土地利用變化對(duì)臥虎山水庫(kù)入庫(kù)徑流的影響

姜愛(ài)華 ，王 軍 ，王中根

（1.濟(jì)南市城鄉(xiāng)水務(wù)局，山東 濟(jì)南 250099；2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

臥虎山水庫(kù)位于濟(jì)南市南部山區(qū)三川流域，是濟(jì)南市唯一的大型水庫(kù)。三川流域內(nèi)地勢(shì)南高北低，東高西低，海拔在118～981 m之間；屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為13.4℃，年平均降水量706.8 mm，臥虎山水庫(kù)多年平均入庫(kù)徑流深114 mm；流域內(nèi)主要分布棕壤和褐土兩大類(lèi)；2014年流域土地利用現(xiàn)狀為林地、草地、果園、旱地和建設(shè)用地分別占流域總面積的23.13%、24.04%、19.70%、21.17%和8.47%；觀光旅游業(yè)為當(dāng)?shù)刂е援a(chǎn)業(yè)，為保護(hù)水源地，流域內(nèi)實(shí)施了植樹(shù)造林等水土保持措施，建設(shè)用地逐年增加。

本文基于HIMS（Hydro-Informatic Modelling System）系統(tǒng)構(gòu)建臥虎山水庫(kù)上游流域的分布式水文模型，通過(guò)設(shè)置情景，定量分析土地利用變化對(duì)臥虎山水庫(kù)入庫(kù)徑流的影響，研究結(jié)果能為科學(xué)評(píng)估實(shí)施水土保持措施下的臥虎山水庫(kù)水資源情勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 HIMS模型

HIMS是中科院陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一個(gè)水循環(huán)綜合模擬系統(tǒng)，已在黃河、海河等多個(gè)流域進(jìn)行了成功的徑流模擬。HIMS日過(guò)程模型主要包括對(duì)潛在蒸發(fā)、實(shí)際蒸發(fā)、下滲、地表徑流、壤中流、地下水補(bǔ)給、基流、河道匯流等過(guò)程的計(jì)算，其中地表徑流采用LCM公式計(jì)算，林地、草地、果園等各植被類(lèi)型實(shí)際蒸散發(fā)采用ETa=KsKcET0計(jì)算。其中ETa為實(shí)際蒸散發(fā)，mm；ET0為參考作物騰發(fā)量，mm；Kc為作物系數(shù)；Ks為土壤水分修正系數(shù)。

HIMS模型參數(shù)分為作物系數(shù)和產(chǎn)匯流參數(shù)兩類(lèi)。不同土地利用類(lèi)型的作物系數(shù)參考農(nóng)田/樣地尺度實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定，產(chǎn)匯流參數(shù)通過(guò)模型率定和驗(yàn)證確定。選用Nash效率系數(shù)、相對(duì)誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)模擬結(jié)果。

1.2 土地利用情景設(shè)計(jì)

本文選用“土地利用空間配置法”和“極端土地利用情景法”進(jìn)行流域土地利用情景設(shè)計(jì)。以2014年流域土地利用數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)情景，參考“國(guó)家退耕還林還草工程”要求、考慮極端土地利用情況，共設(shè)置17種土地利用情景。不同情景下各土地利用類(lèi)型變化面積占流域總面積的百分比見(jiàn)表1。

2 結(jié)果分析

2.1 HIMS模型構(gòu)建

在Arcgis10.2平臺(tái)上，將等高線圖轉(zhuǎn)化為DEM高程圖，提取流域河網(wǎng)信息，再結(jié)合流域水庫(kù)分布信息等，將三川流域劃分為46個(gè)子流域；耦合子流分布圖、土壤圖和土地利用圖確定各子流域的計(jì)算單元。分別采用泰森多邊形法、反距離平方法將日降雨和參考作物騰發(fā)量插值到各子流域。實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)農(nóng)作物一般不灌溉，因此在模擬過(guò)程中不考慮農(nóng)作物灌溉。

表1 不同情景下各土地利用類(lèi)型變化面積占流域總面積的百分比

以2003年為預(yù)熱期，2004—2005年為率定期，2006—2007年為驗(yàn)證期，進(jìn)行產(chǎn)匯流參數(shù)率定和驗(yàn)證。率定期和驗(yàn)證期模擬與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程的對(duì)比見(jiàn)圖1。

