基于地下水位插值與遙感解譯的鹽堿化等級劃分

徐存東，張 銳，劉璐瑤，程 慧，王榮榮，謝佳琳，田子荀

(1.華北水利水電大學，鄭州 450045；2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450045；3.河南省水工結(jié)構(gòu)安全工程技術(shù)研究中心，鄭州 450046；4. 中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056004)

0 引 言

長期以來，人們通過發(fā)展人工灌溉來開發(fā)干旱區(qū)長期荒蕪的土地資源，以滿足人口快速增長的需求[1]。在中國西北干旱區(qū)，大面積的人工墾殖加之粗放的農(nóng)田漫灌，引發(fā)了區(qū)域內(nèi)大面積的水鹽運移、重組和累積[2]，嚴重威脅著農(nóng)業(yè)耕地資源，造成這些地區(qū)宜耕高產(chǎn)的農(nóng)牧土地面積呈銳減的態(tài)勢，少數(shù)地區(qū)的土地生產(chǎn)能力降低甚至完全喪失，嚴重影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。大量的研究表明，灌區(qū)土壤鹽堿化形成的主要原因是土地利用方式不當以及灌溉模式不合理，長期的灌溉致使地下水位不斷上升，在灌區(qū)低降雨高蒸發(fā)的自然氣候條件影響下，水分通過毛管作用向上遷移蒸發(fā)后，使鹽分積累在土壤表層形成鹽堿災害[4-6]。目前，灌區(qū)的土壤鹽漬化仍然是一個未得到完全解決的世界性難題[7]。因此，明晰地下水位與土地鹽堿化程度的關(guān)系，進而預測該區(qū)域土壤鹽堿化演變趨勢，對于開展鹽堿化的調(diào)控治理尤為重要。目前國內(nèi)外學者針對土地鹽堿化開展了大量研究，取得了豐富的研究成果。Abliz A[8]對中國新疆維吾爾自治區(qū)凱里亞綠洲與土地覆被和土地利用相關(guān)的地下水深度和地下水鹽度的空間和時間變異性進行了研究。塔西甫拉提·特依拜[9]等以新疆維吾爾自治區(qū)典型鹽堿化區(qū)域—艾比湖流域為研究區(qū)，ASD光譜儀采集的土壤高光譜數(shù)據(jù)和ASTER影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合實測土壤鹽分含量信息，對遙感定量反演土壤鹽漬化現(xiàn)象進行了研究。楊勁松[10]等以河南省封丘縣為研究區(qū)，綜合考慮引起土壤鹽漬化的土壤鹽分、地形、地下水位及礦化度、植被情況及其他影響因素，基于遙感影像和磁感式探測獲得的土壤表觀電導率等多源數(shù)據(jù)建立了區(qū)域土壤鹽分綜合評估模型，并對研究區(qū)分層土壤鹽分空間變異進行評估。陳永寶[11]等以新疆喀什為研究區(qū)模擬了潛水蒸發(fā)量與地下水埋深的關(guān)系，定量分析了棄荒地自然條件下地下水埋深對土壤表層鹽分的影響，建立了表層土壤含鹽量與地下水埋深的經(jīng)驗模型。但土壤鹽漬化的成因與結(jié)果建立聯(lián)系并確定各時期鹽堿化等級并不多見，鑒于此，本文選取甘肅省景電灌區(qū)一期灌區(qū)為研究區(qū)，將遙感解譯結(jié)果與地下水位插值結(jié)果合并，得出區(qū)域內(nèi)受地下水位影響的土地鹽堿化形成概率等級分布圖，進而對土地鹽堿化的變化趨勢進行預測，為鹽堿地治理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選定甘肅景泰川電力提灌灌區(qū)(文中簡稱“景電灌區(qū)”)為研究區(qū)，該灌區(qū)位于甘肅省中部，河西走廊東端，灌區(qū)東臨黃河，北與騰格里沙漠接壤，南依老虎、米家兩山，是我國大型電力提灌工程之一。其中一期灌區(qū)總面積為4.26 萬hm2，海拔高程1 540～1 710 m，四周群山環(huán)抱，總地勢由西南向東北傾斜。灌區(qū)屬典型的干旱大陸性氣候，多年年均蒸發(fā)量高達2 516 mm，而年均降雨量僅為185 mm，不足蒸發(fā)量的8%，灌區(qū)地表徑流和地下水源極為貧乏，地下水自然補給源幾乎為零。景電灌區(qū)運行以來，水資源主要來源于黃河提水，年提水量約為1.48 億m3，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉。灌溉水的耗散方式主要為田間蒸發(fā)、作物需水和深層滲漏，深層滲漏是灌區(qū)內(nèi)地下水的主要補給來源。灌溉水的入滲和運移導致灌區(qū)內(nèi)不同區(qū)域地下水位發(fā)生變化，同時也引起區(qū)域水土環(huán)境的變遷，尤其是土地的鹽堿化現(xiàn)象變化突出。截止目前，灌區(qū)耕地鹽堿化面積約為9 267 hm2，占灌區(qū)總面積的21.74%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用遙感數(shù)據(jù)為景電灌區(qū)1994年8月，2001年8月和2015年9月三期空間分辨率為30 m的TM衛(wèi)星影像和2015年景電灌區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖。TM 影像在研究區(qū)內(nèi)均基本無云層覆蓋，圖像較為清晰，成像時間接近。

