性平原區荒漠氣候。區內年平均氣溫9.7～10.8 ℃；多年平均降水量為45.2 mm，蒸發量卻高達1 887～2 910 mm。全年盛行東北風，其次為西南風；總的特征概括為：少雨、干旱、酷熱、多風。地貌類型組成為沖積洪積平原和沙漠，地勢平緩，海拔800～940 m。由于塔里木河彎曲擺動形成的河漫灘、階地、洼地、沙丘地等多個地貌單元，為胡楊林及檉柳等灌叢的生長及其演替提供了很好的生長地。“林隨水生”是胡楊林自然分布區最大特點之一。在荒漠生態系統中，水是影響胡楊林發生、發展的主導因素，可以說河流是根本，地下水是命脈，胡楊林源淵于河流，又受制于河流。

2.2 MODIS影像數據

本研究采用的數據是Terra MODIS產品MOD09 A1(全球500m地表反射率8 d合成數據)。Terra衛星過境時間在上午10：30和晚間22：30左右。MOD09 A1數據空間分辨率為500 m(實際上是463.3 m)分辨率的1—7波段8 d合成的地表反射率，去除了云及云影干擾?？梢杂脕肀O測地球植被的季節變化和年際變化。這些數據是由NASA提供(http:∥wist.echo.nasa.gov/api/)，可以從地球觀測系統(EOS)計劃的NASA網站上下載[16]。下載過程中也要盡量選擇研究區噪音點最少的衛星影像，為了使對原始數據的干擾最小化，對下載的影像沒有進行其他處理。

地下水位實測是在2008年8月進行的，為了與地下水位資料相對應，本研究選取了2008年8月的MODIS數據。

2.3 地面實測數據

2008年8月份，在塔里木河中游兩岸沙漠化地區進行了實地考察，確保考察期間及前10 d內研究區無降雨，選擇81個樣點實測了以下數據：土壤表面含水量、表層0.10，0.20 m土壤含水量、地下水位。其目的是調整土壤水分遙感監測模型，建立定量評價地下水位的經驗公式。實測值和遙感影像反演值根據經緯度進行空間位置精確對應。對樣方的選擇主要考慮樣方的代表性，盡量選擇面積較大、土壤和植被類型比較均一、垂直于塔河流向且距離塔河不能太遠的區域設立實測樣點。

在實測的同時，另外還對研究區植被覆蓋率、不同深度的土壤水分、不同深度的土壤溫度、毛細管特征、地下水位和地表到地下水上升到的土層厚度進行了實地考察，收集了該地區植被、水、土壤、地質地貌等大量資料，同時還收集了氣象站2008年6—8月的氣象數據，以及研究區內機井的經緯度、高程、靜水位埋深及水位等數據。在可能的情況下，樣點的位置應盡量選擇符合面積較大，分布均勻，具有代表性的要求。其中地下水位的探測方法為：利用手工鉆由地表向地下鉆取土樣到潛水面為止，每鉆下10 cm取出土樣1次，根據土樣的土壤含水量判斷是否到潛水面，這樣的方法可以保證地下水水位值的誤差度在10 cm之內。使用這種方法測量的數據共81個，誤差在1 cm以內[17]。

2.4 模型部分參數的測定

d：遙感傳感器監測土壤水分的有效深度，d=0.10 m[16]。

Mmax：地下水和土壤接觸面土壤水分的最大值；Mmin：沙漠化地區從地面到地表0.08～0.10 m深處土壤水分含量，幾乎為零，這說明地下水只能達到此深處或地表蒸發量高。根據Mmin的定義，有效最小土壤水分是對0.10 m深處的土壤水分數據進行統計分析算出來的。計算時首先對MODIS影像計算土壤水分含量值，然后利用研究區域邊界對生成的土壤水分含量圖進行切割，提取每一單元內的土壤水分含量值，針對每個單元計算水分含量值的頻率累積值[18-19]。最后根據頻率累積表，水分含量單元的內取頻率為5%的土壤濕度值為Mmin=0.05%；土壤水分含量單元的內取頻率為95%的土壤濕度值為Mmax=24.11%。

