汾河上游土地利用變化對徑流的影響分析研究

張國棟，黃 茹，胡彩虹，薦圣淇，張照璽，溫躍修

(1. 河南黃河水文勘測設(shè)計院，鄭州 450001；2. 環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心，北京 100012；3. 鄭州大學水利與環(huán)境學院，鄭州 450001)

土地是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)和物質(zhì)來源，土地利用/植被覆蓋變化(LUCC)是引起地表各種陸面過程變化的主要原因，對環(huán)境區(qū)域演變具有重要意義[1]。LUCC是一種人為的“系統(tǒng)干擾”，直接或間接地影響流域水文過程[2,3]。近半個多世紀以來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展和社會經(jīng)濟的快速增長，世界許多地方人口急劇增加導致土地利用類型急劇變化，大量生態(tài)系統(tǒng)的日益退化，導致水土流失、土地退化、河床湖庫泥沙淤積、森林覆蓋率下降等一系列問題，使流域的調(diào)蓄能力降低，加劇了洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)等自然災(zāi)害的發(fā)生，在汛期流域洪水兇猛集中而泛濫成災(zāi)，枯季河道斷流，水資源短缺[3,4]。

近些年國內(nèi)外對土地利用變化造成的生態(tài)環(huán)境影響給予的關(guān)注日益增多。目前，正呈現(xiàn)出以土地利用和土地覆蓋變化(LUCC)研究為中心，結(jié)合土地利用的社會經(jīng)濟、生物、地理過程的系統(tǒng)的和綜合的發(fā)展趨勢[3-5]。在流域尺度上，土地利用變化對流域水文過程的影響，直接導致水資源供需關(guān)系發(fā)生變化，從而對流域生態(tài)環(huán)境以及社會經(jīng)濟發(fā)展造成諸多影響，因此土地利用變化對流域水文過程的影響研究，就成為流域水資源規(guī)劃、管理以及可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域的核心問題[6-9]。

本研究從時空變化角度出發(fā)，分析研究區(qū)域土地利用的時空變化，結(jié)合研究區(qū)多年來徑流變化趨勢，分析土地利用變化對徑流的影響，以期為該地區(qū)土地規(guī)劃和水資源管理提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河位于黃河中游，是黃河第二大支流，也是黃河徑流的主要補給來源。汾河流域地處山西省的中部和西南部，位于110°30′～113°32′ E，35°20′～39°00′ N，南北長約412.5 km，東西寬約188 km，呈帶狀分布，面積39 471 km2，占全省國土面積的25.3%(圖1)。汾河上游是指蘭村水文站控制流域，蘭村水文站地處汾河中上游，位于太原市西北 22.5 km，地理坐標為112°26′ E，38°00′ N。蘭村站控制流域面積7 705 km2，流域平均寬度 36.1 km，實測期內(nèi)多年平均流量14.3 m3/s，瞬時最大流量1 950 m3/s，歷史調(diào)查洪水洪峰流量4 500 m3/s。汾河上游多年平均降水量491.4 mm，最大年降雨量767.6 mm，夏季風帶來的暖濕氣流是降水的主要水汽來源，6-9月降水占全年降水總量的70%以上，降水量年際變化大，最大與最小年降水比值可達3～4。

圖1 汾河上游位置圖Fig.1 Relative location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)收集與處理

(1)水文氣象數(shù)據(jù)。降雨量為1956-2011年汾河上游18個雨量觀測站逐日、時段降雨觀測資料(圖2)；徑流數(shù)據(jù)為1955-2011年汾河上游蘭村水文站洪水要素摘錄表中時段流量、逐日徑流觀測數(shù)據(jù)；蒸發(fā)量為1955-2011年汾河上游蘭村站逐日觀測數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.gov.cn/site/index.html)，主要包含日平均風速、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數(shù)、相對濕度和日平均水汽壓等。

圖2 研究區(qū)雨量站分布圖Fig.2 Distribution of rain stations in the study area

(2)遙感數(shù)據(jù)。本研究采用美國陸地資源衛(wèi)星TM 數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m ×30 m，獲取的時間分別為1978年、1998年和2010年。對獲取影像進行幾何校正，投影轉(zhuǎn)化為橫軸墨卡托，最后利用“5s”模型進行大氣輻射校正。

