涇河流域土地利用/覆被變化對(duì)徑流情勢(shì)的影響

張洪波，顧　磊，孫文博，曹　巍

（1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710054）

涇河流域土地利用/覆被變化對(duì)徑流情勢(shì)的影響

張洪波1，2，顧磊1，孫文博1，曹巍1

（1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710054）

通過(guò)建立涇河流域SWAT分布式水文模型，重點(diǎn)模擬分析了河流徑流情勢(shì)對(duì)土地利用/覆被變化的響應(yīng)，對(duì)比了不同氣候條件及人類活動(dòng)綜合影響下研究區(qū)水文過(guò)程的變化。結(jié)果表明：1996年以前土地利用/覆被變化是影響水文過(guò)程的主要人類活動(dòng)影響源，徑流量年際變化平穩(wěn)，屬有小幅增加的正偏；年內(nèi)影響以枯水季節(jié)為主，年內(nèi)分配更趨均勻，徑流集中度降低，集中期略有滯后，且趨于平穩(wěn)；土地利用/覆被變化導(dǎo)致流域蒸散發(fā)量、冠層和落葉層截留量減小，入滲量增加，河川基流量和地表徑流量相應(yīng)增大，并在時(shí)域上耦合形成了水文過(guò)程的新變化；1996年以后，氣候條件驅(qū)動(dòng)下涇河年徑流量呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，人類活動(dòng)亦從以土地利用/覆被變化為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀祟愃禄顒?dòng)為主的綜合影響模式，且人類水事活動(dòng)超過(guò)氣候變化和土地利用/覆被變化成為影響水文過(guò)程變化的主因。

徑流情勢(shì)；土地利用/覆被變化；SWAT模型；涇河流域

土地利用/覆被變化（land use and land cover change，LUCC）發(fā)生的實(shí)質(zhì)是空間和非空間因素的相互作用，包括自然因素和人為因素的影響［1］。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類活動(dòng)已成為土地利用/覆被變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，并對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)、河流水文情勢(shì)等造成了一定的影響。定量研究土地利用/覆被變化對(duì)河流水文情勢(shì)的影響，對(duì)開展當(dāng)前階段的區(qū)域水資源規(guī)劃與流域管理具有重要的科學(xué)意義。涇河流域位于黃土高原中部，因自然資源的不合理開發(fā)利用，流域內(nèi)植被退化顯著，水土流失等問(wèn)題較為嚴(yán)重；從20世紀(jì)70年代至今，該流域內(nèi)土地利用/覆被發(fā)生了較大的變化，對(duì)流域水循環(huán)過(guò)程與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一系列擾動(dòng)［2］。因此，科學(xué)定量土地利用/覆被變化對(duì)流域徑流情勢(shì)的影響極為必要。

流域水文模型是模擬流域水文過(guò)程和探討土地利用/覆被變化影響的重要工具，其中，以SWAT模型為代表的分布式水文模型代表了流域水文模擬的一個(gè)重要發(fā)展方向。近年來(lái)，SWAT模型在我國(guó)應(yīng)用廣泛，姚蘇紅等［3］通過(guò)建立SWAT模型，對(duì)內(nèi)蒙古閃電河流域徑流進(jìn)行了模擬研究，評(píng)價(jià)了模型的適用性；楊桂蓮等［4］將SWAT模型應(yīng)用于基流模擬，對(duì)比分析了SWAT模型基流模擬與業(yè)界普遍認(rèn)可的數(shù)字濾波法基流計(jì)算的區(qū)別，評(píng)價(jià)了SWAT模型地下水模塊的適用性；孟現(xiàn)勇等［5］通過(guò)改進(jìn)SWAT模型的融雪模塊，更好地模擬了高寒山區(qū)的徑流過(guò)程。除此之外，很多學(xué)者嘗試通過(guò)設(shè)置不同情景，如不同氣候模式、土地利用情景等來(lái)模擬不同條件下的產(chǎn)流狀況，以此確定不同因素對(duì)徑流過(guò)程的影響，如邱國(guó)玉等［6］基于SWAT模型分別從北方氣候和土地利用兩方面的變化對(duì)涇河徑流產(chǎn)生的影響進(jìn)行了定量評(píng)估；馮夏清等［7］通過(guò)SWAT模型探討了不同氣候變化情景下烏裕爾河流域的徑流演變趨勢(shì)。

