莆田市木兰溪流域有效降水量与可利用降水资源分布研究*

廖 廓 吴作航 李欣欣 孙蔡亮

(1.福建省海峡气象科学研究所，福建 福州 350001；2.福建省气候中心，福建 福州 350001；3.福建省莆田市气象局，福建 莆田 351100)

水资源是人类赖以生存的自然资源，也是国家十分重视的战略资源[1]。河流是地球水循环的重要环节，对河流流域的研究不仅可以增强对水资源变化与利用的有效认识，同时对于当地农业以及社会发展也具有重要意义。木兰溪是福建八大河流之一，横贯莆田市中、南部，流域面积广，其重要程度不言而喻。因此，亟需了解木兰溪流域近年来水体面积变化、有效降水量以及可利用降水量的情况。

遥感技术具有快速、宏观、范围广等优势，十分适合进行水体面积变化的监测。研究者们常用的遥感数据源有Landsat、MODIS、高分卫星、高分一号宽幅数据、极轨卫星NOAA/AVHRR以及FY-1号卫星等[2-6]。研究方法亦多种多样，有结合遥感数据水文数据土地利用数据使用突变检测法进行研究[7]，也有使用WI1水体指数[8]、基于决策树分类的方法进行研究[9]，亦有学者通过对比多种分析方法，得出了改进的归一化差异水体指数MNDWI对水体提取精度较高的结论[10-11]。针对有效降水量，主流方法有使用逐日降水资料[12-14]、土壤湿度数据[15-16]或使用多模块方法[17]，通过反演获得有效降水量的估算模型，探索作物有效降水量的时空分布特性。

可利用降水资源是大气降水资源中可被人们实际利用的降水资源，受到了许多研究者的关注。多年来，研究者们利用多年降水数据，对诸多地区进行了较为成功的研究[18-22]，主要采用的方法有高桥浩一郎公式[23-24]、皮尔逊-Ⅲ型曲线[25]、EOF分解和趋势分析[26]和灰色拓扑预测方法[27]。也有部分学者进行了不同方向的探索，如王冀等[28]利用IPCC-AR4模式、陈豫英等[29]利用气温降水结合植被指数(NDVI)进行一系列的研究。其中，蒸散量ET是研究可利用降水资源的一个重要参数，部分学者通过传统气象数据计算蒸散量[30-33]，也有部分学者使用遥感技术反演得到蒸散量的时空分布格局并分析了演变规律[34-36]，两种方法获取的蒸散量均可以参与到后续可利用降水量的研究中。

本文以福建省木兰溪流域为研究区域，首先使用2001年、2010年和2019年三期Landsat遥感影像获取改进的归一化差异水体指数(MNDWI)进行水体面积的提取，研究木兰溪18年来三期水体面积的时间变化特征；其次根据气象观测数据，研究木兰溪2000年以来有效降水量的时空分布特征与时间序列曲线；再次，根据MODIS数据与Penman-Monteith公式,研究木兰溪2000年以来气候蒸发潜力的时空分布特征与时间序列曲线；最后，基于MODIS数据,使用Beps模型反演得到木兰溪2000年以来蒸散量，再根据可利用降水资源公式，获得可利用降水资源的时空分布特征与时间序列曲线。这些研究成果可为福建省和莆田市开展生态环境污染治理和生态文明建设及充分利用水资源提供科学决策依据。

1 研究区域概况

木兰溪流是福建省中部最大的河流，发源于戴云山脉支脉的笔架山，至三江口注入兴化湾，干流总长168km。沿途集纳大小溪涧360条，木兰溪流域位于25°22′N～25°25′N，118°38′E～119°06′E，流域面积1732 km2。地形以低山为主，地势自西北向东南倾斜。木兰溪流域属亚热带海洋性季风气候，四季分明，雨量充沛。植被属闽东南戴云山热带雨林小区，土质多呈酸性。多年来，较严重的水土流失是木兰溪流域主要的生态环境问题。据2000年卫星遥感资料，木兰溪流域水土流失面积达262.34km2，形势日益严重，河道输沙量增大，泥沙淤积明显，特别是下游南北洋河网泥沙淤积、河床抬高、防洪能力降低、洪涝灾害不断，同时水环境污染也加剧。1999年莆田正式拉开治理木兰溪“千年水患”的序幕，2011年彻底结束了洪水不设防的历史，2017年木兰溪荣获“全国十大最美家乡河”称号。

