嘉陵江流域下游地表徑流對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

鄧 睿, 張治意，陳 亞

(重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074)

土地資源作為人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，土地的利用方式也發(fā)生了明顯的變化。近年來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市建成區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大，土地利用方式不斷改變，生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重影響，土地利用變化對(duì)區(qū)域資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的影響成為了關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。土地利用變化可以直觀地展現(xiàn)人與自然間的相互聯(lián)系，結(jié)合遙感和地理信息系統(tǒng)可以掌握土地利用變化的數(shù)量、面積和各地類間變化的趨勢(shì)，以尋求各地類間相互轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)力，達(dá)到及時(shí)、準(zhǔn)確、合理控制土地利用變化的結(jié)果[2-3]。

水文過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，它和土地表層系統(tǒng)中的所有自然地理要素在時(shí)間和空間的分布都密切相關(guān)，土地利用方式及其變化對(duì)水文過(guò)程也有顯著的影響，因此國(guó)際研究機(jī)構(gòu)在全球變化研究中把土地利用變化的水文響應(yīng)作為研究的重要內(nèi)容[4]。流域下墊面的水文特性隨著土地利用的變化而變化，影響了水循環(huán)和水量平衡，下游洪澇災(zāi)害、地下水位下降、水資源短缺等問(wèn)題也會(huì)隨之出現(xiàn)，進(jìn)而影響流域的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境[5]。在流域尺度上，土地利用變化影響水文過(guò)程，改變了水資源的供需關(guān)系，對(duì)流域生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等有著明顯的影響，因此認(rèn)識(shí)和掌握土地利用變化對(duì)流域水文過(guò)程的影響成為了規(guī)劃、管理流域水資源和可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域的主要研究方向[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外在土地利用變化對(duì)地表徑流影響的研究領(lǐng)域取得了大量的研究成果。其中美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果都強(qiáng)調(diào)流域植被類型和土地利用結(jié)構(gòu)與水文過(guò)程間的關(guān)系[7-9]。Stanley等研究了美國(guó)伊利諾斯州多個(gè)流域1940—1990年氣候和土地利用變化對(duì)河川徑流以及洪水的影響[10]；Reshmidevi等基于SCS-CN模型對(duì)雨水田土壤水分地理空間估算方面取得了很大成就[11]；史培軍等以深圳市為研究對(duì)象，研究土地利用變化對(duì)地表徑流的影響，結(jié)果表明隨著人類活動(dòng)的加劇，土地利用的變化使徑流量趨于增大[12]；郭宗鋒等研究了西雙版納地區(qū)流域土地利用變化對(duì)徑流的影響，認(rèn)為人類活動(dòng)干擾程度大的土地利用類型面積不斷增加，這種土地利用方式影響流域徑流的結(jié)果越明顯[13]；陶艷成等研究了欽江流域土地利用變化對(duì)徑流的影響，得出土地利用結(jié)構(gòu)的變化使得地表徑流深度發(fā)生變化的結(jié)論[14]；Fu等也對(duì)中國(guó)黃土高原SCS-CN方法的初始抽取率展開研究，目的是確定λ的值，對(duì)中國(guó)黃土高原徑流進(jìn)行合理的估計(jì)[15]。同時(shí)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者也展開了土地利用變化對(duì)水質(zhì)影響的大量研究，劉豐等通過(guò)研究近二十年白洋淀土地利用變化及其對(duì)水質(zhì)的影響，為制定該流域水環(huán)境管理措施提供科學(xué)依據(jù)[16]；趙鵬等選擇廣東省淡水河流域?yàn)檠芯繉?duì)象進(jìn)行流域景觀格局與河流水質(zhì)的多變量相關(guān)分析[17]；Langroodi等研究了土地利用/覆蓋與地下水水質(zhì)變化的關(guān)系[18]；項(xiàng)頌等分析了不同時(shí)空尺度下土地利用對(duì)洱海入湖河流水質(zhì)的影響[19]。

嘉陵江是長(zhǎng)江水系中流域面積最大的支流，是長(zhǎng)江上游洪水的主要來(lái)源，也是長(zhǎng)江各大支流中水土流失較嚴(yán)重的地區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，嘉陵江流域下游的土地利用發(fā)生了較大變化，本研究基于3期遙感影像，研究嘉陵江流域下游地表徑流對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，以期為嘉陵江流域下游土地資源的合理利用，資源、環(huán)境以及生態(tài)問(wèn)題的政策制定提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域和研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