目前有關(guān)人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響的研究大多專注于土地利用變化對(duì)河川年徑流量的影響，而缺乏對(duì)河川徑流情勢(shì)影響的探索；同時(shí)，人類活動(dòng)影響多指土地利用/覆被變化對(duì)水文過(guò)程的間接影響，而人類涉水活動(dòng)的直接影響，如河道取水、庫(kù)壩蓄水等，或被忽略，或被包含在土地利用/覆被變化中，并未做細(xì)致的區(qū)分。基于此，筆者通過(guò)建立涇河流域的SWAT模型，重點(diǎn)模擬不同時(shí)期土地利用/覆被變化下的產(chǎn)匯流過(guò)程，并著重從年際與年內(nèi)尺度兩個(gè)層面分析土地利用/覆被變化對(duì)徑流的影響，以期更全面科學(xué)地評(píng)估徑流情勢(shì)對(duì)土地利用/覆被變化的響應(yīng)；同時(shí)，對(duì)比分析不同氣候以及人類活動(dòng)等條件的變化對(duì)水文過(guò)程的影響，探索氣候變化和人類活動(dòng)的綜合影響，為流域水資源管理提供技術(shù)參考。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)概況

涇河流域概況如圖1所示。涇河是渭河最大的支流，黃河的二級(jí)支流，發(fā)源于寧夏六盤山東麓，流經(jīng)甘肅省平?jīng)?、涇川，并于楊家坪進(jìn)入陜西長(zhǎng)武縣，途徑政平、亭口、彬縣、涇陽(yáng)，最后于高陵縣涇渭鎮(zhèn)匯入渭河，全長(zhǎng)455km。涇河水系較為發(fā)達(dá)，集水面積大于1000km2的支流有11條，大于500km2的支流有26條，各沖刷溝溪?jiǎng)t達(dá)萬(wàn)條以上。涇河流域面積45373 km2，區(qū)內(nèi)地形支離破碎，溝壑縱橫，水土流失極其嚴(yán)重，是渭河主要沙源之一。涇河流域處于溫帶半濕潤(rùn)區(qū)向半干旱區(qū)的過(guò)渡帶，其氣候類型為典型的溫帶大陸性氣候，冬季干旱少雨，夏季多暴雨。張家山斷面以上多年平均降水量為539.1mm，多年平均蒸發(fā)量（蒸發(fā)皿）為1135.3mm，多年平均天然年徑流量為18.7億m3，多年平均輸沙量為2.526億t。

圖1　涇河流域概況及周圍氣象站分布

涇河流域降水多集中于夏秋季，5—9月降水量占全年的72%～86%，年內(nèi)分布不均；降水的空間分布亦不均勻，大體呈南北向遞減。不均衡的降水時(shí)空分布增加了區(qū)域水資源開發(fā)利用的復(fù)雜度。

1.2研究區(qū)土地利用/覆被變化

在人類活動(dòng)和氣候變化的影響下，涇河流域的土地利用/覆被條件發(fā)生了深刻的改變。表1為20世紀(jì)70年代和1995年兩個(gè)時(shí)期的各土地利用類型的變化［8］。由表1可知，與20世紀(jì)70年代相比，20世紀(jì)90年代的林地與高覆蓋度草地面積顯著減少，而低覆蓋度草地和未利用地面積則有所增加。綜合來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)覆被條件整體呈退化趨勢(shì)，這對(duì)區(qū)域的產(chǎn)匯流過(guò)程產(chǎn)生了較大的影響。

表1　研究區(qū)土地利用/覆被變化%

1.3數(shù)據(jù)收集與處理

1.3.1數(shù)據(jù)資料選取

a.降水資料。為使模型精度更高，選取涇河流域內(nèi)及周邊共17個(gè)氣象站（圖1）1960—2010年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，采用協(xié)克里金插值法計(jì)算涇河流域面降水量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，在1960—2010年間，區(qū)域降水并無(wú)明顯趨勢(shì)性變化。

