王快水庫流域土地利用變化的徑流響應(yīng)

鄭一寧，張 蕾，張寶軍，杜玲改

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北省保定市靈雨寺街289號 071000；2.唐山市環(huán)境規(guī)劃科學(xué)研究院(唐山市生態(tài)環(huán)境宣傳教育中心)，唐山市路北區(qū)匯金中心 063000)

隨著1995年國際地圈-生物圈計劃(IGBP)和全球環(huán)境變化中的人文領(lǐng)域計劃(IHDP)確立“LUCC”研究計劃，土地與水文響應(yīng)關(guān)系逐漸成為全球變化研究的前沿和熱點(diǎn)問題[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間序列法，但這兩種方法均存在局限性[3]。近年來，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發(fā)和應(yīng)用越來越成熟，其中以美國研發(fā)的SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)研究及應(yīng)用較為廣泛[4]。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)一步劃分多種水文響應(yīng)單位(HRU)，能夠從空間上模擬土地利用變化的水文響應(yīng)過程，并且基于水文響應(yīng)單元尺度的研究能夠更加適應(yīng)水文邊界的不規(guī)則性以及下墊面空間分布的不均勻性，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)[5,6]。Bosch等對全球94個流域試驗(yàn)得到林地的減少促進(jìn)流量增加，而未利用地的植樹造林的行為可以使徑流總量減少[7]。

位于白洋淀上游的王快水庫流域，近20年來徑流量呈現(xiàn)減少趨勢，除了降雨、氣溫等氣候變化因素以外，人類活動如植樹造林、退耕還林等導(dǎo)致的土地利用/覆被變化直接影響著該地區(qū)產(chǎn)匯流形成以及徑流的時空分布，進(jìn)而影響水文過程，是水文水資源變化的重要影響因素。因此，文中以位于白洋淀上游的王快水庫流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于ArcGIS10.3分析王快水庫流域1980年、2005年、2010年土地利用變化特征；應(yīng)用SWAT模型建立王快水庫流域水文模擬模型，對流域徑流進(jìn)行模擬；基于相關(guān)性分析方法，分析土地利用與徑流的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為王快水庫流域水資源合理規(guī)劃、土地資源合理配置提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

王快水庫位于海河流域大清河水系南支沙河上游，河北省保定市曲陽縣黨城鄉(xiāng)鄭家莊村西，距曲陽縣城23.6km，距京廣鐵路新樂大橋50.6km。工程主體地理坐標(biāo)為：東經(jīng)114°15′、北緯38°45′，流域總面積3757km2(見圖1)。王快水庫流域氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫚敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明。冬季漫長而嚴(yán)寒，春季干旱而多風(fēng)，夏季溫和而濕潤，秋季涼爽而多雨。年平均氣溫為12.6℃，多年平均降水量635mm，年平均風(fēng)速2.1m/s，年平均相對濕度52%，年蒸發(fā)量在1200～1300mm之間[8]。流域地形主要以山地為主，地勢復(fù)雜多變，流域內(nèi)重巒疊嶂，連綿起伏，地勢由西北向東南降低，海拔高度在200～2200m之間。徑流年內(nèi)分布極不均衡，6～9月份徑流量占全年的70%～80%，主要洪水多發(fā)生在7月下旬至8月上旬[9]。

圖1 王快水庫流域位置示意圖Fig.1 The location of Wangkuai reservoir watershed

2 研究方法

2.1 土地利用變化

文中采用土地利用動態(tài)度和轉(zhuǎn)移矩陣來分析該流域單一和綜合土地利用的時空變化情況。

土地利用動態(tài)度分析是通過選取動態(tài)度、凈變化率、狀態(tài)、方向和趨勢等指標(biāo)[10]，計算得到該研究區(qū)某一土地利用類型變化趨勢以及整體土地利用類型時空變化趨勢。計算公式下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：K為研究區(qū)土地利用類型在研究時期內(nèi)的動態(tài)度；Nc，Tc，Ps為不同土地利用類型在研究時期內(nèi)的轉(zhuǎn)移凈變化速率、轉(zhuǎn)移總變化率以及轉(zhuǎn)移狀態(tài)；Ua，Ub為某一土地利用類型在研究時期內(nèi)初始面積和末期面積；T為研究時長；ΔUin，ΔUcut為研究時期內(nèi)其它土地利用類型變?yōu)樵撏恋乩妙愋涂偯娣e以及該土地利用類型轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的面積。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是利用同一地區(qū)不同時段的土地利用/覆蓋要素的位置、形態(tài)、面積屬性，借助GIS空間屬性分析，求得二維矩陣，見表1。A1～Am表示T1時點(diǎn)土地利用類型，A1～An列表示T2時點(diǎn)土地利用類型。Pij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)表示T1～T2期間土地類型Ai轉(zhuǎn)換為土地類型Aj的面積；對角線Pii表示T1～T2期間種土地利用型保持不變的面積[11]。

