基于遥感的华北低平原区地表坑塘蓄水能力研究——以河北省南皮县为例

吕梦宇 齐永青 王仕琴

一、前言

随着人口越来越多，我国粮食增产的需求越来越大。华北低平原区分布有大面积的中低产农田，粮食增产潜力巨大，但该区也是我国水资源严重缺乏地区之一。粮食生产长期依靠抽提深层地下水来实现,长期的灌溉造成该区地下水位快速下降,形成了世界上最大的复合型地下水位降落漏斗区,并引起一系列的环境问题[1-3]。另一方面该区浅层地下水多咸水和微咸水分布，目前利用率不足40%[4]。同时该区是降雨相对丰富地区，年降水量450～600mm,并且位于海河流域南系诸河下游，汛期雨洪资源十分丰富，充分利用坑塘集蓄雨洪资源是解决该区粮食生产水资源需求的重要途径[2,5]。因此，查明不同降水年型下地表坑塘集蓄雨洪资源的能力，可为环渤海低平原区粮食增产提供水资源保障，对于保障区域地下水安全和粮食安全具有重要意义。

近年来，随着遥感科学的不断发展，基于遥感技术的水资源监测成为全球变化和生态可持续发展的重要研究内容[6]。坑塘作为地表水资源的重要组成部分，得到了许多研究学者的广泛关注。使用遥感数据对坑塘进行识别和监测的研究已经取得重要进展。范鹏鹏等[7]利用三期Landsat 卫星TM遥感数据对多年来洪湖市坑塘的时空演变进行了分析。范亚民等[8]利用多期遥感影像从时间 、空间和利用类型3个方面分析了近30年来太湖围湖利用及东太湖网围养殖的时空变化特征。罗玲等[9]基于多期遥感影像提取1990年、2000年和2013年湖泊和水库/坑塘分布信息，探讨1990-2013年间松嫩平原西部湖泊和水库/坑塘蓄水面积和数量的变化及驱动因素。黄翀等[10]基于国产自主环境一号小卫星遥感数据，对2010年黄河三角洲生态调水暨刁口河流路恢复过水试验进行动态监测和初步评价。近30年国内外相关研究很多，但大多集中于河湖湿地的研究，而基于遥感监测技术应用于坑塘提取的研究和应用相对较少。

南皮县是雨洪坑塘集蓄利用研究示范区，也是“渤海粮仓”项目县域粮食增产的主要示范区。本文以华北低平原区雨洪坑塘集蓄利用示范区——河北省南皮县的坑塘水研究对象，借鉴国内外对于水体信息提取的经验，利用多时相的LandsatTM5和LandsatOLI_TIRS8遥感数据对研究区的坑塘信息进行提取，查明在不同降水年型下南皮县坑塘蓄水量，进而明确坑塘在不同降水年型下作为灌溉水源的保障能力，为合理开发利用坑塘水进行提供科学依据。

二、研究区与数据源

2.1 研究区概况

南皮县位于河北省的东南部，沧州市的南部，处于内陆平原与滨海平原过渡地区（图1），属黄河、海河冲积平原，地理位置11632E 11702E，37 50N 3811N，为暖温带半干旱半湿润季风气候区，年平均气温12.3℃，降水年内分配不均年际变化大，多年平均降水量为572.5mm，6—8月降水量约占全年总降水量的73.6%。面积大约为800km2,耕地面积为5.313万hm2，主要的农作物有小麦、玉米、棉花等[8,11-13]。南皮县地表水系发达，主要包括大运河、漳卫新河、宣惠河、四港新河四条主要的河流与大浪淀，还包括大浪淀的五条引水渠(一、二、三、四、五号干沟）、大浪淀排水渠、肖圈干渠、路东沟等主要的排水沟渠。

2.2 数据源

本文所用遥感数据为L a n d s a t T M 5及其Landsat8OLI_TIRS影像数据，遥感影像轨径号为Path/Row：122/34，影像获取日期分别为2001年9月9日、2009年8月30日以及2014年8月12日。全景影像质量较好，2014年8月份影像分布少量云，但并未覆盖研究区，对研究区水体提取无影响；其他年份图像质量比较好，无云和条带影响。根据自中国气象共享服务网（http://www.escience.gov.cn）下载的南皮县多年气象数据，南皮县多年平均降雨量为572.5mm，选取2001、2009、2014年年降雨量分别为521mm、978.6mm、323.8mm，这三个年份可以代表平水年、丰水年、枯水年典型降水年型。

利用研究区矢量边界提取研究区3期遥感影像，并以2001年的TM影像作为参考图像，分别对2009年和2014年的影像进行图像配准和几何校正，校正误差控制在1个像元以内。