圖2　研究區(qū)降水量與徑流深年際變化

b.徑流資料。選取涇河干流出口站——張家山水文站1960—2010年逐日實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行變異分析與對(duì)比計(jì)算。

c.空間數(shù)據(jù)。采用30 m×30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)（來(lái)源于shuttle radar topography mission，SRTM），1∶100萬(wàn)土壤圖（來(lái)自中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提供的土壤類型圖）以及1995年1∶10萬(wàn)土地利用圖（來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心）作為模型空間數(shù)據(jù)。

1.3.2資料的合理性與代表性審查

a.率定期與驗(yàn)證期。通過(guò)對(duì)張家山站各月徑流實(shí)測(cè)序列的水文變異診斷，發(fā)現(xiàn)各月徑流的變異點(diǎn)雖有不同，但均發(fā)生在1996年之后，加之降水無(wú)趨勢(shì)性變化，說(shuō)明1996年以前人類活動(dòng)雖對(duì)張家山站以上徑流有影響，但并不顯著，可認(rèn)為1996年以前人類取用水活動(dòng)并未發(fā)生大規(guī)模的變化，徑流情勢(shì)改變應(yīng)主要受土地利用/覆被變化影響。同時(shí)，對(duì)張家山站上游的調(diào)查顯示涇河流域內(nèi)大型河道取用水工程如張家山渠首水庫(kù)、西郊水庫(kù)等均于1996年后興建運(yùn)行，故可認(rèn)為1996年之前土地利用/覆被變化是影響研究區(qū)徑流情勢(shì)變化的主要因素。因此，選取1987—1995年作為模型校準(zhǔn)、驗(yàn)證期。

b.模擬期的代表性。模擬期的代表性是研究結(jié)果是否可信、是否具有普遍意義的關(guān)鍵，1971—2005年包含完整的豐枯變化，且徑流量均值與長(zhǎng)系列基本一致，說(shuō)明該時(shí)段具有較好的代表性。

2　研究方法

2.1SWAT模型

SWAT（soil and water assessment tool）模型于20世紀(jì)90年代初由美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究局（ARS）融合了CREAMSS模型、EPIC模型、GLEAMS模型的主要特征，在SWRRB模型基礎(chǔ)上，結(jié)合ROTO模型開發(fā)而成［9-13］，其工作原理為：通過(guò)DEM數(shù)據(jù)提取流域河網(wǎng)水系，將研究流域劃分為多個(gè)子流域，并結(jié)合土地利用類型和土壤類型數(shù)據(jù)，將子流域劃分為不同的水文響應(yīng)單元HRUs；通過(guò)建立氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，模擬各水文單元水分循環(huán)及其定量轉(zhuǎn)化關(guān)系，進(jìn)行匯總演算后，得到流域的水平衡關(guān)系。模型建立和應(yīng)用流程分別如圖3、圖4所示。

圖3　SWAT模型建立流程

圖4　基于SWAT的土地利用/覆被變化影響分析

2.2徑流情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為全面分析土地利用/覆被變化對(duì)徑流情勢(shì)的影響，選取多年平均徑流量，各月平均徑流量，春、夏、秋、冬四季徑流量，汛期、非汛期徑流量，徑流年內(nèi)集中度與集中期，徑流年際變差系數(shù)與偏態(tài)系數(shù)以及徑流系數(shù)共24個(gè)指標(biāo)，分別從徑流量的年際演變情勢(shì)和年內(nèi)分配特性兩個(gè)層面對(duì)土地利用/覆被變化對(duì)水文情勢(shì)的影響展開評(píng)估。

把一年內(nèi)所有月的徑流量看作向量，月徑流量的大小作為該月徑流矢量的模，即徑向距離；所處的月份作為徑流矢量的方向，用圓周（把圓周的度數(shù)360°作為1年天數(shù)365 d，則1 d相當(dāng)于0.9863°）方位來(lái)表示，將一年中各月徑流矢量求和，合矢量模與年徑流的比值為年徑流集中度CD，合矢量方向?yàn)槟陱搅骷衅贑P［14-15］，計(jì)算公式如下：