表1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.1 Land use transfer matrix

2.2 SWAT模型構(gòu)建

構(gòu)建SWAT模型時需建立空間數(shù)據(jù)庫(數(shù)字高程圖，土地利用圖，土壤利用圖)以及屬性數(shù)據(jù)庫(土壤數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù))[12]。

空間數(shù)據(jù)庫包括數(shù)字高程圖、土地利用圖、土壤利用圖等。其中地形數(shù)字高程圖(DEM)來源于STRM數(shù)據(jù)集(http://strm.csi.cgiar.org/)，空間分辨率為30m。土壤數(shù)據(jù)來源于1∶100萬土壤數(shù)據(jù)中國土壤數(shù)據(jù)庫(HWDS)，數(shù)據(jù)分辨率為1km。土地利用圖來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(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。

屬性數(shù)據(jù)庫包括土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)等。土壤數(shù)據(jù)通過SPAW軟件計算得出，包括有效田間持水率、土壤濕密度、土壤飽和導(dǎo)水率。氣象數(shù)據(jù)包括最高與最低氣溫、平均風(fēng)速、20-20時降水量、相對濕度、日照時數(shù)，來源于保定和阜平氣象站1990-2010年的數(shù)據(jù)。

基于構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫，借助GIS軟件，進(jìn)行子流域和水文響應(yīng)單元的劃分，本研究區(qū)共劃分出23個子流域，81個HRU。將氣象資料輸入后，寫入數(shù)據(jù)到模型中，即可運(yùn)行模型。影響SWAT模型精確度的參數(shù)較多，采用SWAT-CUP中SUFI-2算法進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，將模型校準(zhǔn)期設(shè)定為1990-1996年，驗(yàn)證期為1997-2009年，根據(jù)納什效率系數(shù)Ens和相關(guān)系數(shù)R2，評價模型在本流域的適用性和模擬精度[13]。通常認(rèn)為R2≥0.65，Ens≥0.5，模型適用于該流域水文模擬。

2.3 相關(guān)分析

基于土地利用變化情況結(jié)果和徑流的模擬結(jié)果，應(yīng)用SPSS軟件的相關(guān)分析揭示不同土地利用與徑流量變化的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 王快水庫流域土地利用變化

利用ArcGIS10.3軟件對王快水庫流域1980年、2005年、2010年3期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖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5大類。草地和林地是王快水庫流域主要土地利用類型，在1980年、2005年、2010年，草地面積分別為2355.76km2，2359.27km2，419.01km2，所占比例為62.69%，62.79%，11.15%；林地面積分別為1202.21km2，1099.67km2，3077.97km2，所占比例為29.33%，29.27%，81.91%。

圖2 王快水庫流域1980年、2005年、2010年土地利用圖Fig.2 Land use of Wangkuai reservoir watershed in 1980, 2005 and 2010

從表2、表3和表4可以看出，1980～2005年，各土地利用類型均無明顯變化。2005～2010年，林地和草地面積變化顯著。林地面積大幅度增加，總變化量為1978.31km2，PS值為0.95，接近于1，呈主導(dǎo)增加狀態(tài)，凈變化率(NC)為179.90%，轉(zhuǎn)移總變化率(TC)為189.17%，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1889.99km2，114.17km2，23.55km2；草地大幅度減少，總變化量為-2028.96km2，PS為-0.91，呈主導(dǎo)縮減狀態(tài)，凈變化率(NC)為-82.24%，轉(zhuǎn)移總變化率(TC)為89.76%，主要是向林地、農(nóng)業(yè)用地、人工表面轉(zhuǎn)出，轉(zhuǎn)出量分別為1889.99km2，85.36km2，48.64km2；2005年后人工表面出現(xiàn)突增趨勢，凈變化率(NC)為2083.93%，轉(zhuǎn)移總變化率(TC)4326.23%，總變化量為63.72km2，主要位于流域東北部，此處為采礦場，由草地、農(nóng)業(yè)用地以及林地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入量為48.64km2，10.68km2，3.95km2。綜合表4和圖2，2005～2010年草地轉(zhuǎn)化為林地主要發(fā)生在流域的東北部地區(qū)以及東南部地區(qū)，草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)用地主要發(fā)生在流域的東南地區(qū)，位于水庫附近。

表2 土地利用動態(tài)指數(shù)

表3 1980～2005年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2005-2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 基于SWAT模型的王快水庫流域徑流模擬

