基于MOD16的北洛河流域蒸散发空间格局演变研究

赫晓慧, 梁冰洁, 郭恒亮, 田智慧

(1.郑州大学 水利与环境学院, 河南 郑州 450001; 2.郑州大学 郑州智慧城市研究院, 河南 郑州 450001)

基于MOD16的北洛河流域蒸散发空间格局演变研究

赫晓慧2, 梁冰洁1, 郭恒亮2, 田智慧2

(1.郑州大学 水利与环境学院, 河南 郑州 450001; 2.郑州大学 郑州智慧城市研究院, 河南 郑州 450001)

[目的] 探究北洛河流域地表实际蒸散发年际和年内的时空变化特征,为该区域的生态基准与生态需水量研究、退耕还林效果研究提供理论依据。[方法] 基于北洛河流域2000—2014年MOD16遥感数据、气象数据、水文数据和2011年土地利用数据,采用流域水量平衡法、均值法、标准差法和线性趋势法进行蒸散发(ET)时空变化特征分析。[结果] 流域年蒸散量在波动中缓慢上升,波动范围为395.4～517.4 mm/a,15 a ET均值为446.74 mm/a,年内蒸散量呈单峰型分布,季节性变化特征明显,地表蒸散主要集中在5—9月,最高值出现在8月;经与北洛河流域的实测降水空间插值结果比较,MOD16-ET估算结果的相对误差均值为12.04%,相关系数达到0.81;流域内上游至下游的ET剖面线波动明显,呈不规则的“波动曲线”形态;流域内ET值年际变化空间分布特征明显,中游和上游地区以增加趋势为主,下游以减少趋势为主。[结论] 近15 a来北洛河流域蒸散发整体呈现增大趋势,主要驱动因素为人类活动,尤其是退耕还林和水土保持等工程的实施。

MOD16; 北洛河流域; 地表蒸散发; 空间格局演变

文献参数： 赫晓慧，梁冰洁，郭恒亮，等.基于MOD16的北洛河流域蒸散发空间格局演变研究[J].水土保持通报，2017,37(1)：177-182.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.032； He Xiaohui, Liang Bingjie, Guo Hengliang, et al.Analysis of spatial and temporal variation of evapotranspriation based on MOD16 in Beiluo River basin[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：177-182.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.032

地表实际蒸散发(ET)是水文循环和地表能量平衡的重要环节，也是植被生存必须的生理过程和地表物质循环的重要载体[1-2]。充分了解蒸散发(ET)的时空格局变化过程，准确测算流域地表ET，对于定量认识生态需水规律、旱情监测、科学灌溉以及生态保护与恢复具有重要意义[3]。

近年来，国内的诸多学者对流域蒸散发进行了研究，如田辉等[4]利用气象、水文及遥感数据，说明黑河流域的蒸散发与主要水资源消耗区有一定关系。然而，由于学者们对遥感数据有高时间分辨率、易获取等的需求，很多人把目光转向了MODIS数据，如曹永强[5]等利用MODIS对海河流域蒸散发的时空演变规律进行了研究；周峰等[6]利用MODIS对伊河流域地表蒸散发与植被指数和地表温度的关系进行了研究。但是他们对于蒸散发的研究多集中在北方地区，对于西北地区的黄土高原沟壑区的研究则相对较少。北洛河流域地形地貌复杂多变，植被类型多样，在黄土高原具有极佳的代表性，加之近些年在气候暖干化和人类活动影响下[7]，流域生态环境变化迅速，流域蒸散发的情况复杂。

本文拟基于MOD16-ET数据，在利用流域水量平衡法进行精度验证基础上，对北洛河流域地表ET的时空及其变化特征进行探讨，以期揭示北洛河流域地表ET变化规律，为认识流域生态需水规律及流域生态保护提供参考，同时为加强流域水资源管理提供依据[8]。

1 研究区概况

北洛河流域，全长680 km，是陕西省纵跨纬度最大的河流，流域面积2.69×104km2。北洛河属黄河流域，为渭河一级支流。发源于陕西省榆林市定边县，干流流经榆林、延安、渭南3地市，地理坐标为东经107°34′45″—110°01′37″，北纬34°57′13″—37°17′03″，多年平均(1956—2000年)年降雨量535.5 mm，属大陆性季风气候，由南向北、自东向西递减。降雨年内分布不均，集中在7—9月，且多暴雨，破坏性大，水土流失极为严重。自产水资源量1.045×109m3，属于资源型缺水区。

