赵 浩，张瑞芳，齐永青，周大迈

(1. 河北农业大学资源与环境科学学院，河北 保定 071001；2. 国家北方山区农业工程技术研究中心，河北 保定 071000；3. 河北省山区农业工程技术研究中心，河北 保定 071000；4. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，石家庄 050021)

在北方的华北平原一带，淡水资源严重匮乏，人均水资源量仅为300 m3。人们长期以来靠开采地下水维持日常的运转，而且水资源利用率低，存在很多浪费现象，导致深层地下水的开采量已经远远超出了自然所能补给的能力，造成华北地区地下水位大幅下降，并形成巨大的地下水漏斗[1,2]。而坑塘作为重要的内陆水体，不仅对社会经济发展至关重要，而且也是维持区域生态平衡与安全的必要条件[3]。因此地表的坑塘水域资源的功能性日益显著，尤其是其对农业灌溉的积极影响，地表坑塘可以在丰水期存储部分水资源，到了枯水期，人们可以利用其中储存的水资源进行灌溉。所以如何提高坑塘水资源的利用效率，完善坑塘周围水域配套水利工程措施成为当下热门话题。

一般情况下，将坑塘定义为人工开挖或天然形成的蓄水量小于10 万m3的土地。刘乙玄等[4]归纳总结了坑塘在生态系统中的功能以及研究现状并提出了对坑塘生态功能的展望。王艳颖等[5]就3次降雨径流后坑塘湿地对生源要素氮的净化效果进行了研究，结果表明坑塘还能对湖泊水体的富营养化缓解发挥明显的作用。由此可见，坑塘对生态环境的调节有着巨大作用。宋求明等[6]基于MODIS遥感影像用归一化植被指数(NDVI)阈值法提取了洞庭湖水面的面积，但是MODIS数据在提取较小水体时其250 m的分辨率略显不足。Charles Verpoorter[7,8]基于Landsat 7 ETM+数据开发了一种GWEM的水体提取算法，并建立了全球尺度的湖泊数据库。罗玲等[9]基于Landsat卫星数据通过监督分类和归一化水体指数(NDWI)方法提取了湖泊和水库/坑塘的信息并系统分析了松嫩平原西部湖泊和水库/坑塘蓄水面积的时空动态变化。可见Landsat卫星数据在提取水体上具有优势。在严重依赖开采地下水的华北平原，坑塘作为一种非常规水体，有着很重要的调蓄作用。目前华北地区地下水限制开采的背景下，有必要较系统的分析和统计坑塘的分布和动态变化情况，使坑塘充分发挥调蓄作用和相应的灌溉能力。

本文基于Landsat系列卫星的TM/ETM+/OLI遥感影像，对2000-2014年间夏季的河北省地下水压采工程区的坑塘水体进行了提取，并查明了地表坑塘有关数据，估算了其蓄水能力，分析了坑塘作为灌溉水源的保障能力波动情况，对此地区的水资源保护和农业灌溉提供有力的科学支持。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究概况

本文研究区为河北省地下水压采工程区项目分区，所在位置位于河北省东部环渤海低平原区，即渤海西部海拔低于60 m的低平原区，属于黄淮海平原的一部分，主要包括沧州、衡水、邢台、邯郸、保定、廊坊等市的44个县市，经度范围大致为114°35′E ～117°52′E，纬度范围大致为36°8′N ～39°24′N，全区面积约1.964 万km2。本地区属于温带大陆性季风气候区，冬春寒冷干燥，夏季炎热多雨。多年平均气温 10.0～14.2 ℃，平均年降水量400～500 mm，降水时空分布不均，主要集中在夏季 6-8月，春季和秋冬季较为干旱，年均蒸发量900～1 400 mm，干燥度1.5左右[10,11]。研究区基本处在海河流域内，区内主要河流有大清河、子牙河、滏阳河，主要水库、湖泊有白洋淀、衡水湖、大浪淀等(见图1)。

图1 研究区范围Fig.1 The scope of study area

1.2 数据资料的获取

在地理空间数据云网站(http:∥www.gscloud.cn/)上获取2000年landsat-5 TM卫星影像、 2007年landsat-7 ETM+卫星影像(首先进行去条带处理)和2014年的Landsat-8 OLI卫星影像。为了不影响水体提取结果，研究区内所有的影像的云量均小于5%。

气象资料由中国气象数据网(http://data.cma.cn/site/index.html)提供。为2000-2013年间七八月份研究区范围内20个气象台站的月值气象资料，包括平均气温和累月降水量。

