基于SEBAL模型的不同覆被条件下区域蒸散发研究

安乐生，朱　磊，刘　春

(1.安庆师范大学 资源环境学院，安徽 安庆 246133；2.安徽省地矿局326地质队，安徽 安庆 246003)



基于SEBAL模型的不同覆被条件下区域蒸散发研究

安乐生1，朱磊1，刘春2

(1.安庆师范大学 资源环境学院，安徽 安庆 246133；2.安徽省地矿局326地质队，安徽 安庆 246003)

应用遥感技术定量估算区域蒸散发较之传统方法具有很强的经济适用性。基于地表能量平衡原理的SEBAL模型和TM影像数据，结合黄河三角洲具体的土地利用方式和覆被类型，反演计算该地区不同时段的日蒸散发，追踪分析蒸发水分的来源。结果显示：4、6月区域蒸散发均值分别为2.99、4.74 mm。区内地表覆被情况显著影响地面蒸散发，进而影响潜水蒸散。8-9月份的芦苇湿地内，裸地潜水蒸发系数均小于1，芦苇地潜水蒸发系数一般大于1，在地下水埋深为5 cm时，芦苇地潜水蒸发量约为裸地的3倍。黄河三角洲地区潜水常年作为重要水源支持植被的生长发育，该地区开发建设应特别重视潜水与植被之间的相互作用关系与反馈调节机制，积极采取有效的人为调控和管理措施。

蒸散发；潜水蒸发；遥感估算；SEBAL模型；黄河三角洲

蒸散发是地表水热平衡的重要参量，是农作物生长状况和产量的重要指标[1]。估算区域蒸散发的方法有两类，一类是以水文学和气象学为主，如水量平衡原理、SPAC理论、参考作物腾发量等方法；另一类是以遥感技术为主，如统计经验法、数值模型、全遥感信息模型等方法[2]。与传统的蒸散发计算方法相比，遥感技术经济、适用、有效，在非均匀下垫面的区域蒸散发监测上具有明显的优越性，相关研究也十分常见。郭玉川等利用SEBAL模型和MODIS数据对新疆焉耆盆地的日蒸散发与月蒸散发情况进行了计算模拟，获取了相关地面特征参数[3]。李宝富等运用遥感资料与SEBAL模型估算了塔里木河干流区蒸散发，显示各土地利用/覆被类型蒸散发量大小主要与其植被覆盖度和水分供给条件有关，而日总蒸散发量大小与各土地利用/覆被类型面积密切相关[4]。

黄河三角洲地区日照较长，空气干燥，年蒸发量大于年降水量，年均蒸发量为1 860.9 mm，是降水量的3.5倍。该地区生态环境脆弱，而湿地生态尤为敏感。本研究在反演黄河三角洲蒸散发的基础上，考虑这一地区地下水位埋深很浅，进一步追踪分析地表蒸发水分的来源，以期为该地区农业灌溉、水资源合理利用和生态环境的可持续发展提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

黄河三角洲位于渤海湾南岸和莱州湾西岸，主要分布于山东省东营市和滨州市境内，由古黄河三角洲和现代黄河三角洲两部分组成。现代黄河三角洲是指1855年黄河改道入渤海后淤积形成的，以宁海为顶点，东起淄脉沟，西至徒骇河，向海伸展到16 m等深线附近的扇形堆积体。本研究东、北以海岸线为界，西、南延伸至北部自然保护区西端和东部自然保护区的南端(118°34′-119°15′E，37°36′-38°09′N)，总面积约2 719.8 km2，其中1855年以后的现代黄河三角洲占86.5%[5]，见图1。研究区属小清河以北黄泛平原区，地势低平，海拔高度低于15 m，地面坡降为1/8 000-1/12 000。该区地下水位埋深普遍较浅，一般为0.5-2.0 m，岗地与河滩高地较深，坡地次之，洼地与滨海低地最浅(大部分小于1.0 m)[6]。

图1研究区地理位置

1.2研究方法

利用2008年4月14日和2009年6月4日两期LANDSAT TM影像资料与SEBAL模型[7]估算研究区不同时间的地表蒸散发。SEBAL模型蒸发面的能量平衡计算式为

λET=Rn-G-H

(1)

