濟南市錦繡川流域景觀變化對河川徑流的影響研究

王立紅，陳 娟，張 慧

（1.山東師范大學(xué) 人口資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250014；2.山東省濟南市環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究所，山東 濟南 250023）

1 研究區(qū)概況

錦繡川流域，是指濟南市南部山區(qū)的東南部巖溶發(fā)育較差的碳酸巖和風(fēng)化裂隙較為發(fā)育的變質(zhì)巖混合區(qū)，也就是隸屬于歷城區(qū)之內(nèi)的錦繡流域范圍，且根據(jù)研究需要，特將臥虎山水庫包括在研究區(qū)范圍之中。地理坐標(biāo)：經(jīng)度117°07′41″～117°18′45″E，緯度 36°20′55″～36°42′15″N，總面積 108.3963km2。

1.1 氣候

研究區(qū)氣候類型為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，主要氣候特點是春季氣溫回升快，多西南風(fēng)且風(fēng)力較大；夏季炎熱多雨，最熱月平均氣溫28.4℃；秋季天氣晴爽，氣溫迅速下降；冬季寒冷干燥，多東北風(fēng)，最冷月平均氣溫-4.2℃。研究區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向為東北西南向，常年平均風(fēng)速2.7m／s，光照、熱量較為充足。

1.2 地貌

研究區(qū)地處魯中山地北緣單斜山地丘陵區(qū)，地貌類型以低山丘陵為主，地勢南高北低，中山、低山、丘陵、山間臺地和山前平原呈階梯狀分布。海拔高度在120～890m之間，其中260～510m的山體面積占總面積的60%左右。

1.3 土壤與植被

根據(jù)成土母質(zhì)及土壤特性，研究區(qū)內(nèi)的土壤可分為棕壤與褐土兩個土類。棕壤的面積較小，有棕壤性土和棕壤兩個亞類，主要分布于研究區(qū)的南部邊緣的砂石山區(qū)。褐土類分布面積較廣，分為褐土性土、普通褐土、石灰褐土3個亞類，主要沿錦繡川河道兩側(cè)分布。

植被類型有溫帶針葉林、溫帶落葉闊葉林、灌草叢、草地和果園等。針葉林為主要的林地類型，主要由松林和側(cè)柏組成，松林主要分布在砂石山區(qū)，多為純林，樹種有赤松（Pinus densiflora）、油松（Pinus tabulaeformis）、黑松（Pinus thunbergii）3種，以赤松為多；側(cè)柏（Platycladus orientalis）分布于青石山區(qū)，多為側(cè)柏純林，國營林場有小面積的側(cè)柏與刺槐（Robinia pseudoacacia）、側(cè)柏與黃櫨（Continus coggygria）等混交林。闊葉林面積較少，以刺槐居多，另外還有楊樹（Populus spp.）和麻櫟（Quercus acutissima）、栓皮櫟（Quercus Variabilis）等，也多為純林。灌木主要為荊條（Vitex negundo var.heterophylla）、酸棗（Ziayphus jujuba var.spinosa）、黃櫨（Continus coggygria）和胡枝子（Lespedeza bicolour）等。草本植物主要以白羊草（Bothriochloa ischaemum）、黃背草（Themeda triandra）為主。果樹有蘋果、梨、桃、杏、柿子、核桃、板栗、山楂等品種。

1.4 水文狀況

研究區(qū)地表水屬黃河水系，主要有臥虎山和錦繡川兩大地表水庫。錦繡川兩岸山嶺裂隙水源出露而形成徑流，所以河道能保持水流不斷。研究區(qū)河流的地表徑流產(chǎn)生量與降水強度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形坡度、地面覆蓋度、土壤厚度和蓄水能力都有直接的聯(lián)系。由于研究區(qū)域處于非碳酸鹽的不透水和裂隙發(fā)育不完全，個別地區(qū)地表徑流經(jīng)過植被吸收和土壤儲存后，一部分以潛流形式補給地下水，滯后一段時間又出露地表，以河流形式匯入山川河流；另一部分徑流則匯集成河被沿途水庫攔截蓄存。錦繡川徑流匯集到臥虎山水庫后，經(jīng)人為調(diào)控補給玉符河，后經(jīng)過市區(qū)匯入黃河。

2 SWAT模型的結(jié)果與分析

2.1 SWAT模型的水量平衡方程

SWAT模型的水量平衡方程為：

SWt=SWo+（Rday-Qsurf-Ea-Weep-Qgw）。

其中SWt為土壤最終含水量（mm），SWo為土壤前期含水量（mm），t為時間步長（d），Rday為第i天降雨量（mm），Qsurf為第i天的地表徑流（mm），Ea為第i天的蒸發(fā)量（mm），Weep為第i天存在于土壤剖面地層的滲透量和側(cè)流量（mm），Qgw為第i天地下水含量（mm）。

