土地利用變化對(duì)徑流影響的定量研究

吳淼 石朋 張行南 瞿思敏 陳昂

摘要：為定量研究徑流對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，以淮河上游潢川流域?yàn)槔治霾煌瑫r(shí)期土地利用空間轉(zhuǎn)移規(guī)律，結(jié)合SWAT模型，通過(guò)選取典型子流域，定量分析流域土地利用變化對(duì)徑流的影響。結(jié)果表明：在不同時(shí)期，研究區(qū)旱地面積變化較大，主要轉(zhuǎn)化為水田與林地，草地、城鎮(zhèn)用地及水域幾乎沒(méi)有變化；研究區(qū)土地利用方式的改變導(dǎo)致年徑流深明顯減小，原因是水田大面積增多能夠促進(jìn)水面蒸散發(fā)，同時(shí)林地的增多也滯緩了徑流匯集速度，進(jìn)一步增加了蒸發(fā)。

關(guān)鍵詞：土地利用；徑流模擬；SWAT模型；定量研究；潰川流域

中圖分類號(hào)：P338+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.010

下墊面條件變化對(duì)流域水文過(guò)程影響機(jī)理是國(guó)際水文與環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。20世紀(jì)以來(lái)，人類活動(dòng)引起的土地利用變化導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā)，土地利用變化成為直接或間接影響水文過(guò)程的第二個(gè)主要邊界條件，主要表現(xiàn)為土地利用變化在一定程度上影響了下墊面地表覆被截留量，同時(shí)改變地表水蒸發(fā)能力和土壤水分的入滲能力，進(jìn)而影響徑流時(shí)空分布及流域水循環(huán)過(guò)程[1]。隨著國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）與國(guó)際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃（IHDP）的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土地利用/土地覆蓋變化（LUCC）開(kāi)展了大量研究與實(shí)踐工作，研究結(jié)果表明：由于不同流域/區(qū)域下墊面條件特征不同，土地利用變化對(duì)流域水文過(guò)程影響存在區(qū)域差異性，因此需要開(kāi)展大量的典型區(qū)域?qū)嵶C研究，探索總結(jié)土地利用變化對(duì)流域水文過(guò)程的影響機(jī)理[1-3]。目前，土地利用變化對(duì)流域水文過(guò)程的影響研究已逐漸由定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎坑?jì)算，如姚允龍等[4]建立了基于降水與耕地面積的徑流過(guò)程統(tǒng)計(jì)模擬模型，豐華麗等[5]分析了土地利用變化對(duì)流域生態(tài)需水的影響，袁藝等[6]分析了土地利用變化對(duì)降雨徑流關(guān)系的影響，吳森等[7]分析了土地利用變化對(duì)淮河上游小流域設(shè)計(jì)洪水的影響。綜合來(lái)看，前人主要在全球尺度、流域或區(qū)域尺度進(jìn)行土地利用模擬與預(yù)測(cè)，流域尺度土地利用變化對(duì)蒸散發(fā)、截留、填洼和下滲等水文過(guò)程的影響與效應(yīng)，土地利用對(duì)降雨徑流影響的時(shí)空尺度確定和水文模型優(yōu)選等方面開(kāi)展的較多研究，雖然取得了顯著成果，但還存在一些不足，如流域局部等小尺度土地利用變化的水文影響、流域不同土地利用類型的水文效應(yīng)、土地利用變化與水文過(guò)程模擬計(jì)算單元耦合等方面研究較少，未來(lái)亟需加強(qiáng)不同土地利用類型變化對(duì)徑流過(guò)程定量影響的機(jī)理研究[8-13]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，淮河流域土地利用方式及下墊面條件變化顯著，下墊面的變化嚴(yán)重影響著淮河流域的蒸散發(fā)及產(chǎn)匯流過(guò)程，流域降雨徑流特性發(fā)生顯著改變，洪澇災(zāi)害頻發(fā)，研究淮河流域土地利用變化對(duì)徑流的影響是流域防洪減災(zāi)工作的迫切需求。

本文以淮河上游潢川流域?yàn)槔?，?gòu)建SWAT（Soiland Water Assessment Tool）流域分布式水文模型，通過(guò)分析潢川流域下墊面時(shí)空變化規(guī)律及不同子流域土地利用類型組合方式，選擇年徑流深指標(biāo)定量分析不同土地利用類型及變化對(duì)潢川流域徑流的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

潢川流域位于淮河流域上游，東經(jīng)114°53′-115°21′、北緯31°52′-32°22′，流域面積2050km2，地勢(shì)南高北低，略向東北傾斜。潢川流域年降水量為800～1050mm，多年平均年徑流深為371mm，多年平均水面蒸發(fā)量為1039mm。潢川流域每年50%的降水量集中在6-8月，故產(chǎn)生季節(jié)性洪水的風(fēng)險(xiǎn)較大。流域內(nèi)建有大型水庫(kù)——潑河水庫(kù)，總庫(kù)容2.35億m3，控制流域面積222km2。