2 资料来源和统计方法

2.1 气候要素观测资料

木兰溪流域气候要素观测资料来源于福建省气象信息中心与莆田市气象局，主要包括平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降水量、日照时数、相对湿度、蒸发量等数据。降水数据来源于莆田市气象局提供的木兰溪16个气象站2010年和2019年的日降水数据；年降水量通过全年逐日降水量的累加得到；年平均降水量采用ArcGIS的克里金插值法对年降水量进行空间插值得到，空间分辨率为250m。蒸散量(ET)通过遥感Beps模型反演得到，潜在蒸发量(PET)根据Penman-Monteith公式计算得到。蒸散和潜在蒸发的数据选取利用MODIS数据反演之后的全国数据，用ArcGIS的掩膜工具得到木兰溪流域的ET和PET，时间范围为2000—2018年，空间分辨率为1km。

2.2 卫星遥感监测资料

研究区遥感影像数据来自从美国地质调查局(USGS)网站下载的2001年、2010年和2019年陆地资源系列卫星(Landsat)数据，由于时间序列较长，包含多光谱传感器(multispectral scanner,MSS)、专题制图仪(the matic mapper,TM)及OLI(operational land imager)传感器接收的数据。选择研究区冬季无云、无条带的影像数据，遥感信息如表1所示，对遥感数据进行辐射定标和大气校正。

表1 研究区Landsat遥感影像信息

2.3 水体面积资料

水体面积数据使用改进的归一化差异水体指数(MNDWI),由三期的Landsat影像数据提取得到。

2.4 气候蒸发潜力计算方法

潜在蒸发是表征大气蒸发能力的一个量度，它标志大气中存在着一种控制充分湿润下垫面蒸发过程的能力，是评价气候干湿程度、水库设计、作物耗水和计算作物生产潜力的重要指标，通常是利用气象要素计算得出。彭曼-蒙梯斯(Penman-Monteith)模型被广泛用于农田参考作物潜在蒸散量的计算。

公式如下：

式中，u2为2m高度的风速，T为空气温度(℃)。本研究用该式计算了年潜在蒸发量。

2.5 蒸散计算方法

在可利用降水资源的计算中，蒸散的估算十分重要。本次研究通过构建遥感蒸散模型估算蒸散，采用BEPS模型对其蒸散进行研究。

ET=Tplant+Tunder+Eplant+Splant+Sground

此总式中，Tplant为上层植被的蒸腾(mm)；Tunder为下层植被的蒸腾(mm)，非森林地区为0；Eplant为植被截留降水的蒸发；Splant为植被截留降雪的升华(mm)；Sground为地表积雪的升华(mm)。

2.6 可利用降水资源计算方法

局地可利用降水资源的多少取决于降水、蒸发和径流量等的变化。如不考虑地下水的开采、利用及径流的情况,仅从气象的角度考虑,降水量与蒸发量之差越大,则局地可利用降水资源越丰富,反之可利用降水资源则越匮乏。因此年可利用降水量F代表可利用降水资源，其计算公式如下：

F=P-ET

式中，P是年降水量(mm)，ET是年蒸散量(mm)，可以认为是总耗水量。

3 木兰溪流域水体面积时间变化特征

3.1 水体面积提取

使用改进的归一化差异水体指数(MNDWI)进行水体面积的提取。MNDWI是在对归一化差异水体指数(NDWI)分析的基础上,对构成该指数的波长组合进行了修改，如下式所示，将该指数在含不同水体类型的遥感影像进行了实验，大部分获得了比NDWI更好的效果，特别是提取城镇范围内的水体。

式中，RGreen、RNIR、RMIR分别为绿波段、近红外波段、远红外波段的反射率。

3.2 水体面积时间变化特征

通过木兰溪流域2001年、2010年和2019年水体面积变化统计图(图1)与统计表(表2)可知，木兰溪水体面积经历了先扩大后减小的变化过程，总体呈弱的减小趋势。从2001年到2010年水体面积呈现增大趋势，由21.62 km2增大到27.19 km2，面积扩大5.56 km2，年均增加速率为2.86%，占全流域面积由1.27%增加到1.60%。从2010年到2019年水体面积呈现缩小趋势，2019年水体面积为17.11 km2，面积较2010年缩小10.08 km2，年均缩小速率为4.12%，占全流域面积缩小到1.01%。总体来说，木兰溪流域从2001年到2019年水体面积呈现缩小趋势，面积缩小4.51 km2，年均缩小速率为1.46%。

