流域景觀格局變化對洪枯徑流影響的SWAT模型模擬分析

林炳青，陳興偉，2，3，*，陳 瑩，2，劉梅冰，2

(1.福建師范大學地理科學學院，福州350007;2.濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地，福州350007;3.福建省陸地災害監測評估工程技術研究中心，福州350007)

景觀格局是由相互作用的生態系統空間鑲嵌組成的異質區域，是各種自然因素和人類活動共同作用的結果，而人類活動的影響主要表現為土地利用覆被變化對景觀格局演變的驅動［1］。不同的景觀格局改變降水的分配形式、蒸散發和產匯流機制，從而影響了徑流量等水文要素的變化［2-6］;目前人類活動水文效應的研究也主要側重于對徑流影響的研究［7-9］。方法上主要是通過特征參數時間序列法開展相關的研究［2，9-11］，但由于資料時間序列短、觀測密度不足，尚難于將景觀格局和徑流之間建立明確的相關性。研究表明，在相同氣象條件下，通過水文模型對過去、現階段或極端土地覆被情景的徑流模擬，可以為研究人類活動對徑流的影響提供參考［12-15］。已有學者采用分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型、TOPOG模型定量分析了景觀格局變化的徑流效應，結果表明流域景觀格局變化對徑流具有重要的影響［16-18］。然而上述研究大多是分析流域景觀面積變化的年、月徑流響應，缺少探討對日徑流影響的分析，因此難以將景觀格局變化與通常是日時間尺度的洪枯等水文極值事件相結合研究，無法全面揭示水文要素對景觀格局變化的響應機制。

晉江流域位于我國東南沿海經濟快速增長的泉州市，是福建省土地利用變化最為劇烈的地區之一，80年代以來大量林草地、耕地向園地和建設用地轉化。業已開展的關于晉江流域SWAT模型的年、月徑流模擬研究，初步揭示了土地覆被變化對流域徑流的影響［19-20］，但還未探討日時間尺度的洪枯徑流對景觀格局變化的響應機制。因此本文在對流域1985年和2006年景觀格局分析基礎上，建立適合該流域日徑流模擬的SWAT模型，在全流域和子流域尺度上，模擬相同氣象條件下，不同景觀格局的洪枯徑流響應，并探討其響應機制，以期對晉江流域防災減災與生態環境治理提供科學的依據。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

晉江流域位于福建東南沿海，泉州市東南部，處于閩江與九龍江之間，流域面積5629 km2，占泉州市土地總面積53.8%。晉江是福建省第3大河流，全長302 km，干流長182 km，有東溪和西溪兩大支流，兩溪匯流于南安的雙溪口(石礱水文站以上2.5 km處)。本研究選取石礱水文站以上的流域為研究區，流域控制面積為5042 km2(圖1)。地形以西北戴云山脈為主，地勢由西北向東南海面傾斜，呈波狀起伏梯級分布。土壤類型主要有紅壤、黃紅壤、黃壤和水稻土。土地利用類型以有林地為主，其次是園地、耕地和建設用地。流域氣候屬于南亞熱帶濕潤氣候區，平均氣溫20—21℃，多年平均降水量1200—1900 mm，降水年內分布不均，主要集中在5—8月，約占全年降雨的60%，夏季多對流性暴雨和臺風雨，洪澇災害較頻繁。同時，該區經濟發達，人類活動較活躍，流域土地覆被變化也較明顯，這些均對徑流產生了不同程度的影響。

圖1 晉江流域水系圖Fig.1 River system of Jinjiang watershed

1.2 數據來源

(1)空間數據包括DEM(Digital Elevation Model)、土壤類型和土地利用數據。流域DEM來自于“中國科學院國際科學數據服務平臺”，空間分辨率為30 m［21］。土壤數據通過對福建省土壤肥料實驗站1∶50萬土壤類型圖數字化得到，并概化成11種主要土壤類型，土壤的水文屬性通過美國農業部開發的土壤水特性軟件SPAW(Soil Plant Atmosphere Water)軟件計算得到［22］。土地利用數據包括1985年和2006年兩土地利用現狀圖，其中1985年的數據來源于中國科學院南京土壤所，2006年源于TM遙感影像解譯所得(圖2)。在景觀類型提取過程中，參考研究區的文獻資料［23］，并結合其土地利用特征，將晉江流域景觀類型分為水田、旱地、林地、園地、草地、建設用地、水域和未利用地8種類型。

圖2 研究區1985年和2006年土地利用覆被分布Fig.2 Land use and land cover maps of study area in 1985，2006

