基于机载热红外传感器测温信息的流域尺度地表水-地下水耦合模型校正方法研究

Integrated surface water-groundwater model is essential to sustainable water resource management at basin scales. However, complex model structure, highly demand on data, and parameter uncertainties bring great challenges to the calibration of such large scale models. This study utilizes the airborne thermal-infrared remote sensing method to obtain pattern information of temperature on the river surface. According to the temperature difference between surface water and groundwater, the distribution and variation pattern of temperature anomalies will be identified, thus providing an effective means of locating groundwater discharge areas. This information will then be compared to the simulated groundwater discharge areas by the integrated surface water-groundwater model, and constrain the model calibration. Compared to the usual limited amount of monitoring data such as hydraulic heads and fluxex, the spatial distribution of temperature data provides a much more broader and complete areal coverage, and most importantly, provides independent pattern information for model calibration.

流域尺度地表水-地下水耦合模型是研究地表水-地下水相互交换过程不可或缺的手段，对流域水资源综合管理具有重要意义。但是流域尺度耦合模型的校正一直是悬而未决的科学难点。这是因为基于传统观测井水位的模型校正方法无法直接反映地表水-地下水相互交换过程，而且观测井数量和空间覆盖率都十分有限。尽管河流测流数据可以提高模型校正的准确度，但测流数据很难刻画地表水-地下水交换过程的空间变异性，而且测流数据的获取经费昂贵且质量难以控制。本项目通过机载热红外传感器获取研究区内100多公里河道上的高分辨率温度分布信息，根据地表水和地下水温度差异，分析温度分布图中的异常区域，确定地下水在地表水体中的注入点，并与地表水-地下水耦合模型模拟出的地下水排泄点进行对比，从而达到地表水-地下水耦合模型校正的目的。该方法充分利用先进技术迅速、高效地获取大区域上高分辨率数据，为区域尺度耦合模型的校正提供新的途径和方法。

地表水与地下水是相互关联、相互转化的统一系统，其相互作用与转化是一个复杂的过程，受自然和人类活动多种因素的影响，对其交互规律的研究是水文学和水文地质学领域的研究热点之一。传统研究地表水与地下水交互的方法多局限于点上监测，如水位和流量的直接测量、地球化学取样分析等，存在空间尺度有限的不足。由于地表水和地下水存在温度差异，地下水温度常年比较恒定，而地表水温度容易受到大气温度影响发生较大波动，加之温度测量相对简单易行，因此可以把温度作为指示地表水和地下水交互的示踪因子，刻画地表水和地下水交互的空间与时间变化规律。本研究以西北黑河流域地表水与地下水交互频繁的中游地区为例，采用机载热红外遥感测温方法获取区域尺度近100公里长河道表面的温度热图，通过仪器定标、大气校正等方法，从热红外遥感影像提取温度信息，并与地面同步测温数据进行对比，验证了数据的有效性和可靠性。进而利用ArcGIS软件Hot Spot分析工具，对热红外温度原始数据进行统计分析，定量化地下水在河道中的排泄比例。通过与黑河中游地表水/地下水耦合模型结果进行对比，结果显示二者反映出一致的变化规律。由于假设河道中河水与出露地下水发生完全混合，使得地下水排泄比例的计算略低于真实值。除此之外，利用温度空间分布可以在区域尺度上快速、高效地获取地下水排泄比例，突破了定点观测的尺度局限，为了解大尺度地表水、地下水交互提供了新的研究方法。本研究首次获得大尺度、高空间分辨率和高温度分辨率的河道表面水体温度数据，从温度角度重构了黑河中游河段受地下水补给的空间分布，并为流域模型提供了独立的校正信息。