汾河上游土地利用變化對徑流的影響研究

張國棟 張照璽 余韻 張志華

摘?要：為研究土地利用變化對流域徑流的影響，以汾河上游為研究區(qū)，利用1951—2016年的水文氣象資料，結合不同土地利用類型的時空變化特征，進行SWAT模型的構建，設置1978年、1998年和2016年3種土地利用情景，模擬土地利用變化與徑流的關系。結果表明：模型在研究區(qū)具有很好的適用性，可以精確地模擬汛期月徑流量及全年徑流量，年平均徑流量呈下降趨勢;1978—2016年研究區(qū)林草面積占比顯著提高，農用地面積占比呈下降趨勢;土地利用變化使汛期徑流量、最大月徑流量減小以及汛期徑流系數(shù)減小。

關鍵詞：土地利用變化;植被覆蓋;SWAT;汾河上游

中圖分類號：P333;F301.34;TV121?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.006

Effects of Land Use Change on Runoff in the Typical Areas in Upper Fenhe River Basin

ZHANG Guodong1， ZHANG Zhaoxi1， YU Yun2， ZHANG Zhihua3

（1.Henan Yellow River Hydrological Survey and Design Insitute， Zhengzhou 450001， China;

2.China Machinery International Engineering Design & Research Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China;

3.Kaifeng Water Development and Construction Co.， Ltd.， Kaifeng 475000， China）

Abstract：In order to research the reaction of the runoff of Fenhe River Basin towards the change of land use， the upper Fenhe River Basin were regarded as the research area and the data of hydrometeorology from 1951 to 2016 were combined to analyze the characteristics of temporal and spatial changes of different land use. Moreover， three scenarios of land use were set in combination of SWAT （Soil and Water Assessment Tool） model and influence to the runoff by the change of land use types was evaluated. The result shows that this model can better simulate monthly flow process of the whole year as well as in flood seasons. The runoff has experienced a gradual decrease for many years. The transformation in time and space among different types of land use presents the reversibility and major changes include an increase in forest， a decrease in grassland and a little increase in agricultural land. The increase of forest and the decrease of grassland will cause a decrease of runoff in flood season and the maximum monthly peak discharge. The coefficient in flood season is decreased with the increase of forest area. Therefore， it is very important to properly plan land use pattern so as to control watershed hydrological events.

Key words： land use change; land cover; SWAT; Upper Fenhe River Basin

土地利用/覆被變化 （LUCC） 是人類活動改造自然的結果，也是引起全球陸面過程變化的主要因素之一[1-2]。自1970年以來，國內外大批學者先后開展了LUCC對水文水資源的影響研究。研究方法由傳統(tǒng)的試驗流域法、統(tǒng)計分析方法轉向水文模型方法，研究方向由只關注LUCC驅動的水文水資源現(xiàn)象轉向揭示其對水文水資源影響的過程與機理。LUCC改變了植被的林冠截留量、蒸散發(fā)強度和土壤入滲能力等，進而影響流域水文情勢和產(chǎn)匯流過程，使流域洪澇災害發(fā)生的頻率和強度發(fā)生改變[3-5]。

黃土高原水土流失嚴重。近幾十年來政府實施了一系列生態(tài)恢復與重建工程，這些工程多以植被建設為核心[6-7]。植被恢復是水土保持的重要組成部分，是黃河流域生態(tài)環(huán)境建設的核心，也是根本上扭轉黃河流域生態(tài)環(huán)境問題的主要途徑之一[8-11]。通過生態(tài)恢復來改善環(huán)境涉及兩方面內容：①通過增加有效的植被覆蓋從而減少地表徑流;②增加土壤含水量，有效提高生產(chǎn)力。一系列的植被恢復與重建措施導致下墊面發(fā)生了劇烈的變化，使產(chǎn)匯流過程發(fā)生了極大的變化[12-13]。

汾河是黃河中游第二大支流，對黃河中下游的水文情勢有著重要影響[14-16]。本研究重點分析汾河上游（蘭村以上）下墊面條件的時空變化，構建SWAT模型，探討汾河上游下墊面變化與徑流的相互作用關系，以期闡明汾河上游土地利用與徑流的相互作用機制。

1?研究區(qū)概況和研究方法

1.1?研究區(qū)概況

汾河流域面積為39 826 km2，屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，月平均氣溫為4～13 ℃，最大水面蒸發(fā)量為1 120 mm，多年平均降水量為503 mm，60%的降雨發(fā)生在7—9月。土地利用類型主要為森林和草地，20世紀80年代以來，隨著城市化進程的加快，城鎮(zhèn)建設用地逐年擴大。汾河上游流域面積為7 705 km2，主河道平均比降為6.7%，流域形狀系數(shù)為0.398。隨著退耕還林工程的實施，下墊面條件發(fā)生了巨大變化，對徑流和水資源產(chǎn)生了很大的影響。此外，汾河上游流域無采煤活動，引水量小，無大型水利樞紐工程[17-18]。