(2)水文氣象數據包括晉江流域32個雨量站點2001—2010年日降水量，安溪站和石礱站2個水文站點2001—2010年日徑流量，數據來源于福建省水文資源勘測局;山美水庫水文站2001—2010年日入庫和日出庫徑流量，數據來源于泉州市山美水庫管理局。此外還有永春、德化2個氣象站點2001—2010年數據，包括月平均最高氣溫、月平均最低氣溫，太陽輻射，風速，相對濕度等資料，數據來源于福建省氣象局。

2 研究方法

2.1 應用日尺度SWAT模型模擬徑流的空間變化

SWAT模型是具有較強物理機制的分布式水文模型，它能夠用于流域尺度模擬變化環境下的水文響應研究［20，24］，本文選用該模型進行研究區降雨徑流模擬。考慮到計算量并兼顧子流域劃分的意義，將研究區劃分成20個子流域。以2001年作為模型預熱期，2002—2006年作為率定期，2007—2010作為驗證期，從日時間尺度上對模型進行率定和驗證。根據模型自帶的LH-OAT敏感性分析模塊對模型參數進行敏感性分析［25］，確定模型的敏感參數，并進行參數率定。選用Nash-Suttcliffe效率系數(Ens)、決定系數(R2)和相對誤差(Er)作為模型的效率評價指標。當這3個指標分別達到相應的規定標準，即R2＞0.6，Ens＞0.65，Er＜10%，表示模型的模擬精度很高［26］。運用率定好的模型，固定其他參數不變，選取2002—2010年氣象條件和1985年與2006年兩種不同土地覆被條件進行模擬，從而得到1985年和2006年土地覆被條件下，2002—2010年氣象條件時的兩組晉江流域逐日徑流過程;將兩種模擬結果進行比較，以此探討景觀格局變化對洪枯徑流的影響。

分別選取年最大1 d和連續最大5 d徑流作為反映洪水徑流變化的指標，選取后者主要考慮到本流域洪水過程一般5 d左右;枯水徑流變化的指標選取通行的年最小1 d和連續最小7 d徑流。對流域1985年和2006年兩種景觀格局下，2002—2010年氣象條件時的逐日徑流深模擬結果進行統計，計算全流域和20個子流域在兩種景觀格局下2002—2010年的洪枯徑流變化率，公式為:

式中，Qi，t為t年i類洪枯徑流的徑流深變化率，Qi，t，2006為2006年景觀格局下t年i類洪枯徑流的徑流深模擬值，Qi，t，1985為1985年景觀格局下t年i類洪枯徑流的徑流深模擬值。

2.2 景觀格局變化

利用景觀格局指數分析軟件Fragstats，從斑塊類型水平和景觀水平上分析晉江流域景觀格局變化。在前人研究的基礎上［6，27］，結合流域特點，選取較常用且意義較為明確的9個指標，包括:斑塊類型面積(CA)、斑塊個數(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、形狀指數(LSI)、面積加權分維數(FRAC_AM)、Shannon多樣性指數(SHDI)、Shannon均勻度指數(SHEI)、最大斑塊指數(LPI)、蔓延度(CONTAG)，這些指標分別主要反映各景觀類型面積、景觀破碎化程度、景觀形狀復雜度、景觀均衡性以及景觀連通性。統計全流域和20個子流域1985年和2006年兩種景觀格局的景觀格局指數，并分別計算全流域和20個子流域1985—2006年景觀格局的變化率，計算公式為:

式中，Ra為a類景觀格局指數變化率，Ka，2006為2006年景觀格局下a類景觀格局指數取值，Ka，1985為1985年景觀格局下a類景觀格局指數取值。

2.3 徑流變化與景觀格局變化的相關性分析

應用Pearson相關分析法［28］，計算20個子流域在兩種景觀格局下，2002—2010氣象條件時洪枯徑流年平均變化率與景觀格局指數變化率的相關性，以此來分析景觀格局變化對洪枯徑流的影響機制。

3 結果與分析

3.1 日徑流模型率定結果

通過多站點的方法率定和驗證，能更客觀真實地率定模型參數［19］，故選取流域現有的3個水文站點，即安溪、山美、石礱3個水文站點2002—2007年的實測日徑流資料進行參數率定，2008—2010年的實測日徑流資料進行模型驗證。根據模型參數敏感性分析結果，確定出對模型較為敏感的7個參數，包括土壤有效含水量SOL_AWC、深蓄水層滲透系數RCHRG_DP、徑流曲線系數CN2，淺層地下水再蒸發系數GWQMN，土壤蒸發補償系數ESCO，土壤飽和水導電率SOL_K，最大冠層截留量CANMX。根據參數物理意義和研究區實際情況［29］，進行手動調參，以使徑流模擬值和實測值相吻合。

