灌区衬砌工程防盐效果遥感评估方法研究

王敬浪，庞治国，江 威，李根东，张晓红

▪灌溉水源与输配水系统▪

灌区衬砌工程防盐效果遥感评估方法研究

王敬浪1，庞治国1*，江 威1，李根东2，张晓红2

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.内蒙古河套灌区水利发展中心，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

【目的】河套灌区实施了一系列的渠道工程措施来保护渠道，防止渠道渗水，抑制土壤盐渍化，但缺少针对灌区衬砌工程防盐效果的评估研究。本文旨在探究利用卫星遥感技术开展河套灌区渠道衬砌工程防盐效果评估。【方法】收集多时相的Landsat8多光谱卫星遥感影像，采用ISODATA聚类方法自动提取河套灌区内的盐碱地，然后利用空间分析方法生成渠道两侧宽度为的缓冲区，统计缓冲区内盐碱地面积,构建盐碱地密度指标，得到关系曲线。【结果】衬砌后的渠道两侧盐碱地面积显著下降，盐碱地面积分布曲线呈阶梯状特征。2013—2016年间，衬砌后的渠道两侧500 m范围内盐碱地面积下降最低49.63%，最高86.81%；1 000 m范围内盐碱地面积下降最低47.95%，最高95.06%；1 500 m范围内，盐碱地面积下降幅度最低54.56%，最高95.68%。土壤质地会影响盐碱地的面积变化，土壤黏粒较低的区域，盐碱地的面积减少更快。【结论】①卫星遥感技术对大范围渠道工程防盐效果开展评估是可行的。②盐碱地的空间分布模式在渠道衬砌后发生变化，由均匀分布转变为聚集性分布。③渠道衬砌工程有效地抑制了盐碱地两侧的土壤盐碱化过程。④土壤质地间接影响工程衬砌的治理效果，土壤黏粒较低的区域，衬砌工程的治理效果越明显。

灌区；渠道衬砌；遥感；盐碱地

0 引 言

【研究意义】河套灌区是我国最大的一首制大型自流灌区，地处干旱和半干旱地区，受地形地势、气候条件和水资源管理利用等因素的影响，区域内存在严重的土壤盐碱化问题[1]。作为我国西北地区重要的商品粮生产基地，土壤盐碱化对当地的农业生产活动的正常开展造成阻碍。关于盐碱地的形成发展及防治等方面的研究一直是该地区的科研重点[2-3]。但由于盐碱地形成原因的复杂性，大多数研究从地下水位、灌溉水等方面讨论大范围的盐碱地面积变化[4]，将渠道渗水等因素忽略。土壤的盐碱化过程和土壤中的水盐息息相关，渠道渗水会影响渠道两侧土壤的含水率，而衬砌工程的目的是防止渠道渗水[5-6]。渠道衬砌工程是否会间接影响渠道两侧盐碱地面积，达到防治盐碱地的效果缺少一个合理有效的评估方法。

【研究进展】随着遥感技术的发展，卫星影像的时间分辨率和空间分辨率都得到极大提升。利用遥感影像来监测盐碱地的面积可以大幅节省人工和资金的投入[7-8]。同时，多光谱卫星遥感数据可以为监测评估渠道衬砌工程的防盐效果提供数据支撑。盐碱地的遥感监测相关研究可追溯至20世纪70年代，通过人工目视解译识别盐碱地。20世纪80年代后，随着大量光学卫星的投入使用，利用监督分类和非监督分类方法提取盐碱地逐渐成熟[9]。随着对土壤盐碱化各方面研究的不断深入，提取方法多种多样，但基本的思路都是寻找真彩色合成影像中的白色高反射区域[10-12]。刘焕军等[13]以吉林省西部盐碱土及其光谱反射率为研究对象，表明盐碱土的反射峰集中于可见光和近红外波段。花锦溪等[14]在反演松嫩平原盐碱化，孙广福[15]在基于Landsat/OLI-TIRS数据的盐碱地模式识别，张俊华等[16]在宁夏银北地区盐碱地盐分预测等研究中也都是基于这一特点构建盐碱地的光谱特征空间，从而将盐碱地与其他地物相分离。【切入点】目前，关于盐碱地的防治主要集中在大范围治理方面，如生物防治，化学防治等。河套灌区内有着庞大数量的灌排水渠，受制于资金、人力、技术的限制，针对大范围区域渠道衬砌工程的防盐效果评估尚且缺乏一定研究。