1.2?SWAT模型基礎數(shù)據(jù)庫建立

1.2.1?空間數(shù)據(jù)

（1）SWAT模型利用ArcGIS基于DEM數(shù)據(jù)將流域劃分為不同的子流域。利用DEM數(shù)據(jù)建立河網(wǎng)與子流域的拓撲關系。

（2）土地利用數(shù)據(jù)是模型建立的必要數(shù)據(jù)，由土地利用類型以及土地類型索引表組成。土地利用類型使用土地覆蓋/植被類型的二級分類。土地利用類型及重分類見表1。

1.2.2?土壤數(shù)據(jù)

SWAT模型土壤數(shù)據(jù)庫包括：土壤類型圖、索引表以及物理屬性表。土壤中水、氣的運動情況由土壤物理屬性決定。

1.2.3?水文氣象數(shù)據(jù)

水文數(shù)據(jù)和降水數(shù)據(jù)來自水利部水文局編制的水文年鑒。徑流數(shù)據(jù)：靜樂站（1956—2012年）、蘭村站（1951—2016年）的徑流數(shù)據(jù)，靜樂站（1954—2016年）的洪水數(shù)據(jù);降水數(shù)據(jù)：靜樂、宋家崖、岔上等8個雨量站的日降雨量數(shù)據(jù)和時段降雨量數(shù)據(jù)（1955—2016年）;氣象數(shù)據(jù)：汾河流域11個氣象站點1955—2016年的氣象日數(shù)據(jù)，來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.gov.cn/site/index.html）。人 民 黃 河?2020年第10期

1.3?研究方法

1.3.1?遙感圖像信息提取

采用遙感圖像處理軟件ERDAS 9.2，基于非監(jiān)督分類方法，提取3個時期 （1978 年、1998年和2016年）各土地利用類型的面積。分類精度評價采用總體分類精度和總體Kappa系數(shù)來反映，然后利用分類精度來分析土地利用類型的空間分布。

1.3.2?研究區(qū)SWAT模型構建

（1）SWAT模型。SWAT分布式水文模型由美國農業(yè)部 （USDA）開發(fā) [19-20]，具有明確的物理意義，基于GIS/RS技術，可以模擬土地利用變化對流域水文過程的影響[21]。SWAT模型水量平衡公式如下：

Wt=W0+∑ti=1（Pi-Rsi-Ei-Rseepi-Rgi）（1）

式中：Wt為時段末土壤含水量，mm;W0為時段前期土壤含水量，mm;t為時間步長，d;Pi為第i天降水量，mm;Rsi為第i天地表徑流量，mm;Ei為第i天蒸散發(fā)量，mm;Rseepi為第i天滲透量和側流量，mm;Rgi為第i天地下徑流量，mm。

（2）模型數(shù)據(jù)輸入。SWAT模型包括DEM數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫、土地利用數(shù)據(jù)庫和水文數(shù)據(jù)庫。土壤數(shù)據(jù)庫由土壤物理屬性和空間分布構成，土壤機械組成利用三次樣條插值法將國際制變換為美國制。土地利用（流域1978年、1998年和2016年3期土地利用類型）數(shù)據(jù)基于遙感影像解譯獲得。氣象數(shù)據(jù)為1955—2016年流域內及周邊氣象站點的日數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)為汾河上游蘭村水文站1955—2016年洪水要素摘錄表中逐日徑流數(shù)據(jù)。

（3）模型校準及驗證。由于SWAT模型自帶的參數(shù)敏感性分析、模型校準和驗證功能相對薄弱，因此進行模型校準和驗證時選用SWAT-CUP。將1978年作為預熱期，1979—1998年為校準期，1999—2016年為驗證期，參數(shù)敏感性分析和校準原則為自上而下。

（4）模型適應性評價。選取決定系數(shù)R2、Nash-Sutcliffe 確定性系數(shù)Ns以及相對誤差Re來衡量模擬值與實測值之間的擬合度，以此評價SWAT模型在汾河上游的適用性。

2?結果與分析

2.1?土地利用變化情況

利用非監(jiān)督分類法獲得研究區(qū)不同時期土地利用類型分布情況，如圖1所示。檢驗后1978年、1998年和2016年分類精度分別為81.65%、79.16%和83.37%，Kappa系數(shù)分別為0.776 1、0.748 4和0.781 1。基于NDVI最大值和最小值，利用ArcGIS 10.2對分類結果進行處理，將不同時期（1978年、1998年和2016年）分類精度分別提高到90.54%、89.17%和90.21%。

1978—2016年草地與林地面積增加，建筑用地與水域面積呈現(xiàn)小幅度增加趨勢，農用地面積減少，林地面積、草地面積、水域面積與建筑用地面積分別增加了116.84%、80.59%、3.54%和11.50%，農用地面積減少了16.46%，見表2。

2.2?徑流量變化情況

1955—2016年汾河上游年徑流量呈減小趨勢（見圖2），年際變化幅度較大，多年平均徑流量為1.09億m3，1964年年徑流量最大（3.03億m3），1975年年徑流量最?。?.39億m3）。1998年以來，汾河上游年徑流量變化維持在較小區(qū)間內。