嘉陵江流域在東北面以秦嶺、大巴山和漢水為界，在東南面以長(zhǎng)江和華鎣山相隔，在西北面接壤龍門山與岷江，西及西南為低矮的分水嶺與沱江毗連，位于東經(jīng)102°30′—109°00′，北緯29°40′—34°30′。嘉陵江下游絕大部分流經(jīng)四川盆地中部，在合川納渠江、涪江，于重慶市渝中區(qū)匯入長(zhǎng)江。本次研究的區(qū)域?yàn)榧瘟杲饔蛳掠?，即合川至重慶河口，河道全長(zhǎng)97 km。

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1 遙感影像數(shù)據(jù) 本文的研究數(shù)據(jù)以1993年、2004年和2014年遙感影像作為提取土地利用的原始數(shù)據(jù)，其中1993年和2004年為L(zhǎng)andsat 5 TM影像，2014年為L(zhǎng)andsat8 OLI_TIRS影像，影像基本無(wú)云，能見度較高，質(zhì)量較好。3期影像選取的時(shí)間為研究區(qū)汛期5—9月份的影像，消除了由于降水量差距較大產(chǎn)生的影響。詳細(xì)信息見表1。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)

1.2.2 土壤數(shù)據(jù) 本研究將聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)的世界數(shù)字土壤圖作為土壤原數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)具有兩大優(yōu)點(diǎn)，一是增加第三級(jí)土壤單元來(lái)適應(yīng)大比例尺制圖的精度要求，二是考慮了人口增長(zhǎng)和土壤資源減少之間的矛盾日益突出，添加了許多與土地資源評(píng)價(jià)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)有關(guān)的內(nèi)容。

1.2.3 降水?dāng)?shù)據(jù) 本研究的降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，主要包括嘉陵江流域下游4個(gè)氣象站點(diǎn)1981—2010年的累年月平均降水量和月最大降水量。

2 研究方法

2.1 土地利用變化

結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，將嘉陵江流域下游土地利用類型分為5類，分別是水域、居民點(diǎn)及工礦用地、草地、林地和耕地。從土地利用類型面積變化、土地利用類型空間轉(zhuǎn)移和土地利用變化幅度來(lái)分析研究區(qū)土地利用的變化情況。

2.1.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣主要用來(lái)分析土地利用變化的數(shù)量特征和各用地類型變化的方向，并能清楚反映各地類之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。

2.1.2 土地利用變化幅度 土地利用變化幅度反映了研究區(qū)內(nèi)某一種土地利用類型從研究階段的初期到末期面積的變化情況，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：H為土地利用類變化幅度；Ta和Tb為研究區(qū)內(nèi)某種土地利用類型在研究初、末期的面積。

2.2 土地利用變化的地表徑流響應(yīng)

本研究采用SCS水文模型來(lái)分析地表徑流對(duì)土地利用變化的響應(yīng)情況。SCS模型是20世紀(jì)50年代美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局研制的一種水文模型，該模型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，參數(shù)較少，可用于不同尺度的流域[20]。SCS模型最初是依據(jù)美國(guó)地帶性氣候和農(nóng)業(yè)分區(qū)研制成的小型流域場(chǎng)次的洪水產(chǎn)流模型，目前SCS模型已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用，成為了一種可以用于資料缺乏地區(qū)的分布式水文模型，能較好地應(yīng)用于城市化地區(qū)流域[21]。

SCS水文模型的產(chǎn)流計(jì)算公式如下[22]：

(2)

式中：Q為徑流的深度(mm)；P為降水量(mm)；S為滯留系數(shù)(mm)。

滯留系數(shù)S與集水區(qū)的土壤質(zhì)地、土地利用方式和降雨前的土壤濕潤(rùn)狀況等流域特征有關(guān)，會(huì)由于它們的變化而變化[23]。S的計(jì)算如公式(3)所示。

(3)

式中：CN是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，綜合表示了研究區(qū)水文特征、土壤質(zhì)地、降雨前的土壤濕潤(rùn)程度和土地利用類型之間的關(guān)系，從而反映了降水量與產(chǎn)生徑流量的關(guān)系，其取值范圍為0～100。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

采用Majority/minority方法進(jìn)行分類后處理，得到1993年、2004年和2014年研究區(qū)的土地利用專題圖。利用ENVI軟件統(tǒng)計(jì)研究區(qū)1993年、2004年、2014年的各土地利用類型面積，結(jié)果見表2。

