地表覆盖遥感数据对水资源评估的影响研究：以江苏苏北片区为例

3　地表覆盖遥感数据分辨率对水资源评估的影响——以江苏省苏北片区为例

3．1　典型研究区概况与资料情况

3．1．1　江苏省苏北片区概况

依据目前江苏省政区划分，苏北地区政区范围为连云港、徐州、淮安、宿迁、盐城等五个省辖市，包括40个县（市或区），土地面积为5．31万km2。本次典型研究区苏北的范围根据水利分区，以淮河为界，北边的12个四级水利分区的范围为研究区范围，总面积约6．35万km2。

1）自然、地理概况

苏北地处黄海之滨，海岸线744 km，与日本、韩国隔海相望，位于以上海为龙头的长江三角洲地区，处在南下北上、东出西进重要位置，是全国沿海经济带的重要组成部分。

2）地貌与地形概况

研究区地势平坦、平原辽阔、水网密布、湖泊众多。该区域湖泊众多，如洪泽湖、高邮湖、骆马湖、宝应湖、邵伯湖、白马湖等等。苏北沿海地区地势低平，由西向东倾斜，属海滨淤积型海滩地。北部的沂沭丘陵为鲁南山地的延伸，海拔为100～200 m，其中云台山海拔625 m，为全省最高峰。苏北处于黄淮平原与江淮平原之过渡地带，其地势比较低平，大多数地方河道纵横，以里下河平原河网密度最高。其中里下河水网平原为湖积、泻湖堆积平原，其显著特点为四周高中间洼，平均高程不足2 m，素有“锅底洼”之称［202］。

研究区地质构造：海州地质分布在东北部，裸露地层分别为古老、花岗片麻岩，沂蒙山东南部分布区内，经过漫长地质剥蚀与堆积作用，形成了典型的云台山孤立断块，其低洼地带堆积形成了平原；徐州坳陷地带大面积裸露石灰岩地层，构成剥蚀地形的黄淮平原。

3）水文、气象

苏北属暖温带半湿润气候区，具有明显的季风特征，冬季干冷，夏季湿热，四季分明，雨量适中［203，205］。年均气温13～16℃。根据近40年的降水量统计资料，年均降水量为980 mm，全年75%～80%的降水集中在汛期6～9月份。多年平均降雨量700～1　200 mm，雨量较丰沛，但时空分布不均。地域上呈东南向西北递减，南部多年平均降雨量1　200 mm向北逐渐减少至700 mm左右。全年降雨大多集中在夏秋两季，在六、七月间，冷暖气团遭遇频繁，常产生锋面低压和静止锋，形成阴雨连绵的梅雨期；七、八、九月受台风影响，常伴有来势迅猛的大暴雨和特大暴雨。年降雨量的季节变化较大，汛期（6～9月）多年平均降雨量550～650 mm，约占全年雨量的50%～74%，且多数集中于几场暴雨。多年平均月降雨量的极值比，江淮之间为6～10倍，淮北地区为10～17倍。降雨年际变化也比较大，面平均雨量丰水年可达1　254 mm（1954年），枯水年仅549 mm（1978年）；单站最大达2　253 mm（1965年大丰闸），最小为338 mm（1929年徐州）。

多年平均水面蒸发量950～1　100 mm，与降雨相反，自南向北、西北方向逐渐递增。省内5～8月的蒸发量约占年蒸发量的50%左右，最大月蒸发量出现在7月和8月，最小月蒸发量出现在1、2月。多年平均陆地蒸发量600～800 mm，降水较少的丰沛地区，受供水能力的限制，陆面蒸发量不足600 mm。

4）河流水系

研究区分为淮河、沂沭泗两大水系。淮河西起河南桐柏山，经安徽流入江苏洪泽湖，再经淮河入江水道排入长江，及经苏北灌溉总渠、废黄河和新开挖的淮河入海水道直接排水入海。淮河干流境内汇水面积3．77万km2。洪泽湖是淮河流域最大的调蓄水库，承转淮河上中游15．8万km2的来水，水位12．5m时，水面积约2　000 km2，最大库容130亿m3，防洪库容100亿m3。进入洪泽湖的排洪河道除淮河干流外，还有怀洪新河、新汴河、池河、安河等，淮河入江水道是洪泽湖的主要排洪河道，设计行洪流量1．2万m3/s，苏北灌溉总渠是灌、排、航综合利用的人工河道，连同废黄河排洪1　000 m3/s。淮沭新河设计（分淮入沂），最大分泄淮河洪水流量3　000 m3/s，并由新沂河排水入海，新建成的淮河入海水道设计排洪2　270 m3/s。洪泽湖也是苏北地区最大的灌溉水源，担负着下游近1．334万km2耕地的灌溉，将洪泽湖水输送到淮北的每个角落。