式中：R為年徑流量，億m3；Rx、Ry分別為12個(gè)月的分量之和所構(gòu)成的水平、垂直分量，億m3；ri為第i月的徑流量，億m3；θi為第i月徑流的矢量角度，i= 1，2，…，12。CD可以很好地表達(dá)徑流年內(nèi)的集中程度，當(dāng)全年徑流集中于某一月，CD取最大值，為1；當(dāng)各月徑流量相等，CD取最小值，為0。CD值越大，表征徑流的年內(nèi)分配越不均勻。CP則主要反映最大徑流量的出現(xiàn)時(shí)間。

3　涇河流域SWAT模型

對(duì)1971—2005年的徑流過(guò)程進(jìn)行模擬。選取張家山水文站月徑流數(shù)據(jù)對(duì)流域徑流模擬結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。模型率定與驗(yàn)證時(shí)期需要一個(gè)徑流變化相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間段，而1987年之前的流域土地利用/覆被變化較大，1996年后研究流域出現(xiàn)了大規(guī)模的人類涉水活動(dòng)，徑流數(shù)據(jù)擾動(dòng)強(qiáng)烈，這些時(shí)段的數(shù)據(jù)都不宜用作模型率定與驗(yàn)證。因此選取1987—1992年作為模型率定期，模擬尺度為月，并選取相關(guān)系數(shù)R2、相對(duì)誤差E、均方根誤差Re等3個(gè)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)模型適用性［16-17］。同時(shí)選取1993—1995年作為模型驗(yàn)證期。

3.1涇河流域土地利用類型與土壤類型重分類

由于調(diào)查的土地利用與土壤類型與SWAT模型要求不一致，因此需要進(jìn)行重分類。圖5、圖6分別為涇河流域重分類后的土地利用與土壤類型圖，其中土地利用類型為8種，土壤類型為22種。土地利用數(shù)據(jù)主要是依據(jù)SWAT模型代碼逐一歸類獲得；而土壤數(shù)據(jù)則通過(guò)查閱相關(guān)資料，將其分為14個(gè)大類，即水域、水稻土、新積土、淡棕壤、潮土、灰褐土、粗骨土、紫色土、紅土、耬土、草甸土、褐土、黃綿土以及黑壚土。對(duì)于面積較大且復(fù)雜的大類，則將其劃為不同子類，如新積土、粗骨土、耬土、褐土、黑壚土均包含了兩個(gè)子類；而對(duì)于最為普遍的黃綿土，本文則將其劃為4個(gè)子類。計(jì)算所需參數(shù)后，建立相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2模型參數(shù)校準(zhǔn)及驗(yàn)證

數(shù)據(jù)庫(kù)建立與參數(shù)初設(shè)完畢，即可進(jìn)行徑流模擬驗(yàn)證，模擬結(jié)果如圖7所示。由圖7可知模型模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流較為吻合，降水的豐枯變化與徑流的豐枯變化基本一致。

圖5　涇河流域土地利用分類

圖6　涇河流域土壤類型分類

圖7　張家山站1987—1995年徑流模擬

從模型校準(zhǔn)期與驗(yàn)證期的誤差分析結(jié)果（表2）看，模型校準(zhǔn)期相對(duì)誤差E為15.8%，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.91，均方根誤差Re僅為32.87m3/s，表明模擬效果較好；而在模型驗(yàn)證期，E和R2分別為1.6%和0.81，誤差也在可接受范圍內(nèi)，故可認(rèn)為該模型可以使用。

表2　徑流模擬效果評(píng)價(jià)

4　土地利用/覆被變化對(duì)徑流情勢(shì)的影響

在1971—1980年實(shí)測(cè)氣象條件下，模擬20世紀(jì)90年代土地利用/覆被變化條件下的產(chǎn)匯流過(guò)程，將其與1971—1980年實(shí)測(cè)徑流對(duì)比，分析研究區(qū)土地利用/覆被變化（不包含人類涉水活動(dòng)）對(duì)徑流情勢(shì)的影響。