表2 1993年、2004年2014年嘉陵江流域下游

嘉陵江流域下游1993—2014年水域、林地、草地和居民點(diǎn)及工礦用地都逐漸增加，只有耕地逐漸減少。面積增加最多的是草地，增加了826.28 km2，增加最少的是水域，增加了29.49 km2，耕地面積減少1 781.94 km2。研究區(qū)面積增加的地類均由耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)。1993年耕地面積最大，占總面積的51.43%；2004年和2014年草地面積最大，分別占總面積的48.32%和49.80%。居民點(diǎn)及工礦用地所占面積由1993年的1.46%增長(zhǎng)到2014年的14.84%，主要增長(zhǎng)在嘉陵江流域下游的南部，包括重慶市的沙坪壩區(qū)、渝中區(qū)、江北區(qū)和渝北區(qū)。

3.1.1 土地利用的空間轉(zhuǎn)移 根據(jù)1993年、2004年和2014年嘉陵江流域下游土地利用分類結(jié)果，計(jì)算1993—2004年、2004—2014年的土地利用空間轉(zhuǎn)移矩陣，見表3和表4。

表3 1993-2004年土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表4 2004-2014年土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

1993—2004年研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移總量由大到小依次為耕地、草地、林地、水域和居民點(diǎn)及工礦用地，其中轉(zhuǎn)移總量最大的是耕地1 555.42 km2，主要轉(zhuǎn)換成了草地。草地主要轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)移了503.48 km2；林地主要轉(zhuǎn)化為耕地和草地，分別轉(zhuǎn)移了63.00 km2，50.14 km2；水域主要轉(zhuǎn)化為居民點(diǎn)及工礦用地，轉(zhuǎn)移了6.23 km2。2004—2014年土地利用類型轉(zhuǎn)移由大到小分別為耕地、草地、林地、居民點(diǎn)及工礦用地和水域。耕地主要轉(zhuǎn)化為草地和居民點(diǎn)及工礦用地，分別轉(zhuǎn)移了674.01 km2，250.58 km2；草地主要轉(zhuǎn)化為耕地和居民點(diǎn)及工礦用地，分別轉(zhuǎn)移了277.32 km2，266.02 km2；林地主要轉(zhuǎn)化為草地，轉(zhuǎn)移了81.35 km2；居民點(diǎn)及工礦用地和水域相對(duì)比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)出的面積較小。

3.1.2 土地利用變化幅度 計(jì)算研究區(qū)1993—2004年、2004—2014年、1993—2014年3個(gè)時(shí)間階段不同土地利用類型的變化幅度，結(jié)果見表5。

表5 1993-2014年研究區(qū)不同土地利用類型變化幅度 %

由表5可以看出1993—2014年水域、林地、草地和居民點(diǎn)及工礦用地的變化幅度都增加，而耕地的變化幅度為減少。1993—2004年、2004—2014年居民點(diǎn)及工礦用地的增幅都為最大。1993—2014年居民點(diǎn)及工礦用地的增幅達(dá)到916.59%，耕地的減少幅度達(dá)到70.39%。1993—2014年草地的增幅僅次于居民點(diǎn)及工礦用地，共增長(zhǎng)了50.85%。

由上述分析可以看出1993—2014年，嘉陵江流域下游土地利用以耕地轉(zhuǎn)出為主，耕地是研究區(qū)唯一減少的土地利用類型，而且減少量較大，居民點(diǎn)及工礦用地和草地以轉(zhuǎn)入為主，其他用地的空間轉(zhuǎn)移較為復(fù)雜。

3.2 土地利用變化的地表徑流響應(yīng)

3.2.1 降水量 根據(jù)研究區(qū)內(nèi)4個(gè)氣象站點(diǎn)(渝北、沙坪壩、合川和北碚)1981—2010年的氣象數(shù)據(jù)顯示，降雨主要集中于5—9月，6月份的降水最多，所以本研究選用4個(gè)站點(diǎn)6月份平均降水量的平均值作為研究區(qū)的統(tǒng)一降水量，最后得出研究區(qū)6月份平均降水量的平均值為193.58 mm，為了方便計(jì)算，使用190 mm作為研究區(qū)的統(tǒng)一降水量。

3.2.2 土壤類別 不同土壤的結(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)決定了其入滲率和產(chǎn)流能力的差異。在SCS模型中，根據(jù)土壤滲透性和導(dǎo)水性差異，將土壤分為4類(表6)。

