汾河流域土地利用變化對洪水過程的影響

摘 要：為探究土地利用變化對流域洪水過程的影響，以汾河流域為研究區(qū)，通過ＳＷＡＴ 模型和極端土地利用情景分析法，分析不同時期和不同情景下土地利用類型變化對場次洪水過程的影響。結果表明：１）率定期和驗證期納什系數(shù)ＥＮＳ均值大于０．７０，決定系數(shù)Ｒ２均值大于０．６５，表明ＳＷＡＴ 模型在汾河流域具有較好的適用性；２）２０００—２０２０ 年耕地、草地、水域和未利用地面積減少，林地和建設用地面積增加；３）２０００ 年、２０１０ 年和２０２０ 年土地利用條件下，各場次洪峰流量和洪水總量呈現(xiàn)小幅度增加趨勢；４） 耕地情景下，各場次洪水的洪峰流量和洪水總量呈增加趨勢，而在林地和草地情景下均呈減少趨勢。影響幅度方面，土地利用變化對較大洪水過程影響較小，對中小洪水過程影響較大。適當在洪澇災害高發(fā)區(qū)和水土流失嚴重區(qū)增加林草面積和提高植被覆蓋率，推進適水種植，避免高耗水植被，可提升汾河流域防洪抗?jié)场⒎罏臏p災的能力，推動汾河流域生態(tài)修復和高質量發(fā)展。

關鍵詞：土地利用；ＳＷＡＴ 模型；洪峰流量；洪量；汾河流域

中圖分類號：ＴＶ１２；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２５．０４．００９

引用格式：梁紀堯，郭青霞．汾河流域土地利用變化對洪水過程的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２５，４７（４）：５１－５７．

０ 引言

我國是世界上遭受洪澇災害最頻繁的國家之一，近年來，隨著人口增長、國民經濟快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化率逐步提高，對自然資源的開發(fā)利用不斷增加，進而導致洪澇風險增加。同時，土地利用類型改變導致下墊面變化，對徑流及洪水產生顯著影響［１－４］ 。

探究土地利用變化對流域水文和水資源的影響是適應性流域管理的重要基礎［５］ 。作為環(huán)境變化的一個重要組成部分，土地利用／ 覆蓋變化主要影響土壤滲透、蒸散發(fā)強度和林冠截留量，進而對流域水文情勢、產匯流等產生顯著影響。研究土地利用變化對水文循環(huán)的影響，有助于深刻剖析區(qū)域生態(tài)環(huán)境變遷的內在機理，為制定可持續(xù)水資源管理策略提供科學依據(jù)。Ｌｉｕ 等［６］ 探索了土地利用和氣候變化對渭河上游洪水的影響，認為林草地的增加在一定程度上減少了地表徑流，而耕地和荒地的擴張增加了地表徑流。Ａｍｉｒｉ等［７］ 通過分析伊朗北部唐澗河的徑流變化，指出不同的土地利用情景會導致年徑流量發(fā)生變化。趙雪巖等［８］ 分析了２００５ 年后土地利用變化對無定河流域徑流的影響，得出建設用地擴張是導致徑流增加的關鍵因素。張?zhí)锾锏龋郏梗?以丹江流域為例，得出隨著草地和耕地面積的減少以及林地面積的增加，徑流量會減少。上述研究為探究土地利用變化下水文過程和循環(huán)響應機制奠定了一定基礎，然而，現(xiàn)有研究主要集中在模擬土地利用類型變化對較長時間尺度（年或月）流域徑流的影響，而對較短時間尺度（小時或日）徑流如場次洪峰流量和洪水總量的影響則相對較少。因此，探究土地利用變化對洪水過程，特別是對場次洪峰和洪量的影響是本研究的重點。

汾河位于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，受季風影響，區(qū)域降水分布不均，差異顯著。在１９４９ 年之前的１００ 多ａ 中，汾河流域遭受了超過３０ 次洪水的侵襲，平均每５ａ 就會發(fā)生一次。１９４９ 年之后，汾河中下游地區(qū)在１９５４ 年、１９５９ 年、１９７７ 年、１９７８ 年以及１９９６ 年共經歷５ 次洪災［１０］ 。２０２１ 年１０ 月，汾河流域遭遇近年來最強暴雨，平均降雨量１３２．６ ｍｍ，遠超歷史同期最高值。與此同時，隨著礦產開采、樹木砍伐以及城鎮(zhèn)化發(fā)展，土地利用的空間格局也在不斷變化，一定程度上影響流域產匯流，進而增大洪水發(fā)生頻率。本研究基于ＳＷＡＴ 模型模擬不同時期土地利用變化對場次洪峰流量和洪水總量的影響，同時結合極端土地利用情景分析法，量化單一土地利用類型對洪水過程中洪峰和洪量等關鍵要素的影響程度，以期為流域防洪抗?jié)澈屯恋乩貌季痔峁┛茖W參考。