北洛河流域地形地貌复杂多变，植被类型多样，在黄土高原具有极佳的代表性。其上中游位于黄土丘陵沟壑区和破碎残源沟壑区，占71%，属于封山育林(草)的重点区域，自1999年以来，区域植被覆盖率大幅上升；中游包括子午岭林区；下游属于黄土阶地区，农业生产发达。由于流域的复杂性，流域内人类活动区域差异大，水土流失严重，流域的蒸散量直接影响该区水资源可利用总量与区域生态提升效果。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

数据来源具体见表1。MOD16产品是美国NASA研究团队在Penman-Monteith公式的基础上进行改进后估算得到的。

表1 研究所用数据资料

使用MRT软件将采用HDF格式的MODIS16产品转换为WGS-1984经纬度坐标系统下的GeoTiff格式，并进行轨道拼接、投影转换、重采样等操作；利用ArcGIS去除MODIS 16数据中的无效值后，裁取研究区。

2.2 研究方法

2.2.1 MOD16产品精度检验 为了保证遥感监测蒸散量的准确性，首先要对流域MOD16产品地表蒸散量的有效性进行检验。目前遥感数据反演蒸发的精度验证多采用流域水量平衡法，年尺度的流域水量平衡中，土壤蓄水量所占比例较小，因此可假定流域年降雨量等于流域年蒸发量(ET)与年径流量之和。

Pi=ETi+Di

(1)

式中：Pi——流域某年年降雨量(mm)；ETi——流域某年年蒸发量(mm)；Di——流域某年年径流量(mm)。

本研究采用北洛河流域范围内3个变量的平均深度。年降水平均深度的求取，主要采用流域内及其周边各气象站点的实测值进行克里金插值，然后求出流域内年降水栅格数据的均值；年径流深度为流域下游水文站点状头的实测年径流量与其控制面积的比值；蒸散量平均深度为流域内MOD16-ET数据的栅格均值。

2.2.2 蒸散发时空演变的评估指标 研究采用均值法、标准差法和线性趋势法模拟北洛河流域每个栅格单元2000—2014年蒸散的空间差异、稳定性和变化趋势[9-12]。

(2)

(3)

(4)

3 结果与分析

3.1 MOD16-ET数据精度验证

由北洛河流域空间插值结果与遥感估算蒸散发结果(表2)，可见插值降水量与蒸散和径流之和基本吻合，二者相关系数为0.81，达到显著相关。北洛河流域差值降水量与MODIS16-ET估算精度不高，可能是因为近年来，流域上游丘陵沟壑区实时水土保持工程使蓄水量增加，导致流域的水量平衡式出现一定的偏差，尤其是在降水丰年偏差更大，如2003,2011年，这一偏差与遥感反演无关。因此MODIS16-ET数据精度总体上满足研究区要求，可用于北洛河流域地表蒸散量的时空与变化特征研究。

表2 2000—2013年北洛河流域水文变量

3.2 北洛河流域2000—2014年ET时间变化特征

3.2.1 ET年变化特征 由图1可以看出，2000—2014年北洛河流域地表蒸散量(ET)年际波动不大，年均值的变化范围为395.4～517.4 mm，15 a ET平均值为446.74 mm，各年份ET均值呈现一定的波动，其中明显超出多年平均值的年份为2002—2004,2012,2014年，其中2003年蒸散量最大，超出平均值70.69 mm，相对变化率达到了15.8%；明显低于多年平均值的年份为2000,2001,2009,2011年，其中2001年蒸散量最小，比平均值少51.35 mm，相对变化率达到了-11.5%。2003年北洛河流域降雨量较多，7—10月较常年偏多，大幅超出多年平均降水量，较多的降雨带来较为充足的水分，良好的供水条件有利于蒸散发，此年ET比其余年份更接近ET0(潜在蒸散量)，其值也较大。2002,2012,2014年的降水也较为充足，其蒸散量也较高；2004年的插值降水量较计算降水量少，这可能是由插值方法本身的误差引起的。而2000年降水量的蒸散量也较少，2001,2009,2011年插值的降水量较计算降水量多，是因为空间插值本身就会有很大的误差。总体来看，北洛河流域ET呈增加趋势，降水量对蒸散量有着很大的影响。

图1 北洛河流域2000—2014年地表蒸散量(不含水体和城镇)