图1 木兰溪流域2001年、2010年和2019年水体面积

表2 木兰溪2001年、2010年和2019年水体面积变化

4 有效降水量和可利用降水资源评估方法

4.1 有效降水量时空分布

木兰溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均有效降水量空间分布如图2所示，多年平均有效降水量为1826 mm，2000年、2010年、2019年有效降水量分别为1892mm、2309 mm和1962 mm，有效降水量呈波动上升的趋势。从空间上看，有效降水量空间分布不均，整体上呈从西北向东南递减。木兰溪流域2000年有效降水量在1875～1905mm之间，高值区主要分布在西部，低值区主要分布在东部及中部。木兰溪流域2010年有效降水量在1720～2600mm之间，高值区主要分布在北部，低值区主要分布在南部。2019年有效降水量在1460～2240mm之间，相较于2010年减少260～360mm，高值区主要分布在西北部，低值区主要分布在东部及南部。从多年平均空间分布可知，木兰溪流域近20年有效降水量在1600～1960mm之间，高值区主要分布在西北部，低值区主要分布在东部及南部。

图2 木兰溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均有效降水量空间分布

木兰溪流域2000—2019年的有效降水量时间变化如表3所示，总体呈现缓慢增加的趋势。气候倾向率为135.21 mm·(10a)-1，趋势线为y=13.521x+1684.4(R2=0.0468)，如图3所示。从有效降水量的长期变化来看，2003年达到极小值，该年有效降水量1148 mm；在2011年大幅度减少， 2016年木兰溪流域有效降水量达到最大值，为2500 mm，此后两年继续减少，2019年有效降水量为1962 mm。

表3 木兰溪流域2010—2019年有效降水量时间序列

图3 木兰溪流域2010-2019年有效降水量时间变化

图4 木兰溪流域2000-2019年蒸发潜力时间变化

4.2 气候蒸发潜力的时空分布

木兰溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均气候蒸发潜力空间分布如图5所示，由图5可知，多年平均气候蒸发潜力为1321 mm，2000年、2010年、2019年气候蒸发潜力分别为1274 mm、1276 mm和1268 mm。从空间上看，总体呈现自(西)北向(东)南逐渐增加的格局。木兰溪流域2000年气候蒸发潜力在1200-1320 mm之间，高值区主要分布在南部，低值区主要分布在西北部。2010年气候蒸发潜力与2000年基本一致。2019年气候蒸发潜力在1150～1330 mm之间，相较于2000年和2010年相差无几，高值区主要分布在南部，低值区主要分布在北部。从多年平均空间分布可知，木兰溪流域近20年气候蒸发潜力在1240～1360 mm之间，高值区主要分布在南部，低值区主要分布在西北部。

图5 木兰溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均气候蒸发潜力空间分布

木兰溪流域2000-2019年气候蒸发潜力时间变化如图4和表4所示。由图4和表4可知，总体呈现波动减少的趋势，气候倾向率为-46.19 mm·(10a)-1，趋势线为y=-4.6192x+1369.7(R2=0.1212)。从气候蒸发潜力的长期变化来看，最大值在2009年，该年气候蒸发潜力为1426 mm，在2014年后大幅度减少，2016达到最小值，该年气候蒸发潜力为1131 mm，之后增多。

表4 木兰溪流域2000—2019年气候蒸发潜力时间序列

图6 木兰溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均蒸散量空间分布

4.3 蒸散量的时空分布

木兰溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均总耗水量空间分布如图6所示。由图6可知，多年平均总耗水量为714 mm，2000年、2010年、2019年总耗水量分别为610 mm、700 mm和719 mm。从空间上看，总体呈自(西)北向(东)南逐渐减小。木兰溪流域2000年总耗水量在480～850 mm之间，高值区主要分布在西北部，低值区主要分布在南部及东部。2010年总耗水量在550～850 mm之间，高值区主要分布在北部，低值区主要分布在南部及东部。2019年总耗水量在500～920 mm之间，高值区主要分布在西北部，低值区主要分布在南部及东部。从2000—2019年的多年平均空间分布可知，木兰溪流域近20年总耗水量在580～880 mm之间，高值区主要分布在西北部，低值区主要分布在南部及东部。

