土地利用變化對盤龍江流域產(chǎn)流過程的影響分析

楊麗萍，鄒 進(jìn)

(1.云南省水文水資源局 ，昆明 650106；2.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明 650100)

1 研究背景

變化環(huán)境中的水文循環(huán)研究成為 21 世紀(jì)水科學(xué)研究熱點(diǎn)，短期內(nèi)的土地利用和覆被變化是改變水文循環(huán)的主要因素之一[1]。隨著城鎮(zhèn)化的建設(shè)，人類活動引起的土地利用變化日益顯著，而土地利用變化通過改變不同界面[2]的水分交換量影響徑流時空分布及流域水循環(huán)過程[3]。水文過程及特點(diǎn)的變化與土地利用方式之間相互影響，錯綜復(fù)雜[4]。研究土地利用變化在流域內(nèi)的水文響應(yīng)過程，將為流域水土資源的開發(fā)利用和管理決策奠定科學(xué)基礎(chǔ)[2]。

目前， 國內(nèi)外的學(xué)者關(guān)于流域的水文過程模擬研究多采用分布式水文模型SWAT( soil and water assessment tool)，且土地利用變化對流域水文過程的影響研究已逐漸由定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎坑嬎鉡5]，其中以情景模擬較為多見[6]，且主要以模擬地表徑流居多。如：GEBREMICAEL T G 等[7]基于SWAT 模型,對埃塞俄比亞高原的土地利用變化對水文響應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明土地利用變化是導(dǎo)致青尼羅河徑流量顯著變化的主要原因。高倩等[8]利用SWAT水文模型設(shè)置了大汶河流域在極端土地利用情景下設(shè)計模擬流域內(nèi)的徑流響應(yīng)，結(jié)果表明在耕地情境和林地情境下，徑流量減少，而在草地情境下，徑流量增加；金鑫等[9]基于LU-SWAT模型的土地利用/覆被變化對黑河上游的水文過程影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明1990-2001年流域的地表徑流、側(cè)向流、蒸散發(fā)量以及總產(chǎn)水量均增加而地下徑流減少的主要原因有可能是林地的減少造成的，而2002-2009年流域地表徑流、側(cè)向流、蒸散發(fā)量以及總產(chǎn)水量減少而地下徑流量增加的主要原因有可能是裸地的大面積減少；孫麗娜[10]等通過將SWAT與CLUE-S模型耦合,定量評估了東遼河流域未來2種不同情景模式下的土地利用變化對流域水文過程長期的影響，結(jié)果表明植被覆蓋率與徑流的流失量呈反比；成向榮[11]等利用SWAT-CUP建立衢江流域模型研究植被覆蓋變化對流域水文效應(yīng)的影響，結(jié)果表明大面積發(fā)展經(jīng)濟(jì)林會增加地表徑流,減少地下水補(bǔ)給,植被水源涵養(yǎng)功能減弱。然而，現(xiàn)目前的大部分研究主要是針對流域內(nèi)的土地利用變化對年、月、豐、枯等時間段的徑流影響進(jìn)行分析，而徑流形成過程中的地表徑流、土壤水、蒸散發(fā)等水文通量對流域內(nèi)的水文過程影響研究有所欠缺[12]。

盤龍江是昆明市的母親河，貫穿整個昆明主城區(qū)，流域面積為724.84 km2，且昆明市的成熟經(jīng)濟(jì)帶大部分都集中在盤龍江流域內(nèi)，因此河道的人為干擾程度較高，下墊面的變化對水文過程帶來的影響與人工修建閘壩相比，前者的可控性和可恢復(fù)性更難，需要我們引起格外重視。在前期建立的盤龍江流域SWAT 模型[13]及流域內(nèi)1994、2000、2008年三期土地利用數(shù)據(jù)的條件下，對盤龍江流域的水文過程進(jìn)行定量分析。通過研究分析各水文通量對流域水文過程的影響，可有效制定城市防洪規(guī)范，改善水環(huán)境，對優(yōu)化流域內(nèi)土地利用規(guī)劃具有指導(dǎo)意義[14]，為實(shí)現(xiàn)流域水資源科學(xué)管理提供依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

