基于时空融合和水量平衡法的若尔盖高原水源涵养功能评价

基于时空融合和水量平衡法的若尔盖高原水源涵养功能评价

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若尔盖高原，这片被誉为“中华水塔”和“中国西部高原之肾”的生态宝地，其水源涵养功能对长江、黄河等重要河流的生态安全至关重要。本文以若尔盖草原湿地为研究对象，基于遥感和GIS等多源数据，结合水源涵养估算方法，科学评估研究区水源涵养量及其时空变化特征，为湿地保护和恢复提供科学依据与实践指导。

研究背景与意义

若尔盖高原，这片位于青藏高原东部边缘的广袤土地，是中国西部的生态宝地，被誉为“中华水塔”和“中国西部高原之肾”。它的重要性不仅体现在其丰富的生物多样性，更在于它对长江、黄河等重要河流的水源涵养作用，以及对地区气候的调节功能。该地区独特的高原寒温带湿润气候，造就了春季的缓慢升温、秋季的雨热同期，以及冬季的寒冷干燥。这种气候条件，加之若尔盖高原河网的密集分布，为沼泽地的形成和发展提供了理想的条件。沼泽地作为重要的水源涵养区，对维持地区水平衡具有不可替代的作用。然而，近年来，若尔盖高原面临着草地退化、湿地萎缩等生态问题，这些问题不仅影响了当地生态系统的健康，也对其水源涵养能力构成了威胁。例如，过度放牧等人为因素导致的沙化现象，正在改变土壤的结构和保水能力，而气候变化带来的气温升高和降水模式变化，也可能对水源涵养功能产生负面影响。

为了应对这些挑战，保护和恢复若尔盖高原的水源涵养能力，政府已经采取了一系列措施。这些措施包括围封禁牧、退耕还草等，旨在通过恢复草地植被和改善土壤理化性质，来提高土壤的水源涵养能力。

本研究基于若尔盖高原的水源涵养功能对于保障区域乃至国家的生态安全和水安全的重要性。选取若尔盖草原湿地作为研究对象，深入探讨其水源涵养能力的影响机制，为湿地保护和恢复提供科学依据与实践指导。

研究区简介

若尔盖高原位于素有“世界屋脊”之称的青藏高原东北部，在行政上主要隶属于四川省的若尔盖县、红原县、阿坝县，以及甘肃省的玛曲县和碌曲县。若尔盖高原在黄河上游地区，东自岷山，西抵巴颜喀拉山，北临西倾山，南至邛崃山，是一块较为完整的丘状高原，也是我国乃至世界上最大的一片高原沼泽区。

图 1-1研究区示意图及地势图

应用目标

若尔盖湿地是我国黄河源区的重要水源地，所以本研究以若尔盖湿地的水源涵养功能评估为科学问题，基于遥感数据、GIS数据等，利用水量平衡原理，发展计算简单、便捷、数据易获取的“水源涵养估算方法”，科学估算若尔盖湿地水源涵养服务量，探究其时空动态变化趋势及其影响因素；构建水源涵养指数，甄别研究区湿地水源涵养功能的时空分异特征，并对研究区水源涵养进行分级。

具体的研究内容包括：

（1）构建基于水量平衡的水源涵养方法

考虑到水源涵养的概念和尺度特征、数据的可获得性、模型的模拟精度等，构建了一种基于遥感、气象和水量平衡原理的草原湿地水源涵养评价方法，估算若尔盖湿地近23年（2000-2022）来的水源涵养量。由于水源涵养量本身不具备验证条件，因此需要对水源涵养评估方法中的参数进行验证，降水是实测数据不需要验证；径流是经验方程计算，同时研究区不是完整的流域所以验证也存在困难；蒸散发具备利用地面气象站蒸散发数据进行精度验证的条件。

（2）探究若尔盖湿地水源涵养的时空变化特征及其影响因素

基于估算的研究区2000-2022年水源涵养量数据集，利用时空序分析方法（空间自相关、MK检验等）分析研究区水源涵养量的时空变化特征；结合气象因素、下垫面情况，利用统计分析方法揭示影响研究区水源涵养量时空变化的主导因素。

（3）构建水源涵养指数，分析若尔盖湿地水源涵养功能的时空分异特征

通过分析研究区的特征及区域来水情况，为使不同时期水源涵养功能更具可比性，构建水源涵养指数，将其作为水源涵养能力的指标测度。在此基础上，分析若尔盖湿地水源涵养功能的时空分异特征。

