基于遙感的華北低平原區(qū)地表坑塘蓄水能力研究
——以河北省南皮縣為例

呂夢宇 齊永青 王仕琴

一、前言

隨著人口越來越多，我國糧食增產的需求越來越大。華北低平原區(qū)分布有大面積的中低產農田，糧食增產潛力巨大，但該區(qū)也是我國水資源嚴重缺乏地區(qū)之一。糧食生產長期依靠抽提深層地下水來實現(xiàn),長期的灌溉造成該區(qū)地下水位快速下降,形成了世界上最大的復合型地下水位降落漏斗區(qū),并引起一系列的環(huán)境問題[1-3]。另一方面該區(qū)淺層地下水多咸水和微咸水分布，目前利用率不足40%[4]。同時該區(qū)是降雨相對豐富地區(qū)，年降水量450～600mm,并且位于海河流域南系諸河下游，汛期雨洪資源十分豐富，充分利用坑塘集蓄雨洪資源是解決該區(qū)糧食生產水資源需求的重要途徑[2,5]。因此，查明不同降水年型下地表坑塘集蓄雨洪資源的能力，可為環(huán)渤海低平原區(qū)糧食增產提供水資源保障，對于保障區(qū)域地下水安全和糧食安全具有重要意義。

近年來，隨著遙感科學的不斷發(fā)展，基于遙感技術的水資源監(jiān)測成為全球變化和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要研究內容[6]?？犹磷鳛榈乇硭Y源的重要組成部分，得到了許多研究學者的廣泛關注。使用遙感數據對坑塘進行識別和監(jiān)測的研究已經取得重要進展。范鵬鵬等[7]利用三期Landsat 衛(wèi)星TM遙感數據對多年來洪湖市坑塘的時空演變進行了分析。范亞民等[8]利用多期遙感影像從時間 、空間和利用類型3個方面分析了近30年來太湖圍湖利用及東太湖網圍養(yǎng)殖的時空變化特征。羅玲等[9]基于多期遙感影像提取1990年、2000年和2013年湖泊和水庫/坑塘分布信息，探討1990-2013年間松嫩平原西部湖泊和水庫/坑塘蓄水面積和數量的變化及驅動因素。黃翀等[10]基于國產自主環(huán)境一號小衛(wèi)星遙感數據，對2010年黃河三角洲生態(tài)調水暨刁口河流路恢復過水試驗進行動態(tài)監(jiān)測和初步評價。近30年國內外相關研究很多，但大多集中于河湖濕地的研究，而基于遙感監(jiān)測技術應用于坑塘提取的研究和應用相對較少。

南皮縣是雨洪坑塘集蓄利用研究示范區(qū)，也是“渤海糧倉”項目縣域糧食增產的主要示范區(qū)。本文以華北低平原區(qū)雨洪坑塘集蓄利用示范區(qū)——河北省南皮縣的坑塘水研究對象，借鑒國內外對于水體信息提取的經驗，利用多時相的LandsatTM5和LandsatOLI_TIRS8遙感數據對研究區(qū)的坑塘信息進行提取，查明在不同降水年型下南皮縣坑塘蓄水量，進而明確坑塘在不同降水年型下作為灌溉水源的保障能力，為合理開發(fā)利用坑塘水進行提供科學依據。

二、研究區(qū)與數據源

2.1 研究區(qū)概況

南皮縣位于河北省的東南部，滄州市的南部，處于內陸平原與濱海平原過渡地區(qū)（圖1），屬黃河、海河沖積平原，地理位置11632E 11702E，37 50N 3811N，為暖溫帶半干旱半濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫12.3℃，降水年內分配不均年際變化大，多年平均降水量為572.5mm，6—8月降水量約占全年總降水量的73.6%。面積大約為800km2,耕地面積為5.313萬hm2，主要的農作物有小麥、玉米、棉花等[8,11-13]。南皮縣地表水系發(fā)達，主要包括大運河、漳衛(wèi)新河、宣惠河、四港新河四條主要的河流與大浪淀，還包括大浪淀的五條引水渠(一、二、三、四、五號干溝）、大浪淀排水渠、肖圈干渠、路東溝等主要的排水溝渠。