盤龍江流域位于昆明市，年平均溫度14.5 ℃，最熱月(7月)平均氣溫19.7 ℃，最冷月(1月)平均氣溫7.5 ℃，年溫差12～13 ℃。多年平均降水量975.3 mm，其中雨季(5-10月)的降水量占全年的85%～90%，相對濕度為74%。水面蒸發(fā)量在600～2 000 mm之間，陸面蒸發(fā)量在600～700 mm之間，河谷區(qū)高于山丘區(qū)。多年平均徑流深為305.2 mm，多年平均徑流量0.67 億m3[14]。全流域的土地利用類型為林地、草地、水域、建設(shè)用地、裸地和農(nóng)業(yè)用地六類，其中林地、農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地占主導(dǎo)地位，占流域面積的96%以上。流域的土壤類型通過分類和合并，共分為水稻土、紅壤、亞熱帶山地紅壤、棕壤和城市不透水層五類。該研究流域的區(qū)域見圖1。

圖1 研究流域區(qū)域圖

3 研究方法與模型建立

3.1 數(shù)據(jù)來源

盤龍江流域的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)http:∥cdc.Cma.gov.cn /，主要包括昆明氣象站1956-2010年逐日氣溫(最高、最低、平均)、日降水、日照時數(shù)、平均風(fēng)速與平均相對濕度等數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)來源于水利部水文局，包含松花壩站、敷潤橋站2個水文站1999-2007年的逐月徑流數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源為中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的1994、2000、2008年的土地利用柵格圖，分辨率為25 m。數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)平臺，數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS-84，空間分辨率為25 m[14]。土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院南京土壤研究所，分辨率為944.6 m。

3.2 研究方法

基于水量平衡原理，SWAT 模型將流域水文循環(huán)過程分為陸面部分和匯流部分[15]。前者描述了每個子流域內(nèi)主河道的輸入量; 后者則描述了各河網(wǎng)向流域出口的輸移過程[16]。模型運(yùn)行后，可對流域的地表徑流、基流、蒸發(fā)等水文通量進(jìn)行模擬輸出。

為了定量區(qū)分土地利用變化對盤龍江流域水文循環(huán)的影響，本文在前期研究的土地利用數(shù)據(jù)年份為2000年的盤龍江流域SWAT 模型中[13]，對流域在1999-2007年的氣象條件下進(jìn)行水文循環(huán)模擬。在氣象條件不變的前提下，將模型中2000年的土地利用數(shù)據(jù)分別替換為1994、2008年，進(jìn)行流域的水文循環(huán)模擬過程，并對各土地利用情況下各個子流域的各水文通量[4]值進(jìn)行統(tǒng)計，分析盤龍江流域在1994-2008年土地利用變化對水文過程的影響。

3.3 建立SWAT模型

流域的水文過程在空間上存有差異，為了能細(xì)化出整個流域的差異性，SWAT模型在進(jìn)行模擬過程時，結(jié)合流域的DEM圖和流域閾值將流域劃分成30個子流域，790個HRUs(Hydrologic Response Unit，水文響應(yīng)單元)。其中土地利用面積、土壤面積、坡度的最小閾值分別為1%、1%、10%，在此閾值條件下，可確保整個子流域的面積可以得到100%的模擬。

SWAT模型運(yùn)用過程中，參數(shù)采用SWAT-CUP中的SUFI-2算法進(jìn)行參數(shù)的率定和驗(yàn)證，最終模擬出1999-2007 年氣象條件下盤龍江流域水文循環(huán)過程。結(jié)果顯示[13]：流域出口的敷潤橋站，其月徑流模擬率定期1994-2004年的模擬值大于實(shí)測值，相對誤差Re=1%，確定性系數(shù)R2=0.75，效率系數(shù)ENS=0.65；驗(yàn)證期2005-2007年的模擬值大于實(shí)測值，Re=12%，R2=0.68，ENS=0.58[13]?？傮w來看，在率定期和驗(yàn)證期R2均達(dá)0.6 以上，ENS大于0.55，Re小于15%，可見SWAT 模型的模擬精度基本滿足盤龍江流域的水文模擬過程，可為該流域在后續(xù)的水文循環(huán)研究奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)果與分析