１ 研究區(qū)概況

汾河發(fā)源于山西省北部、流經山西省中南部，是黃河第二大支流， 位于東經１１０° ３０′—１１３° ３２′、北緯３５°２０′—３９°００′，干流全長７１６ ｋｍ，流域面積３９ ５２１ｋｍ２，占山西省總面積的２５．５％。全流域多年平均水資源總量３３． ６ 億ｍ３， 占山西省水資源總儲備量的２７．２％；６０％的降水集中在７—９ 月，多年平均降水量為５０４．８ ｍｍ。截至２０２０ 年，耕地、林地、草地３ 種地類面積占流域總面積的９１．３２％。

２ 數(shù)據(jù)與方法

２．１ 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用ＳＷＡＴ （ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ ＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔＴｏｏｌ）模型模擬和分析不同土地利用變化情景對洪水過程的影響。構建模型數(shù)據(jù)庫需要兩類數(shù)據(jù)，即地理空間數(shù)據(jù)（ＤＥＭ、土地利用和土壤數(shù)據(jù)） 和屬性數(shù)據(jù)（氣象和水文數(shù)據(jù)等）［１１］ 。首先，利用ＡｒｃＧＩＳ 軟件對ＤＥＭ 數(shù)據(jù)進行拼接、投影轉換、填洼、流向分析，自動劃分子流域；其次，對土地利用、土壤和坡度數(shù)據(jù)疊加統(tǒng)計分析，生成水文響應單元（ＨＲＵ），土地利用和土壤數(shù)據(jù)分別來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心和世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫（ＨＷＳＤ）；最后，輸入氣象和水文等屬性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（Ｖ３．０）和黃河流域水文年鑒，數(shù)據(jù)序列長度為２０００—２０１６ 年，缺失數(shù)據(jù)用ＳＷＡＴ Ｗｅａｔｈｅｒ 軟件生成天氣發(fā)生器（ＷＸＧＥＮ）填補。

２．２ 模型構建

ＳＷＡＴ 模型是基于地理信息系統(tǒng)的分布式流域水文模型，可用于評估地表和地下徑流、污染物輸送和生態(tài)系統(tǒng)過程等［１３－ １５］ 。在流域水文過程模擬中，ＳＷＡＴ模型主要利用水量平衡方程模擬流域水文循環(huán)過程。

該模型基于ＤＥＭ 數(shù)據(jù)劃分子流域，同時疊加土地利用、土壤和坡度數(shù)據(jù)構建水文響應單元（ＨＲＵ）。ＳＷＡＴ 模型水量平衡基本表達式如下：

式中： ＳＷｔ 為最終土壤含水量， ＳＷ０ 為早期土壤含水量， ｔ 為時段長， Ｒｉ 為第ｉ 天降雨量， Ｑｓｕｒｆｉ 為第ｉ 天地表徑流量， Ｅａｉ 為第ｉ 天蒸發(fā)量， Ｗｓｅｅｐｉ 為第ｉ 天土壤剖面底部的滲透量和側流量， Ｑｇｗｉ 為第ｉ 天地下徑流量。

參數(shù)校準和敏感性分析選用ＳＵＦＩ－２ 算法。為減少校準參數(shù)的盲目性，選擇納什系數(shù)ＥＮＳ 和決定系數(shù)Ｒ２兩個指標來評估模型模擬結果的質量［１６－ １７］ ，具體計算公式如下：

式中： Ｑｓｉｍ 為模擬徑流量， Ｑｏｂｓ 為實測徑流量， Ｑａｓｉｍ 為模擬徑流量平均值， Ｑａｏｂｓ 為實測徑流量平均值。

通常情況下，ＥＮＳ越接近１ 表示模擬值與實測值越一致。當０＜ＥＮＳ ＜０．５４ 時，模擬結果可以接受；當０．５４≤ＥＮＳ≤０．６５ 時，模擬結果較為滿意；當ＥＮＳ ＞０．６５ 時，模擬結果非常好。Ｒ２ 用來衡量模擬值和實測值之間的擬合優(yōu)度，Ｒ２越接近１，模擬值和實測值之間的擬合越好。一般認為，當Ｒ２ ＞ ０． ６ 時，模擬結果相對令人滿意［１８－ ２２］ 。

２．３ 情景設定

為了更好地呈現(xiàn)結果，選用極端土地利用情景分析法，對比不同土地利用類型對洪水過程的影響大?。郏玻常玻矗??？紤]到汾河流域耕地、林地和草地面積占比較大，本研究基于２０２０ 年的土地利用現(xiàn)狀，假設了以下３ 種極端土地利用情景，每種情景設置均保留水域。

