基于SWAT 模型的阜平流域土地利用/ 覆被變化的徑流響應(yīng)

鄭一寧，張 蕾，吳鑫淼，郄志紅，胡艾霖

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001）

2000 年，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）關(guān)于鄉(xiāng)村集水區(qū)水土關(guān)系的討論報(bào)告集中關(guān)注土地利用變化對(duì)水資源的影響, 強(qiáng)調(diào)理解不同用地類型在集水區(qū)尺度上水文效應(yīng)的重要性［1-2］。土地利用變化的水文響應(yīng)研究以往采用實(shí)驗(yàn)流域或者特征變量時(shí)間序列法，但這2 種方法均存在局限性［3］，隨著3S 技術(shù)發(fā)展，基于物理基礎(chǔ)的分布式水文模型的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用越來(lái)越成熟，其中以美國(guó)研發(fā)的SWAT 模型（Soil and water assessment tool）研究及應(yīng)用最為廣泛［4］。SWAT 模型研發(fā)始于20 世紀(jì)90 年代初，由于其開(kāi)放源代碼，適用于模擬和預(yù)測(cè)復(fù)雜流域長(zhǎng)時(shí)間尺度的水文、泥沙、物質(zhì)循環(huán)變化過(guò)程，目前已廣泛應(yīng)用于水文狀況、水資源評(píng)價(jià)、水質(zhì)評(píng)估、土地利用及管理、氣候變化影響等方面的研究［5］。由于SWAT 模型可根據(jù)土地利用/覆蓋類型，土壤類型和表面坡度進(jìn)一步劃分為多個(gè)水文響應(yīng)單位（HRU），能夠從空間上模擬土地利用變化的水文響應(yīng)過(guò)程，基于水文響應(yīng)單元尺度研究能夠更加適應(yīng)水文邊界的不規(guī)則性，下墊面空間分布的不均勻性，故，可為更加準(zhǔn)確地分析土地利用變化與水文響應(yīng)關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)［6-7］。

阜平縣地處太行山深處，是革命老區(qū)、國(guó)家扶貧開(kāi)發(fā)工作重點(diǎn)縣和國(guó)家劃定的燕山——太行山集中連片特困地區(qū)扶貧攻堅(jiān)試點(diǎn)縣，可持續(xù)發(fā)展需求緊迫［8］。但在其致力于擺脫貧困發(fā)展經(jīng)濟(jì)的過(guò)程中，隨著種植業(yè)、畜牧業(yè)、林果業(yè)等的發(fā)展推進(jìn)，土地格局發(fā)生了很大變化，勢(shì)必會(huì)對(duì)流域水資源與水環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，定量地評(píng)價(jià)土地利用/覆蓋（LUCC）對(duì)徑流的影響，識(shí)別土地利用變化與水文響應(yīng)過(guò)程的相關(guān)關(guān)系，可為該地區(qū)水土資源可持續(xù)利用提供重要科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

阜平縣地處河北省保定市西部，太行山東麓，經(jīng) 度113.64 ～114.31°E，緯度38.78 ～39.37°N，流域總面積2 210 km2，為大清河水系的重要支流［9］。阜平流域地形主要以山地為主，地勢(shì)復(fù)雜多變，流域內(nèi)重巒疊嶂，連綿起伏，地勢(shì)由西北向東南降低，海拔高度在200 ～2 200 m 之間，其中海拔2 000 m以上的山峰有4 座，東部和中部海拔較低，為淺山地帶，河谷縱橫，此地帶水田、梯田分布較多，為流域主要種植地區(qū)。流域土壤主要包括棕壤土、褐土、草甸土、水稻土、沼澤土等，地質(zhì)巖性以片麻巖為主，此外還有淺粒巖、大理巖、石英巖等。流域氣候?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季氣候寒冷干燥，夏季溫和濕潤(rùn)，多年平均降雨量約550 mm，年平均氣溫12.6 ℃，最高溫度降雨量年際變化較大，年內(nèi)分布不均，主要降雨集中于6—9 月［10］。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

