徐州市區土地利用變化及其對徑流的影響

于紅學++薛麗芳++孟瑤瑤

摘要：結合土地利用、土壤類型數據和降水數據，應用SCS水文模型，在GIS環境的支持下，模擬徐州市區1983-2013年土地利用變化及其對地表年徑流深的影響。結果顯示，土地利用變化主要表現為城鎮建設用地、水體、未利用地面積增加，耕地、草地、林地面積減少。土地利用結構的變化使得地表徑流深發生變化，在前期土壤濕潤程度為平均，降水量為803 mm的情況下，30年間徐州市區年徑流深增加了42 mm，年徑流系數增加了0.06。

關鍵詞：土地利用變化；SCS水文模型；徑流深；徐州市區

中圖分類號：F301.24；P333；P404 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-3895-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.016

Land Use Change and Its Influence to Runoff in Xuzhou City

YU Hong-xue，XUE Li-fang，MENG Yao-yao

（School of Resources and Geosciences， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221000， Jiangsu， China）

Abstract： Based on data of land use and soil classification and precipitation data，land use change and impact of land use change on depth of surface runoff of Xuzhou during the period of 1983-2013 was analyzed by using the SCS hydrological model under the environment of GIS. The results showed that the dynamic change of land use mainly presented the increase of the areas of urban land， water， unused land and the decrease of farmland， grassland， forest land. The change of land use made the depth of surface runoff change. Supposing the early soil moisture as average and annual rainfall precipitation as the level of flat water years-803 mm， the annual depth of surface runoff of Xuzhou increased 42 mm， and the annual runoff coefficient increased 0.06 in the 30 years.

Key words： land use change； SCS hydrological model； depth of runoff； Xuzhou

隨著城市化的不斷加快，人們對自然環境的改造和利用直接表現為人類對土地的利用，大幅度改變了地球上長期形成的依附于土地的生態環境系統和水循環系統。城市化過程中森林、農田、濕地等不斷轉化成居住地、工業用地或商業用地，城市地區不透水面積增加。這種土地利用變化過程使下滲量、截留量、蒸發量、基流和地下水位減少或降低，從而影響流域產流；另一方面與河流渠化、防洪堤壩等水利工程措施共同作用使河道結構、河網形態改變，從而影響河道匯流，產匯流發生變化導致地表徑流量發生變化[1]。目前，在眾多水文模型中，美國農業部水土保持局研制的用來衡量徑流和暴雨之間數量關系的經驗模型——SCS模型已經得到普遍認可和推廣[2-4]。該模型能夠根據土地利用的變化很好的描述降雨與徑流的關系，可用于分析人類活動如水利工程措施、土地利用方式、管理水平以及城市化對徑流的影響。

本研究以城市化發展進程較快的徐州市區為研究對象，以SCS模型為基礎，結合地理信息方法研究人類活動帶來的土地利用變化對徑流的影響，其研究結果可為城市防災減災及水土保持、生態建設提供依據，也可為城市可持續發展提供科學參考和依據[5]。

1 研究方案

1.1 研究區概況

徐州地處江蘇省西北部，華北平原的東南部，介于116°22′-118°40′E、33°43′-34°58′N之間，總面積11 258 km2，約占江蘇省總面積的11%。本研究的研究區域為徐州市區（圖1），包含5個區：鼓樓區、云龍區、泉山區、銅山區和賈汪區，總面積3 059 km2。區域內除中部和東部存在少數丘崗外，大部分皆為平原。根據成土條件、土體結構和性質的差異，可將其土壤分為潮土、棕土、褐土、水稻土、紫色土、砂姜黑土6大類。徐州市地處古淮河的下游，以黃河故道為分水嶺，形成南部的濉、安河水系和北部的沂、沭、泗水系。徐州市屬暖溫帶季風氣候區，受東南季風影響較大，東部屬暖溫帶濕潤季風氣候，西部為暖溫帶半濕潤氣候，年均降水量約為860 mm，雨季降水量占全年的56%。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 土地利用數據 本研究以Landsat TM影像提取土地利用信息，采用ENVI軟件對影像圖首先進行幾何校正、輻射校正等數據預處理，后采用監督分類中的支持向量機分類器對1983、1993、2003、2013年遙感TM影像進行解譯分類，將研究區域內的土地劃分為草地、耕地、林地、城市建筑用地、水體以及未利用地等6種地物類型[6]。對分類結果進行精度評價，得到徐州市1983、1993、2003、2013年的土地利用分類圖（圖2）。