１）情景１：耕地情景。假設流域內除水域外，剩余地類全部轉為耕地。

２）情景２：林地情景。假設流域內除水域外，剩余地類全部轉為林地。

３）情景３：草地情景。假設流域內除水域外，剩余地類全部轉為草地。

３ 結果與分析

３．１ 模型校準與驗證

設定２０００—２００２ 年為模型預熱期，２００３—２０１３ 年為模型率定期，２０１４—２０１６ 年為模型驗證期。其中２００３—２０１３ 年挑選６ 場洪水逐場次率定，２０１４—２０１６ 年挑選３ 場洪水逐場次驗證（這３ 場洪水包括了不同量級的洪水），同時使用ＳＷＡＴ－ＣＵＰ 軟件［２５－２７］ 對該模型自動校準和驗證參數(shù)，最終確定的１２ 個參數(shù)見表１。根據(jù)圖１ 可知，模擬洪水過程線在率定期和驗證期與實際洪水過程線基本吻合。整體模擬結果中，２００７ 年和２０１５ 年的洪峰流量相對實際值誤差較大。由表２可知，率定期洪峰流量合格率為８３．３３％，驗證期洪峰流量合格率為６６．６７％，整體合格率達到乙級標準［依據(jù)《水文情報預報規(guī)范》（ＣＢ／ Ｔ ２２４８２—２００８）中的洪水預報評價指標對模擬結果進行精度評定，規(guī)范要求洪峰流量的許可誤差不得超過實測值的２０％］。率定期和驗證期場次洪水ＥＮＳ 均值都大于０．７０，達到規(guī)范要求的乙級標準。綜上，模型在汾河流域適用性較好。

３．２ 土地利用變化分析

２０００—２０２０ 年，汾河流域以耕地、林地和草地為主要土地利用類型。其中，耕地面積約占４１％，林地和草地面積分別約占２８％和２４％，水域和未利用地面積約占１％，建設用地面積約占６％。

從表３ 可以看出，汾河流域２０ ａ 來土地利用結構發(fā)生明顯變化。２０００—２０１０ 年耕地和草地面積減少幅度較大，２０１０—２０２０ 年減少幅度較小，耕地面積的減少說明汾河流域退耕政策發(fā)揮了一定的作用；林地面積在２０００—２０２０ 年變化趨勢為先增加后減少，２０ ａ內凈增加１５８．１０ ｋｍ２；所有地類中，建設用地面積增長最為顯著，特別是在２０００—２０１０ 年，汾河流域人口迅速增長和城鎮(zhèn)化進程加快，為滿足居民住房需求，建設用地面積凈增加１ １３３．５７ ｋｍ２，２０１０—２０２０ 年伴隨城市規(guī)劃和土地政策調整，建設用地面積增加但增速趨緩，１０ ａ 內凈增加面積３２８．２９ ｋｍ２；水域和未利用地占比較小，２０１０—２０２０ 年面積基本不變。

由圖２、圖３、圖４ 可以看出，２０００—２０１０ 年洪峰流量和洪水總量的變化率高于２０１０—２０２０ 年，主要原因是２０００—２０１０ 年建設用地面積大幅增加，草地面積減少，而２０１０—２０２０ 年建設用地面積增長減緩，草地和林地面積穩(wěn)定。２０ ａ 內，耕地和建設用地面積變化最為明顯，耕地面積減少，建設用地面積增加。鑒于洪峰流量和洪水總量整體呈現(xiàn)小幅度增大趨勢，可以得出建設用地對洪峰和洪量的影響程度高于耕地的影響。

３．３ 土地利用變化對場次洪峰和洪量的影響

２０００—２０２０ 年不同時期土地利用條件下場次洪峰流量和洪水總量呈現(xiàn)小幅度增大趨勢，變化相對穩(wěn)定，見圖２。相較于２０００ 年土地利用條件，２０１０ 年和２０２０ 年土地利用條件下洪峰流量平均變化率分別為１．８２％和３．１１％，洪水總量平均變化率分別為２．０１％和３．２３％。結合土地利用變化分析，２０００—２０１０ 年耕地和草地面積減少，林地和建設用地面積增加，耕地轉出部分多流向建設用地，剩余部分流向林地和草地，各地類變化中，建設用地面積增加最為明顯；２０００—２０２０年建設用地面積增加接近一倍，耕地和草地面積減少，林地面積增加。由于模擬結果是在不同土地利用條件下綜合得出的，在分析過程中，無法具體分析單一土地利用類型對洪峰流量和洪水總量的影響，因此僅從整體影響進行評價。

３．４ 極端情景模擬結果及分析

為進一步探究土地利用變化對洪水過程的影響，使用３ 種假定情景，代入ＳＷＡＴ 模型，并以原始情景為參考，比較３ 種情景下洪峰流量和洪水總量及其變化（見圖５～圖７）。