木兰溪流域2000—2018年总耗水量时间变化如图7和表5所示。由图7和表5可知，总体呈现增加的趋势，具体表现为“增加-减少-增加”，气候倾向率为23.04 mm·(10a)-1，趋势线为y=2.3041x+690(R2=0.0568)。从总耗水量的长期变化来看，从2000年开始呈现增加趋势，2009年后小幅度减少，2010年低至670mm，此后又转为增加趋势，在2014年后大幅度减少，2016达到最小值，该年总耗水量593 mm，之后增多，2018年木兰溪流域总耗水量达到最大值，为792 mm。

表5 木兰溪流域2000—2018年蒸散量时间序列

图7 木兰溪2000—2018年总耗水量的时间变化

图8 木兰溪2010—2019年平均可利用降水时间变化

表6 BEPS模型计算的10d和年蒸散量与观测数据比较的统计结果

表6给出了BEPS模型模拟的10d和年ET与相应实测值比较的统计结果，10d尺度上，模型基本上能解释83%～94%的ET变化，标准差(RMSE)在2.49～6.98mm/10d之间波动，平均为4.21mm/10d。但是，2003年在QYZ站、2001年在TMK站，模型的误差相对较大，仅能解释70%和78%的ET季节变化。模拟的ET年总量为229～729mm/a，而实际观测的数据为231～769mm/a。16个站年的ET模拟值与观测数据之间的关系可以表示为ET模拟=0.9056×ET实测+47.731,R2=0.8123，模拟的年ET的相对误差RE为-23.91%～22.09%，RE的平均值为10.94%。以上验证结果表明，BEPS模型可以用于木兰溪ET的模拟计算。

4.4 可利用降水资源时空分布

木兰溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均可利用水资源空间分布如图9所示，多年平均可利用水资源为1112 mm，三年平均可利用水资源分别为1281 mm、1609 mm和1244 mm。从空间上看，总体呈自西北向东南逐渐减小。2000年可利用水资源在1050～1410 mm之间，高值区主要分布在南部，低值区主要分布在西北部。2010年可利用水资源在1130～1910 mm之间，高值区主要分布在西北部，低值区主要分布在南部。2019年可利用水资源在850～1450 mm之间，高值区主要分布在西北部，低值区主要分布在东部。从2010—2019年的多年平均空间分布可知，木兰溪流域近20年可利用水资源在960～1260 mm之间，高值区主要分布在东部，低值区主要分布在中部往东。

木兰溪流域2000—2019年可利用降水资源时间变化如图8和表7所示。由图8和表7可知，总体呈现缓慢增加的趋势，具体表现为“减少-增加-减少”，气候倾向率为112.37 mm·(10a)-1，趋势线为y=11.237x+994.09,R2=0.0279。从可利用水资源的长期变化来看，2000—2013年呈现波动减少趋势，2003年为极小值，可利用水资源为459 mm，2013—2016年大幅度增加，最大值为2016年，可利用水资源为1907 mm，此后又转为减少趋势，2018年可利用水资源低至873 mm。

图9 木兰溪流域2000年、2010年、2019年及多年平均可利用降水空间分布

表7 木兰溪流域2010—2019年可利用降水资源时间序列

5 结论与讨论

综合以上统计分析，得出以下结论：

①木兰溪2001—2019年水体面积经历了先扩大后减小的变化过程，总体呈弱的减小趋势，面积缩小4.51 km2，年均减小速率为1.46%。

②木兰溪流域平均有效降水量空间分布整体上呈现从西北向东南递减的格局，近20年有效降水量在1600～1960mm之间，高值区主要分布在西北部，低值区主要分布在东部及南部。从时间上看，总体呈现缓慢增加的趋势。

③木兰溪流域蒸发潜力总体呈现自(西)北向(东)南逐渐增加的格局，近20年气候蒸发潜力在1240～1360 mm之间，高值区主要分布在南部，低值区主要分布在西北部。从时间上看，总体呈现波动减少的趋势。

④木兰溪流域蒸散量总体呈现自(西)北向(东)南逐渐减小的格局，近20年总耗水量在580～880 mm之间，高值区主要分布在西北部，低值区主要分布在南部及东部。时间变化表现为“增加-减少-增加”的趋势，这证明了BEPS模型可以用于木兰溪ET的模拟计算。

⑤木兰溪平均可利用降水资源空间分布总体呈现自西北向东南逐渐减小的格局。木兰溪流域近20年可利用水资源在960～1260 mm之间，高值区主要分布在东部，低值区主要分布在中部往东。时间变化表现为减少→增加→减少的趋势。