西安市主城區(qū)土地利用變化及其對地表徑流的影響

馬亞鑫　周維博　宋揚(yáng)

摘要：為探究西安市城市化引起的土地利用/覆被格局變化對降雨徑流過程產(chǎn)生的影響，借助ARCGIS空間分析工具，采用SCS模型對西安市主城區(qū)降雨徑流過程進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：CN的高值區(qū)在逐步擴(kuò)大；在相同前期土壤濕潤程度狀態(tài)下，同一時期的徑流量隨著降雨量的增大而增大；根據(jù)1995年、2000年、2006年、2010年四期土地利用數(shù)據(jù)得到三個時段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，可知產(chǎn)流能力較強(qiáng)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積逐步擴(kuò)大，產(chǎn)流能力較小的耕地、林地的面積逐步減小?？梢?，城市化建設(shè)的快速發(fā)展導(dǎo)致土地利用類型發(fā)生變化，使得西安市主城區(qū)的徑流增大。

關(guān)鍵詞：西安市主城區(qū)；土地利用；徑流；SCS模型；CN值；土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；城市化

中圖分類號：P333.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：16721683（2016）05004906

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，城市規(guī)模的急劇擴(kuò)大，土地利用與土地覆被格局發(fā)生了變化，不斷在改變和影響城市產(chǎn)匯流條件、地下水的補(bǔ)徑排關(guān)系，深刻影響著城市水循環(huán)系統(tǒng)，從而引發(fā)了一系列水資源和水環(huán)境的問題[1]，因此，對土地利用/覆被變化的研究成為當(dāng)今全球變化區(qū)域響應(yīng)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[2]。

SCS水文模型是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局研制的小流域設(shè)計(jì)洪水模型[36]，SCS模型能夠客觀反映土壤類型、土地利用方式及前期土壤含水量對降雨徑[HJ2.05mm]流的影響，近年來，在水土保持與防洪、城市水文及無資料流域的多種水文問題等諸多方面得到應(yīng)用。中國在20世紀(jì)80年代后開始介紹并應(yīng)用SCS模型，如史培軍等采用SCS模型對深圳市土地利用變化對流域徑流的影響進(jìn)行研究[7]，劉賢趙等基于SCS模型在黃土高原小流域?qū)涤陱搅麝P(guān)系進(jìn)行模擬[8]，李常斌等對SCS模型中CN值進(jìn)行反推，并研究該模型在黃土高原典型流域降雨徑流模擬的應(yīng)用[9]，張美華等利用SCS模型對密云石匣試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行降雨徑流量估算[10]。上述研究僅限于對小流域范圍內(nèi)的CN值建立了經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)算的徑流精度較高，但對于城市地區(qū)的研究較少。

文章將西安市主城區(qū)作為研究對象，以SCS模型為基礎(chǔ)，利用遙感圖像、土地利用及降雨等數(shù)據(jù)對中心城區(qū)的20年的降雨徑流關(guān)系進(jìn)行模擬，分析土地利用變化對主城區(qū)的降雨徑流的影響，為探究城市建設(shè)引起的水文水循環(huán)的規(guī)律奠定基礎(chǔ)，并為城市化區(qū)域土地利用/覆被變化的水文響應(yīng)研究和城市建設(shè)規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)概況

西安市位于黃河流域中部關(guān)中平原，位于東經(jīng)107°40′-109°49′，北緯33°4′-34°44′，西安市屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫為133 ℃，多年平均降水量6115 mm，降水量年內(nèi)分配不均勻，多集中于7月-10月。其中主城區(qū)包括新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)、雁塔區(qū)；面積達(dá)826 km2，占全市總面積824%。

1.2 數(shù)據(jù)資料

1.2.1 土地利用數(shù)據(jù)與處理

在地理空間數(shù)據(jù)云中下載西安市1995年、2000年、2006年、2010年TM遙感影像，用ERDAS9.1軟件對遙感圖像進(jìn)行大氣輻射校正及幾何校正，并進(jìn)行掩膜裁剪，獲得西安市主城區(qū)的遙感影像圖。根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標(biāo)準(zhǔn)，同時結(jié)合西安市主城區(qū)的土地利用現(xiàn)狀以及研究需要，對分類系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)用ERDAS9.1軟件對此遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，將研究區(qū)的土地利用類型劃分為耕地、林地、水域、園地、城鎮(zhèn)工礦建設(shè)用地、未利用地，共6類。結(jié)合同期參考資料，通過隨機(jī)選取樣本，進(jìn)行精度評估，計(jì)算其Kappa 指數(shù)。對 4 期遙感影像的分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)。結(jié)果表明，Kappa 指數(shù)分別為 081（1995年）、086（2000 年）、087（2006 年）、088（2010年），均達(dá)到最低允許判別的精度07[11]。最后通過聚類、去除、重編碼處理得到西安主城區(qū)不同時期的土地利用圖。

