不同土地利用模式對大洋河流域徑流的影響研究

趙學(xué)義，趙 靜

(遼寧省岫巖滿族自治縣河道管理所，遼寧 鞍山114300)

土地利用變化直接反映了人類活動，土地利用變化對流域水資源循環(huán)影響都較為顯著。人們對于研究土地利用變化對水資源影響的研究主要分為三個階段，第一個階段對于土地利用變化對流域水資源影響主要是采用實(shí)驗(yàn)方法［1－2］，通過物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同土地利用方式對徑流的影響，但此方法很難和實(shí)際情況相符合。第二階段，人們采用統(tǒng)計方法，對流域長系列的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而分析土地利用變化對水循環(huán)影響，也取得一定的研究成果［3－5］，但是該方法需要的數(shù)據(jù)較長，且很難將氣候變化影響分割出來。第三階段，隨著分布式水文模型的發(fā)展，運(yùn)用分布式水文模型定量分析土地利用變化對流域水循環(huán)的研究開始成為熱點(diǎn)，其中SWAT模型也成為研究土地利用變化對徑流響應(yīng)的一個有效平臺［6－9］。但運(yùn)用SWAT模型定量研究大洋河流域土地利用對徑流影響的研究較少，本文基于SWAT模型，通過設(shè)定3種土地利用模式情景，定量分析不同土地利用模式情景對大洋河流域徑流的影響。研究成果為大洋河流域水資源規(guī)劃和保護(hù)提供參考價值。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

大洋河屬于獨(dú)流如海的河流，河流全長182 km，流域面積為6 554 km2，流域多年平均徑流量為3.1×109m3，沙里寨水文站以上集水面積為4 810 km2，為大洋河的控制站，流域主要的土地利用方式為林地、耕地以及城鎮(zhèn)居民用地。

圖1 大洋河流域圖

1.2 研究方法

本文采用SWAT模型來定量分析不同土地利用情景模式對大洋河流域徑流的影響，SWAT地表徑流模擬主要采用SCS曲線法，該方法計算原理為:

式中:P為降雨量，mm;Q為徑流深，mm;Ia為初損(產(chǎn)生地表徑流之前的降雨損失量)，mm;F為后損(產(chǎn)生地表徑流之后的降雨損失)，mm;S為流域可能最大滯留量，mm。其中S的計算公式如下:

其中CN為綜合考慮前期土壤濕度、坡度、土地利用方式和土壤類型狀況等因素一個無量綱的參數(shù)，土地利用可改變該參數(shù)值，不同土地利用方式對應(yīng)CN值不同，具體取值方式可以詳見參考文獻(xiàn)［9］。

1.3 研究所需資料

模型需要輸入的數(shù)據(jù)有DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)以及水文數(shù)據(jù)。(1)DEM數(shù)據(jù)下載美國太空總署提供的分辨率為90S的SRTM格式數(shù)據(jù)，結(jié)合流域邊界截得研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù);(2)土地利用數(shù)據(jù)采用中科院提供的全國分辨率為1 km×1 km土地利用數(shù)據(jù)，并結(jié)合流域邊界截得研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù);(3)土壤數(shù)據(jù)采用中科院地理所提供的全國分辨率為1:10 000的大洋河流域土壤類型空間分布數(shù)據(jù)，土壤物理屬性數(shù)據(jù)采用自當(dāng)?shù)赝寥乐?(4)水文數(shù)據(jù)采用沙里寨水文站2000－2010年水文數(shù)據(jù)。

2 不同土地利用模式情景下徑流響應(yīng)研究

2.1 SWAT模型參數(shù)的率定和校驗(yàn)

基于SWAT模型以及沙里寨水文站2000－2010年水文數(shù)據(jù)，模擬了大洋河沙里寨水文站以上流域的徑流量，模型參數(shù)率定和校驗(yàn)結(jié)果見下表圖。

表1 SWAT模型水量模擬參數(shù)率定結(jié)果

表2 SWAT模型水量模擬參數(shù)率定結(jié)果

圖2 代表年份徑流模擬成果圖

從表2中可以看出，SWAT模型在大洋河流域具有較好的適用性，模擬的年徑流深相對誤差均在10%以內(nèi)，確定性系數(shù)達(dá)到0.7以上，模型滿足大洋河流域徑流模擬的精度要求，可以用來分析評價不同土地利用模式情景對大洋河徑流的影響。從圖2中也可以看出，模擬的徑流過程和實(shí)測的徑流過程吻合度較高，具有較好的相似性。

2.2 不同土地利用模式情景下徑流響應(yīng)分析

為定量分析不同土地利用模式情景對大洋河的徑流影響，設(shè)定三種土地利用模式情景，見表3?；诼识ê蟮腟WAT模型，分別模擬了三種不同土地利用模式情景下沙里寨水文站以上流域2000年的徑流量，并和2000年未改變土地利用模式情景運(yùn)用SWAT模型模擬的年徑流量進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表4。

表3 不同土地利用模式情景下土地利用改變面積比

表4 不同土地利用模式情景下土地利用改變面積比

從表4中可以看出，土地利用模式情景I中，2000年流域土地利用模式改變后徑流深減少14.1 mm，徑流系數(shù)減少0.11，這主要是因?yàn)榱值孛娣e增加，旱地面積減少，而林地相比于旱地，由于具枝葉以及根系有蓄水功能，從而減少徑流量，因此使得林地面積增加10%，旱地面積減少10%后，其徑流深和徑流系數(shù)都相應(yīng)減少。而土地利用模式情景II，林地面積減少10%，城鎮(zhèn)面積增加10%，城鎮(zhèn)用地由于增加了不透水面積，使得徑流量相應(yīng)增加，從表4中可以看出，土地利用改變前后，其徑流深增加7.7 mm，徑流系數(shù)增加0.16。第三種土地利用模式情景為林地增加10%，城鎮(zhèn)用地減少10%，相比于土地利用模式情景I，林地增加相同比例，城鎮(zhèn)用地和旱地減少的比例也相同，但使得徑流深改變量不一樣，從表中可以看出，城鎮(zhèn)用地減少相比于旱地面積減少，徑流深減少更多，這是因?yàn)槌擎?zhèn)用地相比于旱地，其不透水面積更大，因此對徑流的影響也越大。

3 結(jié)語

本文以SWAT模型為平臺，定量分析不同土地利用模式情景對大洋河徑流的影響，研究取得以下結(jié)論:

(1)構(gòu)建的SWAT模型在大洋河流域具有較好的模擬精度，模擬的年徑流深相對誤差小于10%，確定性系數(shù)大于0.7。

(2)林地面積增加10%，旱地面積減少10%，由于林地的天然蓄水功能，使得大洋河徑流深減少14.1 mm，而林地面積減少10%，城鎮(zhèn)居民用地增加10%，由于城鎮(zhèn)居民用地增加不透水面積，使得大洋河徑流深增加7.7 mm。

(3)城鎮(zhèn)居民用地和旱地減少相同比例，均可以使得流域徑流深減少，但城鎮(zhèn)居民地影響徑流深的比例大于旱地。

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