克拉瑪依地區不同地類的生態耗水研究

馬磊 朱建雯

摘要：指出了在水資源相對缺乏的干旱、半干旱區，如何對克拉瑪依地區的地表蒸散進行遙感反演？如何對該區域的生態耗水量進行定量評估？是一個重要的科學問題。以克拉瑪依地區作為研究區，首先，利用HJ遙感影像進行不同地類提取，得到了研究區不同土地利用類型專題圖及各地類面積;然后，運用遙感技術提取該區域的植被覆蓋度、地表比輻射率、地表溫度等，在氣象數據的支撐下，根據SEBAL模型對研究區蒸散發進行遙感反演，從而得到了研究區的蒸散發專題數據;在上述工作基礎之上，根據生態耗水量近似等于地表蒸散量與降雨量之差，計算得到了研究區生態耗水量數據。這將有利于分析不同植被覆蓋和土地利用條件下的耗水分布規律，對干旱、半干旱區保障生態需水，實現水資源的合理配置和利用等有著重要的意義。研究結果表明：研究區生態用地所占比例較大，該區域生態環境脆弱，需要從不同角度對該區域生態用地進行生態保護、合理利用與開發，并對農業、城市等發展做出科學地規劃。

關鍵詞：生態耗水量;蒸散量;遙感反演;土地利用類型;克拉瑪依

中圖分類號：S271

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0133-04

1研究背景及意義

我國內陸干旱區面積約占國土面積1/4，水資源的短缺，大大限制了西部干旱、半干旱區的發展。然而，內陸干旱區海拔較高的山區年降水量雖然可以達到200mm以上，但除此基本都在200mm以下，塔里木盆地甚至僅為50mm左右。可見，水資源是干旱、半干旱區城市發展的關鍵因素。但由于干旱區綠洲降水稀少、蒸發量較大，并且人類對水資源的利用不合理等一系列原因使干旱區生態環境變得非常脆弱，土地退化、沙漠面積擴大等生態問題嚴重制約著綠洲的發展。

克拉瑪依是中緯度內陸地區干旱、半干旱區的一座典型城市，屬典型的溫帶大陸性氣候。在水資源相對缺乏的干旱、半干旱區，如何對克拉瑪依地區的地表蒸散進行遙感反演？如何對該區域的生態耗水量進行定量評估？

就此科學問題，本研究以克拉瑪依地區作為研究區，首先利用HJ遙感影像進行不同地類提取，得到研究區不同土地利用類型專題圖及各地類面積;然后運用遙感技術提取該區域的植被覆蓋度、地表比輻射率、地表溫度等，在氣象數據的支撐下，根據SEBAL模型對研究區蒸散發進行遙感反演，從而得到研究區的蒸散發專題數據;在上述工作基礎之上，根據生態耗水量近似等于地表蒸散量與降雨量之差，計算得到研究區生態耗水量數據。

這將有利于分析不同植被覆蓋和土地利用條件下的耗水分布規律，對干旱、半干旱區保障生態需水，實現水資源的合理配置和利用等有著重要的意義。

2研究目標及內容

運用遙感技術，分析克拉瑪依地區土地利用變化情況，對該區域地表參數進行反演，計算該區不同地類的生態耗水量，以此提出生態環境建設保護建議和對策。利用遙感技術結合地面調查資料，根據不同時間的遙感數據進行土地利用變化分析，并對植被覆蓋度、地表比輻射率、地表溫度及地表蒸散進行遙感反演。在地表參數反演的基礎上，計算不同地類的生態耗水量，客觀評價克拉瑪依地區的生態用水情況。提出生態環境建設保護建議和對策，為脆弱生態系統的恢復提供有益的指導。

3研究方法

3.1遙感數據處理

HJ星遙感數據利用ENVI5.0軟件進行預處理。包括影像切割、幾何配準、幾何精校正、影像配準等基礎性工作。根據外業調查數據確定對照點位置，使解譯地類與實際地類一致，再利用ArcGIS軟件進行解譯區劃和拓撲，以制作相應的土地利用分類專題圖。

3.2土地利用分類

3.2.1確定分類標準及解譯標志

根據研究內容和目的，通過對2009年、2012年兩期HJ星數據影像進行實地比對，并查閱相關資料，確定分類標準及解譯標志（表1）。克拉瑪依地區土地利用一級分類主要包括林業用地、農業用地、城市綠地、水域和生態用地五大類。其中，每個一級大類下面將進一步細化分為如表1所示的20多類，本文研究采用一級大類對2009年、2012年兩期遙感影像進行分類。

3.2.2地類提取

根據確定的分類標準及解譯標志，通過實地對不同地類的調查數據，確定遙感影像上不同地類的典型訓練樣本，在ENVI軟件中采用最大似然法進行監督分類，并使用Confusion Matrix功能計算分類精度。2009年總體分類精度和Kappa系數分別為92.35%和0.90，2012年總體分類精度和Kappa系數分別為93.50%和0.91，均達到了分類要求。

3.3地表參數的遙感反演和地表蒸散量的計算

基于HJ衛星可見光、近紅外、熱紅外波段遙感數據，利用ENVI5.0、Erdas提取地表比輻射率、地表溫度、地表反照率等地表特征參數。本研究選擇SEBAL 模型對該區域的地表蒸散量進行模擬。