2 研究方法

和其他水体，如湖泊或者河流的不同之处在于，坑塘水面较小，而且形状不规则，其与周围植被和潮湿的土壤紧密相连容易混淆，所以提取水体时需要极为精细。Landsat卫星具有长期数据积累的优势,方便进行多年的动态监测，同时Landsat TM/ETM+/OLI传感器都包含植被和土壤等背景因素且能够很好地区分出来，如反映水体信息的短波红外波段(0.85～1.7 μm)。因此，本研究中选用Landsat卫星影像作为数据源，并对下载的多幅图像进行筛选对比，选取了图像质量相对较好的几景图像。

利用ENVI 5.1软件对下载的遥感影像进行辐射定标、大气校正，再进行拼接、裁剪等预处理。然后通过公式推算和4、3、2波段标准假彩色合成图像、归一化水体指数(NDWI)与改进的归一化差异水体指数(MNDWI)提取水体的效果进行比较(见图2)，确定最适合在本研究中提取坑塘水体的方法，即福州大学徐涵秋的改进的归一化差异水体指数方法[12-15]。

归一化差异水体指数(NDWI)、改进的归一化差异水体指数(MNDWI)的计算公式如下：

(1)

图2 MNDWI、NDWI与RGB(近红、中红和蓝波段)组合对比(从左到右依次排列)0值代表水体Fig.2 Comparison of MNDWI, NDWI and combination of red, green and blue (Near infrared, mid infrared and blue band) 0 value represents water

(2)

式中：BMIR为中红外波段；BNIR为近红外波段；BGreen为绿光波段。

MNDWI原理是利用土壤的反射率从近红外波段到中红外波段(0.76～1.75 μm)骤然转强，而水体在该波长范围内的反射率降低的规律，采用中红外波段替换近红外波段。相较于NDWI得出的水体指数将会增大，可以较精确地区分出细小水体和土壤地物。从而得出结论：MNDWI对细小水体或浅水体的反应程度比NDWI强。

然后在ArcGIS平台中进行二值化处理，把背景和水体区分出来。最后去除单个像元，即面积在900 m2以下的，对坑塘蓄水的研究没有太大意义的小坑塘。此外，在遥感图像中也提取出一些线状水体如河流、沟渠等。由于河道中的水是流动的，没有蓄水能力，所以本研究不将其作为研究对象。研究区西部，黄骅、海兴存在部分近海及海岸湿地，由于土地表面盐渍化严重，且土壤水溶性盐含量较高，因此其地表坑塘水资源并不能适于农业灌溉[16,17]，因此提取出的水体不计算在坑塘面积之内。此外，面积较大的湖泊、水库，如白洋淀、衡水湖等水体也不再研究范围之内。提取坑塘水体的过程中为避免出现较大误差，在ArcGIS 平台下结合遥感影像和Google Earth采用目视解译的方法，对水体信息进行佐证。最后将研究区范围裁剪出来，得出研究区内的坑塘水体图(见图3)。

图3 2000、2007、2014年夏季河北省地下水压采工程区坑塘分布情况Fig.3 Distribution of pit-ponds in 2000, 2007, 2014 in groundwater restricted exploitation area in Hebei province

3 结果与分析

(1)坑塘分布情况。从图3可以看出从坑塘的提取结果图可以看出，研究区范围内坑塘分布呈北多南少、东多西少的格局。沧州市、廊坊市、衡水市境内坑塘分布最密集，这与区域气候、地理条件有着很大关系。沧州环渤海地区属于暖温带半干旱季风气候区，较之研究区西部的大陆性季风气候，气候比较湿润，降水条件较好。研究区北部小白河、大清河、中亭河、子牙河、等流经此区域，从而地表水资源较为丰富，使得大部分坑塘蓄水充足。

(2)坑塘数量、面积变化情况。河北省地下水压采工程区内2000年的坑塘数量最多，为13937个；到了2007年坑塘数量骤降，减少到9 313个，萎缩现象明显；2014年坑塘数量减少到8 423个，变化不显著。坑塘蓄水面积在2000年最大，达到12 644.1 hm2，在2000-2007年间坑塘蓄水总面积呈现下降趋势，减少到9 349.0 hm2。而到2014年坑塘面积缩减到4 835.2 hm2，萎缩现象明显。2000、2007和2014年坑塘数量和面积呈明显下降趋势，就坑塘数量来说2000-2007年减少明显，减少了4 624个，而从2007-2014年的7 a间坑塘个数减少了890个。就坑塘的水域面积来说，2014年的坑塘总面积不足2000年的40%。尽管2007-2014年间坑塘数量减少不明显，但是坑塘蓄水总面积明显减少。这与区域气候条件及人类开发与利用活动密切相关[18](见表1)。