沂沭泗水系源于山东沂蒙山区，境内汇水面积2．58万km2，上游主要来水河道有沂河、沭河、邳苍分洪道，以及南四湖、中运河及其入湖入河水系。骆马湖、石梁河水库是沂沭泗水系的主要调蓄水库，骆马湖总库容15亿m3，防洪库容8亿m3，沂河及南四湖下泄的洪水经骆马湖调蓄后，由新沂河排水入海。石梁河水库总库容5．3亿m3，防洪库容3亿m3，沭河及分沂入沭的洪水经石梁河水库调蓄后，由新沭河排水入海。沂沭泗地区主要内部河道还有：南四湖西的复新河、大沙河、顺堤河；中运河两岸的不牢河、房亭河、邳洪河等；沂北地区的鲁兰河、蔷薇河、烧香河、古泊善后河等；沂南地区的柴米河、六塘河、灌河等内部灌排河道。

5）社会经济概况

苏北是我国东部沿海地区重要的制造业基地。近年来，苏北地区经济逐步得到发展，拥有四通八达的铁路网以及多个机场，也是长三角北翼重要的物流空港和对外开放的窗口。苏北抓住纳入长三角一体化规划等机遇，促进社会经济发展。主要经济指标增速全部高于苏南、全省、全国。2008年实现地区生产总值5931．6亿元，同比增长13．3%。

6）水资源分区概况

采用江苏水资源评估分区体系，如表3-1及图3-1、图3-2所示。

表3-1　苏北水资源分区概况

资料来源：自制

图3-1　江苏省水资源分区图（彩图见书末）
图片来源：由江苏省水文水资源勘测局提供

分为四级：研究范围属淮河一级区，包括沂沭泗河、王家坝至中渡、中渡以下等3个二级区；包括蚌中区间南岸区、蚌中区间北岸区、里下河腹部区、高天区、湖西区、沂沭河区、中运河区、日赣区共8个三级区；包括安河区、渠北区、盱眙区、里下河腹部区、高宝湖区、斗北区、斗南区、沂南区、沂北区、丰沛区、赣榆区、骆马湖上游区共12个四级区。

图3-2　苏北水利分区示意图
图片来源：自绘

3．1．2　水文资料

本书基于以上建立产流模型，进行了10 m、30 m、100 m以及300 m不同分辨率地表覆盖遥感分类数据三类不同保证率水文情景下的水资源估算。根据1956—2000年45年长系列年降雨量资料，考虑到农业的特性，分别选取50%保证率（平水年）、75%保证率（一般干旱年）、95%保证率（特殊干旱年）三个不同保证率典型年进行模拟计算。其中，选取1966年为特殊干旱年的典型年，1968年为一般干旱年的典型年，1983年为平水年典型年。

1）降雨量

各水资源四级分区的面雨量，根据省水利厅水文局提供的各水文情景下逐日降雨资料算术平均计算得到。各水资源四级分区不同保证率所采用的代表性雨量站点见附表1所示。

2）蒸发量

各水资源四级分区的蒸发量，根据省水利厅水文局提供的各水文情景下逐日蒸发资料算术平均计算得到。各水资源四级分区不同保证率所采用的代表性蒸发量站点见附表2所示。不同保证率情景下，各水资源四级分区年蒸发量与降水量见表3-2所示。