3.2.1 SWAT模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證

應(yīng)用SWAT-CUP通過對參數(shù)進(jìn)行篩選調(diào)整，最終確定了12個對王快水庫流域徑流模擬結(jié)果影響較大的參數(shù)及取值，結(jié)果見表5。將率定后的參數(shù)帶回到模型中，模擬驗(yàn)證期徑流結(jié)果，如圖3所示。結(jié)果表明，驗(yàn)證期的相關(guān)系數(shù)R2=0.79，納什系數(shù)Ens=0.78，二者均大于0.75，表明模擬的徑流變化與實(shí)測結(jié)果較為吻合，SWAT模型在王快水庫流域有較好的適用性，可以模擬該流域徑流。

表5 王快水庫流域參數(shù)敏感性分析Tab.5 SWAT calibration parameters and fitted values in Wangkuai reservoir watershed

圖3 SWAT模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 The calibration and verification results of SWAT model

3.2.2 基于SWAT模型的徑流模擬

基于SWAT模型模擬三期土地利用情況下1990～2009年徑流變化情況，結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，王快水庫流域1980年、2005年、2010年三期土地利用下，年徑流量隨時間的變化趨勢一致。從年徑流變化來看，1980年、2005年土地利用情況下，年徑流量變化很小，多年平均徑流變化量為-0.029億m3，其中1996年年徑流變化量最大為-0.15億m3；而2010年土地利用情況下，相對于2005年土地利用情況，多年平均徑流變化量為-0.51億m3，1996年年徑流變化量最大為-2.08億m3。

圖4 不同土地利用情況下年徑流量變化Fig.4 The variation of annual streamflow to different land uses

圖5 不同土地利用情況下徑流空間分布Fig.5 Spatial distribution of annual streamflow in different land uses scenarios

1980年、2005年、2010年三期土地利用情景下多年平均徑流量空間分布情況及變化如圖5和圖6所示。1980年、2005年、2010年土地利用情景下，年均徑流量空間分布基本一致，子流域17，23的年徑流量較高，子流域4，9，10，20的年徑流量較小，其中子流域23的年徑流量最大(分別為0.57億m3，0.57億m3，0.43億m3)。從地區(qū)分布來看，中部以及東部地區(qū)年徑流量較大，西北部地區(qū)年徑流較小。

空間變化上，在1980年、2005年土地利用情景下，各子流域年徑流變化差異很小。而2005年、2010年土地利用情景下，年徑流量變化幅值較大，年徑流減少量為0.0001億m3～0.15億m3。其中子流域2年均徑流變化量為0.15億m3，其余子流域的變化值均為負(fù)值，并且子流域1，17，23變化幅度較大，年均變化量為-0.13億m3，-0.11億m3，-0.14億m3。

圖6 不同土地利用情況下徑流時間變化Fig.6 Temporal change of annual streamflow in different land uses scenarios

3.3 土地利用變化與徑流關(guān)系分析

以子流域?yàn)榛締卧?005年和2010年土地利用圖，采用SPSS軟件分析土地利用變化與徑流的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，林地面積變化與徑流量變化呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.85；草地面積變化與徑流量變化呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.82；農(nóng)業(yè)用地面積變化與徑流量變化無相關(guān)性。在2005年后，大面積草地向林地轉(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)和過濾地表徑流的作用，可以阻留和減緩水分流速，延長水分下滲時間，同時增加地表粗糙度，避免雨水直接打擊土壤[14,15]，同時林地土壤層滲透能力較強(qiáng)，增加了土壤下滲量，這些是造成地表徑流減少的主要原因。

4 結(jié)論

(1)基于1980年、2005年、2010年王快水庫流域土地利用數(shù)據(jù)分析，得出林地和草地是王快水庫流域的主要土地利用類型，二者之和占流域總面積的90%以上。2005～2010年林地面積增加了2029.24km2，主要來源于草地(1889.99km2)和農(nóng)業(yè)用地(114.17km2)的轉(zhuǎn)入。

(2)根據(jù)王快水庫流域DEM、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)以及降雨氣溫等氣象數(shù)據(jù)建立空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，劃分23個子流域和81個水文響應(yīng)單元。應(yīng)用SWAT-CUP軟件進(jìn)行參數(shù)率定，識別出12個敏感性參數(shù)。模型驗(yàn)證期R2和Ens的值為0.79和0.78，說明SWAT模型模擬結(jié)果與實(shí)測值基本吻合，在王快水庫流域具有較好的適用性。經(jīng)模擬，在1980年和2005年土地利用情景下，多年平均徑流量減少了0.029億m3；在2010年土地利用情景下，與2005年土地利用情景相比，多年平均徑流量減少了0.51億m3。

(3)基于相關(guān)性分析，識別土地利用變化與徑流變化的關(guān)系。結(jié)果表明：林地面積變化與徑流變化呈顯著負(fù)相關(guān)，草地面積變化與徑流變化呈顯著正相關(guān)。本流域草地大面積轉(zhuǎn)成林地，林地斑塊所占景觀面積越來越大，形狀趨向單一化，是王快水庫流域徑流減少的主要原因。