3個站點的模型評價指標如表1。除了安溪站驗證期Ens為0.772，3個站點率定期和驗證期的Ens都超過0.8，Er均小于8%，R2也達到了0.8以上，符合規定的標準［26］;其中石礱水文站日徑流模擬與實測的比較如圖3所示，兩者吻合較好。表明模型模擬的結果令人滿意，可以進行景觀格局變化對于晉江流域日徑流的影響研究。

表13 個水文站日徑流的率定和驗證結果Tsble 1Calibrated and validated results of daily runoff at three hydrologic stations

圖3 石礱站日徑流量模擬圖Fig.3 Simulated daily runoff in Shilong gauge

3.2 景觀格局變化分析

3.2.1 斑塊類型面積變化

圖4 研究區1985—2006年斑塊類型面積變化Fig.4 Area of landscape class change from 1985 to 2006 in study area

1985—2006 年晉江流域景觀類型面積變化如圖4所示，流域發生變化的地類面積占流域面積的47.31%。園地和建設用地是各類景觀要素中變化幅度最大，面積分別增加974 km2和271.9 km2，增幅達到1173.19%和227.06%。水田和旱地為主的傳統農業用地不斷被其他景觀類型占用，面積分別減少244、360.4 km2，減少幅度為34.65%和69.62%。由于人類活動的干擾，草地和未利用地向經濟林、園地轉化過程中，面積分別減少298、70.4 km2。林地面積減少量達到289 km2，但其基數大，面積減少幅度為9.34%，對整個流域的景觀格局變化影響較大。水域景觀類型面積變化較小。

3.2.2 景觀水平上景觀指數變化

從表2可以看出，1985—2006年流域景觀斑塊數大幅增加，由5292增加到10829個;以此同時，平均斑塊面積由95.3 hm2下降到46.6 hm2，表明流域景觀呈破碎化趨勢。形狀指數和面積加權分維數增加，表明景觀斑塊形狀的不規則程度增加。最大斑塊指數和蔓延度下降，表明景觀斑塊連接性更差，優勢斑塊類型的連通性降低。此外，Shannon多樣性指數、Shannon均勻度指數提高，表明景觀類型向均衡性方向發展的趨勢，這也是傳統農業景觀和林地景觀地位不斷減低，建設用地和以茶園為主的園地景觀地位不斷上升，城鎮化水平不斷提高的反映。

表2 1985—2006年研究區景觀水平指數變化分析Table2 Analysis of landscape metrics in landscape level from 1985 to 2006

3.3 景觀格局變化的洪枯徑流響應

1985年和2006年兩種不同景觀格局下，全流域2002—2010年氣象條件時的洪枯徑流變化率如圖5所示。與1985年景觀格局相比，在2006年景觀格局下，流域9 a間最大1 d和連續最大5 d徑流深均增加，最大1 d徑流深年平均增加1.85 mm，連續最大5 d徑流深年平均增加4.82 mm;年平均變化率分別為5.46%、4.97%，最大1 d增速普遍高于連續最大5 d。表明相對于1985年的景觀格局，晉江流域2006年景觀格局對于強降水截留能力更低，容易直接形成地表徑流，進而引起洪水徑流的增加。

圖5 研究區不同景觀格局下洪枯徑流變化率的年際變化Fig.5 The annual change ratio in flood，low flow between two simulations using landscape maps in 1985and 2006 in study area

對于枯水徑流，在2006年景觀格局下，除了2005年和2008年，2002—2010年其他年份全流域最小1 d和連續最小7 d徑流深均小于1985年景觀格局下的模擬結果。年平均最小1 d徑流深由0.151 mm減少到0.146 mm，年平均連續最小7 d徑流深由2.185 mm減少到2.13 mm;最小1d減速普遍高于連續最大5 d，年平均變化率分別為-3.79%、-2.55%。通過對最枯徑流前期的降水統計發現，2005年和2008年最枯徑流前期都發生了較強降水，特別是2008年最小1 d的前期第8天發生了24.49 mm的較強降水，在2006年景觀格局下較強降水容易直接形成地表徑流，反而有利于最枯徑流的增加。表明相對于2006年景觀格局，晉江流域1985年景觀格局的涵養水源、調節河川徑流能力更好，可以增加枯水徑流。

3.3.2 典型子流域洪枯徑流深變化

圖6 19號子流域不同景觀格局下洪枯徑流變化率的年際變化Fig.6 The annual change ratio in flood，low flow between two simulations using landscape maps in 1985and 2006 in no.19 typical subbasins