需建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)（數(shù)字高程，土地利用圖，土壤利用圖）以及屬性數(shù)據(jù)庫(kù)（土壤數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)）。其中地形數(shù)字高程圖（DEM）來(lái)源于STRM 數(shù)據(jù)集（http://strm. csi. cgiar. org/），空間分辨率為30 m。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于1∶100 萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（HWDS），數(shù)據(jù)分辨率為 1 km，并通過(guò)SPAW 軟件計(jì)算得出相關(guān)土壤屬性數(shù)據(jù)（有效田間持水率，土壤濕密度，土壤飽和導(dǎo)水率）；氣象數(shù)據(jù)（最高、最低氣溫，平均風(fēng)速，20—20 時(shí)降水量，相對(duì)濕度，日照時(shí)數(shù)）來(lái)源于保定和阜平氣象站1990—2010 年的數(shù)據(jù)。土地利用圖來(lái)源于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)——國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http://www.geodata.cn)，土地利用類型總共劃分為農(nóng)業(yè)用地，林地，草地，人工表面，水域5 大類。

3 SWAT 模型介紹及模擬結(jié)果評(píng)價(jià)

3.1 SWAT 模型建立

SWAT 模型是根據(jù)水量平衡原理對(duì)流域產(chǎn)匯流進(jìn)行模擬演算。水量平衡方程如下［11］：

式中SWt為土壤最終含水量，mm；W0為最初含水量，mm；Qi為第i 天降水量，mm；Qsurf為地表徑流量，mm；Em為蒸散發(fā)量，mm；Rdeep為入滲量，mm；Rgw為淺層回歸流，mm。

SWAT 模型主要由水文過(guò)程子模型，土壤侵蝕子模型，污染負(fù)荷子模型組成［12］。SWAT 模型創(chuàng)建是借助GIS 軟件，將相關(guān)參數(shù)輸入，如地形圖，土地利用圖，土壤屬性圖，氣象數(shù)據(jù)等，利用流域DEM 和實(shí)際水系，通過(guò)面積計(jì)算，劃分出流域單元。并帶入重分類后的流域土地利用數(shù)據(jù)和土壤空間分布數(shù)據(jù)，每個(gè)子流域進(jìn)一步劃分出若干個(gè)HRU，HRU 是擁有相同的土地利用、土壤類型和坡度級(jí)別的均質(zhì)體，也是SWAT 模型中最基本的運(yùn)算單元。模型的計(jì)算首先在HRU 水平上進(jìn)行，計(jì)算完成后匯總到子流域水平，最后由各個(gè)子流域匯總到流域總出口［13］。總體來(lái)說(shuō)，將氣象資料、數(shù)字高程圖作為模型固定的條件，通過(guò)改變土地利用/覆蓋類型、土壤屬性、坡度值提取，輸出不同土地利用/覆蓋下年、月、日徑流量變化情況，完成SWAT 模型建立。阜平流域共劃分17 個(gè)子流域，386 個(gè)HRU。

3.2 參數(shù)率定與模型驗(yàn)證

利用SWAT-CUP 程序進(jìn)行參數(shù)自動(dòng)率定。通過(guò)對(duì)參數(shù)的不斷篩選調(diào)整，最終確定了10 個(gè)對(duì)阜平流域徑流模擬結(jié)果影響較大的參數(shù)，如表1 所示。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用SWAT-CUP 中的SUFI-2（Sequential Uncertainty Fitting Version 2）優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)自動(dòng)率定，基于阜平流域水文站點(diǎn)1990—1999 年實(shí)測(cè)的月徑流量數(shù)據(jù)，率定參數(shù)的最終取值如表1 所示。

表1 阜平流域SWAT 模型率定參數(shù)及取值Table 1 SWAT calibration parameters and fitted values in Fuping watershed