3.4生態耗水量的計算

生態耗水量近似等于地表蒸散量與降雨量之差，根據氣象站點實測降雨量，計算得到研究區生態耗水量數據。

4研究結果及分析

利用土壤水平衡方程，按生態耗水量近似等于地表蒸散量與降雨量之差，計算研究區的生態耗水量，并利用GIS空間疊加分析、統計功能，計算研究區不同地類的平均生態耗水量及總生態耗水量，這對分析在不同植被覆蓋和土地利用條件下的耗水分布規律、實現水資源的合理配置和利用均具有重要意義。

4.1不同地類地表蒸散量

不同地類月地表蒸散量總體上反應了該地類的蒸散能力，從表2中可以明顯看出，水域的蒸散能力最強，在植被生長旺季，農業用地和城市綠地的蒸散能力明顯高于生態用地和林業用地。該區域林地主要以葉面積較低的樹種構成，所以蒸騰能力較低，蒸散量較小。水域的蒸散量最大值出現在8月份，主要是由于8月份日照時間和日照強度最大。農業用地在5月份到8月份之間，蒸散量持續較高。城市綠地隨著日照強度和日照時間的增加而增加。生態用地和林業用地蒸散量較低，主要是由于這兩種地類處于極度缺水狀態，所以蒸散發能力偏低。

4.2不同地類月地表蒸散總量

根據不同地類單位面積的蒸散量與該地類總面積相乘計算得到各地類月地表蒸散量（表3），由于研究區生態用地面積分布范圍廣泛且最大，所以其蒸散總量較高;農業用地的面積較為適中，平均蒸散量高，導致蒸散總量也較高;水域由于蒸散能力強，但面積較低，因此蒸散總量較為適中;林業用地由于蒸散能力較弱，其蒸散總量較低;城市綠地面積分布較少，蒸散總量在各地類中總體偏低。

4.3不同地類月降雨量

研究假設克拉瑪依地區每個子區域的降雨量一樣，根據不同地類的面積和氣象統計的降雨量數據（表4）.可直接計算出不同地類月降雨總量（表5）。

從表4可以看到，6月、7月和8月這3個月份的降雨量最大，這3個月份的太陽輻射強度和日照時間也是最長，同時也是植被生長旺季，從而導致該時間段蒸散量最大。此外，從表5可以得出，不同地類降雨總量從大到小依次為：生態用地、農業用地、林業用地、水域、城市綠地;從不同月份來看，各地類降雨總量幾乎集中在6月、7月與8月，其中以生態用地降水量最大，這主要是由于生態用地分布廣泛造成的，說明各地類降雨總量與不同地類面積分布有密切關聯。

4.4不同地類平均生態耗水量

根據土壤水分平衡方程，生態耗水量（生態需水量）近似等于地表蒸散量減去降雨量，從表6可以看到，水域的平均耗水量最大，4月份到10月份之間總耗水量為642mm，主要是由于水體蒸散發能力最大;耗水量其次的是農業用地和城市綠地，主要是由于植被和農作物的蒸騰作用;林業用地和生態用地的土壤含水量較低，其蒸散能力處于臨界狀態，所以平均耗水量較小。

4.5不同地類總生態耗水量

由表7可以看出：農業用地在4月到10月之間的合計耗水量為5.332×l0⁸m?，這部分水主要來源于農業的直接灌溉，是該區域水資源主要消耗源之一，生態用地（5.451×l0⁸m?）和林業用地（1.266×lO⁸m?）在該地區生態耗水中占有最大比重，主要是由于生態用地和林業用地為該區域的主要地類，這兩種地類的平均耗水量均較低。城市綠地（0.199×lO⁸m?）的平均耗水量較高，但城市綠地總體面積較小，所以在該區域總耗水量方面占有較低比重。水域（0.511×l0⁸m?）平均耗水量最高，但面積較低，所以耗水總量適中。

4.6小結

通過對研究區生態耗水量的計算，得到研究區林業用地、城市綠地、農業用地、生態用地、水域的平均生態耗水量分別為127.31mm、322.81mm、438.98mm、110.22mm、642.02mm;總生態耗水量分別為1.266×10⁸m?、0.199×lO⁸m?、5.332×l0⁸m?、5.451×l0⁸m?、0.511×l0⁸m?。

5結論

本研究以克拉瑪依地區為研究區，首先利用HJ遙感影像進行不同地類提取，得到研究區不同土地利用類型專題圖及各地類面積;然后運用遙感技術提取該區域的植被覆蓋度、地表比輻射率、地表溫度等，在氣象數據的支撐下，根據SEBAL模型對研究區蒸散發進行遙感反演，從而得到研究區的蒸散發專題數據;生態耗水量近似等于地表蒸散量與降雨量之差，因此，根據氣象站點實測降雨量以及遙感反演的蒸散發數據，計算得到研究區生態耗水量數據。主要結論總結為以下幾個部分：

（1）通過對研究區相關地表參數的遙感反演可以看出，研究區各地表參數的分布與土地利用類型的分布密切相關。

（2）通過對研究區生態耗水量的計算，得到研究區林業用地、城市綠地、農業用地、生態用地、水域的平均生態耗水量分別為127.31mm、322.81mm、438.98mm、110.22mm、642.02mm;總生態耗水量分別為1.266×l0⁸m?、0.199×l0⁸m?、5.332×l0⁸m?、5.451×10⁸m?、0.511×l0⁸m?。

（3）研究區生態用地所占比例較大，該區域生態環境脆弱，需要從不同角度對該區域生態用地進行生態保護、合理利用與開發，并且，對農業、城市等發展應做出科學的規劃。