4.1對(duì)徑流年際變化的影響

對(duì)比1971—1980年SWAT模型模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程，并統(tǒng)計(jì)相關(guān)參數(shù)，如年平均流量、年際變差系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)以及徑流系數(shù)等，對(duì)比分析主要體現(xiàn)土地利用/覆被變化下徑流情勢(shì)的改變，部分結(jié)果如圖8所示。由圖8（a）可知，土地利用/覆被變化對(duì)徑流的年際變化影響是客觀存在的，與實(shí)測(cè)徑流相比，模擬徑流大18%?？v觀整個(gè)模擬期，實(shí)測(cè)年徑流量的變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)分別為0.45和0.29，年徑流波動(dòng)起伏較大，但在均值兩側(cè)分布較為對(duì)稱。土地利用/覆被變化后，模擬徑流的變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)變?yōu)?.41和0.62，可見土地利用/覆被變化導(dǎo)致徑流在年際變化上更趨于平緩，且正偏顯著。

同時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，1971—1980年實(shí)測(cè)年平均流量為36.30 m3/s，而模擬年平均流量為43.33 m3/s，大于實(shí)測(cè)值，這表明土地利用/覆被變化整體上對(duì)徑流有“增量”影響。

4.2對(duì)徑流年內(nèi)分配特征的影響

4.2.1季節(jié)分布影響

統(tǒng)計(jì)1971—1980年春、夏、秋、冬四季及汛期、非汛期的實(shí)測(cè)與模擬徑流量，結(jié)果如圖9所示。

圖8　張家山站實(shí)測(cè)與模擬徑流的年際變化

圖9　張家山站四季及汛期、非汛期模擬與實(shí)測(cè)徑流量

土地利用/覆被變化后，夏秋兩季徑流量的變化相對(duì)較小，而冬春兩季變化較大，尤其是冬季徑流顯著增大。從圖9可以看出，冬季實(shí)測(cè)徑流與模擬徑流的變化趨勢(shì)基本一致，但量值差別較為明顯，模擬值大約是實(shí)測(cè)值的4倍；而春、秋季差別次之，模擬徑流量分別比實(shí)測(cè)徑流量大27%和31%。夏季模擬徑流則較實(shí)測(cè)徑流略小，應(yīng)該是土地利用/覆被變化引發(fā)的產(chǎn)流系數(shù)變小所致。

從汛期與非汛期徑流的差異看，汛期模擬徑流量比實(shí)測(cè)徑流量略大（增幅6%）；而非汛期模擬徑流量顯著大于實(shí)測(cè)徑流量（增幅80%）。可見，土地利用/覆被變化使得區(qū)域的產(chǎn)匯流過(guò)程發(fā)生改變。

4.2.2集中度與集中期

根據(jù)式（1）～（4）計(jì)算得到實(shí)測(cè)與模擬徑流的集中度與集中期如圖10所示。由圖10（a）可知，張家山站年內(nèi)實(shí)測(cè)徑流分布較為集中，集中度在0.33～0.78之間。土地利用/覆被變化后，徑流集中度明顯減小，多年平均值從0.61縮減為0.47。這主要與土地利用方式變化后，枯季水量顯著增加有關(guān)。由圖10（b）可知，模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流的集中期相差不大，但略有滯后。實(shí)測(cè)徑流集中期主要分布于7月下旬至9月，8月較為集中，占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的40%，從分布形態(tài)看，集中期分布較為均勻，7月、9月各占30%。而模擬徑流的集中期總體拖后，集中期分布于8—10月，其中8月仍為主集中期，約占統(tǒng)計(jì)年份的50%，9月次之，占40%?？傮w來(lái)看，模擬徑流相對(duì)實(shí)測(cè)徑流，集中期更為集中，時(shí)域上的波動(dòng)幅度更小。

4.2.3月尺度徑流變化

1971—1980年實(shí)測(cè)與模擬月徑流深對(duì)比如表3所示。由表3可知，除個(gè)別月份（如4—7月）模擬值略小于實(shí)測(cè)值外，其余各月模擬值均大于實(shí)測(cè)值。相差幅度最大的月份為1月和12月，模擬值是實(shí)測(cè)值的5倍以上。此外，模擬與實(shí)測(cè)徑流的波動(dòng)范圍上也有明顯差別，可見土地利用/覆被變化不僅影響月徑流量的大小，對(duì)月徑流的年內(nèi)波動(dòng)亦有擾動(dòng)。