主要技术流程

数据选择

该研究所用数据包括降水数据、气象数据、遥感数据。降水数据是由彭守璋1982~2022年中国区域1km分辨率降水数据免费分享得来。气象数据为用于验证估算蒸散发精度的地面气象站所测的蒸散发数据(http://www.csdata.org/p/840/1/)。遥感数据集包括MOD11A2、MOD09Q1、MOD09A1和MCD12Q1（表2-1），下载网站为谷歌地球引擎(https://code.earthengine.google.com/)遥感数据主要进行重采样，投影变换，剪切，异常值剔除，波段计算等预处理操作。通过以上操作，制备所需的LST、NDVI、Albedo、DEM、风速、土地利用、净辐射等栅格数据。

表2-1 本研究所用数据

*MODIS 为中分辨率成像光谱仪；---为无解释单元格。

技术路线

以若尔盖草原湿地为研究对象，构建一种基于气象、遥感和水平衡理论的水源涵养评估方法，探究2000-2022年若尔盖湿地水源涵养的时空变化特征及其影响因素；构建水源涵养指数，评估若尔盖湿地水源涵养能力的时空变异特征，总体的技术路线如图2-1所示。

图 2-1技术路线图

关键技术

水源涵养估算方法

本研究采用水量平衡法对水源涵养量进行估算，该方法仅考虑生态系统的水分输入和输出，进而估算生态系统水源涵养量。其主要公式如下：

(3-1)

式中，WC为水源涵养量，P为降雨量，Runoff为地表径流量，AET为实际蒸散发量，A为生态系统面积。

实际蒸散发估算方法(SEBAL模型)

SEBAL模型基于地表能量平衡方程，应用遥感影像MODIS、TM/ETM+数据集计算得的地表比辐射率、地面冠层密度、行星反照率和温度场数据，计算区域尺度上的蒸散发量。地表能量平衡方程为：

(3-2)

其中Rn是地表净辐射通量(W/m2)，LE是潜热通量(W/m2)，G是土壤热通量(W/m2)，H是显热通量(W/m2)。根据能量平衡公式，在已知Rn、G和H情况下，可计算出潜热通量LE即可计算出瞬时的蒸散发比。由于蒸发比在一天当中基本保持不变，因此，通过蒸发比恒定法可以外推得到日蒸散量。

SEBAL模型参数估算

现已知地表净辐射通量Rn参数，还需对土壤热通量G和显热通量H进行估算。

（1）土壤热通量G

土壤热通量用于改变土壤中的能量，直接计算瞬时土壤热通量较为困难，常用方法是以遥感数据建立植被指数与G/Rn的经验关系进而计算土壤热通量。本模型应用Bastiaanssen等通过研究建立的如下关系对植被下垫面的土壤热通量进行简单估算：

(3-3)

其中α为地表反照率，Ts为地表温度（开尔文温度K）。

（2）显热通量H

显热通量是通过对流直接传输到空气中的能量。显热通量是由温度梯度造成的。显热通量的经典计算公式为：

(3-4)

式中：ρ为空气密度（kg/m3），Cp为空气定压比热，dT为地面两个高度的温差，rah为空气动力学阻抗(s/m)。

①空气动力学阻抗

本模型假设在地表上空(200m)存在一个掺混层, 在此高度风速不再受地面粗糙度的影响而达到相等, 从而求得中性稳定度下的摩擦速度与空气动力学阻力。

(3-5)

(3-6)

公式中，Z1和Z2为两个不同高度面的高度，u为摩擦速率；k为卡尔曼常数(0.41) ，ux为zx高度处的风速，Zom为动量表面粗糙度，是地表影响空气层流动和摩擦的度量，它与植被高度呈正比，因缺乏植被高度数据采用以下公式估算：

(3-7)

②空气温差dT

本模型假设dT与地面温度呈线性关系：dT=Tz1-Tz2=aTs+b，需定义一个热点和冷点来求得系数a、b。本文中选择取NDVI最大的植被像元作为“冷点”，该点的显热通量为0，故dT=0;“热点”选取地表温度最高且无植被覆盖的像元，可以认为该点LE=0，则Hhot = Rn-G，这样就能算出dThot。由此确定系数a和b。

③Monin-Obukov校正

因为近地层大气并不是稳定的，模型中利用Monin-Obukhov理论对空气力学阻力rah进行校正，校正过程又需要显热通量，模型采用迭代法进行求解，可得到稳定的显热通量。在迭代运算时，引用Monin-Obukhov长度（L）来判断大气的稳定性：