Hm：地下水通過毛細管能夠上升的高度，它跟土壤質地、結構和理化性質有關，同一類土壤有相等的Hm值。由于條件的限制，在野外實地調查中，我們采用下面的方法確定了Hm=6.00 m：在研究區選擇81個比較典型的樣點，根據野外實測的地下水位H，從地表到地下水上升到的土層厚度x，利用公式Hm=H-x估測，取其平均值。

把以上的參數值代入(5)式,得

(6)

式中：H——地下水位的高度(m)；Md——d深處土壤水分百分含量(%)。

3 結果與分析

3.1 地下水位的生成

利用ENVI軟件，將公式(6)輸入波段運算工具中，利用波段運算工具計算其地下水位H，然后按地下水位的高低對圖像進行分類，得到地下水位的分布。高值區主要分布在裸露沙地、戈壁區域。低值區分布在土壤濕度比較大，植被較好的區域。最小值所在區域為一些坑塘水面。從總體來看，地下水位的分布情況基本符合實際。

以野外實地調查為佐證,對塔里木河中游沙漠化區域的水文變化進行綜合分析研究,并綜合地貌、土地利用現狀圖、氣象資料和社會經濟信息,對引起水文要素變化的原因進行分析。分析結果表明:引起塔里木河中游區域的水文變化一個重要原因是人為干擾增強，比如出現在塔河兩岸及河道部分區域的開荒種田等現象。

3.2 地下水位的驗證

為了驗證地下水位遙感定量監測模型，在2008年8月對研究區內81處的經緯度、高程、靜水位埋深及水位等進行了調查，利用這81個數據驗證模型的精度。在盡可能的情況下，樣點位置的選擇符合分布均勻，具有一定代表性的要求。考察期間研究區天氣情況基本晴朗，無雨無大風，因此建立模型時，沒有考慮降雨和風速對土壤水分的影響。根據實測樣點的經緯度值，從反演的結果圖像中選擇出對應的埋深，制作了實測地下水埋深與模型反演結果比較圖(圖1—2),其相關系數為0.896 9。

圖1 實測地下水位埋深數據與模型反演結果比較

圖2 實測數據與模型反演結果比較

通過圖1可知，在接近公式前提假設的條件下，即地下水埋深不大于6 m的沙漠化地區，且范圍較大，植被稀疏，Hm=6 m的同一類土壤，根據氣象資料遙感成像前后和實測期間前后無降雨的條件下，遙感反演結果和實測結果吻合較好。地下水埋深不大于6 m，其原因主要是和遙感監測地下水位的物理基礎有關，也就是說地下水通過毛細管作用能夠上升到達淺層土壤的最大距離應該是6 m，大于6 m時毛細管水不能上升到地表，遙感監測不到土壤濕度的變化，而小于和等于6 m時，才符合遙感監測地下水位的物理條件。

圖2中可以看出，大部分情況下，遙感反演值低于實測值。原因主要是實測數據來源于觀測孔處的實測值，代表的是點上的數據。而遙感反演的是象元區域內的一個平均值，也就是單位象元(500×500 m)面積上的平均值，所以遙感反演值與實測值相比偏低。

4 結論與討論

本文采用遙感—數學—模型學融合的研究方法，從遙感在水利方面應用的角度出發，提出了沙漠化地區在土壤中存在毛細管補給條件時，簡便、有效地監測地下水埋深的遙感模型。

研究結果表明，塔里木河中游沙漠化區域實測與遙感反演地下水埋深數據結果相比較,其相關系數為0.896 9。用以上模型把圖像轉換成地下水位的分布圖,從模型監測的地下水位分布情況看，研究結果符合實際。

在干旱、半干旱地區，尤其在地下水埋深不大于6 m的沙漠化地區，且范圍較大，利用MODIS多波段遙感模型監測并評價地下水位分布是可行的。

在接近公式前提假設的條件下遙感反演結果和實測結果吻合較好，因此本模型可以在類似于本研究區條件下使用，即符合植被稀疏，地下水毛細管上升高度同本研究區相同，土壤類型相同，根據氣象資料遙感成像前后和實測期間前后無降雨。