3.2.2 ET月变化特征 北洛河流域年内地表实际蒸散量分布不均匀，整体呈现单峰型分布，11月至次年4月，ET变动较平缓，约为8 mm，5—8月ET处于快速上升期，8月达到最高，为73 mm；9,10月ET迅速下降(图2)。

图2 北洛河流域不同月份多年平均地表蒸散量

受流域内海拔、降雨、温度、空气湿度、太阳辐射等多种因素的综合影响[13]，北洛河流域四季地表蒸散量差异显著。春季(3—5月)地表ET为39.01～195.96 mm，随着气温的回升，地表蒸散量逐渐增加。夏季(6—8月)是北洛河流域的雨季，气温高、太阳辐射大，使得地表蒸散量显著增加，ET值处于59.73～509.94 mm；秋季(9—11月)流域ET值处于69.31～160.71 mm，流域整体蒸散量较低，差值也较小，约90 mm，因为此季北洛河流域受大陆冷高压气团的影响，降雨量减少，温度降低，蒸散量也随之降低；冬季(12，1，2月)流域ET值处于38.58～82.77 mm，各地值均较小，受温度影响显著。总的来说，一年中的ET值，夏季>秋季>春季>冬季，多年均值分别占年蒸散量的44.67%，21.87%，17.41%，16.05%。

3.3 北洛河流域2000—2014年ET空间变异特征

北洛河流域多年蒸散平均值在248.27～925.91 mm，具有较强的空间分布规律，空间差异显著，呈现出中间高两头低的变化趋势。该特征与流域地表覆盖的地带性变化基本一致。具体表现为，葫芦河流域、沮河流域与刘家河至南城里河段由于水量较为充足，多年平均蒸散量最高，达到900 mm/a左右；家河以上河段大都是沟壑或裸露的岩石，因此该区的年均蒸散量最小，仅为260 mm/a左右；南城里至状头河段及状头以下河段属于关中平原的农耕区，年均蒸散量大致在500 mm/a左右。

北洛河流域ET值自上游向下游先升高后降低，表现为不规则的“波动曲线”形态(图3)。位于中游的葫芦河流域、沮水流域及周水流域等子午岭林区，多年平均ET值较高；下游关中平原地区的渭南市中部等农业灌溉区ET值也较高；上游的榆林、延安局部的高原丘陵区及渭南局部的旱作农业区多年平均ET值则较低。

图3 北洛河流域地表蒸散剖面

不同土地利用类型由于其本身的生理生态特征及其所处区域降水量的差异，其平均蒸散量[13]的分布特征表现出不同的变化特点。虽然原ET数据的生产计算过程中需要反照率、叶面积指数、地表覆盖类型等遥感数据和辐射等气象数据[14]，但是为了进一步分析各种土地利用类型的蒸散量特征，分别提取了各种土地覆盖类型年均蒸散量统计特征。由图4可以看出，流域内年均蒸散量与土地利用类型密切相关，不同土地覆盖类型的年均蒸散量存在着较大的差异，林地的年均蒸散量值最高，达到549.98 mm/a，大大超过其他土地利用类型的蒸散量；未利用土地的年均ET值最低，仅为383.55 mm/a。总的来说，各土地覆盖类型的年均蒸散量的排列顺序是：林地>草地>水域>建筑用地>耕地>未利用土地。

图4 不同土地利用类型的年平均蒸散量

3.4 北洛河流域2000—2014年ET变化特征

采用标准差法来分析北洛河流域2000—2014年ET的稳定性，去除极端值后将其等间隔划分为3个区间[15]，北洛河流域ET整体呈现低波动居多，中度波动较少，高波动最少，稳定性地域较多的特征。ET呈低波动的区域面积约为60.2%，集中分布在流域的上游和中下游地区，并呈现出沿流域主干道呈带状分布的特点；ET呈中度波动的面积为35.64%，主要分布在北洛河中游的子午岭林区植被较好的地区及下游的农耕区一带，呈片状分布；ET呈高波动的区域面积很小，不足5%，零散的分布在北洛河的中游及下游地区。

采用线性趋势法分析北洛河流域15 a ET变化趋势(图5)，跟据K值范围定义明显减少(K<-10)、轻微减少(-10≤K<-3)、基本不变(-3≤K≤3)、轻微增加(3

图5 2000—2014年北洛河流域ET变化趋势

北洛河流域年ET减少的面积约占17.20%，轻微减少占绝大部分，主要分布在北洛河的中下游地区，集中于铜川、渭南一带。北洛河流域年ET基本不变的的区域面积约占60.27%，主要分布于北洛河流域北部的高原沟壑区，集中在延安市的西北部与铜川市的西北部。流域年ET增加的面积约占22.53%，以轻微增加为主，主要集中在北洛河流域的东部；ET显著增加的区域主要集中在渭南市的中东地区，地属关中平原农作区，这一带ET增长趋势明显的原因是由于人为因素的影响使得该地地表水较为充足[17]。整体上，北洛河流域春季、夏季ET变化趋势的空间分布与年ET较一致，秋季、冬季ET变化趋势的空间分布较一致，冬季ET 变化趋势较小，与年ET和其他季节的ET变化趋势的空间分布存在一定的差异。年ET的变化趋势主要受夏季影响，其次是春季、秋季，冬季对年ET变化趋势的影响较弱。

