克拉玛依地区不同地类的生态耗水研究

马磊 朱建雯

摘要：指出了在水资源相对缺乏的干旱、半干旱区，如何对克拉玛依地区的地表蒸散进行遥感反演？如何对该区域的生态耗水量进行定量评估？是一个重要的科学问题。以克拉玛依地区作为研究区，首先，利用HJ遥感影像进行不同地类提取，得到了研究区不同土地利用类型专题图及各地类面积;然后，运用遥感技术提取该区域的植被覆盖度、地表比辐射率、地表温度等，在气象数据的支撑下，根据SEBAL模型对研究区蒸散发进行遥感反演，从而得到了研究区的蒸散发专题数据;在上述工作基础之上，根据生态耗水量近似等于地表蒸散量与降雨量之差，计算得到了研究区生态耗水量数据。这将有利于分析不同植被覆盖和土地利用条件下的耗水分布规律，对干旱、半干旱区保障生态需水，实现水资源的合理配置和利用等有着重要的意义。研究结果表明：研究区生态用地所占比例较大，该区域生态环境脆弱，需要从不同角度对该区域生态用地进行生态保护、合理利用与开发，并对农业、城市等发展做出科学地规划。

关键词：生态耗水量;蒸散量;遥感反演;土地利用类型;克拉玛依

中图分类号：S271

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）6-0133-04

1研究背景及意义

我国内陆干旱区面积约占国土面积1/4，水资源的短缺，大大限制了西部干旱、半干旱区的发展。然而，内陆干旱区海拔较高的山区年降水量虽然可以达到200mm以上，但除此基本都在200mm以下，塔里木盆地甚至仅为50mm左右。可见，水资源是干旱、半干旱区城市发展的关键因素。但由于干旱区绿洲降水稀少、蒸发量较大，并且人类对水资源的利用不合理等一系列原因使干旱区生态环境变得非常脆弱，土地退化、沙漠面积扩大等生态问题严重制约着绿洲的发展。

克拉玛依是中纬度内陆地区干旱、半干旱区的一座典型城市，属典型的温带大陆性气候。在水资源相对缺乏的干旱、半干旱区，如何对克拉玛依地区的地表蒸散进行遥感反演？如何对该区域的生态耗水量进行定量评估？

就此科学问题，本研究以克拉玛依地区作为研究区，首先利用HJ遥感影像进行不同地类提取，得到研究区不同土地利用类型专题图及各地类面积;然后运用遥感技术提取该区域的植被覆盖度、地表比辐射率、地表温度等，在气象数据的支撑下，根据SEBAL模型对研究区蒸散发进行遥感反演，从而得到研究区的蒸散发专题数据;在上述工作基础之上，根据生态耗水量近似等于地表蒸散量与降雨量之差，计算得到研究区生态耗水量数据。

这将有利于分析不同植被覆盖和土地利用条件下的耗水分布规律，对干旱、半干旱区保障生态需水，实现水资源的合理配置和利用等有着重要的意义。

2研究目标及内容

运用遥感技术，分析克拉玛依地区土地利用变化情况，对该区域地表参数进行反演，计算该区不同地类的生态耗水量，以此提出生态环境建设保护建议和对策。利用遥感技术结合地面调查资料，根据不同时间的遥感数据进行土地利用变化分析，并对植被覆盖度、地表比辐射率、地表温度及地表蒸散进行遥感反演。在地表参数反演的基础上，计算不同地类的生态耗水量，客观评价克拉玛依地区的生态用水情况。提出生态环境建设保护建议和对策，为脆弱生态系统的恢复提供有益的指导。

3研究方法

3.1遥感数据处理

HJ星遥感数据利用ENVI5.0软件进行预处理。包括影像切割、几何配准、几何精校正、影像配准等基础性工作。根据外业调查数据确定对照点位置，使解译地类与实际地类一致，再利用ArcGIS软件进行解译区划和拓扑，以制作相应的土地利用分类专题图。

3.2土地利用分类

3.2.1确定分类标准及解译标志

根据研究内容和目的，通过对2009年、2012年两期HJ星数据影像进行实地比对，并查阅相关资料，确定分类标准及解译标志（表1）。克拉玛依地区土地利用一级分类主要包括林业用地、农业用地、城市绿地、水域和生态用地五大类。其中，每个一级大类下面将进一步细化分为如表1所示的20多类，本文研究采用一级大类对2009年、2012年两期遥感影像进行分类。

3.2.2地类提取

根据确定的分类标准及解译标志，通过实地对不同地类的调查数据，确定遥感影像上不同地类的典型训练样本，在ENVI软件中采用最大似然法进行监督分类，并使用Confusion Matrix功能计算分类精度。2009年总体分类精度和Kappa系数分别为92.35%和0.90，2012年总体分类精度和Kappa系数分别为93.50%和0.91，均达到了分类要求。

3.3地表参数的遥感反演和地表蒸散量的计算

基于HJ卫星可见光、近红外、热红外波段遥感数据，利用ENVI5.0、Erdas提取地表比辐射率、地表温度、地表反照率等地表特征参数。本研究选择SEBAL 模型对该区域的地表蒸散量进行模拟。