1.2 SWAT分布式水文模型

流域內(nèi)產(chǎn)匯流過(guò)程的不均衡性要求必須選擇基于過(guò)程的水文模型，才能夠體現(xiàn)徑流產(chǎn)生機(jī)制。SWAT模型是Jeff Arnold為美國(guó)農(nóng)業(yè)部研究所（USDA-ARS ）開(kāi)發(fā)的流域分布式水文模型，目前已成為我國(guó)使用較為廣泛的水文模型之一，憑借其在模擬精度、模型結(jié)構(gòu)、適用性及靈活性等方面的優(yōu)勢(shì)，全方位考慮地形、植被覆蓋、氣候等因素的影響，可滿足本研究的流域水文過(guò)程模擬要求[9，15-16]。

1.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

SWAT模型構(gòu)建過(guò)程中需要大量數(shù)據(jù)支持，主要包括數(shù)字高程，土地利用和土壤等下墊面數(shù)據(jù)，降水、風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度和輻射等氣象數(shù)據(jù)以及研究區(qū)域水文觀測(cè)資料等。本研究選取1955-2012年流域內(nèi)9個(gè)雨量站（內(nèi)裴河、香山、新縣、潑河、吳陳河、光山、長(zhǎng)洲河、八里販、潢川）逐日降雨資料、潢川水文站逐日流量資料、潑河水庫(kù)出庫(kù)流量資料以及固始?xì)庀笳镜恼舭l(fā)資料；土地利用數(shù)據(jù)選取潢川流域1980年和1995年兩期土地利用圖；土壤數(shù)據(jù)從“國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)”網(wǎng)站獲取（研究區(qū)主要包括7種土壤類型）；空間地形數(shù)據(jù)來(lái)自于“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站潢川流域所在分區(qū)90m×90m網(wǎng)格的DEM。

1.2.2 模型率定及驗(yàn)證

利用SWAT模型自帶模塊進(jìn)行敏感性分析，最終確定8個(gè)最為敏感的參數(shù)，見(jiàn)表1。為了判斷模型的模擬效果，本研究分別使用相對(duì)誤差Re、判定系數(shù)R2和Nash-Sutcliffe效率系數(shù) Ens來(lái)評(píng)估模擬值與實(shí)測(cè)值之間的擬合程度。在1980年土地利用條件下，選擇1973-1982年作為率定期、1964-1972年作為模型驗(yàn)證期；在1995年土地利用條件下，選擇1995-2004年作為率定期、2005-2012年作為模型驗(yàn)證期。本文采用SWAT-CUP軟件中的SUFI-2模塊進(jìn)行模型日流量過(guò)程的參數(shù)率定。

模型率定與驗(yàn)證結(jié)果表明，潢川流域較為敏感的5個(gè)參數(shù)為CN2（徑流曲線系數(shù)）、ALPHA_BF（基流因子/基流回歸系數(shù)）、SOL_AWC（土壤有效含水率）、ESCO（土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)）、CH_N2（主河道曼寧系數(shù)）。CN2反映降雨前的流域特性，綜合反映不同的前期土壤濕潤(rùn)條件下，土地利用、土壤滲透特性等對(duì)流域產(chǎn)流的影響，產(chǎn)流量大小與CN2值呈正相關(guān)，CN2越大，產(chǎn)流量也越大；ALPHA_BF反映地下水對(duì)于徑流補(bǔ)給變化的響應(yīng)，該系數(shù)增大，地下徑流量也增大；SOL_AWC反映土壤的蓄水能力，其值越小，土壤蓄水能力就越差，產(chǎn)流量就越大；ESCO反映各土壤層的蒸發(fā)狀況，與可進(jìn)行蒸發(fā)的土壤深度有關(guān)，該值越大，土壤蒸發(fā)量就越小，產(chǎn)流量就越大；CH_N2跟水流速度、植物密度以及波浪等因素有關(guān)，潢川流域下墊面變化明顯，旱地減少，水田、林地增多，改變了下墊面的植物密度，影響了徑流形成速度，因此CH_N2變化較為明顯。驗(yàn)證期模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流較為吻合，能夠滿足精度要求（見(jiàn)表2）。

綜上所述，潢川流域SWAT模型日流量模擬結(jié)果較好，各評(píng)價(jià)指標(biāo)均達(dá)到了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以上，模擬結(jié)果可信，精度較高，說(shuō)明SWAT模型適用于該流域的徑流模擬。