研究區(qū)內(nèi)分布有16眼地下水位長期監(jiān)測井，監(jiān)測井位置如圖1所示，其中TJ1～TJ12眼井均在灌區(qū)內(nèi)，TJ13～TJ16眼井在灌區(qū)周邊分布。所有地下水位數(shù)據(jù)均由甘肅省景泰川電力提灌管理局提供。

圖1 地下水位監(jiān)測井分布圖

1.3 研究方法

1.3.1 遙感處理方法

遙感分類方法主要包括監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類，監(jiān)督分類中最大似然分類是利用遙感數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征分類，其假定各類分布函數(shù)均為正態(tài)分布，通過求取每個像素對各類別的歸屬概率，按正態(tài)分布規(guī)律用最大值原則判定類別歸屬，得到的分類結(jié)果有較高精度[12]。故選取最大似然分類對研究區(qū)土地利用進行分類，分類準則為：

(1)

1.3.2 地下水空間插值方法

地下水位屬于區(qū)域化變量，克里金法是建立在變異函數(shù)理論及結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量的取值進行無偏最優(yōu)估計的一種方法[13]，故選取克里金法進行空間插值，克里金線性估計量如式(2)所示：

(2)

λ=K-1D

(3)

(4)

式中：cij為第i個已知樣點和j個已知樣點的協(xié)方差；c(xi,x)為待估計樣點和已知樣點之間的協(xié)方差。

1.3.3 區(qū)域土地鹽堿化形成概率等級劃分方法

地下水位抬升是形成土地鹽堿化的重要成因，對比研究區(qū)土地覆蓋解譯結(jié)果與地下水位分布趨勢，可發(fā)現(xiàn)大部分鹽堿化嚴重區(qū)域與地下水位較淺區(qū)域重疊，地下水位較深區(qū)域表現(xiàn)為輕度鹽堿化或未出現(xiàn)鹽堿化，且地下水位較淺區(qū)域土地具有較強的鹽堿地變異性，因此研究區(qū)鹽堿地的形成與地下水埋深具有很強的相關(guān)性。故將土地覆蓋解譯結(jié)果和地下水位趨勢分布通過ArcGIS中Spatial Analyst模塊的重分類工具進行數(shù)據(jù)集重分類，通過分級等權(quán)重合并，從而建立地下水位與土地鹽堿化程度的聯(lián)系，將合并結(jié)果分等級劃分，表示不同區(qū)域土地鹽堿化形成概率，用該等級量化土地鹽堿化程度，進而反映整個區(qū)域內(nèi)土地鹽堿化的趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿地遙感提取分析

以景電灌區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖為參考，對獲取的1994、2001、2015年三期TM衛(wèi)星影像進行幾何校正和空間校正。利用ArcGIS裁剪工具提取研究區(qū)影像，創(chuàng)建各類地物的訓練樣本，并對樣本可分離性進行檢驗，通過目視解譯以及現(xiàn)場調(diào)研，可將該區(qū)域地物類型分為5類，分別是耕地、輕度鹽堿地、中度鹽堿地、重度鹽堿地以及其他，運用最大似然法執(zhí)行監(jiān)督分類。分類結(jié)果見圖2，鹽堿地面積變化統(tǒng)計結(jié)果見表1。三期分類結(jié)果總體精度分別達到93.20%、91.94%和93.12%，Kappa系數(shù)分別為0.901 5、0.876 1和0.899 3，總精度均大于80%，分類結(jié)果良好。