【拟解决的关键问题】因此，本研究旨在探究利用遥感技术来监测评估渠道衬砌工程效果的可行性。利用地理信息系统中的空间分析法分析渠道两侧的盐碱地面积变化情况，从而分析典型渠道衬砌工程对盐碱地时空分布变化的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河套灌区（图1）位于内蒙古自治区西部，黄河北岸，灌区包含巴彦淖尔市的磴口县、五原县、临河区、杭锦后旗和乌拉特前旗共5个县区旗。灌区多年平均降水量为160 mm，多年平均蒸发量2 251 mm，降水量和蒸发量差距显著，易发生土壤盐碱化，形成盐碱地。受地下水和地面渍涝积水影响，盐碱地的面积变化本身呈现周期性变化特征，具有明显的季节性积盐和脱盐频繁交替反复的特点[17]。在灌溉期间，土壤表层的盐分被水溶解后随水下渗，盐碱地的面积随之减小[18]。夏季，灌溉水分也会受剧烈的蒸发影响将土壤中的盐分向上转运反向增加盐碱地的面积。所以，灌溉活动、天气条件对盐碱地的面积变化造成的扰动特别显著。自1998年至今，河套灌区实施了一系列的节水改造工程，通过改善渠基土渗透性能、设置防渗层等工程措施[19-20]减少水资源在渠道输送过程中的损失。

图1 河套灌区位置

义长灌域是河套灌区最大的灌域，规划灌溉面积32.8万hm2，现灌溉面积19.58万hm2，担负着五原县、乌拉特中旗、乌拉特前旗共13个乡镇和4个国营农场的灌排任务。丰济渠位于五原县，作为义长灌域的干渠保障着区域内的灌溉用水，渠道管理维护措施良好，在2016年以后进行了大量续建配套与节水改造工程。五原县的土壤类型主要为盐土和盐化灌淤土，二者在质地上存在差异。根据砂粒、粉粒、黏粒量进行土壤质地划分，盐土区域砂粒占70%，粉粒占19%，黏粒占11%，盐化灌淤土区域砂粒占50%，粉粒占32%，黏粒占18%。丰济渠横穿五原县，渠道两侧的区域同时存在着盐土和盐化灌淤土，但是不同位置的空间分布状态不同。

2016年3月，丰济渠实施了渠道衬砌工程。根据内蒙古河套灌区管理局义长分中心公开信息可知（http://www.zghtgq.com/plus/view.php?aid=29231），丰济渠的衬砌工程是分段进行的，对渗漏严重区域先行修缮衬砌，且完工时间不一致。为保证外部影响因素相对一致，本研究共选取丰济渠上四段4月前完成衬砌的渠道，如图2所示。4条渠段相对均匀地分布于丰济渠上，相互间影响的可能性较小，起始桩号分别为：11+373—12+764、18+466—20+368、29+100—31+500、37+241—38+588，高程自南向北递减，在下文中分别以丰济a、丰济b、丰济c、丰济d代替。

图2 渠道位置

表1 典型渠道属性

1.2 数据筛选

为提高盐碱地的提取精度，减少天气、灌溉等因素的影响，同时保证数据在历年的同一时期获取，需要对遥感影像的时间进行筛选。研究采用的是Landsat8 OLI多光谱数据，重访周期为16 d，成像期间河套地区必须保持低云量，且前后一段时间没有降水。