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用面積變化分析

潢川流域土地利用以旱地、林地、水田為主，草地、城鎮(zhèn)用地和水域面積相對(duì)較小。與1980年相比，1995年水田增加了30.752%，旱地減少了40.250%，而林地增加了10.036%，草地以及城鎮(zhèn)用地面積分別增加了0.040%、0.005%，水域面積減少了0.583%（見(jiàn)圖1及表3）。

2.2 土地利用時(shí)空變化分析

土地利用變化常用的計(jì)算方法有試驗(yàn)流域法、特征變化時(shí)間序列法、水文模型法以及綜合法。通過(guò)分析比較，本研究選擇水文模型與ArcGIS相結(jié)合的方法，利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，計(jì)算1980-1995年土地利用類型的變化情況[17-18]。

采用GIS轉(zhuǎn)移矩陣分析法計(jì)算的土地利用變化見(jiàn)表4，結(jié)果表明：從1980年到1995年，旱地中有247.490km2轉(zhuǎn)化為林地，512.905km2轉(zhuǎn)化為水田；林地中有20.138km2轉(zhuǎn)化為旱地，45.522km2轉(zhuǎn)化為水田；城鎮(zhèn)用地中有1.966km2轉(zhuǎn)化成水田?？偟膩?lái)看，研究區(qū)旱地面積變化最大，主要轉(zhuǎn)化成為水田與林地。草地、城鎮(zhèn)用地及水域面積變化不大，因此在分析討論中不考慮這3種類型對(duì)徑流的影響。

2.3 土地利用變化對(duì)徑流影響分析

分別構(gòu)建1980年、1995年的土地利用SWAT模型，由于模型輸入資料除土地利用資料不同外，其他輸人資料均相同，因此以1980年土地利用條件下率定的參數(shù)模擬的徑流序列構(gòu)成序列1，以1995年土地利用條件下率定的參數(shù)模擬的徑流序列構(gòu)成序列2。構(gòu)建模型將潢川流域劃分為31個(gè)子流域，對(duì)比各個(gè)子流域的土地利用類型組成情況，選取典型子流域（3號(hào)、6號(hào)、20號(hào)、28號(hào)、30號(hào)）進(jìn)行分析，典型子流域土地利用變化情況見(jiàn)表5。

由表5可知：3號(hào)、6號(hào)子流域土地利用類型在水田與旱地之間相互轉(zhuǎn)化，20號(hào)子流域土地利用類型在水田、旱地與林地之間相互轉(zhuǎn)化，28號(hào)子流域土地利用類型在旱地與林地之間相互轉(zhuǎn)化，30號(hào)子流域土地利用類型則是在水田、旱地、林地、草地以及水域之間相互轉(zhuǎn)化。

在1980年和1995年土地利用條件下模擬計(jì)算的典型子流域多年平均徑流深對(duì)比見(jiàn)表6。根據(jù)表5、表6可知，3號(hào)子流域土地利用方式在水田與旱地之間相互轉(zhuǎn)化，旱地轉(zhuǎn)化為水田，水田面積增加11.24%，整個(gè)系列年徑流深在變化后均有明顯減小，年徑流深平均值與標(biāo)準(zhǔn)差均減小。旱地具有弱透水性，會(huì)加快直接徑流的形成，旱地面積減少會(huì)引起地表徑流量減少，同時(shí)土地利用變化后子流域面積的90.8%為水田，增強(qiáng)了水面蒸發(fā)能力，從而引起土地利用變化后徑流量明顯減少。6號(hào)子流域土地利用類型在水田與旱地之間相互轉(zhuǎn)化，變化前水田、旱地分別占子流域總面積51.78%、 48.22%，變化后水田、旱地分別占子流域面積99.39%、0.61%，土地利用變化后徑流深均減小，均值與標(biāo)準(zhǔn)差也有大幅減小。20號(hào)子流域土地利用類型在旱地、水田、林地三者之間相互轉(zhuǎn)化，水田面積增加53.62%，旱地面積減小42.1%，林地面積減小11.51%，年徑流深減?。ň禍p小34.715%）。28號(hào)子流域土地利用類型在旱地與林地之間相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后僅剩林地一種類型，徑流深有減小的趨勢(shì)，原因是林地增多，冠層截留量及蒸散發(fā)量變大，致使流域徑流減小。30號(hào)子流域草地、旱地均轉(zhuǎn)化為林地，其中水域面積不變，占子流域總面積的3.17%，徑流深減小。由此可見(jiàn)，土地利用變化對(duì)徑流有重要影響，不合理的土地利用會(huì)引發(fā)洪澇、干旱等問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）淮河流域土地利用方式及下墊面條件發(fā)生顯著變化。20世紀(jì)80年代，土地利用方式以旱地為主，旱地占總面積的41.85%，林地其次，占總面積的38.55%；到了20世紀(jì)90年代，流域土地利用方式以林地為主，占總面積的40.69%，其次為旱地，占總面積的30.38%；上述下墊面的變化嚴(yán)重影響著淮河流域的蒸散發(fā)及產(chǎn)匯流過(guò)程，淮河流域的降雨徑流特性也發(fā)生了顯著改變。