4.1 1994-2008 年盤龍江流域土地利用變化分析

盤龍江流域地處滇中地區(qū)，貫穿昆明市區(qū)后流入滇池。而該流域內(nèi)的原生植被在長期的歷史發(fā)展過程中，為了滿足人類日益增長的生產(chǎn)和生活需要，人為的對它進(jìn)行了一系列的毀林開荒、陡坡開墾等干擾行為，嚴(yán)重破壞了流域內(nèi)植被的生態(tài)環(huán)境。雖然后期對流域?qū)嵤┝酥矘湓炝?、封山造林、退耕還林等措施，植被覆蓋面積比例由少變多，但它對于蓄水保土性能、生態(tài)發(fā)展、水源涵養(yǎng)能力還是出現(xiàn)了下降[14]。

根據(jù)研究區(qū)域土地利用的整體情況，流域內(nèi)的土地利用類型被分類為林地、草地、水域、建設(shè)用地、裸地、農(nóng)業(yè)用地6 類(圖2)。不同時期土地利用變化情況見表1，1994-2008年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見表2。

表1 不同時期土地利用變化情況

表2 1994-2008年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

圖2 盤龍江流域土地利用圖(1994、2000、2008年)

4.1.1 土地利用類型變化分析

由表1 可見: ①在1994-2008年間，盤龍江流域的土地利用類型的主體為林地。林地面積占流域總面積平均71.46%，在15年間整體呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，整體僅減少2.73 km2，變化率為-0.54%，整體變化小。②農(nóng)業(yè)用地占流域總面積平均約19.65% ，1994-2008 年呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢，整體減少了68.53 km2，變化率為-34.21%，是流域內(nèi)變化幅度最大的土地利用類型。③建設(shè)用地占流域總面積平均約6.60%， 1994-2008年呈現(xiàn)逐年遞增的變化趨勢，整體增加了52.23 km2，增長率206.04%。特別是2000-2008年較1994-2000年增長了約144.5%。④草地占流域總面積平均約1.0%，1994-2008年呈持續(xù)增長，共增加了10 km2，增長率為781.25%，是流域內(nèi)變化率最大的土地利用類型。⑤裸地、水域面積整體有所增加。總體而言，1994-2008 年盤龍江流域的土地利用變化情況為：林地面積占比雖然整體有所降低，但仍為流域土地利用類型的主體；建設(shè)用地增加量最大，農(nóng)業(yè)用地減少量最多，而草地、水域、裸地皆有所增加。

4.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

由表2 可見: ①增加的城鎮(zhèn)用地主要源于林地和農(nóng)業(yè)用地的轉(zhuǎn)化，分別轉(zhuǎn)化了23.17和32.73 km2；②減少的農(nóng)業(yè)用地向林地、城鎮(zhèn)用地、草地、裸地等發(fā)生了不同程度轉(zhuǎn)化，其中以林地和城鎮(zhèn)用地為主，分別為106.47和23.17 km2；③ 減少的林地主要向農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地進(jìn)行轉(zhuǎn)化,分別轉(zhuǎn)化了66.72和32.73 km2；④農(nóng)業(yè)用地和林地在兩個時段內(nèi)農(nóng)業(yè)用地向林地發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)換。

4.2 土地利用變化對流域年徑流的影響

本文關(guān)于土地利用變化對流域年徑流的影響主要是通過統(tǒng)計的各個水文通量[4]來分析完成的。其中地表徑流、側(cè)向流以及基流之和等于徑流總量。盤龍江流域土地利用變化對年徑流的地表徑流、側(cè)向流、基流等各個水文通量的影響見圖3。

圖3 盤龍江流域土地利用變化對水文通量的影響

由圖3可知，盤龍江流域快速城市化過程中的土地利用變化對該流域的水文通量有著顯著的影響：城市化的快速發(fā)展可造成基流、側(cè)向流的減少及蒸散發(fā)、地表徑流的增加。在1994-2008年區(qū)間，不同土地利用條件對盤龍江各水文要素的影響變化如下：