表3-2　各水资源分区年降雨蒸发量统计　　　　单位：mm

资料来源：自制

3．2　水资源估算模型

分别建立水面、水田、旱地和城镇道路四种类型产流模型，以日为计算时段进行产流模拟。

3．2．1　水面产流模式

R水面＝P-α·E 601

式中：

R水面——水面产水量（mm），允许为负值，逐日累计；

α——水面蒸发折算系数；

P——日降雨量（mm）；

E 601——E 601蒸发器日蒸发量（mm）。

本书的蒸散发折算系数依据江苏省《江苏省水文手册》（1976年版）中的成果，如表3-3所示。

表3-3　江苏省水面蒸发折算系数

资料来源：自制

3．2．2　城镇产流模式

在本书中，将城镇建设用地等同于不透水面。其产流主要受降雨量和降雨初期下垫面等造成的降雨损失量影响。其产流模式本书采用扣除初损值法。20世纪90年代初，在我国四个大城市进行的水资源精测和评价成果里，水泥屋顶与柏油马路的次降雨的初损值取2．4～2．6 mm。而本书的城镇建设用地除马路和屋顶等不透水面外还包括城市绿岛与人行道等透水或半透水类型的下垫面，因此本书计算时初损值定为5 mm［200］。具体计算中，如果日降水低于或等于5 mm则无产流；连续日雨量均超过5 mm时则按降雨场次计算，每一场降雨均扣5 mm的初损值，剩余的雨量为产流。

3．2．3　水田产流模式

根据作物生长期的需水过程及水稻田适宜水深上、下限，耐淹水深等因素，逐日进行水量计算，推求水田产流过程R 2。

H 2＝H 1＋P-mn E-G

当H 2＞H P时，

则R2＝H 2-H P　　H 2＝H P

当H u＜H 2＜H P时，

则R 2＝0

当H d＜H 2＜H u时，

时R 2＝0

当H 2＜H d时，

则R 2＝H 2-H u　　H 2＝H u

式中：m——水稻各生长期的需水系数；

n——水面蒸发折算系数（β＝大水面蒸发量/E 601蒸发器蒸发量）；

P——日降雨量（mm）；

H 1——时段初水稻田水深（mm）；

H 2——时段末水稻田水深（mm）；

H P——各生长期水稻耐淹水深（mm）；

H u——各生长期水稻适宜水深（mm）；

H d——各生长期水稻适宜水深下限（mm）；

G——水稻田日渗透（漏）量（mm）；

R 2——水稻田日产水量（mm）。

研究区内水稻生长期统一定为从6月1日至9月30日。本次计算，亦考虑到不同水田灌溉方式，其水稻田生长期的参数取不同值。

苏北以单季稻为主。在水稻种植期以外按旱地进行产流。在水稻种植期内，若水深大于最大耐淹水深，产流至最大耐淹水深。此外，有关研究发现三分之一的水田渗漏量因降雨引起［206］，于是这部分水量应作为回归水算入水田的产水量。本次计算中考虑苏北灌溉总渠以南的土壤质地主要为高沙土，下渗水的损失量与总渠以北地区相同，模型中将降雨引起水田渗漏量的一半还原为水田产水量，即下渗量的1/6作为回归水量。

3．2．4　旱地产流模式

考虑苏北片区属平原水网地区，研究区在汛期土壤含水量较高并且容易得到补充，因此旱地产流采用单层蓄满产流模型。(www.xing528.com)

当P-EE＞0时，

则R 3＝0

当P-EE＋A＜W MM时，

否则R 3＝P-EE-（W M-M）

式中：K——蒸发折算系数；

　W——初始时刻的土壤含水量（mm）；

　P——日降雨量（mm）；

　E——雨期时段蒸发量（mm）；

　A——土壤前期含水量（mm）；

　EE——旱地蒸发量（mm）；

　B——蓄水容量曲线指数；

　R 3——旱地日净雨深（mm/d）；

　W M——流域平均蓄水量，即土层最大可能的缺水量（mm）；

　W MM——蓄水容量曲线的最大值（mm）。

本次计算需要提取的主要参数取值见表3-4。

表3-4　产流参数表

资料来源：自制

3．3　模型模拟与结果

3．3．1　地表水资源模拟结果

对12个水资源分区进行产流模拟，基于两种分辨率地表覆盖遥感分类数据下各分区不同保证率降雨情景下产流量模拟结果见表3-5所示。每个水利分区的地表覆盖遥感分类数据的变化引起的地表水资源量的变化以及变化比例见表3-6所示。根据结果可知，下垫面分辨率对水资源估算有较大的影响，变化比例在0．7%～105．2%。尤其是特殊干旱年，两种分辨率地表覆盖遥感分类数据下的产流结果差异显著，多个水利分区差异在50%以上；而一般干旱年与平水年的产流结果差异基本在20%以下。相同降雨蒸发条件下，基于10 m分辨率地表覆盖遥感分类数据计算的苏北片区总的地表水资源量比300 m分辨率地表覆盖遥感分类数据的大。