對1955—2016年汾河上游年徑流量進行M-K檢驗發(fā)現(xiàn)：除1959年外，UFk均為負值，表明汾河上游年徑流量呈減小趨勢。1955—1971年UFk值維持在90%置信區(qū)間，表明年徑流量呈減小趨勢;1972—1985年UFk值變化劇烈，表明年徑流量波動劇烈;1986—2000年UFk值穩(wěn)定在95%置信區(qū)間內，表明徑流量呈現(xiàn)進一步減小趨勢。2001—2016年UFk值超出了95%的置信區(qū)間，表明年徑流減少愈加劇烈。UFk與UBk兩條線相交于1997年，表明年徑流量突變點為1997年（見圖3）。

2.3?SWAT模型參數(shù)率定及驗證

本研究利用SWAT-CUP對模型13個參數(shù)進行敏感性分析，見表3。

依據(jù)上述分析結果，并結合實際情況，選取8個參數(shù)并進行參數(shù)率定。采用SWAT-CUP程序對SWAT模型參數(shù)進行率定，結果見表4。

2.4?模型評價分析

模擬汾河上游汛期及全年徑流過程，評價指標為確定性系數(shù)、相對誤差和決定系數(shù)。模擬結果表明，模型在汾河上游可以取得較好的效果，可用于模擬土地利用變化對徑流的影響（見表5）。

2.5?土地利用變化對徑流的影響

校準期和驗證期以1978年土地利用資料為基礎，然后分別以1978年、1998年和2016年的土地利用數(shù)據(jù)為情景輸入，統(tǒng)一模型氣候和土壤參數(shù)，計算得到不同情景下的徑流深（見表6）。

多年平均徑流深總體呈下降趨勢。對比1978年、1998年和2016年不同土地利用類型的模擬結果，1978年情景下具有最大的多年平均徑流量，2016年情景下具有最小的多年平均徑流量。

從汛期徑流量占比（見表6）來看，全年70%以上的徑流量集中在汛期，1978年情景下具有最高的汛期徑流量占比，這是1978年林草地面積占比相對較小、農用地占比相對較大造成的。隨著退耕還林工程的實施，2016年林草面積占比增大、農用地面積占比減小，造成2016年情景下徑流量減小。

徑流系數(shù)是流域產(chǎn)流過程的關鍵指標。近30 a來，林草面積呈現(xiàn)大幅度增加趨勢（見表7）。徑流系數(shù)受多種因素影響，主要體現(xiàn)在匯水面積的土地利用情況與降水強度的關系。從林草面積占比與汛期徑流系數(shù)的相互關系來看，林草面積占比與汛期徑流系數(shù)成負相關關系。隨著林草面積的增加，汛期徑流系數(shù)相應減小，表明退耕還林工程初見成效，起到了很好的蓄水保墑作用。

對1978年、1998年和2016年3種情景下的最大月徑流深進行模擬統(tǒng)計分析，見表8。結果表明，3種情景下最大月徑流深呈減小趨勢。不同時期土地利用變化（1978年林草面積占比最小，1998年和2016年林草面積呈顯著上升趨勢，農用地面積占比下降）分析表明，林草面積占比的增加導致月最大徑流深減小。

下墊面條件的差異會導致相同降雨條件下土壤入滲的不同，從而影響水文循環(huán)過程，進一步影響土壤水分的時空分布。植被可以改變流域產(chǎn)匯流過程，同時植物根系可以增加土壤中大孔隙的比例，蓄水保墑，使土壤含水量增加。隨著不同時期植被狀況的改善，流域徑流量明顯減少，土壤蓄水能力增強。

3?結?論

通過設置1978年、1998年和2016年3種不同土地利用情景，構建SWAT模型。模型取得了較好的模擬結果，可以應用于汾河上游的徑流模擬。汾河上游土地利用呈現(xiàn)出劇烈的時空變化，1978—2016年林地面積、草地面積、水域面積和建筑用地面積分別增加了116.84%、80.59%、3.54%和11.50%，農用地面積減少了16.46%。1955—2016年，汾河上游徑流量呈顯著下降趨勢。林草面積占比的增大以及農用地占比的減小導致徑流量呈減小趨勢，林草面積的增加導致汛期徑流系數(shù)減小。

土地利用結構對流域的產(chǎn)匯流過程能夠產(chǎn)生深刻的影響，尤其對汛期的影響不容忽視。由于土地利用變化影響汾河流域水資源和生態(tài)系統(tǒng)健康，因此應考慮土地利用變化所發(fā)揮的作用。事實上，在評估氣候變化時，應該考慮氣候變化對未來土地利用變化的影響。然而，氣候變化與土地利用變化的復合效應是復雜的，超出了本文的研究范圍。在未來的研究中，將考慮基于元胞自動機和馬爾可夫鏈預測土地利用變化，結合區(qū)域未來氣候情景，對未來可能的土地利用和氣候變化進行定量預測。

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