黄河流域土壤水分遥感计算及水循环过程分析

上传者：苏琴
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上传时间：2015-04-26
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黄河流域土壤水分遥感计算及水循环过程分析

中国科学Ｅ辑技术科学２００４，３４（增刊Ｉ）：１～１２

黄河流域土壤水分遥感计算及水循环

过程分析串

杨胜天舻＋刘昌明①②

（①北京师范大学环境学院，北京１００８７５；②中国科学院地理科学与资源研究所，北京１００８７７）

摘要在１９８２～１９９８年ＡＶＨＲＲｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ遥感数据和黄河流域土壤水分、降

水与蒸发观测资料基础上，应用土壤水分遥感估算方法，计算出１７年来黄河流

域１ｍ土体各层土壤水分；在获得土壤水分数据基础上，以黄河流域中兰州、头

道拐、龙门、三门峡、花园口和利津水文站为控制断面，将黄河流域划分为７个

子流域，结合１９８２。１９９８年的径流资料和气象观测资料，利用水量平衡方法分析

了１７年来黄河流域水循环动态特征．通过研究表明建立的大区域、连续时间段、

厚层土体土壤水分遥感估算方法及其框架是可行的；黄河流域多年平均降水量

一般在４０００×１０８ｍ３，蒸散量一般在３０００×１０８～３５００×１０８ｍ３，土壤水年变化量

在正负５００ｘ１０８ｍ３之间；兰州以上河段是黄河流域中比较湿润的地区，多年平

均蒸散发占降水量的比率为５７％左右；黄河流域中最干旱的地区是内流区和山

陕河段，多年平均蒸散比占降水的比率为７８％左右．

关键词黄河土壤水分遥感水循环

土壤水分是生态环境中水分存在主要形式和转换的主要环节，认识清楚它

在“四水”转换的基本规律，模拟出它的动力学机制，是研究区域水循环的基础性

问题．目前研究土壤水分的作者很多¨Ｊ：有从气象和地形因素通过经验公式和数

理统计方法研究土壤水分、应用微气象学方法（包括能量平衡、空气动力、能量

平衡一空气动力、涡度相关）研究土壤水分、从土壤水本身的运动规律出发研究

土壤水分（包括土壤水量平衡计算，零通量面；测渗学法，土壤水动力学等）、以及

用遥感方法监测土壤水分变动等方法．应用这些方法，特别是微气象学方法和土

２００４—０１—１５收稿，２００４．０６—１４收修改稿

＊国家重点基础研究发展规划项目（Ｇ１９９９０４３６０１）资助

４４Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｓｈｅｎｇｔｉａｎ＠２６３．ｎｅｔ

ＳＣＩＥＮＣＥＩＮＣＨＩＮＡＳｅｒ．ＥＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ

万方数据　

２中国科学Ｅ辑技术科学第３４卷壤水运动学方法确立在小尺度范围内的土壤水及其在生态环境中的转换已取得了很大的进展１２，３１．而遥感技术的发展，已经将遥感仅从宏观尺度观测地球表面，拓宽到应用高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间频度数据反演地表物质、能量因子及其转换过程的深层次．所以应用遥感方法是获取非均匀下垫面、非均匀介质参数是最有效和最经济的方法，是解决复杂条件下，大尺度区域范围土壤水分状况及其在生态环境中转换机理研究的有力武器【４】．目前已经进行了大量的土壤水分遥感实验研究【５硼．黄河流域面积广大，水资源十分匮乏，研究黄河流域水循环机制不仅需要了解黄河流域一时一地的土壤水分，更重要的是要认识清楚黄河全流域长时间阶段的土壤水分状况及其变化规律．以上各种方法难以解决大尺度、长时间序列土壤水分计算，因此本文应用遥感和气象学相结合的方法，建立了大区域、连续时间段、厚层土体土壤水分遥感估算方法及其框架，计算了１９８２。１９９８年黄河全流域１ｎｌ土体各层土壤水分，并在此基础上运用水量平衡法分析了黄河流域１７年来土壤水分状况及水循环特征．

１研究区域及数据资料

１．１研究区域特征

研究区域为黄河全流域，位于９６。一１１９０Ｅ，３２０４２０Ｎ之间，东西长１９００ｋｍ，

南北宽１１００ｋｍ，流域面积７５２４４３ｋｍ２．黄河是我国第二大河，作为北方地区最大的供水水源，以其仅占全国河川２％的有限水量，承担着本流域和下游引黄灌区占全国１５％耕地面积和１２％人口的供水任务．黄河流域降水比较少，空间分布不均，下游地区年降水在６００ｍｍ左右，中上游地区年降水在５００ｍｍ左右，部分地区小于４００ｍｍ．然而，黄河流域蒸发却远远大于降水，黄河流域年潜在蒸发量在１２００ｍｍ左右［８】，是年降水量的２．５倍，所以干旱是黄河流域的基本特征．气候干旱造成黄河流域水资源条件先天不足，黄河年天然径流仅为０．５×１０１１域农业生产的重要因素，也是影响黄河流域水资源良性循环的重要环节．

１．２数据资料处理

（ｉ）遥感数据处理．遥感资料选取１９８２—１９９８年ＡＶＨＲＲ．ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ中的

ｋｍ×８ｋｍ，ｍ３，黄河流域大部分地区土壤水资源十分匮乏，因此土壤水分状况成为影响黄河流ＮＤＶＩ和第４、５通道亮温数据，主要是因为ＡＶＨＲＲ具有周期短、时间序列长，波段宽、覆盖范围广，以及成本较低等优点．该遥感数据空间分辨率为８