4 结 论

(1) 基于MOD16产品的估算降水量与气象站点的空间插值对比结果的相关系数为0.81，相对误差均值为12.04%，较高的一致性说明，MOD16产品的精度一定程度上能够满足北洛河流域地表ET时空变化分析的要求。

(2) 从北洛河流域ET年际时序看，2002—2004,2012,2014年为蒸散“大年”；从年内分布规律看，ET呈单峰型分布格局，集中在5—9月，季节变化较明显；从流域内ET 的空间分布看，多年ET均值表现为:子午岭等土石林区>高原沟壑区>关中平原农作区>丘陵沟壑区；从四季ET空间分布看，夏、秋季ET与年ET空间分布基本一致，春、冬季ET与年ET空间分布有差异，差异较大的主要体现在关中平原农作区。

(3) 从15 a ET变化特征看，北洛河上游ET值以增加趋势为主，显示了退耕还林的成果，中游ET值以基本不变和轻微增加为主，下游ET值则以降低趋势为主；从15 a各季节ET变化特征看，年ET的变化趋势主要受夏季主导，冬季对年ET变化趋势影响较弱。

(4) 流域内不同土地利用类型由于其物理特征等的不同，蒸散量也存在着较大的差异[18]。在年尺度上，年ET均值最高的是林地，达到925.91 mm，草地、水域、耕地次之，建筑用地最低，仅为248.27 mm。月尺度上的大小顺序与年尺度上的基本一致，但由于人类活动[19-20]、气象条件[21-22]、农作物特性等因素综合作用的影响，不同土地类型ET的空间分布特征也不尽相同。

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Analysis of Spatial and Temporal Variation of Evapotranspriation Based on MOD16 in Beiluo River Basin

HE Xiaohui2, LIANG Bingjie1, GUO Hengliang2, TIAN Zhihui2

(1.SchoolofWaterConservancyandEnvironment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,He’nan450001,China;2.ZhengzhouWisdomCityInstitute,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,He’nan450001,China)

[Objective] The objective of this paper is to explore the spatial and temporal characteristics of evapotranspriation(ET) in the Beiluo River basin, and provide theoretical basis for the study of ecological benchmark and ecological water requirement and the effect of returning farmland to forest. [Methods] Based on MOD16 remote sensing image data, meteorological and hydrological date during 2000—2014, and the land use date in 2011, we used river basin water balance method, method of mean value, the standard deviation method and the linear trend method to analysis the spatial and temporal variation characteristics of evaporation. [Results] The mean annual evapotranspiration of Beiluo River basin increased slowly with values ranged from 395.4 to 517.4 mm, and average evapotranspiration during the past 15 years was 446.74 mm. The monthly variation of evapotranspiration within the year show a unimodal pattern, it was mainly concentrated in the period from May to September, and its peak value occurred in August. The average relative error was 12.04% between spatial interpolation results based on measured rainfall and estimates based on MOD16-ET, the correlation coefficient was 0.81. The profile line of ET changed greatly from upstream to downstream of the Beiluo River basin, which presented the irregular “wave curves”. The spatial variation of annual ET was obvious in the basin. The ET showed an increasing trend in the midstream and upstream, while it showed a decreasing trend in the downstream. [Conclusion] In the recent 15 years, the evapotranspiration in Beiluo River basin showed an increasing trend, and human activity was the main driving force, especially the implementation of grain for green project and soil and water conservation project.

MOD16; Beiluo River basin; ET; spatial-temporal variation

2016-04-18

2016-07-01

国家自然科学基金项目“水沙变化驱动下黄河下游河道横向演变对湿地自然植被的影响研究”(41101095)

赫晓慧(1978—),女(汉族),河南省商丘市人,博士,副教授,主要从事环境遥感与水文生态、智慧城市研究。E-mail:hexh@zzu.edu.cn。

郭恒亮(1971—),男(汉族),河南省商丘市人,硕士,副教授,主要从事区域环境与城市规划研究。E-mail:guohengliang@zzu.edu.cn。

B

1000-288X(2017)01-0177-06

P426.2