1.3 研究方法

1.3.1 遙感圖像信息提取

基于TM 影像數(shù)據(jù)，運用ERDAS 9.2軟件，采用監(jiān)督分類的方法，獲得1978 年、1998年和2010年研究區(qū)土地利用類型圖，利用總體分類精度和總體Kappa系數(shù)對分類進行評價。為了使分類結(jié)果更加精確，將分類精度引入來確定不同土地類型的空間分布，具體做法是：①先計算出每種土地利用類型的NDVI值；②每種土地利用類型的NDVI值出現(xiàn)頻率大致成正態(tài)分布，其中被正確分類類型的NDVI值在中間集中，然后可以根據(jù)分類精度x, 在[ (1-x)/2，(1+x)/2]范圍內(nèi)通過Matlab計算出每種土地利用類型NDVI最大值和NDVI最小值；③在ArcGIS里根據(jù)NDVI最大值和最小值重新確定每種土地利用類型的空間分布(圖3)[10-12]。

圖3 數(shù)據(jù)處理整體流程Fig.3 The processes of data processing

1.3.2 徑流變化分析

本研究收集多年蘭村水文站實測徑流數(shù)據(jù)，采用滑動平均法與Mannn-Kendall秩次相關(guān)檢驗法，來分析長序列徑流資料的變化趨勢，利用pettitt檢驗法與Lee-heghinian法對水文序列做突變分析。

(1) 滑動平均法。滑動平均法在一定程度上它可以消除波動帶來的影響，從而使原水文序列變得光滑，使水文變化變現(xiàn)出的趨勢性和階段性更加直觀，更加明顯。采用一定的方法計算一個水文序列{x1,x2,…,xn}的滑動平均值，以構(gòu)成一個新的水文序列yt，其計算方法如下：

(1)

式中：k為震蕩周期，整數(shù)。

(2) Mannn-Kendall秩次相關(guān)檢驗法。Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法，需要假設(shè)一個水文序列xt={x1,x2,…,xn}，其樣本為相互獨立的，并且服從相同分布，再構(gòu)造一個檢驗統(tǒng)計量S：

(2)

(3)

統(tǒng)計量S服從正態(tài)分布，均值E(s)和方差Var(s)分別為：

E(s)=0

(4)

Var(s)=n(n-1)(2n+5)/18

(5)

構(gòu)造一個Mannn-Kendall秩次相關(guān)檢驗法的檢驗統(tǒng)計量Z，假定Z也是服從標準正態(tài)分布，計算方法如下：

(6)

在一定的顯著水平α下，如果統(tǒng)計量|Z|≥Z1-α/2，則時間序列具有較為顯著的變化趨勢，如果Z>0，表明該序列具有上升的趨勢，反之當Z<0，表示時間序列具則有下降趨勢。

(3) pettitt檢驗法。Pettitt是一種非參數(shù)的檢驗法，它是利用檢驗其時間序列均值的變化，確定該序列的突變點的。Pettitt檢驗法構(gòu)造一個服從正態(tài)分布的統(tǒng)計量Ut,n，檢驗同一個總體的兩個不同的樣本。

(4) Lee-Heghinian法。假設(shè)一個時間序列{x(t)}，其總體是服從標準正態(tài)分布的，但可能存在有突變點，則可能的突變點τ，假設(shè)其先驗分布為均勻分布，推求得τ的后驗分布為：

f(τ|x1,x2,…,xn)=k[n/τ(n-τ)]φ[R(τ)]-(n-2)/2,

1≤τ≤n-1

(7)

(8)

式中：k為比例常數(shù)；n為樣本容量。f(τ|x1,x2,…,xn)的極值點就是可能的突變點，再結(jié)合其他的一些因素，來確定該檢驗序列的突變點。

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用類型分析

利用監(jiān)督分類方法，結(jié)合NDVI值將汾河上游的土地利用類型分為11類，分別為：水域、建筑用地、難利用地、農(nóng)用地、有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地(圖4)。