全流域水文極值變化是各個子流域水文極值變化疊加的結果。選取19號典型子流域進一步分析洪枯徑流的變化規律。該子流域面積281.96 km2。1985—2006年，該子流域發生的土地利用變化面積占其總面積的60.8%，且以林草地向園地和旱地向園地轉換為主，轉換面積分別占子流域面積的27.71%和8.11%，園地面積也由3.01 km2增加到116.97 km2。也即該子流域的景觀類型面積變化率大于全流域，且具有涵養水源功能的林草地面積大量減少，而有利于形成地表徑流的園地和建設用地面積顯著增加。因此由圖6可以看出，19號子流域與全流域的洪枯徑流響應大致相似，在相同氣象條件下，與1985年景觀格局相比，2006年景觀格局下的洪水徑流增加，枯水徑流減少，但變化幅度大于全流域。其中，2002—2010年年平均最大1 d和連續最大5 d徑流深分別增加11.9%和11.38%，年平均最小1 d和連續最小7 d的徑流深分別減少-27.99%和-25.39%。

3.4 景觀格局變化對洪枯徑流的影響機制

如前所述，通過統計20個子流域各自的景觀類型面積變化、景觀水平上景觀指數變化和洪枯徑流變化，應用Pearson相關分析法，計算洪枯徑流各指標變化率與景觀格局指數變化率的相關性，可以定量分析景觀格局與洪枯徑流間的相互關系，所得結果為表3。從景觀類型面積變化的徑流響應看，林地景觀面積與最大1 d、連續最大5 d相關性顯著(P＜0.01)，相關系數分別為-0.764、-0.721，表明林地景觀對強降水截留和延長滯留時間具有積極作用，從而起到消減洪峰流量的生態正效應，劉明等［30］也得到了相一致的結果。水域與最大1 d、連續最大5 d相關性較顯著(P＜0.05)，相關系數為0.502、0.515，水域面積的增加會加速徑流的匯流速度，從而導致洪水過程流量的增加。草地與最小1 d、連續最小5 d相關性較顯著(P＜0.05)，相關系數為0.461、0.478，表明草地可以提高流域水源的涵養能力，增加枯水徑流。

從景觀水平上景觀指數變化與洪枯徑流變化相關性看，景觀Shannon多樣性指數、Shannon均勻度指數與最大1 d相關性顯著(P＜0.01)，相關性分別達到0.721、0.736。表明從1985年到2006年，流域林草地、農業用地景觀向園地、建設用地景觀轉化過程中而引起的景觀均衡化分布，導致流域對降水截留能力變差，會引起洪峰流量增加。最大斑塊指數和蔓延度與最大1 d相關性顯著(P＜0.01)，相關系數為-0.61、-0.596，最大斑塊指數與連續最大5 d相關性較顯著(P＜0.05)，相關系數為-0.472。由此表明與1985年景觀格局相比，晉江流域2006年景觀連通性變差，物質循環程度也降低，削弱了其對降水的截留和水源涵養能力，也會增加洪峰流量。另外，斑塊個數、平均斑塊面積、形狀指數和面積加權分維數變化與各徑流指標變化都沒有顯著的相關性，表明流域景觀的破碎度和斑塊形狀復雜度對徑流變化影響不大。

表3 研究區各景觀指數變化與洪枯徑流變化間的相關性Table3 The correlation coefficients between landscape metric changes with flood，low flow changes in study area

景觀格局指數變化與洪水徑流變化相關性顯著，而與枯水徑流變化則不呈顯著相關，說明景觀格局變化對枯水徑流的直接影響較小。這可能是因為枯水徑流主要來源與土壤水和地下水，與土壤屬性、地質條件關系較密切，受景觀格局的直接影響較小。

4 結論

(1)運用SWAT模型模擬晉江流域日徑流過程，模擬精度較高，模型可靠，可以定量評估流域景觀格局變化對洪枯徑流的影響。

(2)1985—2006年這21 a間，晉江流域景觀格局變化較劇烈，園地和建設用地景觀面積大幅增加，傳統農業農地、林草地景觀面積則相應減少。景觀呈破碎化、形狀復雜化、分布均衡化、連通性變差。

(3)2002—2010氣象條件時，與1985景觀格局相比，2006年景觀格局下晉江流域的年平均最大1 d和連續最大5 d徑流深分別增加5.46%、4.97%，最小1 d和連續最小7 d徑流深分別減少3.79%、2.55%。表明晉江流域景觀格局的變化對于強降水截留能力和涵養水源能力更差，更容易發生洪旱災害。

(4)景觀格局指數與徑流相關性分析結果表明，景觀格局變化對洪水徑流影響最大，流域林草地、農業景觀向園地、建設用地景觀轉化過程中而引起的景觀均衡化分布，降低流域對強降水的截留能力，景觀連通性變差，削弱流域內部水循環能力，進而導致洪水徑流量的增加;枯水徑流主要來源于土壤水和地下水，受景觀格局的直接影響較小。

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