1.2.2 土壤數(shù)據(jù)

從全國土壤圖中裁剪出研究區(qū)的土壤柵格圖，并以研究區(qū)的實(shí)際情況為基礎(chǔ)，根據(jù)SCS模型的土壤分類標(biāo)準(zhǔn)對土壤進(jìn)行重分類，得到西安市主城區(qū)的土壤類型分類結(jié)果（表1）。

1.2.3 降雨數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)域?yàn)槲靼彩兄鞒菂^(qū)，因此選取來自西安站提供的西安市1980年-2010年月的實(shí)測降雨資料。

2 研究方法

2.1 SCS模型

本文選取由美國農(nóng)業(yè)水土保持局開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)水文模型—SCS水文模型對降水徑流過程進(jìn)行模擬，該模型適合用于水文、氣象資料缺乏的研究區(qū)域，充分考慮了流域下墊面的特點(diǎn)，在水文模型參數(shù)和遙感信息之間建立直接的聯(lián)系，并考慮到人類活動對[HJ1.98mm]徑流的影響。該模型在美國及其他國家也得到了廣泛的應(yīng)用，其中土地利用數(shù)據(jù)是由遙感影像解譯得到的。

其中CN是反映降雨前流域特征的一個無量綱的參數(shù)，用于描述降雨徑流的關(guān)系，并與流域前期土壤濕潤程度（Antecedent moisture condition，簡稱AMC）、土壤類型、坡度、土地利用類型等因素有關(guān)。在降雨量一定時，由于土壤屬性較為穩(wěn)定，土地利用的變化將引起CN值的變化，因此可以通過分析CN值來反映土地利用動態(tài)變化對徑流的影響。一般情況下，CN值越大則表示該區(qū)域的產(chǎn)流能力越強(qiáng)。在SCS模型中，根據(jù)前5天的總雨量將土壤濕潤程度分為干（AMCI）、正常（AMCII），濕潤（AMCIII）三種級別[13]。

3 SCS模型在西安市主城區(qū)的應(yīng)用

3.1 CN值的確定

由SCS模型的含義可知，CN值由前期土壤濕潤程度、土壤類型、土地利用類型等下墊面因素綜合決定，土地利用數(shù)據(jù)采用前文遙感影像解譯的數(shù)據(jù)，因土壤屬性比較穩(wěn)定，本文采用前文所分類的土壤類型結(jié)果。根據(jù)SCS模型的CN值查算表[14]，參考國內(nèi)外研究者在SCS模型中確定的CN值[15，16]，并結(jié)合西安市土地利用類型，土壤類型分類結(jié)果，確定了西安市在正常狀態(tài)下（AMCII）的CN值表。而對于不同前期土壤濕潤程度AMCI、AMCIII的CN值，由如下公式可得：

壤濕潤程度影響著CN的值，進(jìn)而將影響研究區(qū)域的徑流量。

在ARCGIS軟件中，將各個時期土地利用類型圖與土壤分類圖相疊加[17]，得到了含有土地利用類型和水文土壤類型的雙重信息圖。本文主要研究土地利用變化對徑流的影響，因此假設(shè)西安市前期土壤濕潤程度為正常狀態(tài)（AMCII）。

按照西安市CN值表進(jìn)行賦值，可得到研究區(qū)域各個時期的CN值分布圖。由圖可知，顏色較深的區(qū)域表示CN值較高的地區(qū)，該地區(qū)的可能最大滯留量較小，產(chǎn)流能力較強(qiáng)，空間上主要集中于河域，城鎮(zhèn)建設(shè)用地；顏色較淺區(qū)域表示CN值低的地區(qū)，其產(chǎn)流能力較弱，主要集中于園地，林地等；隨著時間的變化其產(chǎn)流能力較強(qiáng)的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，產(chǎn)流能力較弱的區(qū)域日益縮?。辉诳臻g上，CN值的分布因土地利用類型的變化也在發(fā)生變化，進(jìn)而將影響徑流。