(3-8)

公式中，Pair为空气密度；k为卡尔曼常量(0.41)；g为重力加速度(9.8m/s2)；H为显热通量。当L<0，大气不稳定；L>0，大气稳定；L=0，大气中性。大气稳定后即可得到校正后的H。

蒸散量计算

由地表能量平衡方程，计算出瞬时潜热通量LE后。再由公式：

(3-9)

式中EFinst为瞬时蒸发比。可得到瞬时蒸发比，研究表明一天内蒸发比随时间不发生变化，因此利用蒸发比的这一特性来估算日蒸散发量。具体公式如下：

(3-10)

式中是ETd日蒸散发量；Rn24是日净辐射；λ是汽化潜热，取值2.45×106 MJ/kg；

是水的密度；

是时间换算因子，用于将瞬时值转换为日值。

径流估算方法

地表径流量由降雨量与地表径流系数的乘积来表征。MCD12Q1土地类型对应的地表径流系数通过查阅文献资料获得，主要包括公开发表的文献和出版的专著。地表径流系数数据如表3-1所示。(因缺失2000年的土地利用数据，这里使用2001年的土地利用数据进行代替)

表3-1 各类地物地表径流系数均值

时空特征分析方法

时空特征分析方法有两种：（1）回归分析和相关分析；（2）Sen斜率和Mann-Kendall趋势检验方法，其中回归分析和相关分析通过SPSS（Statistical Package for Social Sciences）软件完成；Sen斜率和Mann-Kendall趋势检验通过Pycharm软件完成。

水源涵养指数

降水是生态系统水资源的主要来源，也是影响水源涵养的重要因素，为消除降水变化对水源涵养能力的影响，采用水源涵养与降水量的比值，作为水源涵养能力的表征，具体的计算公式如下：

(3-11)

式中，IWC为水源涵养指数，WC为水源涵养量，P为降雨量。

主要结论

本文以我国水源涵养型若尔盖草原湿地区为研究对象，基于遥感和GIS等多源数据，结合水源涵养估算方法，科学评估研究区水源涵养量及其时空变化特征，主要结论如下：

（1）研究采用SEBAL模型模拟的蒸散发地面验证相关系数达到0.75，且通过显著性检验，精度满足研究需要。研究区单位蒸散量从西北向东南有逐渐增加趋势；不同下垫面类型蒸散存在显著差异，十种下垫面类型单位面积蒸散发量的大小排序为水域>草原>湿地>林地>城市>草地>农田>灌木>荒地>农田/自然植被混合区；研究时段内蒸散发具有波动性，但波动较为平稳始终保持在一个值（625mm）附近。从行政区域上讲，碌曲县和若尔盖县呈增加趋势，其他三县（玛曲、阿坝和红原县）呈减少趋势。影响蒸散发的主要因素主要是下垫面类型与降水量无关。

（2）研究区多年平均水源涵养整体上从北向南有逐渐增加趋势；不同下垫面类型水源涵养量具有显著差异，十种地类单位面积水源涵养量的大小排序为荒地>农田/自然植被混合区>灌木>林地>草原>草地>农田>湿地>水域>城市。说明地表硬化严重减弱了生态系统的水源涵养能力。近23年来，水源涵养整体上呈微弱上升趋势。从行政区域上讲，红原县呈增加趋势且趋势明显，其他五县（阿坝、若尔盖、玛曲、碌曲和红原县）呈减少趋势，特别是若尔盖存在剧烈减少，而且减少趋势明显。研究区降水比较强烈的影响着区域水源涵养量，但是蒸散并未对水源涵养产生明显的影响。

（3）研究区水源涵养能力从西北向东南有逐渐增加趋势；不同下垫面类型单位面积的水源涵养指数差异显著，十种下垫面类型单位面积水源涵养指数的大小排序为荒地>农田/自然植被混合区>灌木>林地>草原>草地>农田>湿地>水域>城市，说明适当的人类活动能够提高生态系统的水源涵养能力；区域水源涵养能力具有微弱的上升趋势，但各行政区略有差异，表现为红原县呈增加趋势且增加显著，阿坝、若尔盖、玛曲、碌曲也有轻微增加，但总体还是呈减少趋势；各县水源涵养能力从大到小依次为：红原县>阿坝县>玛曲县>若尔盖县>碌曲县。