为了探讨地表覆盖遥感分类数据对地表水资源量估算的影响，选取了《江苏省水资源调查评价》里面相应不同保证率的多年平均值作对比，不同分辨率的典型年与对应的多年平均值的差值如表3-7所示，没有单一的显著性规律，总体上10 m分辨率的差值比300 m分辨率的差值小一点。

表3-5　基于不同保证率降雨情景模拟的产流结果统计表　单位：亿m3

资料来源：自制

表3-6　基于不同分辨率下垫面产流量差值统计表＊　单位：亿m3

续表3-6

＊表3-6中差值是指同一年10 m分辨率与300 m分辨率地表覆盖遥感分类数据下的产流量之差。以下出现类似情况均指在相应分辨率地表覆盖遥感分类数据下的模拟结果。
资料来源：自制

表3-7　不同分辨率下垫面产流量与多年平均值差值统计表　单位：亿m3

＊表3-7中差值是指不同分辨率地表覆盖遥感分类数据与多年平均值之差。
资料来源：自制

为进一步分析地表覆盖遥感分类数据分辨率、下垫面变化以及降水量对水资源分区的影响，从横向和纵向进行综合分析。横向，对比分析相同保证率降雨条件不同分辨率地表覆盖遥感分类数据情景下水资源分区产流变化，探讨分辨率引起的下垫面差异对地表水资源量的评估影响。纵向，基于单类下垫面层面，对比研究不同降雨保证率情景下分辨率引起下垫面面积变化、水资源分区面积等对水资源分区地表水资源量的影响，探索地表水资源量（天然径流量）评估的主要影响因素。

3．3．2　地表水资源评估的影响因素

1）影响地表水资源量的主要因素

相同分辨率地表覆盖遥感分类数据不同保证率降雨情景下的城镇产流量如图3-3（a）所示，遥感影像分辨率变化引起地表覆盖数据差异导致的水资源分区城镇产流量变化量如图3-3（b）所示，水资源分区不同保证率降雨量情况如图3-3（c）所示，地表覆盖遥感分类数据分辨率变化引起的水资源分区城镇面积变化如图3-3（d）所示。根据结果可知，降雨的多少影响地表水资源总量的总体趋势，降水多则地表水资源量多。但是不同分辨率地表覆盖遥感分类数据不同保证率降雨情景下地表水资源量的变化与分辨率变化导致的城镇面积变化呈线性关系，表明分辨率变化导致的城镇面积变化是不同分辨率地表覆盖遥感分类数据不同保证率降雨情景下地表水资源量变化的主要影响因素。

相同分辨率地表覆盖遥感分类数据不同保证率降雨情景下的水田产流变化如图3-4（a）所示，遥感影像分辨率变化引起地表覆盖数据差异导致的水资源分区水田产流量变化量如图3-4（b）所示，地表覆盖遥感影像分辨率变化引起的水资源分区水田面积变化如图3-4（c）所示。由图3-4可知，降雨对产流变化产生显著影响，主要影响产流量的总体高低趋势；地表覆盖遥感影像分辨率引起下垫面统计变化，是引起水田产流过程及变化的主要因素，与城镇情况一致。旱地和水面的情况如图3-5和3-6所示，分析得出相同结论。综上所述，降雨量的多少是影响产流总量的多少的主要影响因素，而地表覆盖遥感影像分辨率是不同分辨率地表覆盖数据不同保证率降雨情景下地表水资源量变化的主要影响因素。降雨的多少以及地表覆盖数据遥感影像的分辨率均对地表水资源量的估算有显著影响作用。