已用旬ＮＤＶＩ最大值进行了检云处理．为了进一步去掉云的影响，获得黄河流域１９８２。１９９８年各月ＮＤＶＩ和第４、５通道亮温，以月为单位，对每月３旬的ＮＤＶＩ和亮温数据进行进一步的最大值检云处理，去掉局部区域云覆盖影响，保证ＮＤＶＩ和第４、５通道亮温反映的是实际地面状况，并将各月遥感资料转换为中国

；ＳＣＩＥＮＣＥＩＮＣＨＩＮＡＳｅｒ．ＥＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ

增刊Ｉ杨胜天等：黄河流域土壤水分遥感计算及水循环过程分析

ａｂｌｅｒｓ投影数据．

（ｉｉ）气象与土壤观测数据与处理．

率为８ｋｍ×８选取１９８２—１９９８年黄河流域及周边地区２３６个气象台站月降水和蒸发资料，利用ｋｒｉｎｇｉｎｇ方法进行空间插值，空间分辨ｋｍ，空间投影为中国ａｂｌｅｒｓ投影．

选取１９８２—１９９８年黄河流域内３０个全国农业气象观测数据中的土壤湿度数据，计算出０—１０，１０—２０，２０—３０，３０，－４０，４０—５０，５０，－６０，６０—７０，７０—８０，８０，－９０和９０．１００ｃｍ各层月平均土壤含水量．

（ｉｉｉ）水文观测数据．在黄河流域中以干流上兰州、头道拐、龙门、三门峡、花园口和利津水文站为流域径流观测点，将黄河流域划分为兰州以上河段、宁蒙河段、山陕流域、渭河汾河流域、三花区间、下游流域以及内流域区等７个流域．并选取这６个水文站１９８２—１９９８年的径流资料进行黄河流域各流域径流分析（图１１．

图１黄河流域分区与分区相对应的水文观测站

２土壤水分计算方法

２．１土壤水分计算流程

植被指数的时空变化与土壤水分状况有一定的相关性．目前，国内外的研究者已开发出了条件植被指数（Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ

（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｄｅｘ，ＶＣＩ）ｐ】、条件温度指数ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ，ｉｎｄｅｘ，ＴＣＩ）【１们、距平植被指数（Ａｎｏｍａｌｙ

ＡＶＩ）ｔ１１１等用于干旱条件下土壤水分相对状况的遥感监测，并取得了比较好的效果．然而，土壤水分变化既反映在植被的叶面积指数变化上，又反映在植被冠层的温度变化上；长时间的土壤水分缺乏会影响植被生长，导致植被叶面积指数下降，短时间的土壤水分缺乏会引起植被叶片气孔关闭，植被冠层温度上升，所以ＷＷＷ．ｓｃｉｃｈｉｎａ．ｃｏｍ

４中国科学Ｅ辑技术科学第３４卷植被叶面积和冠层温度对土壤水分都比较敏感，而前面的３种指标只监测了植被叶面积状况，没有监测植被冠层温度．为此，本文利用条件植被温度指数（Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ．ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｄｅｘ，ＶＴＣＩ）Ｊ赴行土壤水分状况的监测‘１２１．条件温度植被指数综合地面植被和温度状况，研究一特定年内某一时期整个区域相对干旱的程度及其变化规律．其表示为‘１３１：ｖＴＣＩ：—ＬＳＴＮＤｖＩｉ．ｍａｘ—－ＬＳＴＮＤｖＩｉ

Ｌｓ‰Ｖｉｉ．ｍ。＝ａ＋ｂＮＤＶＩｉ，

ＬＳＴＮＤｖＩｆ．１１１ｉｎ＝ａ’－４－ｂ＇ＮＤＶＩｉ，．ＬＳＴＮＤｖＩｆ．ｎｍｘ—ＬＳｌ［如ｖＩｆ．１１１ｉｎ其中，ＬＳＴＮＤｖ¨根据ＮＤＶＩ和ＬＳＴ散点图的“干边”和“湿边”确定．“干边”和“湿边”的计算公式分别为：…一

其中，ＬＳｌ南ｖＩｆ。ａｘ，ＬＳｌ南ｖＩｆＩｌｌｉ。分别表示在研究区域内，当ＮＤＶＩｉ值等于某一特定值时的地表温度的最大值和最小值，ＬＳ‰ｖＩｆ表示某一像素ＮＤＶＩｉ值为ＮＤＶＩｉ时的地表面温度，ａ，ｂ，ａｔ和易’为确定区域“干边”和“湿边”的截距与斜率．（１）式中的分母表示在研究区域内，当ＮＤＶＩｉ值等于某一特定值时，像素的地表温度的最大值和最小值之差，分子表示ＮＤＶＩｉ值等于这一特定值时的地表温度的最大值与该条件下某一像素土地表面温度值之差．因此，ＶＴＣＩ的取值范围为【０，１］，ＶＴＣＩ的值越小，相对干旱程度越严重，土壤水分相对较少；反之，则相对干旱程度较轻，土壤水分相对较多．由于条件温度植被指数通过植被来监测土壤水分，其应用结果表明条件温度植被指数对土壤表层水分状况比较敏感【１４１．

土壤水分状况一方面反映在植被生长状况上，另一方面还受到气候条件的

影响，特别是象黄河流域这样大面积的流域，降水和蒸发的影响更是明显．所以本文采取的黄河流域土壤水估算流程是：首先通过遥感条件温度植被指数和降水与蒸发数据建立估算黄河流域土壤表层土壤水分的模型，然后利用黄河流域多年土壤水分各层观测数据，建立从表层逐层向下各层土壤水分相关模型．

利用地面观测土壤表层土壤水分与条件温度植被指数、降水和蒸发问建立的