式中，λET为潜热通量，W·m-2；λ为潜热蒸发系数，通常取2.49×106W·m-2·mm-1；ET是蒸散发，W·m-2；Rn为地面净辐射通量，W·m-2；G为土壤热通量，W·m-2；H为显热通量，W·m-2。

净辐射通量(Rn)为地表向下长、短波辐射与向上长、短波辐射的差值，其表达式为Rn=Qin(1-α)+(Sin-Sout)-(1-ε)Sin

(2)

式中，Qin为入射到地表的太阳短波辐射，W·m-2；α为地表反照率，无量纲；Sin、Sout分别为太阳入射、地表反射的长波辐射，W·m-2；ε为地表比辐射率，无量纲。

(3)

显热通量表达式为

(4)

式中，ρ为空气密度，kg·m-3；Cp为空气定压比热容，J·kg-1·K-1；ΔT为距离地面高度h1和h2处的温度差(h1和h2通常分别取0.1m和2.0m)，K；ra为热量传输的空气动力学阻抗，s·m-1。

以上各式计算的均是瞬时通量，需要借助蒸发比[Λ，潜热通量λET与可利用能量(Rn- G)之比]转换为日通量[8]。蒸发比及显热通量计算式分别如下

(5)

(6)

式中，ET24为日蒸散量，mm；Rn24为日平均净辐射通量，W·m-2；G24为日平均土壤热通量，W·m-2。

2　结果与讨论

2.1不同土地利用/覆被类型的地表日蒸散量

潜水蒸发并不是实际意义上的蒸散发，而是在蒸发(土壤蒸发、植物腾发)的条件下由地下水通过毛细管上升作用向包气带输送水分的过程。黄河三角洲地区蒸发量远大于降水量，因此地表蒸散需水除消耗包气带水分外，有相当一部分来自于埋深较浅的潜水。这同时也表明，区域地表总蒸散量在一定程度上能够反映不同土地利用与覆被类型下的潜水蒸散强弱。

图2是运用遥感资料与SEBAL模型估算的2008年4月14日和2009年6月4日区域蒸散量。4月14日和6月4日研究区蒸散发分别介于0.04-5.26mm、0.13-7.31mm之间，平均值分别为2.99、4.74mm。区域蒸散发最大值出现在水体，而最小值则出现在居民点或工矿用地。

通过对不同土地利用/覆被类型日蒸散量的统计发现(图3)，4月14日区内水体(不包括黄河水，黄河水因含沙量高日蒸散量略小，约为3.35-3.88 mm)、滩涂、苇草地、耕地的日蒸散量均值依次为4.88、3.50、2.76、2.19 mm，而6月4日4者日蒸散量均值分别为6.23(黄河水约为5.15-5.36 mm)、5.19、5.63、3.67 mm。6月4日较4月14日相比，区内日蒸散量明显增大，这主要与气温升高有关(4月14日和6月4日的气温分别为13-22℃和21-34℃)；苇草地日蒸散发增幅显著高于耕地，这是因为该地区6月份芦苇正值生长旺盛季节，苇草地蒸发蒸腾耗水量大，而耕地作物冬小麦已进入成熟收割阶段，其蒸散耗水量小。

由图3可以看出，地表覆被情况显著影响地面蒸散发。在黄河三角洲地区，无植被覆盖的滩涂或裸地地表蒸散量较大，在降水有限的情况下，包气带水不足以支撑长时间的高强度蒸散，必须通过潜水蒸发来维持蒸散平衡。而有植被土壤的地表蒸散发受植物类型及其生长状况显著影响，在天然植被或作物生长发育的关键时期，其日蒸散发量接近或甚至高于滩涂，在降水及灌溉有限的条件下，也必然依赖于潜水蒸发来维持相关平衡。