圖2 土地覆蓋解譯結(jié)果

土地類型1994年面積/hm2比例/%2001年面積/hm2比例/%2015年面積/hm2比例/%耕地16 225.1438.0716 122.2837.8316 429.0038.55輕度鹽堿地3 077.957.223 369.447.914 737.2711.12中度鹽堿地1 356.913.191 535.463.602 437.265.72重度鹽堿地1 289.983.031 456.133.422 092.524.91其他20 663.7048.4920 130.3747.2416 917.6239.70

由圖2可知，1994年灌區(qū)鹽堿地分布較為稀疏，只在耕地周邊有零星分布，大部分分布在東南部，分布較少且不影響耕作用地。2001年灌區(qū)鹽堿地分布范圍在原來基礎(chǔ)上擴張，尤其在北部和東北部，東南部由于耕地的開墾鹽堿地開始向東南遷移。2015年灌區(qū)鹽堿地面積顯著增加，在2001年的基礎(chǔ)上發(fā)展迅速，最北端、東北部和東部已經(jīng)發(fā)展成為大面積帶狀分布，且原來的部分耕地也發(fā)展成為鹽堿地，東南部的鹽堿地也出現(xiàn)大面積擴張，西端伴隨耕地增加僅出現(xiàn)少許鹽堿地。1994-2015年灌區(qū)鹽堿地占灌區(qū)總面積從13.43%增長到21.74%。

由表1可知，灌區(qū)鹽堿地面積呈現(xiàn)明顯的擴張趨勢，由1994年的5 724.84 hm3到2015年9 267.05 hm3，面積占比達到21.75%，增長率為61.87%，年均增長率為2.95%，同類型鹽堿地面積均在不斷擴大，其中中度鹽堿地增長速度最快，增長率為79.62%，重度鹽堿地次之，增長率為62.21%，對比發(fā)現(xiàn)鹽堿地中輕度鹽堿地占比最大，且從2001-2015年由7.91%上升到11.12%，在輕度鹽堿地轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸然蛑囟塞}堿地的同時，有較多其他類型土地轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度鹽堿地。耕地面積變化不大，維持在38%左右，1994-2001年各類鹽堿地面積擴張并不明顯，增長率僅在9.4%～13.16%之間，2001-2015年鹽堿地面積急劇增長，其中中度鹽堿地增長率達到58.73%。鹽堿地中輕度鹽堿地占主導類型，自2001年以后，大水漫灌等不合理的灌溉模式及區(qū)域高蒸發(fā)低降雨的氣候特征導致鹽堿地面積擴張速度加快。

2.2 地下水位空間插值

從1980-2015年地下水埋深資料中選取1994、2001與2015年年均地下水位數(shù)據(jù)，個別監(jiān)測井數(shù)據(jù)缺失用臨近年份代替。利用ArcGIS中正態(tài)QQ圖分析工具對三年地下水位數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)進行分析。分析可知，數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，可對其做克里金插值。插值之前對離群值進行驗證，驗證結(jié)果顯示地下水位各值均合理。

因普通克里金插值對區(qū)域地下水位插值效果較好，尤其對離群值的處理具有明顯優(yōu)勢。且誤差較小，符合實際地下水位變化趨勢[14]。故選取普通克里金插值法對研究區(qū)地下水位進行插值分析。插值結(jié)果見圖3，灌區(qū)地下水位埋深統(tǒng)計結(jié)果見表2。

圖3 地下水位趨勢分布

m

注：表中負號代表地下水位在地表之上。

由圖3可知，灌區(qū)地下水位呈現(xiàn)出西南到東北部逐漸升高的趨勢，西南部地下水埋深在15 m以上的區(qū)域1994-2015年地下水位變化不大。埋深在15 m以上的區(qū)域變化較大，主要集中在東北部，埋深淺且覆蓋面積大，在最北端出現(xiàn)了負埋深。

由表2可知，灌區(qū)地下水位埋深逐年升高，埋深從1994年的16.53 m升高到2001年的15.58 m，年均增長0.135 7 m，2001年到2015年從15.58 m升高至13.83 m，年均增長0.125 0 m。除地下水位埋深較淺區(qū)域變化相對較大，其余區(qū)域埋深基本穩(wěn)定。