表6 SCS模型水文土壤組的劃分標(biāo)準(zhǔn)[24]

研究區(qū)的土壤類別主要有始成土、潛育土和淋溶土。結(jié)合嘉陵江流域下游的實(shí)際情況，根據(jù)SCS模型的土壤分類標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)土壤重分類為B，C，D3類，分布情況如圖1所示。

圖1 嘉陵江流域下游水文土壤分類

3.2.3 CN值 CN值的大小間接表示了不同土地利用類別和土壤組合的產(chǎn)流情況。由于土壤屬性比較穩(wěn)定，所以一般情況下，當(dāng)降雨量一定時(shí)，土地利用類別的變化將引起CN值的變化。同時(shí)CN值還受土壤濕潤(rùn)程度的影響，根據(jù)研究區(qū)前5 d降雨總量分成了干燥(AMC I)、中等(AMC Ⅱ)、濕潤(rùn)(AMC Ⅲ)3種狀態(tài)。本文以前期土壤濕潤(rùn)程度為正常狀態(tài)(AMC Ⅱ)對(duì)嘉陵江流域下游展開研究。

根據(jù)SCS模型的CN值查算表[22]，結(jié)合嘉陵江流域下游的土地利用和土壤數(shù)據(jù)，參考前人運(yùn)用SCS模型時(shí)確定CN值的矩陣，確定了嘉陵江流域下游在土壤濕潤(rùn)程度為中等狀態(tài)(AMC Ⅱ)下的CN值矩陣(表7)。

3.2.4 地表徑流的響應(yīng)分析 運(yùn)行SCS模型，需要統(tǒng)計(jì)土地利用類型—土壤組的面積。在ArcGIS軟件中將嘉陵江流域下游1993年、2004年和2014年的土地利用類型數(shù)據(jù)和土壤類型數(shù)據(jù)通過(guò)融合和疊加分析，統(tǒng)計(jì)出不同土地利用類型下對(duì)應(yīng)的不同土壤類型面積。

表7 嘉陵江流域下游在AMC Ⅱ條件下SCS模型的CN值

利用SCS模型對(duì)嘉陵江流域下游研究區(qū)1993年、2004年和2014年的不同土地利用—土壤組的徑流量情況進(jìn)行模擬。在本研究中，整個(gè)研究區(qū)域都以190 mm作為統(tǒng)一的降水量，1993年的平均徑流深度為132.877 mm，總量為65 385.63萬(wàn)m3；2004年的平均徑流深度為127.450 mm，總量為62 715.10萬(wàn)m3；2014年的平均徑流深度為126.918 mm，總量為62 453.62萬(wàn)m3。由于研究區(qū)內(nèi)沒有可用的徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此無(wú)法對(duì)SCS模型的模擬結(jié)果進(jìn)行直接有效的驗(yàn)證，但從SCS模型可以看出SCS模型的模擬結(jié)果主要受降水量和CN值的影響，降水量數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，而CN值可以對(duì)比已有的研究成果來(lái)間接驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性[25-28]。

為了更加直觀地分析研究區(qū)地表徑流對(duì)土地利用類型變化的響應(yīng)，將流域內(nèi)的徑流深度模擬結(jié)果劃分為4個(gè)等級(jí)，分別制作出1993年、2004年和2014年嘉陵江流域下游基于SCS模型的地表徑流深度模擬結(jié)果圖(圖2)。由于林地的土層深度和根系深度均較大，提高了土壤有效含水量，產(chǎn)水量較?。桓睾筒莸氐母瞪疃容^小，土壤有效含水量偏低，產(chǎn)水量相對(duì)于林地有所增加；居民點(diǎn)及工礦用地多為不透水面，降水難以下滲，容易產(chǎn)流，產(chǎn)流量較大。對(duì)比土地利用變化和地表徑流深度變化可以看出從1993—2014年，隨著城市的發(fā)展，居民點(diǎn)及工礦用地大幅增加，沙坪壩區(qū)、渝中區(qū)、江北區(qū)和渝北區(qū)的徑流深度也明顯增大。

圖2 1993年、2004年、2014年嘉陵江流域下游地表徑流深度模擬結(jié)果

產(chǎn)流系數(shù)為產(chǎn)流量與降水量的比值，1993年、2004年、2014年研究區(qū)的產(chǎn)流系數(shù)分別為0.699，0.671，0.668，2014年低于1993年和2004年。徑流量模擬結(jié)果和各年不同土地利用—土壤組的產(chǎn)流量貢獻(xiàn)率見表8。