综合河套灌区的灌溉制度、盐碱地的形成条件以及遥感影像的重访周期，每年的4月初至4月中旬的Landsat8 OLI影像为最佳的数据来源。在这期间，灌区的农作物尚处于幼苗阶段，对地表覆盖度有限，不会遮挡盐碱地。丰济渠衬砌于2016年，为评估衬砌工程的效果，同时对比未衬砌前的盐碱地变化情况，需要选择2016年前后2个时期的数据。经筛选，满足条件的数据有2013、2016、2020年共6景影像数据。

表2 数据列表

1.3 衬砌效果监测评估方法

渠道衬砌效果监测评估包含3个步骤：首先是盐碱地的提取，其次是多重缓冲区的生成，最后叠加统计分析得到渠道衬砌防盐效果的遥感评估（图3）。

图3 评估方法流程

盐碱地提取采用ISODATA（Iterative Selforganizing Data Analysis Techniques Algorithm）方法。ISODATA方法是一种非监督分类方法，其建立在K-means方法的基础上，增加了合并和分裂2个操作。使用时无须预先熟悉分类区域，但需要有一定的知识解释分类结果。人为误差机会减小，产生的类别比监督分类更均质。独特的、覆盖量小的类别也可以被识别出来，不会像监督分类一样因为样本划分问题被分析者丢失[21]。盐碱地由于盐碱化程度的差异，在轻度盐碱化区域，盐碱化土壤和裸土的光谱曲线趋于一致，依靠人工划分样本区分二者差异的难度变大。ISODATA方法可以最大限度地划分地类，然后通过人工目视解译对地类合并分组，减小盐碱地混分的可能。ISODATA算法具体参数设置如下：最大分类数为10，变化阈值为5%，最大类间标准差为1，最小类间距离为5，迭代次数为10。

盐碱地和渠道的空间分布关系采用空间分析的方法。以渠道为中心，在渠道两侧构建缓冲区，对缓冲区域内的盐碱地面积进行统计，并建立单位长度下的盐碱地密度指标，具体公式为：

式中：为缓冲区域内的盐碱地面积（m2）；为渠道长度（m）。

通过生成多重缓冲区，可以得到盐碱地密度与缓冲区宽度的分布曲线，为保证结果曲线足够平滑同时减少大量的计算任务，缓冲区的宽度步长设置为10 m。

渠道两侧盐碱地的密度变化曲线是盐碱地的空间分布特征的抽象表现，如果渠道衬砌对盐碱地有明显的防治作用，曲线会出现拐点。

2 结果与分析

2.1 盐碱地提取结果

基于上述数据和方法，提取了2013、2016年和2020年的河套灌区盐碱地（图4），利用高分辨率影像样本对结果精度验证，盐碱地提取总体精度优于85%。从提取结果来看，河套灌区土壤表层的盐碱地呈明显的下降趋势，2013年灌区内盐碱地面积为646.74 km2，2016年灌区内盐碱地面积为279.16 km2，2020年灌区内盐碱地面积为255.18 km2，呈明显的下降趋势。

图4 2013—2020盐碱地提取结果

2.2 衬砌效果评估分析

以10 m为采样间隔，得到渠道两侧1 500 m范围内的盐碱地面积变化数据，在此基础上绘制关系曲线，如图5所示。由图5可知：

1）对比3 a缓冲区内盐碱地面积，2016年和2020年显著下降，说明工程措施整体对盐分运移有抑制效果。

2）对比曲线的形态，盐碱地呈现阶梯状特征，说明衬砌工程改变了盐碱地分布格局，从均匀分布演变成聚集分布，因此，阶梯状特征明显。

3）从阶梯状可以看出，衬砌工程影响盐碱地范围基本集中2个范围，第一个是100～300 m范围内，第二个是600～800 m范围内，2020年主要是800～1 000 m范围，说明衬砌工程对于盐分影响存在一定距离效应，主要集中1 300 m范围内。