圖10　模擬與實(shí)測(cè)徑流集中度及集中期

表3　1971—1980年實(shí)測(cè)與模擬月徑流深對(duì)比mm

4.3物理成因分析

由前面的分析可知，涇河流域土地利用/覆被變化，導(dǎo)致張家山站控制流域的地表產(chǎn)流量和徑流總量均有增加?；趨^(qū)域水循環(huán)的物理機(jī)制（圖11），可認(rèn)為林地、高覆蓋草地向地覆蓋草地、未利用土地的轉(zhuǎn)化，會(huì)導(dǎo)致流域內(nèi)蒸散發(fā)和冠層截留及草地枯落物截留量減小及入滲量增加，進(jìn)而使地表徑流與基流量有所增加，這與文獻(xiàn)［18-20］的研究結(jié)論基本一致。

為了進(jìn)一步剖析土地利用/覆被變化對(duì)流域水文機(jī)制的影響，應(yīng)用濾波法［21］切割1971—1980年的模擬與實(shí)測(cè)徑流序列，得到兩者的基流演變過(guò)程。分割結(jié)果顯示，模擬的冬季基流明顯大于實(shí)測(cè)徑流，差值達(dá)0.7966億m3，為實(shí)測(cè)基流的4.38倍；春季基流也有差別，差值為0.0744億m3，約為實(shí)測(cè)基流的29%；夏秋二季基流量相差不大，且呈一定程度減小。通過(guò)對(duì)基流時(shí)域變化的分析，發(fā)現(xiàn)基流與降水峰值存在大約3個(gè)月的時(shí)滯，故認(rèn)為冬季基流的增加應(yīng)該主要受到汛期降水對(duì)地下水補(bǔ)給的增大所影響。從汛期與非汛期來(lái)看，模擬的非汛期基流顯著大于實(shí)測(cè)值，從0.7727億m3增至1.7526億m3；汛期基流則有一定程度減小，這一變化與季節(jié)變化的結(jié)果基本一致。

綜合以上分析，研究區(qū)的土地利用/覆被變化后，年地表徑流和基流均呈增大趨勢(shì)（地表徑流量增幅為2%，基流增幅為0.5%），年徑流量有所增大，且年際變化趨于平緩。從年內(nèi)分布看，豐水季節(jié)徑流受地表產(chǎn)流增大的影響，呈現(xiàn)小幅增加；枯水季節(jié)徑流受基流增大的影響，增幅顯著。兩者變化導(dǎo)致徑流的集中度減小，集中期偏后且趨于穩(wěn)定。

圖11　土地利用/覆被變化影響的物理成因分析

5　氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的綜合影響

水文過(guò)程受氣候變化和人類活動(dòng)的聯(lián)合影響，在不同時(shí)期呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)變化和波動(dòng)規(guī)律［22-23］。其中，影響水文過(guò)程的人類活動(dòng)主要包括兩大類，即土地利用/覆被變化和人類涉水活動(dòng)。人類涉水活動(dòng)對(duì)水文過(guò)程產(chǎn)生直接影響，包括取用水活動(dòng)等導(dǎo)致的徑流“減量”變化以及污水排放等導(dǎo)致的徑流“增量”變化，而土地利用/覆被變化指通過(guò)影響產(chǎn)流和匯流改變水文過(guò)程，其亦包括“減量”和“增量”兩種模式。以下通過(guò)對(duì)比分析的方式，簡(jiǎn)要探討氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)徑流的綜合影響，包括：①設(shè)定氣候條件不同（1987—1995年與1996—2005年兩個(gè)時(shí)間段的降水條件），土地利用/覆被條件相同（20世紀(jì)90年代），人類涉水活動(dòng)無(wú)變化（或變化不顯著），旨在評(píng)價(jià)兩個(gè)時(shí)間段氣候變化對(duì)徑流量的影響；②設(shè)定氣候條件相同（1996—2005年的降水條件），土地利用/覆被條件不同（1995—2005年變化中的土地利用/覆被條件），人類取用水活動(dòng)不同（無(wú)變化對(duì)比人類涉水活動(dòng)強(qiáng)烈），旨在通過(guò)模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流的對(duì)比，反映土地利用/覆被變化和人類涉水活動(dòng)的綜合影響。