2.2 SWAT模型的模擬結(jié)果與分析

SWAT模型模擬后，即可輸出模擬結(jié)果文本文件，數(shù)據(jù)直觀性和統(tǒng)計參數(shù)不能滿足模型評價要求。本文在Excel下編制了模擬結(jié)果評價參數(shù)和過程線自動生成宏，SWAT運算結(jié)束即可得到當(dāng)次模擬效果，提高了模型率定的效率。研究區(qū)水文氣象資料系列長度為2000～2004年5年資料。由于實測資料的限制，本文僅采用對研究區(qū)域進行了徑流模擬，模擬過程中對風(fēng)速、相對濕度進行了模擬的基礎(chǔ)上，對徑流產(chǎn)生過程進行了模擬［1］。

在圖1中，可以看出，2月～5月的風(fēng)速值是一年中相對較大數(shù)值，8月，9月的風(fēng)速一般是一年中相對較小的。但是2002年是個特例，月平均風(fēng)速的最高值出現(xiàn)在6月為2.4m／s，10月的數(shù)值也是5年最高的。對濕度而言，與降雨量有較大的相關(guān)性，濕度較大的月份多出現(xiàn)在7、8月份，2、3月份是一年中濕度相對較低的月份，詳細情況見圖2。

圖1 錦繡川流域2000年～2004年月平均風(fēng)速數(shù)據(jù)點圖

圖2 錦繡川流域2000年～2004年月平均相對濕度數(shù)據(jù)點圖

研究區(qū)域的蒸發(fā)量與徑流量情況見圖3和圖4，7月是一年中蒸發(fā)和徑流量最大的月份，而12月到次年3月都是蒸發(fā)與徑流相對較小的月份。地表徑流的產(chǎn)生量與降水強度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形坡度、地表覆蓋物、土壤厚度和蓄水能力的影響較大。地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地形坡度因素是研究區(qū)域特有的，在一年四季中不會有變化，但降水情況、地表覆蓋物卻是在變化的，濟南夏秋季節(jié)多雨濕潤，春冬季節(jié)少雨干燥，使得徑流多產(chǎn)生在夏秋季節(jié)，以7月份最為突出。濟南所處的地理位置，決定濟南的植被多為落葉闊葉林、針葉林和灌木林植被，從每年5月到10月，是落葉闊葉林生長較為茂盛的時期，此時期的森林林冠截流功能也較好，但是由于降水較多，強度較大，還是形成了較其他時期較為明顯的徑流過程［2］。

圖3 錦繡川流域2000年～2004年月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)點圖

圖4 錦繡川流域2000年～2004年月徑流量數(shù)據(jù)點圖

本研究還對錦繡川流域的年徑流量進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計數(shù)據(jù)詳見圖5。將模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行對比，借助于EXCEL強大的數(shù)據(jù)分析功能對數(shù)據(jù)進行分析，得到線性回歸決定系數(shù)R2=0.9449，Nash-sutcliffe模擬效率系數(shù) Ens=0.8712［3］。結(jié)果證明：SWAT模型在濟南市南部山區(qū)的應(yīng)用是成功的，年時間尺度的模擬比月時間尺度的模擬精度要高的多，并且在較小流域的模擬精度要比較大流域模擬的精度要高的多。

圖5 錦繡川流域多年徑流量統(tǒng)計圖

3 地表景觀變化對水文過程的影響

3.1 地表景觀變化的水文效應(yīng)

地表景觀變化對水文（地表水和地下水）過程的影響主要表現(xiàn)在對水分循環(huán)和對水質(zhì)水量的改變作用上。地表景觀變化改變了地表蒸發(fā)、土壤水分狀況及地表植被的截留量等，進而對流域的水量平衡產(chǎn)生影響。降雨初期，除小部分降雨直接落到水體上外，大部分落到流域表面的降雨，在滿足了植物截留、填洼和下滲之后，才能產(chǎn)生地表徑流。地表覆蓋主要影響水分在流域中的再分配和運行過程，改變流域水文循環(huán)、水平衡和水文特征值［4］。

3.2 研究區(qū)景觀的情景設(shè)計

根據(jù)濟南市南部山區(qū)錦繡川流域景觀特征狀況及土地利用與覆被變化，對錦繡川流域設(shè)計情景模型。

（1）情景1。未來采取積極的土地資源和水資源管理監(jiān)督（全面禁伐，退耕還林，等），土地朝良性方向發(fā)展，大面積耕地恢復(fù)林地狀態(tài)，覆蓋度良好，地表土地基本被林地和高密度草地覆蓋。

（2）情景2。土地覆蓋為最佳狀態(tài)，根據(jù)70年代土地覆蓋狀況分析結(jié)果，在流域范圍內(nèi)，除了少數(shù)居民地和水域以外，適合森林生長的土地都被林地所覆蓋，適合草地生長的土地都被高中密度草地覆蓋，土地沙化面積很少，此時，流域范圍內(nèi)的高中密度草地覆蓋率可以達到80%以上。