1.2.2 土壤數據 在SCS模型中根據土壤水分的最小滲透率劃分而成的4組土壤類型（表1）來確定研究流域的土壤水文屬性[7]。

本研究區收集到的土壤數據來源于1∶100萬中國土壤數據庫，測得研究區內的土壤類型主要是潮土、砂礓黑土、紫色土、水稻土、脫鹽花堿土以及褐土。在ArcGIS軟件支持下，按照SCS模型給定的土壤分類標準，需要對土壤進行重新分類。結合該地實際情況，將褐土歸為A類，潮土、紫色土統歸為B類，砂礓黑土、水稻土統歸為C類，脫鹽花堿土歸為D類。由此得到符合SCS模型的徐州市區土壤分類圖（圖3）。

1.2.3 水文數據 降雨數據來源于徐州市水利局的徐州站、藺家壩站、解臺閘站的日降雨量。對1963-2012年徐州站、藺家壩站和解臺閘站的降水量利用面積加權平均值進行降雨頻率計算，分出豐水年、平水年和枯水年，本研究采用平水年的年降雨量，即803 mm。

1.3 研究方法

1.3.1 SCS模型原理 本研究所采用的SCS模型是美國農業部水土保持局開發并研制的流域水文模型，SCS模型能綜合反映不同土壤類型、不同土地利用類型和不同前期土壤含水量對降雨徑流的影響，是一種小型集水區徑流計算方法。目前，中國水文學者也廣泛應用SCS模型進行了很多水文方面的研究工作[8]。在SCS模型的基本原理[9]指導下，SCS模型的產流計算公式[10]為：

Q=■，P≥0.2SQ=0， P≤0.2S （1）

其中，P為單次降雨的降雨總量，Q為地表徑流量，S為流域在當時可能存在的最大滯留量，單位均為mm。

S主要與地表覆被條件和土壤相關，而且它有很大的變化范圍，不利于取值，因此引入CN（Curve Number），CN為產流系數，它的取值范圍為0～100，CN與S之間的關系如下所示：

S=■-254 （2）

其中，CN是SCS模型中一個無量綱的量，CN表示的是在降雨之前地表特征的一個綜合指標，與前期土壤濕潤程度、地形坡度、植被類型、土壤類型和土地利用狀況等方面有關。由于CN受前期土壤濕潤程度的影響，根據徑流事件發生前5 d的降雨總量，可以將前期土壤濕潤程度狀況劃分為干旱（AMCⅠ）、平均（AMCⅡ）和濕潤（AMCⅢ）3種狀態[11]，不同的前期土壤濕潤程度的CN之間存在相互轉換關系。本研究假設前期土壤濕潤程度為平均（AMCⅡ）狀態，結合土壤類型和土地利用狀況，通過CN計算公式和CN查算表[12]，確定研究區在平均（AMCⅡ）狀態下的CN矩陣（表2）。

1.3.2 技術路線 在ArcGIS軟件支持下，前期土壤濕潤程度為平均（AMCⅡ）狀態，結合土壤類型和土地利用狀況，得到CN，根據式（2）計算出最大滯留量S，輸入降雨量P，然后根據式（1）計算出年徑流深，最后分析土地利用變化對年徑流深的影響。具體操作流程如圖4所示。

2 結果與分析

2.1 徐州市區土地利用結構及其變化

在GIS軟件環境的支持下，根據在數據處理階段得到的徐州市區土地利用分類圖，統計出4個時期各土地利用類型的面積（表3）。利用ArcGIS中的土地利用轉移矩陣的功能，分別對1983-1993、1993-2003、2003-2013年的土地利用數據進行土地利用轉移計算（表4至表6）。

徐州正處于城市化上升期，土地利用結構受城市化影響顯著。由表3可以看出，1983年土地利用類型以耕地為主，其中耕地占71.23%，林地占 11.39%，建設用地占10.17%，草地占4.53%，水體占2.47%，未利用地占0.25%。1993年、2003年土地利用類型仍以耕地為主，但所占比重在下降，建設用地所占比重在上升。到2013年，土地利用類型以耕地和建設用地為主，其中耕地占61.86%，建設用地占24.69%，林地占5.69%，水體占4.70%，草地占2.21%，未利用地占0.85%。根據轉移矩陣的結果，1983-2013年，徐州城鎮建設用地從311.06 km2增加到755.51 km2，擴展了1倍多，建設用地的擴張大多數是由耕地轉移的，也有部分是由林地轉移的。耕地從1983年的2 178.85 km2到2013年的1 892.46 km2，減少了286.39 km2，主要是隨著城市化的進行，人們的生產、生活、娛樂等活動使之對建設用地的需求不斷增加，而耕地則是主要的轉換介質，故而耕地面積不斷減少，轉換成建設用地。其他用地在1983-2013年間也由于城市化的發展發生了不同的變化。