2.3 區(qū)域土地鹽堿化形成概率等級劃分結(jié)果

采用等間距分級把地下水位從淺到深劃分為1～10級，把土地從重度鹽堿地到耕地和荒地劃分為1～10級，將重分類結(jié)果運用柵格計算器進行數(shù)據(jù)集等權(quán)重合并計算，計算公式為：

土地鹽堿化等級=地下水位埋深×0.5+

地表鹽堿地分布×0.5

(5)

將合并結(jié)果按照土地成鹽難易程度劃分為5級，1級表示土地變?yōu)辂}堿地概率最大，5級土地變?yōu)辂}堿地概率最小，所獲得的土地鹽堿化形成概率等級分布見圖4。

由圖4可知，1994年5級土地分布在西南部，4級土地遍布整個灌區(qū)，東北部較為集中，3級土地在灌區(qū)內(nèi)部分布最廣，1、2級土地主要分布在中部和東南部。2001年5級土地相比1994年向內(nèi)收縮形成了密集的半橢圓狀，中間摻雜少許4級土地，4級土地明顯較少，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)?級和3級土地，并且1級土地面積在1994年基礎(chǔ)上不斷擴張，大部分為3級土地。2015年5級土地相比2001年面積明顯減少，一部分發(fā)展為4級，4級土地一部分發(fā)展為3級，3級土地受1、2級土地的影響也逐漸減少，1、2級土地發(fā)展迅速，基本占據(jù)了北部與東南并且貫通連接，其中1級土地由北向南形成帶狀分布?？v觀整個區(qū)域土地等級變化，1994-2015年西南到東北部土地等級逐漸升高，到2015年東北部及東部出現(xiàn)了大面積的1級土地和2級土地，西南部總體土地等級類型變化不大，東南部自2001年出現(xiàn)大面積2級和3級土地，到2015年大部分轉(zhuǎn)變?yōu)?級和2級土地。從變化趨勢可以看出，由于區(qū)域內(nèi)整體地下水位逐漸抬升，且越往東抬升速度越快，形成鹽堿地的可能性越大，可針對具體位置的地物分布狀況選擇相應的治理方式。

圖4 土地鹽堿化形成概率等級分布

受地下水位影響，灌區(qū)內(nèi)土地等級整體呈現(xiàn)上升趨勢，西南部土地等級變化不大，由圖2、圖3可知西南部地下水位較深區(qū)域也出現(xiàn)少許土地鹽堿化，表明這些區(qū)域還有其他因素為土地鹽堿化的主導因素，淺埋深地下水位抬升對鹽堿地形成影響劇烈。故在地下水位較淺區(qū)域通過選擇合理的灌溉模式或?qū)Φ叵滤匦麻_發(fā)利用來降低地下水位，進而改善土地鹽堿化現(xiàn)狀。

3 結(jié) 語

(1)通過遙感解譯對景電灌區(qū)一期灌區(qū)鹽堿地等地物進行提取，由解譯結(jié)果可知，在1994-2015年鹽堿地面積急劇擴張，增長率為61.87%，年均增長率為2.95%，尤其自2001年以后面積擴張更為明顯，整個灌區(qū)鹽堿地發(fā)展過程中，中度鹽堿地占主導類型。地下水位插值結(jié)果顯示自西南向東北部逐漸變淺，1994-2015年平均埋深上升2.7 m。

(2)由區(qū)域土地鹽堿化形成概率等級分布分析可知，自西南向東北部土地等級逐漸增加，地下水位較深區(qū)域形成土地鹽堿化概率較小，反之亦然，地下水位較淺區(qū)域隨著地下水位的上升對土地鹽堿化形成較為敏感，區(qū)域內(nèi)土地等級自1994-2015年持續(xù)上升，形成鹽堿地的概率整體上增加，可根據(jù)具體的地物分布狀況結(jié)合土地鹽堿化形成概率等級進行預防和治理，少數(shù)區(qū)域還存在其他主導土地鹽堿化的因素。

(3)運用ArcGIS將地下水位實測數(shù)據(jù)進行空間轉(zhuǎn)換與遙感解譯鹽堿地區(qū)域進行權(quán)重合并，對土地進行鹽堿化概率等級劃分，是一種探索因素對區(qū)域土地鹽堿化轉(zhuǎn)變幾率大小的新思路。但土地鹽堿化是多因素作用的結(jié)果，探討地下水位對土地鹽堿化概率大小只是其中一部分，多種因素對土地鹽堿化轉(zhuǎn)變幾率還有待后續(xù)研究。