图3　不同土地利用/覆被类型蒸散发

2.2植被因素对潜水蒸发的影响

潜水蒸发是多种因素共同作用的结果，有无植被、植被具体类型及其生长状况等均不同程度地影响潜水蒸发。本研究因时间关系未对黄河三角洲地区不同植被条件下的潜水蒸发进行试验观测，但可以结合相关基础数据和研究成果来分析植被因素对潜水蒸发的影响。张颖等[9]在辽河口芦苇湿地区开展了潜水蒸发试验(2009年8月9日-10月1日，历时54 d)，得出了不同埋深下的潜水蒸发系数(C)，见表1。由于辽河口与黄河口区位相近，在植被发育等方面存在很多相似性，可根据研究区内垦利县气象站多年(1986-2002年)月平均水面蒸发量(E0)的实测数据及表1中的相关经验系数估算黄河三角洲8-9月份裸地与芦苇地的潜水蒸发量(Eg)，其结果见表2。

表1　不同地下水埋深的潜水蒸发系数

表2　不同地下水埋深下裸地和芦苇地(8-9月)的潜水蒸发比较

由表1和表2可知，在同一类型的试验地内，潜水蒸发系数随潜水埋深的增加而减小。8-9月份的芦苇湿地内，裸地潜水蒸发系数均小于1，芦苇地潜水蒸发系数一般大于1，在地下水埋深为5 cm时，芦苇地潜水蒸发量约为裸地的3倍。黄河三角洲地区芦苇生长季为4-10月，在其生长期初期(4月)出现高速增长，之后这种高速增长趋于平缓，并在8月中旬种群生长达到最大高度、在9月中旬出现地上净生产量的极大值。在芦苇生长的一个完整生命周期内，不同地下水埋深条件下，裸地与芦苇地的潜水蒸发系数及二者潜水蒸发量间的大小关系还有待于进一步深入研究。

通常，在植物处于生长期时，植被生长条件下的潜水蒸发会大于裸地的潜水蒸发，且这种现象随地下水埋深的增加及包气带土层颗粒的增大而愈加明显(一般沙土最为明显，粉土次之，而粘土最弱，这主要是由于包气带岩性差别会造成毛管作用力大小不同)。当植物处于非生长期时，植被生长条件下的潜水蒸发并不总是大于潜水蒸发[10]。刘路广等在豫东水利工程管理局惠北水利科学试验站(惠北试验站)进行相关观测发现，在地下水埋深为0.45 m时，轻壤土有作物在3-9月份潜水蒸发大于裸地，而沙壤土有作物在3-5月份潜水蒸发大于裸地；当地下水埋深为0.95 m时，轻壤土有作物只有3-5月份潜水蒸发大于裸地，而沙壤土有作物潜水蒸发基本上小于裸地；当地下水埋深达到2.95 m时，由于有无植被情形下毛管作用力的显著差异，上述两种性质的土壤有作物时潜水蒸发均大于裸地[11]。因黄河三角洲内陆地区与惠北试验站在引黄灌溉、土壤质地(轻壤土、沙壤土)、作物种植类型(冬小麦、夏玉米)等方面具有很多的共性，惠北试验站所获得的相关观测数据及其研究成果对了解黄河三角洲地区裸地与作物生长下的潜水蒸发有一定的参考价值。

研究区地下水常年作为重要水源支持植被的生长发育，同时破坏地表植被势必加剧蒸发与浓缩，产生土壤次生盐渍化。因此，该区域植被与潜水之间存在极为密切的作用与反作用关系。研究区作为黄河三角洲高效生态经济区的核心区，在其开发过程中首先应明白一个基本事实，即在自然状态下，海水入侵顶托和地表蒸发浓缩会导致潜水盐分不断上升，土壤积盐将愈加严重[5]。因此，该地区开发建设应特别重视潜水与植被之间的相互作用关系与反馈调节机制，积极采取有效的人为调控和管理措施。应继续加大黄河下游调水调沙的力度，充分发挥生态调度的“压咸补淡”作用，以防止地表蒸散发引起潜水过度蒸发导致土壤盐渍化加重。

3　结　　论

(1) 地表日蒸散发量的反演显示黄河三角洲地区4、6月区域蒸散发均值分别约为2.99、4.74 mm。区内地表蒸散强烈，且地表覆被情况显著影响地面蒸散发，进而影响潜水蒸散。

(2) 区内潜水蒸发系数随潜水埋深的增加而减小。8-9月份的芦苇湿地内，裸地潜水蒸发系数均小于1，芦苇地潜水蒸发系数一般大于1，在地下水埋深为5 cm时，芦苇地潜水蒸发量约为裸地的3倍。

(3) 黄河三角洲地区地下水常年作为重要水源支持植被的生长发育，该区域植被与潜水之间有极为密切的作用与反作用关系。因此，该地区开发建设应特别重视潜水与植被之间的相互作用关系与反馈调节机制，积极采取有效的人为调控和管理措施。

[1] 张荣华,杜君平,孙睿. 区域蒸散发遥感估算方法及验证综述[J]. 地球科学进展, 2012, 27(12): 1295-1307.