图3-3　城镇下垫面的相关对比图
图片来源：自绘

图3-4　水田下垫面的相关对比图
图片来源：自绘

2）基于地表覆盖遥感分类数据水资源评估结果与传统水资源评估结果对比

基于四种不同分辨率三种不同保证率降雨情景下模拟的水资源量结果与《江苏省水资源调查评价》里不同保证率多年平均结果进行对比，得特殊干旱年与平水年对比图如图3-7和图3-8所示。总体上，10 m分辨率地表覆盖遥感分类数据基础上模拟的地表水资源量的结果与《江苏省水资源调查评价》的结果拟合度较高。其次，平水年模拟结果与多年平均结果差异最小，拟合度最高。一般干旱年其次，特殊干旱年拟合度较差。

图3-5　旱地下垫面的相关对比图
图片来源：自绘

3）地表覆盖遥感分类数据分辨率引起的地表水资源量评估结果的变化

图3-6　水面下垫面的相关对比图
图片来源：自绘

据基础资料部分数据可知，当地表覆盖遥感分类数据分辨率由10 m变为300 m，伴随的主要下垫面变化是水田面积增加，其他三类不同程度的减少，主要是旱地的减少。特殊干旱年、一般干旱年、平水年三种不同保证率情景下，随着遥感影像分辨率变化引起各类下垫面面积的变化而产生的地表水资源量的变化如表3-8～表3-10和图3-9～图3-11所示。在相同保证率水文条件下，随着分辨率降低，主要的产流变化是水田和城镇产流的增加伴随着旱地产流与水面产流的减少。其中，以水田产流的增加更显著，旱地产流减小更明显。

图3-9　特殊干旱年10 m分辨率与300 m分辨率各类下垫面产流量差值
图片来源：自绘

图3-10　一般干旱年10 m分辨率与300 m分辨率各类下垫面产流量差值
图片来源：自绘

图3-11　平水年10 m分辨率与300 m分辨率各类下垫面产流量差值
图片来源：自绘

表3-8　特殊干旱年10 m分辨率与300 m分辨率各类下垫面产流量差值单位：亿m3

资料来源：自制

表3-9　一般干旱年10 m分辨率与300 m分辨率各类下垫面产流量差值单位：亿m3

资料来源：自制

表3-10　平水年10 m分辨率与300 m分辨率各类下垫面产流量差值单位：亿m3

资料来源：自制

3．4　本章小结

（1）根据研究结果，遥感影像分辨率变化导致的地表覆盖遥感分类数据差异对区域水资源估算有较大的影响。水资源估算结果变化比例在0．7%～105．2%。尤其是特殊干旱年情景下，两种分辨率地表覆盖遥感分类数据下的产流结果差异显著，多个水利分区产流量差异在50%以上；而一般干旱年和平水年的差值基本在20%以下。相同保证率水文条件下，基于10 m分辨率地表覆盖遥感分类数据计算的苏北片区总的地表水资源量比300m分辨率地表覆盖遥感分类数据下得出的地表水资源量大。

（2）当地表覆盖遥感分类数据分辨率由10 m变为300 m，伴随的主要下垫面变化是水田面积增加，其他三类下垫面不同程度的减少，主要是旱地的减少。在相同水文条件下，随着分辨率降低，主要的产流变化是水田和城镇产流的增加伴随着旱地产流与水面产流的减少。其中，以水田产流的增加更显著，旱地产流减小更明显。

（3）通过各影响因素的综合分析，降雨量影响地表水资源总量的总体趋势，降水多则地表水资源量多。但是随着地表覆盖遥感分类数据分辨率的变化，不同保证率情景下地表水资源量的变化趋势与不同分辨率导致的城镇面积变化呈线性关系。总结得出，降雨量的多少是影响产流量多少的主要影响因素，而地表覆盖遥感分类数据分辨率是不同分辨率地表覆盖数据、不同保证率降雨情景下，地表水资源量变化的主要影响因素。降雨的多少以及地表覆盖遥感分类数据的分辨率均对地表水资源量的估算有显著影响作用。

（4）基于10 m分辨率地表覆盖遥感分类数据模拟输出的地表水资源量结果与《江苏省水资源调查评价》的结果拟合度较高。其次，相同分辨率情况下，平水年模拟结果与多年平均结果差异最小，拟合度最高。一般干旱年其次，特殊干旱年拟合度较差。其中，一般干旱年差异趋势与平水年相同。