（2）潢川流域SWAT模型模擬效果良好。建立演川流域SWAT模型土壤和氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)敏感性參數(shù)分析及模型率定驗(yàn)證了潢川流域SWAT模型的適用性。結(jié)果表明，不論在率定期還是驗(yàn)證期，模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流均比較吻合，模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)都能滿足精度要求，SWAT模型可作為潢川流域徑流模擬的有效分析工具。

（3）土地利用變化導(dǎo)致潢川流域年徑流深明顯減小。通過(guò)在潢川流域SWAT模型更改不同時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)，模擬了不同土地利用條件下的兩個(gè)徑流序列，通過(guò)選取典型子流域，分析子流域土地利用改變情況，計(jì)算兩種條件下年徑流深變化情況，結(jié)果表明，在土地利用類型變化后年徑流深明顯減小，且水田大面積增多能夠促進(jìn)水面蒸散發(fā)，從而減少產(chǎn)流，同時(shí)林地的增多也滯緩了徑流形成，使得徑流量明顯減少。

本研究就土地利用變化對(duì)流域徑流影響進(jìn)行了定性分析與定量分析，取得了一些初步的研究成果。但是，資料獲取有局限性，研究中還存在著很多問(wèn)題與不足，需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)，特別是如何區(qū)分復(fù)雜變化下單一土地利用類型對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率，將是未來(lái)研究的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]QU Simin，BAO Weimin，SHI Peng，et al.Evaluation ofRunoff Responses to Land Use Changes and]，and CoverChanges in the Upper Huaihe River Basin，China[J].Journal of Hydrologic Engineering，2012，17（7）：800-806.

[2]SCHILLING K E，GASSMAN P W，KLING C L，et al.ThePotential for Agricultural Land Use Change to Reduce FloodRisk in a Large Watershed[J].Hydrological Processes，2014，28（8）：3314-3325.

[3]HE Y，LdN K，CHEN X.Effect of Land Use and ClimateChange on Runoff in the Dongjiang Basin of South China[J].Mathematical Problems in Engineering，2013（1）：14-26.

[4]姚允龍，呂憲國(guó)，王蕾.流域土地利用/覆被變化水文效應(yīng)研究的方法評(píng)述[J].濕地科學(xué)，2009，7（1）：83-88.

[5]豐華麗，王超，朱光燦，等.土地利用變化對(duì)流域生態(tài)需水的影響分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2002，13（6）：757-762.

[6]袁藝，史培軍.土地利用對(duì)流域降雨—徑流關(guān)系的影響：SCS模型在深圳市的應(yīng)用[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，2（1）：131-136.

[7]吳森，石朋，孫勇，等.土地利用變化對(duì)淮河上游小流域設(shè)計(jì)洪水的影響研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，31（3）：366-373.

[8]劉吉峰，霍世青，李世杰，等.SWAT模型在青海湖布哈河流域徑流變化成因分析中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（2）：159-163.

[9]楊小強(qiáng)，石朋，包為民，等.SWAT模型在淮河息縣流域的參數(shù)敏感性及不確定性研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2013（10）：33-36，41.

[10]SAJIKUMAR N，REMYA R S.Impact of Land Cover andLand Use Change on RunoffCharacteristics[J].Journal ofEnvironmental Management，2015，161：460-468.

[11]周敏敏，瞿思敏，石朋，等.淮河上游大坡嶺流域土地利用方式變化引起的流域滯時(shí)變化[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，43（2）：100-106.

[12]蔡濤，李瓊芳，宋秀民，等.基于空間信息平臺(tái)的土地利用方式變化徑流響應(yīng)模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（5）：563-567.

[13]賴格英，吳敦銀，鐘業(yè)喜，等.SWAT模型的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（3）：243-251.

[14]孫愛(ài)立，余鐘波，楊傳國(guó)，等.我國(guó)水系提取閾值影響因素分析[J].水利學(xué)報(bào)，2013，44（8）：901-908.

[15]徐宗學(xué)，程磊.分布式水文模型研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].水利學(xué)報(bào)，2010，41（9）：1009-1017.

[16]王中根，劉昌明，黃友波.SWAT模型的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2003，22（1）：79-86.

[17]陳昂，隋欣，王東勝，等.小浪底水庫(kù)周邊生態(tài)承載力時(shí)空動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)[J].人民黃河，2016，38（4）：69-73.

[18]陳昂，隋欣，王東勝，等.黃河下游河道沿岸景觀格局時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究[J].水電能源科學(xué)，2014，32（11）：107-110.