(1)地表徑流在1994-2008年區(qū)間的不同土地利用條件下，由149.36 mm 增加至163.05 mm，共增加了13.69 mm，變化率為9.17%。地表徑流的增加主要是由農(nóng)業(yè)用地、林地面積被城鎮(zhèn)用地占用減少而造成的，使得不透水面積的增加極大的減少了地表入滲，從而造成地表徑流增加。此外，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的徑流系數(shù)大也是造成地表徑流增加的原因之一。

(2)側(cè)向流在1994-2008年區(qū)間的不同土地利用條件下，由102.22 mm 減少至95.14 mm，共減少了7.08 mm，變化率為-6.93 %。側(cè)向流的總量減少與城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)張有關(guān)，建設(shè)用地增加導(dǎo)致土壤水不斷減少的情況下，從土壤剖面滲流至地下水層的水分也會大量減少，并最終導(dǎo)致側(cè)向流的減少。

(3)基流在1994-2008年區(qū)間的不同土地利用條件下，由142.04 mm減少至137.79 mm，共減少了4.25 mm，變化率為-2.99%?；鞯臏p少主要是由于農(nóng)業(yè)用地、林地面積被城鎮(zhèn)用地占用減少而造成的，不透水面積的增加極大的減少了地表水入滲，使得基流失去水分補(bǔ)給的主要來源，造成基流量下降。

(4)實(shí)際蒸發(fā)和潛在蒸發(fā)在1994-2008年區(qū)間的不同土地利用條件下，分別由548.29、1 269.56 mm增加至550.80、1 271.76 mm，分別增加了2.51和2.20 mm，對應(yīng)的變化率為0.46%和0.17%。蒸發(fā)總量的增加以建設(shè)用地、裸地、水域面積的增加而造成。雖然城鎮(zhèn)建設(shè)導(dǎo)致土壤水分供給條件受限，使蒸發(fā)量有所減少，但是裸地和水域造成的蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于城鎮(zhèn)用地增加造成的減少量，因此水域面積和裸地面積的增加導(dǎo)致流域內(nèi)蒸發(fā)總量的增加。

(5)徑流總量為地表徑流、側(cè)向流以及基流之和。在1994-2008年區(qū)間的不同土地利用條件下，徑流總量由393.62 mm 增加至395.98 mm，共增加了2.36 mm，變化率為0.60 %。徑流總量的增加主要是由于城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)大造成的地表徑流增加量遠(yuǎn)大于下滲補(bǔ)給限制的側(cè)向流和基流減少量，從而說明地表徑流是徑流總量的主要來源。

綜上所述，土地利用變化對各水文通量影響最大和最小的分別是地表徑流和潛在蒸發(fā)量，這與呂樂婷[4]、成向榮[11]等關(guān)于土地利用變化對徑流影響的研究結(jié)果相類似。結(jié)合流域內(nèi)土地利用變化情況和各個水文通量的變化情況進(jìn)行分析，認(rèn)為林地和農(nóng)業(yè)用地的減少、城鎮(zhèn)用地的快速增加有可能是造成地表徑流增加的主要原因；建設(shè)用地、裸地、水域面積的增加有可能是造成潛在蒸發(fā)和實(shí)際蒸發(fā)增加的原因；而草地及建設(shè)用地面積的增加有可能引起基流和側(cè)向流的減少。

4.3 土地利用變化對月徑流的影響

為研究土地利用變化對流域月徑流的影響，分別對1994、2000、2008年土地利用狀態(tài)下的各水文通量月均值進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 盤龍江流域土地利用變化對水文通量影響的年內(nèi)分布狀況