2.2 數據源

本文所用遙感數據為L a n d s a t T M 5及其Landsat8OLI_TIRS影像數據，遙感影像軌徑號為Path/Row：122/34，影像獲取日期分別為2001年9月9日、2009年8月30日以及2014年8月12日。全景影像質量較好，2014年8月份影像分布少量云，但并未覆蓋研究區(qū)，對研究區(qū)水體提取無影響；其他年份圖像質量比較好，無云和條帶影響。根據自中國氣象共享服務網（http://www.escience.gov.cn）下載的南皮縣多年氣象數據，南皮縣多年平均降雨量為572.5mm，選取2001、2009、2014年年降雨量分別為521mm、978.6mm、323.8mm，這三個年份可以代表平水年、豐水年、枯水年典型降水年型。

利用研究區(qū)矢量邊界提取研究區(qū)3期遙感影像，并以2001年的TM影像作為參考圖像，分別對2009年和2014年的影像進行圖像配準和幾何校正，校正誤差控制在1個像元以內。

三、研究方法

遙感特征信息的自動提取能夠大大減輕工作量，提高工作效率?？傮w來說，目前水體信息提取方法主要包括單波段法、多波段法和比值法[14,15]。本研究參照國內外研究，采用改進的歸一化差異水體指數方法提取研究區(qū)的水體信息，坑塘信息提取是在水體信息提取的基礎上，通過形狀指數與目視解譯方法去除河流，得到研究區(qū)坑塘分布信息。根據研究區(qū)坑塘蓄水庫容曲線，可以由水面面積進一步計算得到坑塘蓄水量，從而查明坑塘在不同降水年型下作為灌溉水源的保障能力。

3.1 改進的歸一化差異水體指數

改進的歸一化差異水體指數（Modified Normalized Difference Water Index），由于水體的反射從可見光到中紅外波段逐漸減弱，在近紅外和中紅外波長范圍內吸收性最強，幾乎無反射，因此，利用可見光波段和中紅外波段的反差可以突出影像中的水體信息[14]。

式中，IMNDWI代表MNDWI的指數值；RG代表綠光波段的反射率值；RMIR 代表中紅外波段的反射率值。

3.2 坑塘蓄水庫容曲線

坑塘庫容曲線是表示坑塘占地面積與其相應庫容關系的曲線，其計算公式為

式中，y代表蓄水能力（萬立方米），x代表占地面積（畝）。

四、結果與分析

4.1 坑塘空間分布格局

基于改進的歸一化差異水體指數方法提取的2001年、2009年、2014年坑塘分布信息，如圖2所示?？犹翉V布于整個研究區(qū)，主要分布在中西部的南皮、大浪淀鎮(zhèn)、劉八里鎮(zhèn)以及鮑官屯鎮(zhèn)的北部地區(qū)，并且呈現(xiàn)集中分布態(tài)勢。研究區(qū)內分布有大浪淀水庫，但是水庫水作為滄州市區(qū)的居民生活用水，并不能為農業(yè)用水提供保障，因此，將提取的大浪淀水庫信息剔除。

4.2 不同降水年型下坑塘面積統(tǒng)計特征及其分級

南皮縣地處近濱海平原，為暖溫帶半干旱半濕潤季風氣候，降水年內年際變化很大。為更直觀地呈現(xiàn)不同降水年型下的坑塘狀況，表1列出了不同降水年型下研究區(qū)不同面積等級的坑塘水體信息。

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根據研究區(qū)坑塘的特點，將其按面積大小分為如下5個等級：Ⅰ（＜5000m2）、Ⅱ（≥5000～10000m2）、Ⅲ（≥10000～20000m2）、Ⅳ（≥20000～40000m2）、Ⅴ（≥40000m2）。不同降水年型下坑塘的數量分級統(tǒng)計如表1所示，可以明顯看出：研究區(qū)坑塘均主要以小于5000m2的水體為主，小于5000m2的水體在2001年（平水年）、2009年（豐水年）和2014年（枯水年）蓄水總面積分別為75.55、100.96和39.68萬平方米?？犹翑盗繌呢S水年到枯水年逐漸變少，其中以小于5000m2的坑塘減少數量和比例最為明顯。從豐水年到枯水年不同面積分級的坑塘數量變化呈現(xiàn)出異質性，其中小于10000m2的坑塘數量呈現(xiàn)明顯減少的趨勢，大于10000m2的坑塘呈現(xiàn)增加趨勢。2種相反的變化趨勢可能與降雨量和人類活動干擾有關，大于10000m2坑塘增加可能主要是由于人為因素所致，而小于10000m2的坑塘數量減少主要是由于不同降水年型的影響。