基于20世紀(jì)90年代土地利用/覆被條件不同因素對(duì)徑流的影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。1996—2005年，氣候變化使徑流深增加9.20 mm，人類活動(dòng)則導(dǎo)致徑流深減小18.76 mm，人類活動(dòng)對(duì)涇河流域的徑流影響更為顯著。從人類活動(dòng)的類型上看，1996年之前以土地利用/覆被變化為主導(dǎo)，影響程度相對(duì)較小，而之后人類涉水活動(dòng)發(fā)揮主要作用，并超過(guò)氣候變化，成為影響水文過(guò)程變化的關(guān)鍵因素。

表4　不同因素對(duì)徑流的影響

6　結(jié) 論

a.SWAT模型可用于涇河流域月尺度的徑流模擬，且具有較好的模擬精度。

b.由林地、高覆蓋草地向低覆蓋草地、未利用地的轉(zhuǎn)變，將使涇河流域蒸散發(fā)量、冠層和落葉層截留量減小，入滲量增加，進(jìn)而導(dǎo)致河川基流量和地表徑流量增大。

c.土地利用/覆被變化后，受到地表產(chǎn)流和基流增加的共同影響，涇河徑流量呈小幅增加，年際變化更為平穩(wěn)，正偏顯著。年內(nèi)變化差異顯著，枯水季節(jié)徑流受基流變化影響，顯著增加，豐水季節(jié)變動(dòng)不大；集中度整體變小，年內(nèi)分配更趨均勻；集中期略有滯后，且趨于平穩(wěn)，且主要集中于8月和9月。

d.人類活動(dòng)對(duì)涇河流域的徑流影響更為顯著。1996年之前人類活動(dòng)以土地利用/覆被變化為主導(dǎo)，影響程度相對(duì)較小，而之后人類涉水活動(dòng)發(fā)揮主要作用，并超過(guò)氣候變化和土地利用/覆被變化，成為影響水文過(guò)程變化的關(guān)鍵因素。

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Influence of land use and land cover changes on runoff regime in Jinghe Basin

ZHANG Hongbo1，2，GU Lei1，SUN Wenbo1，CAO Wei1
（1.School of Environmental Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 710054，China；2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education，Chang'an Unviversity，Xi'an 710054，China）

In order to analyze the influence of land use and land cover changes on runoff regimes，a distributed hydrological model in the Jinghe Basin was built based on the SWAT model.The synthetic influence of climate change and human activities on the hydrological processes in the study area was also investigated.The results show that，before 1996，land use and land cover changes were the main human activities affecting hydrological processes；under those influences，interannual fluctuations of runoff were stable，showing a significant positive skew.At the intra-annual scale，the main influence was runoff in dry seasons，and the flow was more uniformly distributed than before.Meanwhile，the concentration ratio of runoff decreased，and the concentration period lagged and tended to be stable.The analysis of the physical causes of the runoff change indicates that land use and land cover changes lead to decreasing evapotranspiration，a decreasing amount of rainfall intercepted by the canopy and litter layer，and increasing infiltration in the basin，all of which cause the increase of the baseflow and surface runoff in the channel，leading to new variations of hydrological processes.The results also show that the runoff increased after 1996 due to climate change，and the main human activities changed from single land use and land cover type to land use and land cover coupled with other water-related activities.Also water-related activities，rather than climate change and land use and land cover changes，became the principal factor in the variation of hydrological processes.

runoff regime；land use and land cover change；SWAT model；Jinghe Basin

P339

A

10067647（2016）05002008

10.3880/j.issn.10067647.2016.05.004

國(guó)家自然科學(xué)基金（51379014）；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2014KJXX-54）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（310829152018）

張洪波（1979—），男，副教授，博士，主要從事水資源系統(tǒng)工程研究。E-mail：hbzhang@chd.edu.cn

（20150908 編輯：鄭孝宇）