率定參數(shù)后，基于阜平流域水文站點(diǎn)2000—2009 年實(shí)測(cè)月徑流量數(shù)據(jù)，根據(jù)納什效率系數(shù)Ens，相關(guān)系數(shù)R2，對(duì)模型適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。Ens和R2的計(jì)算公式為：

參數(shù)率定期和模型驗(yàn)證期的模擬效果見(jiàn)圖1。參數(shù)率定期（1990—1999 年）和驗(yàn)證期（2000—2009 年），R2、Ens均大于0.8，說(shuō)明模擬的徑流變化與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，SWAT 模型在阜平流域有較好的適用性，可以模擬該流域徑流。

圖1 SWAT 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證結(jié)果Fig.1 Calibration and validation results for SWAT model

4 土地利用變化及其對(duì)徑流的影響分析

4.1 土地利用類型面積變化分析

阜平流域1980、2005、2010 年各土地利用類型分布如圖2 所示。土地類型主要包括農(nóng)業(yè)用地，林地，草地，人工表面，水域五大類。草地和林地是阜平流域主要土地利用類型，草地在1980、2005、2010年，面積分別為1 241.11、1 240.33、200.54 km2， 所占比例58.88%，58.84%，9.51%，林地面積分別 為774.26、775.62、1 812.82 km2， 所 占 比 例為36.73%，36.80%，86%；農(nóng)業(yè)用地面積分別為73.48、72.03、48.32 km2，所占比例3.49%，3.42%，2.29%，水域面積依次為19.07、19.07、0.02 km2，所占比例0.9%，0.9%，0.000 9%；2005 年開(kāi)始出現(xiàn)人工表面，在2005、2010 年面積為0.85、46.21 km2，所占比例為 0.04%，2.19%。

圖2 阜平流域1980、2005、2010 年3 期土地利用圖Fig.2 Three periods of land use in Fuping watershed

從各子流域土地利用類型分布情況來(lái)看如圖3所示。

圖3 各子流域土地利用分布情況Fig.3 Distribution of land use in each sub-watershed

林地和草地在各子流域中所占比例較大，是主要土地利用類型。除子流域10，草地和林地所占比例在80%以上；農(nóng)業(yè)用地，借助河流耕種、開(kāi)墾、與水域的分布情況基本一致，主要集中于1、10 號(hào)子流域（流域的東北和西南），主要因?yàn)樵摰貐^(qū)海拔在200 ～600 m 之間，屬淺山地帶，這一地帶河谷縱橫，溝谷內(nèi)有水田、梯田分布，河流中有灘地分布，是流域內(nèi)的主要種植區(qū)域；人工表面在2005年后開(kāi)始出現(xiàn)，主要分布于2、10、11、13 子流域（流域的東北部和中部），東北地區(qū)為采礦場(chǎng)，中部為淺山地區(qū)，為人類活動(dòng)的主要場(chǎng)所。

4.2 土地利用時(shí)空變化分析

針對(duì)阜平流域1980、2005、2010 年3 期土地利用數(shù)據(jù)，通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣定量分析土地類型在不同時(shí)期的空間變化以及轉(zhuǎn)移量，從而得到阜平流域土地利用在時(shí)間和空間的變化情況（表2—3）。結(jié)果表明：阜平流域土地利用類型在時(shí)空的變化具有可逆性，土地利用類型互有轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入，從整體轉(zhuǎn)移量來(lái)講，1980—2005 年土地利用類型變化較小，主要變化類型是草地、林地以及農(nóng)業(yè)用地，總變化量依次為-0.78、1.26、-1.43 km2，動(dòng)態(tài)度為-0.003%、0.007%、-0.08%。主要位于流域西南地區(qū)，以及中部地區(qū)，西南地區(qū)主要是草地向林地的轉(zhuǎn)入，中部地區(qū)是林地向草地的轉(zhuǎn)入，其他地區(qū)并無(wú)明顯土地利用類型之間的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出現(xiàn)象。