由圖５ 至圖７ 可知，３ 種情景下，各場次洪水的洪峰流量和洪水總量均發(fā)生相應變化。具體而言，在耕地情景下，各場次洪水的洪峰流量和洪水總量呈增大趨勢，洪峰流量和洪水總量平均變化率分別為７．３９％和７．９６％，表明耕地能增加研究區(qū)地表徑流，對洪峰和洪量具有正向效應。其原因主要是耕地表層植被覆蓋減少、土壤滲透性降低等，易形成地表徑流。相反，在林地和草地情景下，各場次洪水的洪峰流量和洪水總量呈減小趨勢。林地情景下，洪峰流量和洪水總量平均變化率分別為－１１．１４％和－１０．６０％，草地情景下，洪峰流量和洪水總量平均變化率分別為－ ６． ７９％ 和－６．７７％，表明林地和草地一定程度上能夠減緩洪水過程，降低流域洪澇災害發(fā)生的概率。其原因主要是林草地能增大地表植被覆蓋率，且林地樹冠可以避免降雨直接打擊土壤表面，此外，茂密的枝葉和落葉層可以吸收和滯留雨水，減少土壤表面徑流，具有良好的水源涵養(yǎng)功能?？梢姡鼐哂忻黠@的產流作用，而林地和草地能夠有效減少地表徑流，削減洪峰流量和洪水總量。

不同洪水過程的規(guī)模各異，綜合分析顯示，當洪水總量相對較小時，土地利用類型的變化會顯著影響洪峰流量和洪水總量的變化。相反，當洪水總量相對較大時，土地利用類型的變化對洪峰流量和洪水總量的影響相對較小。

４ 結論及建議

４．１ 結論

本文基于ＳＷＡＴ 模型研究了汾河流域土地利用變化對洪水過程的影響。通過分析２０００ 年、２０１０ 年、２０２０ 年三期土地利用數(shù)據(jù)，模擬了不同時期土地利用對場次洪峰流量和洪水總量的影響。同時，結合極端土地利用情景分析法，量化了耕地、林地和草地對場次洪水過程的影響情況，得出結論如下：

１）利用ＳＷＡＴ－ＣＵＰ 對模型參數(shù)進行率定和驗證，得出率定期和驗證期不同場次洪水納什系數(shù)ＥＮＳ均值大于０．７０，決定系數(shù)Ｒ２ 均值大于０．６５，不同場次洪水洪峰流量整體合格率達到乙級標準，模擬結果表明ＳＷＡＴ 模型在汾河流域具有較好的適用性。

２）２０００—２０２０ 年，汾河流域土地利用類型多為耕地、林地和草地。從變化趨勢上看，耕地、草地、水域和未利用地面積呈減少趨勢，林地和建設用地面積呈增加趨勢。

３）２０００ 年、２０１０ 年和２０２０ 年土地利用條件下，場次洪峰流量和洪水總量呈現(xiàn)小幅度增大趨勢。結合流域土地利用變化情況，耕地和建設用地面積變化最為明顯，其中耕地面積減少，建設用地面積增加，綜合分析得出建設用地對洪峰和洪量的影響程度高于耕地的影響。

４）耕地情景下，各場次洪水的洪峰流量和洪水總量呈增大趨勢，平均變化率分別為７．３９％和７．９６％；林地和草地情景下，各場次洪水的洪峰流量和洪水總量呈減小趨勢，其中林地情景下平均變化率分別為－１１．１４％和－１０．６０％，草地情景下平均變化率分別為－６．７９％和－６．７７％，減小程度為林地情景大于草地情景。在影響幅度方面，整體來看，土地利用變化對較小洪水過程影響更加明顯，相反，對于較大洪水過程影響則相對較小。

４．２ 建議

汾河流域受氣候和土地利用變化等因素的影響，近年來洪水次數(shù)頻增，嚴重影響當?shù)厝嗣裆詈徒洕l(fā)展。本文通過探究土地利用變化對洪水過程的影響，特別是對洪峰流量和洪水總量的影響，得出增加林地和草地面積能有效減少流域地表徑流，降低流域洪澇災害發(fā)生的概率。這對于以汾河為重點的“七河”流域生態(tài)保護、洪水調節(jié)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。林地的土壤層和根系能夠緩沖地表徑流，增加土壤的蓄水能力；草地能夠攔蓄雨水，減少水土流失，提升土壤的透水能力。因此，建議在流域內，特別是洪澇災害高發(fā)區(qū)和水土流失嚴重區(qū)，增加林草面積、提高植被覆蓋率，推進適水種植，避免高耗水植被，以提升汾河流域防洪抗?jié)?、防災減災的能力，推動汾河流域生態(tài)修復和高質量發(fā)展。

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【責任編輯 許立新】

基金項目：山西省回國留學人員科研教研資助項目（２０２２－１１１）