通過監(jiān)督分類獲得研究區(qū)不同時期的土地利用分類。檢驗后1978年影像總體分類精度為81.64%，Kappa 系數(shù)為0.776 1；1998 年影像總體分類精度為79.15%，Kappa系數(shù)為0.748 4；2010年影像總體分類精度為83.36%，Kappa 系數(shù)為0.781 1。根據(jù)分類精度81.64%、79.15%和83.36%，在[(1-81.64%)/2、(1+81.64%)/2]、[(1-79.15 %)/2、(1+79.15 %)/2]和[(1-83.36%)/2、(1+83.36%)/2]范圍內(nèi)，通過Matlab計算出每種土地利用類型NDVI最大值和NDVI最小值，在ArcGIS里根據(jù)NDVI最大值和最小值重新確定每種土地利用類型的空間分布，1978年，1998年和2010年土地利用類型分類精度分別提高到89.54%、88.47%和91.22%。

圖4 汾河上游土地利用變化Fig.4 Land use changes in the upper reaches of Fenhe River

將11種土地利用類型歸納為5類，分別為農(nóng)用地、林地、草地、建筑用地和水域。1978-2010年農(nóng)用地面積呈降低趨勢，林地與草地面積呈上升趨勢，水域與建筑用地均有小幅升高(圖5)。

由圖6可知，除建筑用地外，農(nóng)用地、林地、草地和水域面積，1998-2010年的變化率均大于1978-1998年。農(nóng)用地在兩個時間段內(nèi)變化最為明顯(表1)。

2.2 年徑流變化趨勢分析

汾河上游的控制站為蘭村站，從20世紀60年代開始，蘭村站的年徑流量呈現(xiàn)下降趨勢，進入20世紀80年代后徑流減少趨勢愈加顯著。由蘭村站年徑流量的5年滑動平均值可以看出，蘭村站控制流域年徑流量呈較為明顯的不規(guī)則周期性波動。從20世紀90年代初期到00年初期徑流量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，2003-2011年呈現(xiàn)增加趨勢，其余年份呈現(xiàn)波動變化，2003年前總體呈現(xiàn)減小的趨勢，但2006年后徑流量增加。年徑流量平均值雖然有小的波動，但是總體上都呈現(xiàn)持續(xù)減小狀態(tài)，年徑流量平均每年減少0.019 億m3(圖7)。

圖5 汾河上游土地利用結(jié)構(gòu)變化Fig.5 Changes of land use structure in the upper reaches of Fenhe River

圖6 單一地類變化率Fig.6The rates of single class change

表1 汾河上游各土地利用類型面積變化Tab.1 The various of land use type in the study area

圖7 年徑流量變化趨勢Fig.7 Change trends of annual runoff

采用Mann-Kendall檢驗進行蘭村站徑流的變化趨勢分析，Z值是Mann-Kendall系數(shù)的絕對值，反映了徑流趨勢的變化速度。各站點Z均是負數(shù)，表示各站點徑流均呈下降的趨勢，蘭村站的Z值為-1.59。趨勢系數(shù)的分析結(jié)果表明，蘭村站的趨勢系數(shù)均通過了0.01的檢驗，減少趨勢明顯。20世紀70年代后，徑流量降低趨勢更加明顯。

隨著時間推移，蘭村站年徑流量的年際均值都呈現(xiàn)減少趨勢(表2)，1990-1999年際均值稍大，主要是由1996年大水年份上徑流量偏大造成的，蘭村站徑流年際極值(最大和最小)也顯現(xiàn)出下降的趨勢最大年徑流流量出現(xiàn)在20世紀60年代。

表2 蘭村站年徑流量特征值統(tǒng)計 億m3

由蘭村站年徑流量的單累積曲線可以看出 (圖8)，蘭村站的徑流量沒有發(fā)生大幅度的逃逸現(xiàn)象，以累積曲線上的任意點將累積序列劃分為兩個子序列，兩個子序列的回歸曲線幾乎沒有差異，因此可以判斷蘭村站的年徑流量沒有發(fā)生突變，Lee-heghinian法和pettitt法的檢驗結(jié)果表明，1956-2011年蘭村站的年徑流量沒有發(fā)生突變(圖8)。