2005—2010 年土地利用類型變化幅度較大，其中林地和草地變化較為顯著。草地面積大幅度下降，總變化量為-1 039.79 km2，動(dòng)態(tài)度-16.77%，主要是草地向林地、農(nóng)業(yè)用地、人工表面轉(zhuǎn)出量分別為 1 007.55、32.79、38.50 km2；林地大幅度增加，總變化量為1 039.20 km2，其動(dòng)態(tài)度為26.74%，主要是由草地、農(nóng)業(yè)用地、水域的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入量分別為1 007.55、51.71、15.1 km2；農(nóng)業(yè)用地、水域同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，總變化量分別為-23.73、-19.05 km2，動(dòng)態(tài)度為-6.57%，-19.98%；人工表面作為2005 年后新的土地利用類型出現(xiàn)，人工表面總變化量為45.36 km2，但其動(dòng)態(tài)度為1 070.45%，草地、林地、農(nóng)業(yè)用地均有轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)移量為38.50、3.39、3.57 km2。水域并未出現(xiàn)變化。主要是由于 2005 年以后阜平根據(jù)其地形、地貌，從果林業(yè)，香菇種植業(yè)等多角度對(duì)荒山進(jìn)行發(fā)展。其次，1980 年以來(lái)一直緊隨國(guó)家三北防護(hù)林工程步伐，實(shí)施太行山綠化工程，大量造林，現(xiàn)如今阜平地區(qū)存在大量的油松、洋槐，基本都是這30 年的造林成果。并且，隨著人們的收入增長(zhǎng)，減少了砍樹(shù)、割灌木取暖的習(xí)慣，植被自然逐漸恢復(fù)。因此2010年除原有林地外，出現(xiàn)大量草地轉(zhuǎn)入成林地。2005 年開(kāi)始，扶貧工作著重于工業(yè)，旅游業(yè)，交通方向。并且2005 年后流域東北地區(qū)出現(xiàn)采礦場(chǎng)，故人工表面出現(xiàn)增長(zhǎng)現(xiàn)象。

表2 1980—2005 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 Table 2 Land use transfer matrix from 1980 — 2005 km2

表3 2005—2010 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 Table 3 Land use transfer matrix from 2005 — 2010 km2

4.3 土地利用變化對(duì)徑流的影響

4.3.1 徑流時(shí)間變化特征 將阜平流域1980、2005、2010 年3 期土地利用圖帶入SWAT 模型中，模擬不同土地利用情景下1990—2009 年不同時(shí)間尺度徑流變化情況，結(jié)果如圖4 所示。阜平流域1980、2005、2010 年3 期土地利用情景下，年徑流量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致。在1980、2005 年土地利用情景下，年徑流呈減少趨勢(shì)，變化幅度很小，年徑流變化量在-0.003 ～0.05 億m3；2005、2010 年土地利用情景下，年徑流呈顯著減少，變化幅值較大，年徑流減少量為0.011 ～0.77 億m3。

根據(jù)3 期土地利用情景下月徑流量變化情況，月徑流量變化主要集中于7—9 月，約占全年85%以上。這與阜平流域降雨集中在6—9 份情況基本一致，同時(shí)說(shuō)明降雨分布情況對(duì)阜平流域的月徑流量有直接影響。1980 年、2005 年土地利用情景下月徑流量變化較少，而2010 年土地利用情景下月徑流量明顯減少，其中7、8、9 月徑流減小量分別為0.064、0.093、0.076 億m3。

圖4 3 期土地利用情景下阜平流域年、月徑流量及變化Fig.4 Annual and monthly runoff and the changes in three periods of land use