3.4生态耗水量的计算

生态耗水量近似等于地表蒸散量与降雨量之差，根据气象站点实测降雨量，计算得到研究区生态耗水量数据。

4研究结果及分析

利用土壤水平衡方程，按生态耗水量近似等于地表蒸散量与降雨量之差，计算研究区的生态耗水量，并利用GIS空间叠加分析、统计功能，计算研究区不同地类的平均生态耗水量及总生态耗水量，这对分析在不同植被覆盖和土地利用条件下的耗水分布规律、实现水资源的合理配置和利用均具有重要意义。

4.1不同地类地表蒸散量

不同地类月地表蒸散量总体上反应了该地类的蒸散能力，从表2中可以明显看出，水域的蒸散能力最强，在植被生长旺季，农业用地和城市绿地的蒸散能力明显高于生态用地和林业用地。该区域林地主要以叶面积较低的树种构成，所以蒸腾能力较低，蒸散量较小。水域的蒸散量最大值出現在8月份，主要是由于8月份日照时间和日照强度最大。农业用地在5月份到8月份之间，蒸散量持续较高。城市绿地随着日照强度和日照时间的增加而增加。生态用地和林业用地蒸散量较低，主要是由于这两种地类处于极度缺水状态，所以蒸散发能力偏低。

4.2不同地类月地表蒸散总量

根据不同地类单位面积的蒸散量与该地类总面积相乘计算得到各地类月地表蒸散量（表3），由于研究区生态用地面积分布范围广泛且最大，所以其蒸散总量较高;农业用地的面积较为适中，平均蒸散量高，导致蒸散总量也较高;水域由于蒸散能力强，但面积较低，因此蒸散总量较为适中;林业用地由于蒸散能力较弱，其蒸散总量较低;城市绿地面积分布较少，蒸散总量在各地类中总体偏低。

4.3不同地类月降雨量

研究假设克拉玛依地区每个子区域的降雨量一样，根据不同地类的面积和气象统计的降雨量数据（表4）.可直接计算出不同地类月降雨总量（表5）。

从表4可以看到，6月、7月和8月这3个月份的降雨量最大，这3个月份的太阳辐射强度和日照时间也是最长，同时也是植被生长旺季，从而导致该时间段蒸散量最大。此外，从表5可以得出，不同地类降雨总量从大到小依次为：生态用地、农业用地、林业用地、水域、城市绿地;从不同月份来看，各地类降雨总量几乎集中在6月、7月与8月，其中以生态用地降水量最大，这主要是由于生态用地分布广泛造成的，说明各地类降雨总量与不同地类面积分布有密切关联。

4.4不同地类平均生态耗水量

根据土壤水分平衡方程，生态耗水量（生态需水量）近似等于地表蒸散量减去降雨量，从表6可以看到，水域的平均耗水量最大，4月份到10月份之间总耗水量为642mm，主要是由于水体蒸散发能力最大;耗水量其次的是农业用地和城市绿地，主要是由于植被和农作物的蒸腾作用;林业用地和生态用地的土壤含水量较低，其蒸散能力处于临界状态，所以平均耗水量较小。

4.5不同地类总生态耗水量

由表7可以看出：农业用地在4月到10月之间的合计耗水量为5.332×l0⁸m?，这部分水主要来源于农业的直接灌溉，是该区域水资源主要消耗源之一，生态用地（5.451×l0⁸m?）和林业用地（1.266×lO⁸m?）在该地区生态耗水中占有最大比重，主要是由于生态用地和林业用地为该区域的主要地类，这两种地类的平均耗水量均较低。城市绿地（0.199×lO⁸m?）的平均耗水量较高，但城市绿地总体面积较小，所以在该区域总耗水量方面占有较低比重。水域（0.511×l0⁸m?）平均耗水量最高，但面积较低，所以耗水总量适中。

4.6小结

通过对研究区生态耗水量的计算，得到研究区林业用地、城市绿地、农业用地、生态用地、水域的平均生态耗水量分别为127.31mm、322.81mm、438.98mm、110.22mm、642.02mm;总生态耗水量分别为1.266×10⁸m?、0.199×lO⁸m?、5.332×l0⁸m?、5.451×l0⁸m?、0.511×l0⁸m?。

5结论

本研究以克拉玛依地区为研究区，首先利用HJ遥感影像进行不同地类提取，得到研究区不同土地利用类型专题图及各地类面积;然后运用遥感技术提取该区域的植被覆盖度、地表比辐射率、地表温度等，在气象数据的支撑下，根据SEBAL模型对研究区蒸散发进行遥感反演，从而得到研究区的蒸散发专题数据;生态耗水量近似等于地表蒸散量与降雨量之差，因此，根据气象站点实测降雨量以及遥感反演的蒸散发数据，计算得到研究区生态耗水量数据。主要结论总结为以下几个部分：

（1）通过对研究区相关地表参数的遥感反演可以看出，研究区各地表参数的分布与土地利用类型的分布密切相关。

（2）通过对研究区生态耗水量的计算，得到研究区林业用地、城市绿地、农业用地、生态用地、水域的平均生态耗水量分别为127.31mm、322.81mm、438.98mm、110.22mm、642.02mm;总生态耗水量分别为1.266×l0⁸m?、0.199×l0⁸m?、5.332×l0⁸m?、5.451×10⁸m?、0.511×l0⁸m?。

（3）研究區生态用地所占比例较大，该区域生态环境脆弱，需要从不同角度对该区域生态用地进行生态保护、合理利用与开发，并且，对农业、城市等发展应做出科学的规划。