在非沙漠化地區，中高分辨率的landsat衛星數據在監測土壤水分方面都有一定的難度，但沙漠化地區一般面積較大，地表土壤和植被比較均一，氣候干燥少雨。在這樣的條件下，盡管MODIS數據分辨率本身較低又是合成圖像，模型計算本身也存在誤差，但是還是會取得不錯的反演效果。

利用MODIS遙感監測模型可以在宏觀上反演地下水埋深，但是存在的誤差也不能忽視，其來源主要是：

(1) 由于本文所使用的是2008年8月MODIS圖像，實地調查也是在2008年8進行的，調查時間盡量選擇在當日天氣晴朗，無風，且無前期降雨的條件下進行。雖然地面調查與衛星成像時間在同月，但仍然存在不同天的誤差。

(2) 在模型推導過程中，參數推算精度對結果精度的影響很大。在計算過程中,觀測數據量小，影響參數的精確性。

(3) 除了土壤水分以外，反映地下水位變化的因素還有植被類型、植被覆蓋度、土壤溫度，這3種因素隨地下水位的高低而變化。

因此，建立地下水位遙感監測模型時，綜合考慮植被類型、植被覆蓋度、土壤溫度等因素提供的信息，具有進一步的研究價值。

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RemoteSensingMonitoringofGroundwaterLevelofDesertificationAreainMiddleReachesofTarimRiver

GUAN Wenke1, HUO Aidi2, WU Tianzhong1, HE Xiaoxia3, YI Xiu2, ZHONG Jiahua2, WEN Yiran2

(1.AfforestationDesertControlResearchInstitute,XinjiangAcademyofForestry,Urumqi,XinjiangUygurAutonomousRegion830000,China; 2.SchoolofEnvironmentalScience&Engineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 3.XinjiangTarimPopulusEuphraticaNationalNatureReserve,Korla,XinjiangUygurAutonomousRegion, 841000,China)

[Objective] In order to provide the theoretical basis for protecting the ecological environment of Tarim River Basin, the spatial distribution of groundwater level and its effects on vegetation in Aeolian desertification areas was explored. [Methods] MODIS satellite remote sensing image data and combined method of remote sensing-mathematical-model were used. Field investigations of groundwater level, soil moisture, and other relevant information in desertification area in the middle reaches of Tarim River in Xinjiang Uygur Autonomous region were measured. Through the empirical model fitting between the measured soil moisture as independent variable and groundwater level as dependent variable, under the prerequisite condition when there is capillary supply in soil, a simple and effective remote sensing method was proposed, and it was verified that can be used to evaluate the distribution of groundwater level based on the MODIS image data. [Results] The correlation coefficient of the measured groundwater and the remote sensing retrieved water level was 0.896 9, and the error was small. The result proved that the model is applicable. [Conclusion] When groundwater depth is not more than 6 m, it is feasible to use MODIS multi band remote sensing data to monitor and evaluate the groundwater level and its spatial distribution in the desertification area.

aeolianareas;MODISimagedata;groundwaterlevel;RSmonitoringmodel

B

1000-288X(2017)05-0245-05

TP79, P641.8

文獻參數： 管文軻, 霍艾迪, 吳天忠, 等.塔里木河中游沙漠化地區地下水位遙感監測[J].水土保持通報，2017,37(5)：245-249.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.041； Guan Wenke, Huo Aidi, Wu Tianzhong, et al. Remote sensing monitoring of groundwater level of desertification area in middle reaches of Tarim River[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：245-249.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.041

2016-11-10

2017-02-21

中央財政林業科技推廣示范;跨區域重點推廣(其他推廣)示范項目“塔里木盆地北緣低覆蓋度防沙治沙技術示范” (新[2016]TG12)

管文軻(1972—),男(漢族),新疆維吾爾自治區吉木薩爾縣人,碩士,主要從事荒漠化防治與林業生態研究和推廣。E-mail:gwk1125@sina.com。

霍艾迪(1971—),男(漢族),陜西省西安市人,博士,主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail:huoaidi@163.com。