图5 φ-d关系曲线

丰济a、丰济b、丰济c、丰济d共4条渠段同属丰济渠，在2013—2016年，渠道两侧土地并未采取盐碱地改良措施，作物种植结构也未发生明显改变，选取的遥感影像也都在4月，温度、降水等条件基本一致。土壤质地数据表明，丰济a，丰济b，丰济c，丰济d四段渠道两侧的土壤质地分布情况存在差异，丰济a两侧500 m范围内为盐土，500～1 500 m范围内为盐化灌淤土，丰济b两侧1 500 m范围内均为盐化灌淤土，丰济c两侧1 500 m范围内均为盐土，丰济d两侧1 500 m范围内为盐土和盐化灌淤土混合分布。盐碱地面积变化如表3所示。

表3 渠道周围盐碱地面积变化

由表3可知，丰济a到丰济d在2013—2020年期间，两侧的盐碱地面积变化明显。丰济a变化幅度最大，500 m范围的盐碱地面积由2013年的120 751.6 m2降至2020年的15 924.7 m2，面积减少86.81%；1 000 m范围的盐碱地面积由2013年的487 588.9 m2降至2020年的24 071 m2，面积减少95.06%；1 500 m范围的盐碱地面积由2013年的690 477.4 m2降至2020年的29 824.7 m2，面积减少95.68%。丰济b变化幅度最小，从2013—2020年，1 500 m范围内盐碱地面积减少642 544.5 m2，减少了54.56%。4条渠段的两侧盐碱地面积减少70%左右。

2016—2020年比2013—2016年的变化幅度大。1 500 m范围内，2013—2016年盐碱地面积变化率最大的为丰济a的-54.25%，2016—2020年盐碱地面积变化率最大的为渠段丰济a的-90.56%。

盐土和盐化灌淤土中砂粒/粉粒/黏粒的占比不同造成土壤中的水分渗透速度不同，黏粒占比大的土壤，水分入渗越慢[22]。渠道衬砌后，渠道渗水被阻断，土壤中的水分来源改变。丰济a，丰济c，丰济d两侧土壤中黏粒占比大，衬砌后，盐碱地面积变化率均大于丰济b。

3 讨 论

3.1 遥感的工程应用

在以往的研究中，渠道衬砌的防渗效果得到肯定，但关于其对渠道周边土地盐碱化的防治效果研究较少。许多文献从盐分运移机理上讨论了地下水位，灌溉方式等因素对盐碱地面积的影响。本研究考虑到渠道渗水也会改变土壤含水率，对于这部分水分是否参与土壤中的盐分运移过程，本研究不做深究，仅从其对盐碱地面积影响的角度来建立渠道衬砌和盐碱地面积变化的关系，探讨利用遥感评估渠道衬砌效果的可能性，充分利用了遥感技术大范围、多时相、低成本的特点。河套灌区的节水改造工程还在建设之中，同时有许多老旧的渠道需要翻新整治。传统的渠道监测需要布设一定量的探测设备[23-24]，不仅价格高昂，而且后期维护压力大。本研究是遥感技术在渠道衬砌工程效果评估方面的一次尝试，在未来的研究中，可以进一步讨论渠道渗水过程对盐碱地减少的影响程度，实现利用遥感监测渠道渗水，估测渗水量的目的。

3.2 不足之处

1）本研究数据为2013、2016年和2020年的遥感影像，空间分辨率为30 m。像元混分对提取结果影响较大。在未来的研究中可以丰富数据源，采用分辨率更加精细的遥感影像，刻画长时间序列下的盐碱地的空间分布变化情况。