4.3 不同降水年型下坑塘的蓄水能力

根據研究區(qū)坑塘蓄水庫容曲線，計算得到不同降水年型下研究區(qū)坑塘實際蓄水量。如表2所示：2001年-2014年不同降水年型下，坑塘具有較強的蓄水能力，尤其是豐水年型下蓄水量達1865.6萬立方米，做為農業(yè)灌溉水源具有很好保障能力；不同降水年型下雨水集蓄能力也不同，平水年（2001年）、豐水年（2009年）和枯水年（2014年）的坑塘蓄水量分別為825、1865.6、910萬立方米；豐水年坑塘蓄水量顯著大于平水年與枯水年的蓄水量，主要是受降雨作用的影響；枯水年（2014）與平水年（2001）坑塘蓄水量與降雨量呈現(xiàn)相反的變化趨勢，主要是由于年份相差較遠，可能是與人類活動干擾有關，如坑塘的開挖擴大等。

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五、結論

本文以通過衛(wèi)星遙感影像提取的2001年、2009年和2014年的坑塘數據為基礎，系統(tǒng)探討了不同降水年型下的坑塘分布格局、坑塘蓄水面積特征及其蓄水能力的大小，得出以下結論：

（1）南皮縣坑塘廣布于整個研究區(qū)，主要分布在中西部的南皮、大浪淀鎮(zhèn)、劉八里鎮(zhèn)以及鮑官屯鎮(zhèn)的北部地區(qū)。

（2）降雨量對于中小型坑塘的數量及其蓄水面積具有顯著影響，坑塘數量及其蓄水面積從豐水年到枯水年呈現(xiàn)逐漸變少的趨勢；而人類活動對大型坑塘影響更明顯，由此可見，降雨量與人類活動均是影響區(qū)域坑塘數量與蓄水面積的重要因素。

（3）平水年（2001年）、豐水年（2009年）和枯水年（2014年）的坑塘數量分別為720、950、397個，蓄水能力分別為825、1865.6、910萬立方米，具有良好的蓄水能力，可以為農業(yè)灌溉提供一個良好的保障。

[1]李振聲,歐陽竹,劉小京,等.建設“渤海糧倉”的科學依據——需求、潛力和途徑[J].中國科學院院刊,2011,26(4):371-374

[2]張喜英,劉小京,陳素英,等.環(huán)渤海低平原農田多水源高效利用機理和技術研究[J].中國生態(tài)農業(yè)學報,2016(8):995-1004.

[3]孔曉樂,王仕琴,劉丙霞,等.外來調水對華北低平原區(qū)地表水和地下水水化學特征的影響——以河北省南皮縣為例[J].中國生態(tài)農業(yè)學報,2016(8):1135-1144.

[4]鄭連生.廣義水資源與適水發(fā)展[M].北京:中國水利水電出版社,2009

[5]楊振英.滄州市坑塘建設效益及建議[J].現(xiàn)代農業(yè)科技,2013(5):220-221.

[6]Palmer S C J,Kutser T,Hunter P D.Remote sensing of inland waters:Challenges, progress and future directions[J].2015.

[7]韓鵬鵬,黃進良,李仁東,等.基于面向對象的坑塘遙感監(jiān)測與動態(tài)分析[J].農業(yè)機械學報,2015,46(1):272-277.

[8]范亞民,李海宇,何華春,等.近30年來太湖圍湖利用及東太湖網圍養(yǎng)殖動態(tài)變化研究[J].長江流域資源與環(huán)境,2012(S2):121-126.

[9]羅玲,毛德華,王宗明,等.松嫩平原西部湖泊與水庫/坑塘動態(tài)變化及驅動因素分析[J].農業(yè)工程學報,2015,31(22):285-291.

[10]黃翀,劉高煥,傅新,等.黃河三角洲刁口河流路濕地恢復遙感監(jiān)測與評價[J].地理科學進展,2012,31(5):570-576.

[11]何康康,楊艷敏,楊永輝.基于HYDRUS-1D模型的華北低平原區(qū)不同微咸水利用模式下土壤水鹽運移的模擬[J].中國生態(tài)農業(yè)學報,2016(8):1059-1070.

[12]曹國升,趙秀華.南皮縣節(jié)水灌溉現(xiàn)狀及規(guī)劃要點[J].河北工程技術高等?？茖W校學報,2013(2):8-11.

[13]喬海龍,劉小京,李偉強,等.秸稈深層覆蓋對水分入滲及蒸發(fā)的影響[J].中國水土保持科學,2006,4(2):34-38.

[14]徐涵秋.利用改進的歸一化差異水體指數 (MNDWI)提取水體信息的研究[J].遙感學報,2005,9(5):589-595.

[15]李文波,于春穎,張秋文,等.基于歸一化水體指數的水域面積估算研究[J].人民長江,2008,39(2):11-12.