4.3.2 徑流空間變化特征 阜平流域1980、2005、2010 年3 期土地利用情景下多年平均徑流和月均徑流空間變化情況如圖5 所示。1980、2005、2010 年土地利用情景下，年徑流量和月徑流空間分布基本一致，并且月徑流量主要集中于7—9 月。說(shuō)明阜平流域徑流主要受降雨變化影響，7—9 月為阜平豐水期，降雨量大。子流域6、7、9 林地以及草地所占面積較多，林地、草地的根冠截留能力，和蒸騰能力，能有效地減少降雨達(dá)到地表的數(shù)量和速度，減緩地表徑流的形成的時(shí)間［15］，因此子流域6、7、9徑流量較小。子流域1、2、11、15、16 中農(nóng)業(yè)用地所占面積比重較大，其中1980、2005 年子流域1 徑流量最大，分別為0.308、0.307 億m3。在2005 年后，阜平經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)、交通等逐漸興起，阜平流域人工表面增多，主子流域2 出現(xiàn)采礦場(chǎng)，造成該地區(qū)造成該地區(qū)不透水面較多，造成截留、蒸騰能力差，使得該地區(qū)徑流量較大。故 2010 年土地利用情景下編號(hào)為2 子流域徑流量最大為0.277 億m3。

圖5 阜平流域年、月均徑流空間分布Fig.5 Spatial distribution of annual and monthly average runoff in Fuping basin

通過(guò)計(jì)算年徑流變化量和7—9 月總徑流變化量如圖6 所示，1980、2005、2010 年土地利用情景下，年、月均徑流變化量空間分布一致。在1980、2005 年土地利用情景下，各子流域年、月均徑流變化不明顯，子流域 2、3、4、5、6、7、8、9、11、17 年均徑流和月均徑流變化量均為0。其余子流域年均變化量在0.000 018—-0.001 6 億m3，月均徑流變化為0.000 014—-0.001 3 億m3。

在2005、2010 年土地利用情景下，子流域2 年均徑流變化量為0.15 億m3，月均變化量為其余子流域年均徑流量均減少，子流域1、11、16 變化幅度較大，年均變化量為-0.15，-0.1，-0.072 億m3。 月均變化量為-0.093、-0.06、-0.043 億m3。由于在2005 年后草地，農(nóng)業(yè)用地，向林地大幅度轉(zhuǎn)變，林地根冠截留作用較強(qiáng)，枯葉層具有吸收雨水、調(diào)節(jié)和過(guò)濾地表徑流的作用，可以阻留和減緩水分流速，延長(zhǎng)水分下滲時(shí)間，同時(shí)增加地表粗糙度，避免雨水直接打擊土壤［16-17］，同時(shí)林地土壤層滲透能力較強(qiáng)，增加了土壤下滲量，造成地表徑流減少；子流域2 徑流量有所增加，是由于該地區(qū)草地向人工表面轉(zhuǎn)化，造成該地區(qū)不透水面增多，植被覆蓋率降低，截留作用降低，且土壤入滲敏感度減少，使得該地區(qū)徑流量有所增加［18］。

圖6 不同土地利用情景下阜平流域徑流空間變化Fig.6 Spatial variation of runoff in Fuping watershed under three land use scenarios

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用SWAT 模型建立了阜平流域水文模擬模型，通過(guò)敏感性分析，確定了對(duì)模擬結(jié)果有較大影響的10個(gè)參數(shù)。模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證期R2和Ens的值均高于0.80，說(shuō)明SWAT 模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合，在阜平流域具有較好的適用性，可以較好的模擬該流域徑流。

（2）阜平流域1980、2005 以及2010 年土地利用變化情況來(lái)看，林地和草地為主要類型。1980—2005年土地利用類型變化不明顯，2005—2010 年林地大幅度增加，草地大幅度減少，主要是由于阜平實(shí)施太行山綠化工程，大量造林，草地大面積轉(zhuǎn)為林地。

（3）在1980、2005、2010 年3 期土地利用情景下，阜平流域徑流量呈減少趨勢(shì)，集中于7—9 月?？臻g上，子流域1、11（流域東北部）徑流減小顯著，主要是由于該區(qū)域草地大幅度轉(zhuǎn)為林地，而林地截留、蒸騰作用強(qiáng)，能夠滯緩地表徑流形成。