三、研究方法

遥感特征信息的自动提取能够大大减轻工作量，提高工作效率。总体来说，目前水体信息提取方法主要包括单波段法、多波段法和比值法[14,15]。本研究参照国内外研究，采用改进的归一化差异水体指数方法提取研究区的水体信息，坑塘信息提取是在水体信息提取的基础上，通过形状指数与目视解译方法去除河流，得到研究区坑塘分布信息。根据研究区坑塘蓄水库容曲线，可以由水面面积进一步计算得到坑塘蓄水量，从而查明坑塘在不同降水年型下作为灌溉水源的保障能力。

3.1 改进的归一化差异水体指数

改进的归一化差异水体指数（Modified Normalized Difference Water Index），由于水体的反射从可见光到中红外波段逐渐减弱，在近红外和中红外波长范围内吸收性最强，几乎无反射，因此，利用可见光波段和中红外波段的反差可以突出影像中的水体信息[14]。

式中，IMNDWI代表MNDWI的指数值；RG代表绿光波段的反射率值；RMIR 代表中红外波段的反射率值。

3.2 坑塘蓄水库容曲线

坑塘库容曲线是表示坑塘占地面积与其相应库容关系的曲线，其计算公式为

式中，y代表蓄水能力（万立方米），x代表占地面积（亩）。

四、结果与分析

4.1 坑塘空间分布格局

基于改进的归一化差异水体指数方法提取的2001年、2009年、2014年坑塘分布信息，如图2所示。坑塘广布于整个研究区，主要分布在中西部的南皮、大浪淀镇、刘八里镇以及鲍官屯镇的北部地区，并且呈现集中分布态势。研究区内分布有大浪淀水库，但是水库水作为沧州市区的居民生活用水，并不能为农业用水提供保障，因此，将提取的大浪淀水库信息剔除。

4.2 不同降水年型下坑塘面积统计特征及其分级

南皮县地处近滨海平原，为暖温带半干旱半湿润季风气候，降水年内年际变化很大。为更直观地呈现不同降水年型下的坑塘状况，表1列出了不同降水年型下研究区不同面积等级的坑塘水体信息。

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根据研究区坑塘的特点，将其按面积大小分为如下5个等级：Ⅰ（＜5000m2）、Ⅱ（≥5000～10000m2）、Ⅲ（≥10000～20000m2）、Ⅳ（≥20000～40000m2）、Ⅴ（≥40000m2）。不同降水年型下坑塘的数量分级统计如表1所示，可以明显看出：研究区坑塘均主要以小于5000m2的水体为主，小于5000m2的水体在2001年（平水年）、2009年（丰水年）和2014年（枯水年）蓄水总面积分别为75.55、100.96和39.68万平方米。坑塘数量从丰水年到枯水年逐渐变少，其中以小于5000m2的坑塘减少数量和比例最为明显。从丰水年到枯水年不同面积分级的坑塘数量变化呈现出异质性，其中小于10000m2的坑塘数量呈现明显减少的趋势，大于10000m2的坑塘呈现增加趋势。2种相反的变化趋势可能与降雨量和人类活动干扰有关，大于10000m2坑塘增加可能主要是由于人为因素所致，而小于10000m2的坑塘数量减少主要是由于不同降水年型的影响。

4.3 不同降水年型下坑塘的蓄水能力

根据研究区坑塘蓄水库容曲线，计算得到不同降水年型下研究区坑塘实际蓄水量。如表2所示：2001年-2014年不同降水年型下，坑塘具有较强的蓄水能力，尤其是丰水年型下蓄水量达1865.6万立方米，做为农业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）、丰水年（2009年）和枯水年（2014年）的坑塘蓄水量分别为825、1865.6、910万立方米；丰水年坑塘蓄水量显著大于平水年与枯水年的蓄水量，主要是受降雨作用的影响；枯水年（2014）与平水年（2001）坑塘蓄水量与降雨量呈现相反的变化趋势，主要是由于年份相差较远，可能是与人类活动干扰有关，如坑塘的开挖扩大等。

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五、结论

本文以通过卫星遥感影像提取的2001年、2009年和2014年的坑塘数据为基础，系统探讨了不同降水年型下的坑塘分布格局、坑塘蓄水面积特征及其蓄水能力的大小，得出以下结论：

（1）南皮县坑塘广布于整个研究区，主要分布在中西部的南皮、大浪淀镇、刘八里镇以及鲍官屯镇的北部地区。

（2）降雨量对于中小型坑塘的数量及其蓄水面积具有显著影响，坑塘数量及其蓄水面积从丰水年到枯水年呈现逐渐变少的趋势；而人类活动对大型坑塘影响更明显，由此可见，降雨量与人类活动均是影响区域坑塘数量与蓄水面积的重要因素。

（3）平水年（2001年）、丰水年（2009年）和枯水年（2014年）的坑塘数量分别为720、950、397个，蓄水能力分别为825、1865.6、910万立方米，具有良好的蓄水能力，可以为农业灌溉提供一个良好的保障。

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