3.2 土地利用動態(tài)變化

本文假設(shè)西安市主城區(qū)前期土壤濕潤程度為平均（AMCII），以此研究土地利用變化對徑流過程的影響。在ARCGIS軟件中對西安市主城區(qū)1995，2000，2006，2010年四期土地利用類型圖進(jìn)行矢量疊加，獲得土地利用變化數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)的3個時段的土地利用轉(zhuǎn)換矩陣，以此分析在各個時段各種土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。其中，表3至表5分別表示1995年-2000年、2000年-2006年、2006年-2010年西安市主城區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

通過分析各個時段的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以得出如下結(jié)果。

（1）在1995年-2000年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中，城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長了4747 km2，其占有面積由54%增長到60%，而耕地、未利用地所占面積都有所減少，其中耕地面積由30%減少到25%，未利用地面積由27%減少到06%，其大部分面積轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)流能力較強(qiáng)、滯留量較小的城鎮(zhèn)建設(shè)用地，所轉(zhuǎn)變的耕地面積中有79%轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地，未利用地有83%轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)建設(shè)用地；水域面積亦有所下降，由423 km2下降到255 km2，多轉(zhuǎn)為產(chǎn)流能力比其低的其他土地利用類型；產(chǎn)流能力較低的園地的土地利用類型面積有所增加，而林地面積變化較小。土地利用類型變化的整體效應(yīng)使得西安市主城區(qū)在1995年-2000年地表平均徑流深有所增加，但增加幅度較小。

（2）在2000年-2006年時間段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增長了5419 km2，耕地面積減少3835km2，其占有面積由25%減少到20%，減少速度與1995年-2000年大致相同，水域面積都持續(xù)下降，產(chǎn)流能力較低的園地面積持續(xù)增加，最終致使徑流深度依然增加，但增加幅度變化不大。

[JP3]（3）2006年-2010年城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加到6267 km2，增長了803 km2，所占比重達(dá)76%，耕地面積所占比重由20%減少到11%，產(chǎn)流能力較低的林地所占比重由41%減少到29%，且林地轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)流能力強(qiáng)的其他類型用地，相對于其他時間段，該時間段產(chǎn)流能力較大的水域用地變化較小，綜合作用使得2006年-2010年的徑流深增加且變化幅度較大。

（4）1995年-2010年，城鎮(zhèn)建設(shè)用地大幅度增加，其占有面積由54%增長到76%，耕地占有面積由30%減少到11%，林地占有面積由45%減少到29%，水域面積由4228 km2減少到846 km2，由5%減少到1%，未利用地占有面積由27%減少到03%，園地面積由3%增長到8%，產(chǎn)流能力較強(qiáng)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增長幅度與水域面積減少幅度相比較大，所以綜合作用使2010年的徑流比1995年徑流有所增長。

綜上所述，隨著城市化的發(fā)展，人類活動的加劇，西安市主城區(qū)土地利用/覆被結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致徑流量增大；在不同的城市化階段中，所引起土地利用/覆被的變化對地表徑流過程影響亦有所不同。

3.3 西安市主城區(qū)徑流變化

3.3.1 模型參數(shù)驗(yàn)證

選擇研究區(qū)內(nèi)唯一具有長期水文資料的灞河流域?qū)δＰ瓦M(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證[18]。該流域穿過研究區(qū)內(nèi)的灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)，在高陵縣匯入渭河，并有馬渡王水文站進(jìn)行實(shí)測徑流，該站上游集水面積達(dá)1 601 km2，基于上述數(shù)據(jù)獲取方式得到灞河流域的土壤分類圖、土地利用分類圖以及1995年月降水量，輸入上文確定的CN值和SCS模型模擬出的灞河流域1995年月徑流量，并與實(shí)測徑流量進(jìn)行比較（圖3）。一般認(rèn)為SCS模型進(jìn)行徑流模擬時，計(jì)算的徑流量與實(shí)測徑流量在15%之內(nèi)為合格，反之不合格[19]，結(jié)果有9場相對誤差在15%之內(nèi)。選用線性回歸系數(shù)和納西效率系數(shù)評價模型適應(yīng)性，經(jīng)計(jì)算模擬值和實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)為09，納西效率系數(shù)為086，表明模型在研究區(qū)具有較好的適應(yīng)性[20]

3.3.2 模型應(yīng)用

在西安市主城區(qū)運(yùn)用SCS模型進(jìn)行降雨徑流模擬，由于徑流受到降雨量和土壤類型，土地利用面積，前期土壤濕潤程度等下墊面因素的影響，在本文研究中我們分別對不同時期，不同前期土壤濕潤程度及不同頻率年的年徑流量進(jìn)行模擬，以此分析對于不同降雨強(qiáng)度，在不同下墊面條件下年徑流量的變化。