表1 坑塘个数及面积统计Tab.1 Statistics of pit-ponds number and area

(3)不同面积等级坑塘变化分析。根据研究区坑塘特点，将坑塘按蓄水面积分为3个等级：一级(<0.5 hm2)、二级(0.5～1 hm2)、三级(>1 hm2)。根据图4可以看出河北省地下水压采工程区的坑塘数量以面积小于0.5 hm2的居多，面积在0.5～1 hm2之间的坑塘和面积大于1 hm2的坑塘数量相差不大。总体来说，从2000-2014年不同等级的坑塘数量均呈下降趋势。其中2000-2014年间小于0.5 hm2的一级坑塘数量分别为8 847、4 525、6 604个呈先减少后增加的趋势。2000-2007年坑塘数量减少4 525个，减少约50%，而从2007-2014年间坑塘数量增加了2 079个。面积在0.5～1.0 hm2的坑塘在2000-2007年间数量小幅增加了200个左右，在2007-2014年间面积减少一半。面积大于1 hm2的坑塘个数呈现减少趋势，在2000-2007年间数量小幅减少了500个左右，在2007-2014年间则锐减了近一半。对于较小的一级坑塘，它们受降水等气候条件影响较大，当某一年份夏季降水量少的情况下，小坑塘内的水体伴随着较大的蒸发量其水域面积会大幅缩减甚至干涸。

图4 不同面积等级的坑塘数量变化统计Fig.4 Capacity of pit-ponds water storage during 2000 to 2014

(4)估算坑塘的蓄水量。图5是经过对南皮县坑塘实测面积和蓄水量得到的二者之间的线性回归关系。

图5 坑塘面积与蓄水量的关系Fig.5 Relationship between area and water storage

根据这个关系可以提取出公式(3)：

Y=4.03x+0.18

(3)

估算出河北省地下水压采工程区内坑塘的蓄水量见表2。

表2 2000-2014年坑塘蓄水能力Tab.2 Capacity of pit-ponds water storage during 2000 to 2014

由于坑塘蓄水量是由坑塘蓄水面积根据蓄水公式估算出来的，所以坑塘蓄水量与坑塘蓄水面积呈正相关。在2000-2014年的15 a间也是坑塘的蓄水能力也呈逐年减少的趋势，尤其以2007-2014年间蓄水能力减少的较为迅速。

4 结 语

河北省地下水压采工程区内的坑塘作为一种非常规水体，其季节性差异非常明显，它可以通过收集利用汛期的水资源用来排涝和灌溉实现其调蓄作用。研究区在8月份正处于一年之中降水最多的时期，并且空气湿度大，坑塘基本可以储满水。到了秋季，研究区内的玉米作物收获，转而种植冬小麦的时期，可以尽可能多的利用坑塘夏季储存的水来灌溉，这样不仅充分利用坑塘的蓄水能力，同时还可以减少区内地下水的开采，如果对查明的坑塘周围建立配套的工程措施，对缓解河北省的淡水资源短缺有重大意义。本文在河北平原地下水压采工程区，以Landsat数据为遥感数据源，利用改进的归一化差异水体指数(MNDWI)方法，提取了2000、2007和2014年的坑塘水体信息。

(1)通过对比NDWI、MNDWI和标准假彩色合成3种方法在提取水体时的精度，认为改进的归一化差异水体指数(MNDWI)在提取坑塘这种面积较小、与周围差异不明显的细小水体时较为准确。

(2)河北省地下水压采工程区内坑塘主要分布在西部、北部；坑塘的面积和个数呈现明显减少的趋势；坑塘个数由2000年的13 937个减少到2014年的8 423个；坑塘面积由2000年的12 644.1 hm2减少到2014年的4 835.2 hm2；较之坑塘个数，坑塘面积萎缩更为严重。

(3)通过实测估算出的坑塘蓄水量对冬小麦的浇灌和减少地下水的开采都有意义。随着坑塘灌溉保障作用进一步增强，它将能成为华北平原农村粮食增产和人居环境改善的重要手段。

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