受土地利用變化的影響，盤龍江流域的地表徑流全年呈增長趨勢，且增幅具有明顯的季節(jié)性，即雨季增幅比旱季明顯，其中6月和2月的增幅分別為年內(nèi)最大和最小，對應(yīng)的值分別為5.28和0.03 mm; 而從變化率上來說，5月和8月的變化率分別為最大和最小，對應(yīng)的值分別為26.05%和3.75%。側(cè)向流全年呈減少趨勢，在4-9月份減幅較大，而其余月份減幅較小，其中7 月和12月的減少量分別為年內(nèi)最大和最小，對應(yīng)的值分別為-1.23和0.03 mm；而從變化率上來說，3月和11月的變化率分別為最大和最小，對應(yīng)的值分別為-37.09%和-1.48%?；魅瓿蕼p少趨勢，在旱季減幅相對較明顯，其中10月和8月的減少量分別為年內(nèi)最大和最小，對應(yīng)的值分別為-2.69和-0.02 mm; 而從變化率上來說，10月和8月的變化率分別為最大和最小，對應(yīng)的值分別為-18.13%%和-0.15%。實(shí)際蒸發(fā)量全年呈增長趨勢，在旱季增幅較大，雨季增幅較小，其中12月和7、9月的增幅分別為年內(nèi)最大和最小，對應(yīng)的值分別為1.03和0.02 mm；而從變化率上來說，12月和5月的變化率分別為最大和最小，對應(yīng)的值分別為1.68%和0.09%。潛在蒸發(fā)全年呈增大趨勢，且與季節(jié)密切相關(guān)，即旱季增幅大于雨季，其中3月和8月的增幅分別為年內(nèi)最大和最小，對應(yīng)的值分別為1.03和0.18 mm;而從變化率上來說，3月和8月的變化率分別為最大和最小，對應(yīng)的值分別為0.67%和0.02%。徑流總量全年中，5-8月徑流量均增加，變化量為7.01 mm，而其余月份均減少,對應(yīng)的變化量為4.65 mm。而變化率上來說，旱季和雨季的平均變化率分別為-3.70%和1.22%。由此可知，各水文通量對土地利用變化的響應(yīng)程度相比較而言，地表徑流、側(cè)向流在雨季更為敏感，實(shí)際蒸發(fā)、潛在蒸發(fā)與徑流總量在旱季更為敏感，基流在雨季、旱季幾乎相同。

5 結(jié) 語

(1)在1994-2008年間，盤龍江流域的土地利用類型除了林地、農(nóng)業(yè)用地面積發(fā)生減少外，其余的土地利用類型均發(fā)生了不同程度的增加。在土地利用變化的影響下，盤龍江流域的單位面積地表徑流、實(shí)際蒸發(fā)和潛在蒸發(fā)分別增加了13.69、2.51、2.20 mm；側(cè)向流、基流分別減少7.08、4.25 mm；因此徑流總量共增加2.36 mm。

(2)流域內(nèi)的土地利用變化對各水文通量的影響程度不同。受土地利用變化的影響，地表徑流的響應(yīng)度最高，1994-2008年共增加了9.17%；其次是基流與側(cè)向流，分別減少了6.93%與2.99%；最低的是潛在蒸發(fā)量，增加了0.17%。

(3)在不同的季節(jié)，流域內(nèi)的土地利用變化對各水文通量的影響亦有所差異。在雨季，土地利用變化對流域產(chǎn)流過程中有較高敏感度的水文通量是地表徑流、側(cè)向流；而實(shí)際蒸發(fā)、潛在蒸發(fā)與徑流總量則在旱季比較敏感；基流在雨季、旱季幾乎相同。

土地利用變化對盤龍江流域的水文產(chǎn)流過程造成的顯著影響，進(jìn)一步可影響到流域內(nèi)的自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，其影響機(jī)制對于協(xié)調(diào)和解決土地利用、水資源管理、城市發(fā)展之間的矛盾有著重要意義。本次研究由于缺乏更多的實(shí)測水文數(shù)據(jù)導(dǎo)致模型率定和校驗(yàn)方面存在一些不足，但本文的研究方法和結(jié)論對于城市化發(fā)展過程中土地利用變化的水文效應(yīng)的理解和一些相關(guān)問題的解決仍具有一定的意義。在今后的研究中，除了從時間序列上提高模型的模擬精度，還應(yīng)加入?yún)^(qū)域氣候變化、城市化過程中的生產(chǎn)生活用水、水利工程建設(shè)及管網(wǎng)布置等因素，從廣度上全面反映土地利用變化對整個流域水文的影響。