2）本研究考虑的影响因素较少。未来通过添加地下水，地形方面的数据，可以完善渠道渗漏过程中的水盐运移机制，为本研究的结论作出更加全面的阐释。

4 结 论

1）本研究采用的渠道衬砌评估方法可以有效地反映渠道衬砌的防盐效果。利用遥感评估渠道衬砌的工程效果是可行的。

2）衬砌前后，盐碱地的分布模式发生变化，由原来的均匀分布转变为现在的聚集分布，盐碱地密度关于缓冲区宽度的关系曲线呈阶梯状，阶梯出现在2个位置，第一个是100～300 m范围内，第二个是600～800 m范围内。

3）2013—2020年，丰济a、丰济b、丰济c、丰济d的4条典型渠段两侧500 m范围内，盐碱地面积下降幅度最低49.63%，最高86.81%；1 500 m范围内，盐碱地面积下降幅度最低54.56%，最高95.68%。渠道衬砌可以有效地防治渠道两侧的盐碱地，衬砌后的渠道两侧盐碱地面积显著减少。

4）土壤质地间接影响工程衬砌的治理效果，土壤黏粒较低的区域，衬砌工程的治理效果越明显。

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Evaluating the Efficacy of Channel Lining in Ameliorating Soil Salinization in Hetao Irrigation District Using Satellite Imageries

WANG Jinglang1, PANG Zhiguo1*, JIANG Wei1, LI Gendong2, ZHANG Xiaohong2

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;2. Inner Mongolia Hetao Irrigation District Water Conservancy Development Center, Bayannur 015000, China)

【Objective】Most channels in Hetao irrigation district have been linned in attempts to reduce seepage and ameliorate soil salinization, but there is lack of understanding of its efficacy at district scales. This paper is to fill this knowledge gap using remote sensing technologies.【Method】The analysis was based on Landsat8 multispectral satellite imageries, and saline-alkali soils in the irrigation district were automatically extracted using the ISODATA clustering method. A buffer zone wideon both sides of each channel was identified using a spatial analysis method, saline-alkali area and the salinization index () in which were statistically analyzed.【Result】Saline-alkali soil area decreased significantly on both sides of the channel after the lining, and spatial distribution of the saline-alkali soils is in a trapezoid-shape. From 2013-2016, the salt-alkali soils within the 500m proximal to the channels had reduced from 49.63% to 86.81%, depending on locations, while within the 1 000 m and 1 500 m adjacent to the channels, they had reduced from 47.95% to 95.06%, and from 54.56% and 95.68%, respectively.Soil texture will affect the change of saline-alkali land area, and the area of saline-alkali land decreases faster in the region with low soil clay.【Conclusion】①Satellite remote sensing technology is feasible to evaluate the salt control effect of large-scale channel projects. ②The spatial distribution pattern of saline-alkali land changed from uniform distribution to aggregation distribution after canal lining. ③ The channel lining project effectively inhibited the soil salinization process on both sides of the saline-alkali land. ④ Soil texture indirectly affects the treatment effect of lining engineering. The treatment effect of lining engineering is more obvious in the area with lower soil clay.

irrigation district; channel lining; remote sensing; saline-alkali land

1672 - 3317（2023）01 - 0138 - 07

S156.4；S127

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022036

王敬浪, 庞治国, 江威, 等. 灌区衬砌工程防盐效果遥感评估方法研究[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(1): 138-144.

WANG Jinglang, PANG Zhiguo, JIANG Wei, et al. Evaluating the Efficacy of Channel Lining in Ameliorating Soil Salinization in Hetao Irrigation District Using Satellite Imageries[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(1): 138-144.

2022-01-17

国家自然科学基金项目（51779269）；“十三五”国家重点研发计划课题（2016YFC0501309-2）

王敬浪（1997-），男。硕士研究生，主要从事遥感智能提取研究。E-mail:wangjinglang_iwhr@163.com

庞治国（1975-），男。正高级工程师，主要从事遥感技术应用研究。E-mail: pangzg@iwhr.com

责任编辑：赵宇龙