（3）情景3。根據(jù)當(dāng)前土地利用與土地覆被狀況設(shè)定，目的是對照其它4種土地覆蓋變化后的研究區(qū)域徑流量狀況（以此情景為標(biāo)準(zhǔn)進行分析變化情況）。

（4）情景4。土地退化較快，土地利用以低覆蓋度林地和裸地為主。

（5）情景5。研究區(qū)域土地覆蓋一直朝惡性方向發(fā)展，林地急劇減少，土地沙化嚴(yán)重，地表無任何植被覆蓋，均為沙地和裸地。

根據(jù)以上建立的5種景觀情景模式，用2000～2004年水文數(shù)據(jù)模擬了5年平均徑流量，其大小排序為情景1＜情景2＜情景3＜情景4＜情景5，這表明隨著地表草地和林地面積增加，錦繡川流域年徑流量減少，情景1徑流深變化為259mm，比情景3減少了85mm；情景2的徑流深比情景3的徑流深減少了61mm；情景4的徑流深比情景3的徑流深增加了84mm，增加為428mm；情景5的徑流深為最大的，此種情況下，地表裸露且無植被覆蓋，這將使研究區(qū)域年均徑流量增加40%左右，模擬數(shù)值為486mm。

研究表明：在相同的氣候條件下，隨著森林和草地的數(shù)量的減少，研究區(qū)域的地表徑流量將有增大的趨勢。而裸巖的增加和耕地的增加也會使得相同氣候條件下的徑流量增加。流域草地消減洪峰，涵養(yǎng)水源的功能最強，其次是林地。而當(dāng)人們?yōu)榱松嫘枰獨ゲ莸睾蜕质蛊涑蔀楦睾螅莸睾蜕炙哂械倪@些功能一去不返，水土流失，山體滑坡，泥石流等現(xiàn)象隨之而生。

根據(jù)實地調(diào)查和農(nóng)業(yè)調(diào)查資料發(fā)現(xiàn)，本區(qū)森林面積不斷減少，林地植被的生長周期較長，許多陡坡地不宜林木和農(nóng)作物生長。而草類植被的適應(yīng)強、生長周期短，見效快；同時草本植被的蓄水固土、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源的能力很強，草本植被株叢低矮密集，莖葉繁茂，能夠形成緊貼地面，覆蓋嚴(yán)實的草被，既可遮擋降雨，避免暴雨直接沖刷地面，又可增加地面粗糙度，有效地分散、延緩和減少徑流，擋截泥土，而且草本植物根系緊密，可疏松土壤，加大入滲，蓄積降水，團結(jié)土壤，抵抗徑流侵蝕，因此，錦繡川流域在生態(tài)恢復(fù)過程中種草是十分必要的［2］。

4 結(jié)語

本文在汲取國內(nèi)外成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，選取SWAT模型對濟南市南部山區(qū)錦繡川流域進行了5年水文數(shù)值模擬研究，借助地理信息系統(tǒng)技術(shù)，分析了錦繡川流域的氣候、水文、土壤、土地利用等資料，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，應(yīng)用SWAT模型對錦繡川流域徑流過程進行模擬和分析。研究表明，SWAT模型能夠較好的模擬錦繡川流域的產(chǎn)水量，對錦繡川流域的生態(tài)環(huán)境研究提供了依據(jù)。

結(jié)果表明：隨著森林和草地的數(shù)量的減少，研究區(qū)域的地表徑流量將有增大的趨勢。流域草地和林地具有消減洪峰，涵養(yǎng)水源的功能。地表植被覆蓋對徑流量的影響受氣候背景和植被類型等多種因素制約。相同氣候條件下，不同結(jié)構(gòu)類型的景觀類型對地表徑流所產(chǎn)生的影響不盡相同，因此對不同地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的具體措施，應(yīng)按照當(dāng)?shù)氐乃疅釛l件、地形土壤、海拔等各種自然、生態(tài)因子和社會經(jīng)濟狀況來科學(xué)地規(guī)劃農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)中糧、林、草的合理布局以及生態(tài)恢復(fù)過程中林地與草地的布局。

［1］張蕾娜，李秀彬，王兆鋒，等.一種可用于表征土地利用變化水文效應(yīng)的水紋模型探討——SWAT模型在云州水庫流域的應(yīng)用研究［J］.水文，2004，24（3）：4～8.

［2］濟南市環(huán)保局.濟南市南部山區(qū)水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)規(guī)劃［R］.濟南：濟南市環(huán)保局，2003.

［3］楊桂蓮，郝芳華，劉昌明，等.基于SWAT模型的基流估算及評價——以洛河流域為例［J］.地理科學(xué)進展，2003，22（5）：45～46.

［4］程根偉，余新曉，趙玉濤.山地森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)與數(shù)學(xué)模擬［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.