2.2 土地利用變化對徑流的影響

利用GIS軟件結合SCS水文模型，在前期土壤濕潤程度為平均狀況，降雨量為803 mm時，分別生成4個時期的徑流深圖層（圖5），根據影像特征統計年徑流量的模擬結果（表7），根據土地利用變化圖和徑流深圖層統計出了土地利用變化引起年徑流深的轉移情況（表8）。

圖5顯示，在1983-2013年期間地表徑流深度發生了較大的變化。在土壤前期濕潤程度、降雨量一定的情況下，地表徑流深只受最大滯留量S的影響，根據式（2），CN越大，S越小，降雨量轉化成徑流量（徑流深度）也就越大。因此，土地利用類型變化是引起地表徑流深變化的原因。

表7顯示在土壤前期濕潤程度為平均狀態，降雨量為803 mm情況下，1983年研究區的年徑流深為654 mm，年徑流總量為200.0億m3，年徑流系數為0.81；在2013年年徑流深為696 mm，年徑流總量為212.9億m3，年徑流系數為0.87。30年間由于土地利用類型的變化使得年徑流深增加了42 mm，年徑流量增加了12.9億m3，徑流系數增加了0.06，說明該研究區的下墊面產流能力增強了。

通過分析土地利用轉移矩陣、年徑流深圖層和土地利用變化引起年徑流深的轉移矩陣（表8），可知產生這一結果的原因是徐州市區在不同時期土地利用結構發生了變化：

1）城市化對年徑流量的影響。城市建設用地在這30年期間從311.06 km2增加到了755.51 km2，擴展了1倍多，主要是由CN較小、產流能力低的耕地、草地、林地轉化來的。通過年徑流量的轉移矩陣發現由于城市化進程加快，作用在城市建設用地下墊面上的年徑流深增加了351.36 mm。

2）耕地對年徑流量的影響。耕地是城市化進程中轉變為城市建設用地最大的地類，從1983-2013年，耕地面積由2 178.85 km2 減少到了1 892.46 km2。由于耕地的CN較小、產流能力較低，轉化為CN較高、產流能力較強的城市建設用地、水體和未利用地，就必然會導致年徑流深的增加。通過分析發現耕地面積的減少使得研究區年徑流深增加了245.35 mm，而耕地也有部分轉化為CN較小、產流較小的地類，如草地、林地，年徑流深減小了424.42 mm。

3）草地、林地對年徑流量的影響。從1983-2013年，草地、林地的面積在不斷地減少。草地和林地較其他用地的CN都低，由草地、林地等轉化為其他CN較高的用地類型，必然會導致年徑流深的增加，通過分析發現草地面積的減少使得研究區年徑流深增加了411.82 mm，林地面積的減少使得年徑流深增加了421.78 mm。

4）水體、未利用地對年徑流量的影響。根據式（1），水域區降雨直接轉變為地表徑流，CN較高，水域面積的變化對地表匯流有很大影響。由于徐州市泉山區近些年淡水養殖產業發展較快，部分CN較低的地類轉為水域。水域變化使得研究區年徑流深增加了191.58 mm。另一方面徐州地處礦區，多年大面積煤礦塌陷增加了CN較高的未利用地的面積，未利用地增加使得研究區年徑流深增加了658.57 mm。

由此可見，土地利用與地表徑流存在著密切而又復雜的關系，由于城市化進程的加快，土地利用類型發生變化從而直接引起了研究區的水文響應。

3 結語

1）1983-2013年期間，城鎮建設用地發生了大幅度的增加，水體、未利用地面積也在增加，耕地面積大幅度減少，草地、林地面積較少。CN較低的地類在減少，CN較高的地類在增加，所以這一時期地表徑流深是增加的，30年間年徑流深增加了42 mm，年徑流量增加了12.9億m3，徑流系數增加了0.06。

2）本研究只考查了土壤前期濕潤程度為平均狀態，降雨量為803 mm時，人類活動作用下的土地利用變化對地表徑流的影響。而水文效應的產生應是自然環境和人類活動綜合作用的結果，地形、土壤等自然因素對徑流的影響，還需要應用水文模型進行更為深入的研究。

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