根據(jù)1980年-2010年西安市主城區(qū)的年降雨量，使用水文頻率曲線適線法得到西安市主城區(qū)年降雨量理論頻率曲線，選取6699 mm（15%）、52658 mm（50%）、37976 mm（90%）為豐水年、平水年、枯水年。在此基礎(chǔ)上對1995年、2000年、2006年、2010年西安市主城區(qū)4種不同下墊面情況下3種不同前期土壤濕潤程度的徑流進(jìn)行模擬分析。不同情況下的年徑流量可得到表6。

根據(jù)表6分析可得如下結(jié)果。

（1）在相同前期土壤濕潤程度下，各種頻率下的年徑流量隨著時間的推移有著增大的趨勢。因?yàn)殡S著時間的變化，西安市主城區(qū)的土地利用格局發(fā)生了巨大的變化，土地利用結(jié)構(gòu)的變化影響著水文效應(yīng)上的區(qū)域產(chǎn)流能力的變化，表現(xiàn)出在相同降雨條件下徑流量的增加。

（2）在相同時期，相同前期濕潤程度情況下，徑流量隨著降雨量的增大而增大，呈現(xiàn)在同樣下墊面條件下降雨量越大，徑流越大的規(guī)律。

（3）相同時期、相同降雨量的情況下，不同前期土壤濕潤程度情況下的年徑流量的變化趨勢為：AMCIII>AMCII>AMCI。表明在相同土壤類型、相同土地利用方式下，土壤越濕，即土壤濕度趨于飽和狀態(tài)，對降雨的下滲能力越小，則產(chǎn)生的徑流越大。

（4）在同一前期土壤濕潤程度（AMCIII）情況下，年徑流量隨時間變化量為豐水年（15%）>平水年（50%）>枯水年（90%），但其相對變化量為枯水年（90%）>平水年（50%）>豐水年（15%），枯水年的相對量的變化較大。表明枯水年的徑流過程受下墊面條件的影響更大，而豐水年的絕對變化量較大，表明其徑流過程受降雨量的影響更大，因其較大的降雨量弱化了下墊面條件對徑流的影響；對于平水年，其徑流量的絕對變化量、相對變化量均居中，表明下墊面條件與降雨對其均有影響。

4 結(jié)論

（1）西安市主城區(qū)的CN值與前期土壤濕潤程度，土壤屬性及土地利用情況均有關(guān)，且高值區(qū)多分布于產(chǎn)流能力較強(qiáng)的水域及城鎮(zhèn)建設(shè)用地區(qū)域，而低值區(qū)集中分布于林地，園地等產(chǎn)流能力較弱的地區(qū)。1995年-2010年期間，CN值較高的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，CN值較低的區(qū)域日益縮小，同時將影響西安市主城區(qū)降雨徑流過程。

（2）研究時段內(nèi)，西安市主城區(qū)產(chǎn)流能力較強(qiáng)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積大幅度增加，而耕地、林地面積有所降低，產(chǎn)流能力最強(qiáng)的水體面積有所減少，而產(chǎn)流能力較低的園地面積有所增加，土地利用類型變化的綜合作用使得西安市主城區(qū)的徑流量增加。

（3）SCS模型模擬結(jié)果顯示，在相同前期土壤濕潤程度的情況下，同一時期的徑流量隨著降雨量的增大而增大；在相同前期土壤濕潤程度、同一降雨量的情況下，隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，徑流量逐漸增大；在相同降雨量、同一時期的徑流量與前期土壤濕潤程度的關(guān)系為AMCIII>AMCII>AMCI，前期土壤濕潤程度越干，降雨量下滲越多，徑流量越小。

需要說明的是，SCS模型參數(shù)是根據(jù)美國的情況所確定的，而本文的土壤類型、CN值等參數(shù)的確定來自CN值綜合查算表和其他研究者所用SCS模型確定的參數(shù)，因此SCS模型參數(shù)的確定需進(jìn)一步精確。此外，本文中的1995年-2010年土地利用類型數(shù)據(jù)，來自TM遙感影像的解譯，因?yàn)闅v史資料的限制及時間跨度較大，在遙感解譯時存在一些偏差，因此在以后的研究中解譯精度需進(jìn)一步提高。[HJ1.83mm]

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