[2] 武夏宁,胡铁松,王修贵,等. 区域蒸散发估算测定方法综述[J]. 农业工程学报, 2006, 22(10): 257-262.

[3] 郭玉川,何英,董新光. 基于MODIS数据的区域蒸散发估算研究[J]. 节水灌溉, 2008, 33(1): 44-47.

[4] 李宝富,陈亚宁,李卫红,等. 基于遥感和SEBAL模型的塔里木河干流区蒸散发估算[J]. 地理学报, 2011, 66(9): 1230-1238.

[5] 安乐生,赵全升,叶思源,等. 黄河三角洲地下水关键水盐因子及其植被效应[J]. 水科学进展, 2011, 22(5): 689-695.

[6] 高茂生,叶思源,史贵均,等. 潮汐作用下的滨海湿地浅层地下水动态变化[J]. 水文地质工程地质, 2010, 37(4): 24-27.

[7] Bastiaanssen W G, Molden D J, Makin I W. Remote sensing for irrigated agriculture: Examples from research and possible applications[J]. Agricultural Water Management, 2000, 46(2): 137-155.

[8] Wu C D, Cheng C C, Lo H C, et al. Application of SEBAL and Markov models for future stream flow simulation through remote sensing[J]. Water Resources Management, 2010, 24(14): 3773-3797.

[9] 张颖,郑西来,伍成成,等. 辽河口芦苇湿地区潜水蒸发试验[J].浙江农林大学学报, 2011, 28(4): 569-575.

[10] 胡顺军,田长彦,宋郁东,等. 裸地与潜水生长条件下的潜水蒸发模型[J]. 科学通报, 2006, 51(Z1): 36-41.

[11] 刘路广,崔远来,冯跃华. 引黄灌区潜水蒸发规律与计算方法研究[J]. 灌溉排水学报, 2011, 30(3): 18-22.

Research on Regional Evapotranspiration Based on SEBAL Model of Different Vegetation Cover

AN Le-sheng1, ZHU Lei1, LIU Chun2

(1.Environmental Science College, Anqing Normal University, Anqing, Anhui 246133, China;2.No.326 Geological Team, Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Anqing, Anhui 246003, China)

Compared with the traditional method, the quantitative estimation of regional evapotranspiration by remote sensing technology has good economic applicability. Based on the SEBAL model and TM image data, combined with the specific land use and vegetation types in the Yellow River Delta, the daily evapotranspiration of different time periods in this area was calculated by the inversion and the source of the water evaporation was analyzed. The following results were obtained: average regional evaporations of April and June are 2.99 and 4.74 mm, respectively. Regional vegetation coverage significantly affects the surface evaporation, and then affects the phreatic water evaporation. In reed wetland from August to September, bare land phreatic water evaporation coefficient was less than 1, but reed phreatic water evaporation coefficient was generally greater than 1. Groundwater is buried deeply 5 cm, reed phreatic water evaporation was about three times as many bare land. Most of the time phreatic water as an important water source supports the growth and development of vegetation in the Yellow River Delta. The area development and construction should pay special attention to the interaction relationship and feedback regulation mechanism between phreatic water and vegetation.

evapotranspiration; phreatic water evaporation; remote sensing estimation; SEBAL model; the Yellow River Delta

2016-01-03

安徽省高校自然科学研究一般项目(AQKJ2014B022)和安徽省公益性技术应用联动研究计划项目(1501ld04051)。

安乐生，男，安徽桐城人，博士，安庆师范大学资源环境学院副教授，研究方向为水土环境系统模拟。E-mail: als00316@163.com

时间：2016-8-17 11:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160817.1131.025.html

S156.4

A

1007-4260(2016)03-0097-05

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.03.025