土地利用—土壤組面積發(fā)生變化，對(duì)其產(chǎn)流能力帶來(lái)不同程度的影響，進(jìn)一步對(duì)地表徑流產(chǎn)生影響。1993—2014年，嘉陵江流域下游草地—B，C，D類的面積百分比分別增加4.68%，3.85%，8.25%，年產(chǎn)流貢獻(xiàn)率分別增加了2.86%，4.28%，8.88%；耕地—B，C，D類的面積百分比分別減少6.09%，13.89%，16.21%，年產(chǎn)流貢獻(xiàn)率分別減少了5.62%，14.78%，18.87%；居民點(diǎn)及工礦用地—B，C，D類的面積百分比分別增加0.37%，8.67%，4.35%，年產(chǎn)流貢獻(xiàn)率分別增加了0.42%，10.98%，5.70%；林地—B，C，D類的面積百分比分別增加0.93%，1.03%，3.47%，年產(chǎn)流貢獻(xiàn)率分別增加了0.45%，1.00%，3.65%；水域-B，C，D類的面積百分比分別增加0.13%，0.34%，0.13%，年產(chǎn)流貢獻(xiàn)率分別增加了0.20%，0.60%，0.23%。

從表8可以看出，1993年耕地產(chǎn)流能力較強(qiáng)，產(chǎn)流量較大，這是由于該階段研究區(qū)耕地面積比重較大，由于農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁，使得土壤間孔隙增大，質(zhì)地變疏松，加大了降水過(guò)程產(chǎn)生徑流的概率。草地具有保持水土的作用，但由于2014年和2004年的草地面積相對(duì)于1993年大幅增加，所以草地的整體產(chǎn)流量也大幅增加。居民點(diǎn)及工礦用地雖然產(chǎn)流量較大，但由于其面積所占比重較小，所以整體產(chǎn)流量較小。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，2014年比1993年的居民點(diǎn)及工礦用地面積增加658.6 km2，B，C，D這3種土壤類型的居民點(diǎn)及工礦用地，其產(chǎn)流量分別增加了258.17萬(wàn)m3，6 819.55萬(wàn)m3，3 551.94萬(wàn)m3。

表8 1993年、2004年、2014年土地利用—土壤組的徑流量及產(chǎn)流量貢獻(xiàn)率

4 結(jié) 論

人類活動(dòng)通過(guò)改變土地利用情況間接地影響著地表徑流。在人口快速增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大背景下，在可持續(xù)發(fā)展和資源環(huán)境領(lǐng)域，研究土地利用變化對(duì)地表徑流的影響顯得尤為重要。本文通過(guò)研究嘉陵江流域下游地表徑流對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，得出主要結(jié)論如下：

(1) 隨著嘉陵江流域下游的高速發(fā)展，土地利用方式也發(fā)生了巨大變化。1993—2014年，流域內(nèi)土地利用變化趨勢(shì)以耕地轉(zhuǎn)出為主，居民點(diǎn)及工礦用地和草地則以轉(zhuǎn)入為主，其他用地的空間轉(zhuǎn)移較為復(fù)雜。耕地是整個(gè)研究階段唯一減少的土地利用類別，其他類型的土地按增加量由大到小依次為草地、居民點(diǎn)及工礦用地、林地和水域。

(2) 本研究以190 mm作為嘉陵江流域下游的統(tǒng)一降水量，通過(guò)SCS水文模型模擬了研究區(qū)1993年、2004年和2014年的地表徑流，發(fā)現(xiàn)地表徑流的深度、地表徑流量以及產(chǎn)流系數(shù)都逐漸減小。從空間分布上看，嘉陵江流域下游研究區(qū)內(nèi)產(chǎn)流能力南部地區(qū)>中部地區(qū)>北部地區(qū)。不同土地利用的產(chǎn)流量受土地利用類型面積的影響，當(dāng)土地利用—土壤組面積發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)流能力也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響流域地表徑流。

本文主要考慮自然因素的情況下應(yīng)用SCS模型模擬研究區(qū)地表徑流，量化分析了地表徑流對(duì)土地利用變化的響應(yīng)狀況，但未考慮人為因素。在以后的研究中可以綜合考慮人為因素，使結(jié)果更加符合研究區(qū)的實(shí)際情況。