圖8 蘭村站年徑流量突變分析Fig.8 Analysis of annual runoff mutation in Lancun station

2.3 徑流量減少成因分析

2.3.1 降雨因素

降雨是大多數(shù)河川徑流的主要補給來源。在不受人工干預(yù)和其他復(fù)雜因素的影響下，降雨量的大小在一定程度上就已經(jīng)決定河川徑流量的大小。1956-2011年汾河上游的年降雨量呈現(xiàn)出減少趨勢 (圖9)。由年降雨量的5年滑動均值可以看出，在2002年之前，汾河上游年降雨量呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢，而2002年之后趨勢才有所改變。

圖9 1956-2011年汾河流域年降雨量Fig.9 The annual rainfall in Fenhe River of 1956-2011

2.3.2 人類活動因素

(1)地表水開采。隨著社會的發(fā)展，人口數(shù)量上的增加以及經(jīng)濟的蓬勃快速增長，人類對水的需求量是在持續(xù)不斷增加的。需水量增加，人類從河道中的取水量也就相應(yīng)的增加，從而直接導致了河川徑流量的減少。1980-2011年典型年汾河流域地表水用水量呈現(xiàn)增加趨勢，并且以每年1 806 萬m3的速率急劇增加[13,14]。

(2)地下水開采。汾河流域地處干旱半干旱地區(qū)，因此地下水是汾河流域的重要水源，在1980-2011年之間，汾河流域地下水供應(yīng)量占總量的63%。1995年前，汾河流域地下水開采量呈現(xiàn)增加趨勢，在1995年之后，地下水開采量呈減少趨勢。而在地下水中，又以深層承壓水為主要地下水開采水源，深層承壓水開采量占汾河流域地下水開采總量的69%[15-17]。

(3)煤炭開采。山西省是我國主要的煤炭生產(chǎn)地，煤田面積占據(jù)全省面積的37%。根據(jù)1995年全國第三次煤田的預(yù)測結(jié)果，山西39%的面積地下存在煤層，共有煤炭總資源量6 400 億t[18,19]。隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)步快速的發(fā)展，煤礦的開采量逐年加大，而且開采的范圍和速度都在持續(xù)加大。隨著開采范圍的擴大，孔隙水的減少會引發(fā)嚴重的地面坍塌，造成河川徑流大量滲漏，直接影響地表徑流量。同時，流域的環(huán)境地質(zhì)條件也會因為煤礦開采而被強制破壞，使得匯流條件發(fā)生不可預(yù)知的改變，原來的水資源變化規(guī)律也在不斷改變，水資源利用條件將會不斷的惡化。

2.3.3 土地利用因素變化

研究區(qū)內(nèi)近30年土地利用類型變化明顯，林草地面積呈增加趨勢，農(nóng)用地與水域面積呈減少趨勢，這也是徑流銳減的原因。林地具有含蓄水源的作用，并且具有截留降雨的效應(yīng)，可以有效保存水分，使形成徑流量減少。

3 結(jié) 語

近年來，由于人類活動和氣候變化的影響，汾河流域的下墊面以及徑流量發(fā)生了很大的變化。本文從降雨、人類活動及土地利用變化等方面入手，研究了土地利用變化對徑流的影響，結(jié)果表明，汾河流域土地利用變化是影響其徑流變化的重要原因。

汾河流域徑流量呈逐年遞減的趨勢，遞減率為0.019 億m3/a，且徑流減少的趨勢非常明顯。汾河流域內(nèi)，耕地、林地及水域面積均呈現(xiàn)減少的趨勢，并且這種趨勢隨時間變化逐漸加強。流域內(nèi)草地面積基本不變，城鎮(zhèn)化面積大幅度提升，且流域內(nèi)土地利用類型存在相互替換現(xiàn)象。通過1978年和2010年兩期影像對比，耕地大部分轉(zhuǎn)化為林地。土地利用變化對汾河流域徑流量的減少具有至關(guān)重要的作用。

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