由圖1可知：率定期和驗(yàn)證期HIMS模型模擬的月入庫(kù)徑流過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程相吻合。率定期入庫(kù)徑流模擬與實(shí)測(cè)值的Nash效率系數(shù)和相對(duì)誤差分別為0.95和10.2%，驗(yàn)證期的Nash效率系數(shù)和相對(duì)誤差分別為0.88和12.8%。HIMS模型的模擬效果與楊?yuàn)檴櫟龋?013）采用的SWAT模型模擬結(jié)果相一致。SWAT模型模擬是以2007—2009年為率定期，率定期模擬與實(shí)測(cè)值的Nash效率系數(shù)為0.7，各年相對(duì)誤差均小于15%。可將率定和驗(yàn)證后的HIMS模型用于模擬分析土地利用變化對(duì)三川流域臥虎山水庫(kù)入庫(kù)徑流的影響。

圖1 臥虎山水庫(kù)2004-2007年入庫(kù)徑流模擬結(jié)果(a)率定期； (b)驗(yàn)證期

2.2 不同土地利用變化情景下徑流變化分析

以2004—2007年為基準(zhǔn)期，評(píng)價(jià)土地利用變化對(duì)徑流的影響。17種土地利用情景下的年徑流模擬結(jié)果見(jiàn)表2，由表2可知：

表2 不同土地利用情景下臥虎山水庫(kù)入庫(kù)徑流變化

1）從情景1～17年徑流模擬結(jié)果可知：各情景下入庫(kù)徑流量相對(duì)基準(zhǔn)徑流量都有所減少；除將＞15°的耕地和園地轉(zhuǎn)化為林地，以及將＞15°的耕地、園地和草地同時(shí)轉(zhuǎn)化為林地情景外，其余情景入庫(kù)徑流量都大于0.80億m3。

2）對(duì)比情景 1、3、9、15 和 17 模擬徑流及變化結(jié)果可知：①將＞25°、＞20°或＞15°的耕地分別轉(zhuǎn)化為林地，年徑流分別為0.87億m3、0.84億m3和0.81億m3，相對(duì)基準(zhǔn)徑流分別減少 2.68%、5.53%、9.27%，退耕還林引起年徑流減少。②將現(xiàn)有＞15°的耕地和園地全部轉(zhuǎn)化為林地，年徑流僅0.71億m3，減少20.66%，將園地轉(zhuǎn)化為林地徑流減少；③繼續(xù)將＞15°的草地轉(zhuǎn)化為林地，則年徑流降至0.56億m3，減少量可達(dá)37.13%，草地轉(zhuǎn)化為林地也會(huì)引起徑流的減少。

3）對(duì)比情景2、4、10和16模擬徑流及變化結(jié)果可知： ①將＞25°、＞20°或＞15°的耕地分別轉(zhuǎn)化為草地，年徑流分別為 0.88 億 m3、0.87 億 m3和 0.86 億 m3，分別變化-0.99%、-2.03%、-3.40%，退耕還草也會(huì)減少年徑流，變化量不超過(guò)4%，變化不大；②將＞15°的耕地和園地全部轉(zhuǎn)化為草地，年徑流量?jī)H減少0.97%，為 0.88 億 m3，大于將＞15°的耕地轉(zhuǎn)化為草地情景下年徑流量，這說(shuō)明將園地轉(zhuǎn)化為草地會(huì)引起徑流的增加，這主要與草地的實(shí)際蒸散發(fā)小于果園有關(guān)。

4）對(duì)比情景1和8模擬徑流及變化結(jié)果可知：同時(shí)將＞25°的耕地轉(zhuǎn)化為林地、將＞20°且＜25°的耕地轉(zhuǎn)化為園地情景下的徑流減少量，大于僅將＞25°的耕地轉(zhuǎn)化為林地引起的徑流減少量，這說(shuō)明將耕地轉(zhuǎn)化為園地也會(huì)引起徑流減少。

5）分析各土地利用類(lèi)型單位面積變化對(duì)徑流的影響發(fā)現(xiàn)，各土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化對(duì)徑流的影響從高到低依次為：耕地轉(zhuǎn)林地、草地轉(zhuǎn)林地、園地轉(zhuǎn)林地、耕地轉(zhuǎn)園地、耕地轉(zhuǎn)草地、園地轉(zhuǎn)草地。

6）綜合情景1～17模擬徑流及變化結(jié)果可知：將＞25°的耕地退耕還林還草，將＞20°且＜25°的耕地轉(zhuǎn)化為林地、草地或園地，以及將＞15°且＜20°的耕地轉(zhuǎn)化為草地或園地，年徑流量大于0.84億m3，相對(duì)基準(zhǔn)徑流減少量不超過(guò)6%，變化不大；將＞15°的耕地轉(zhuǎn)化為林地，年徑流量為0.81 億 m3，減少約 10%，變化略大；將＞15°的耕地、園地或草地同時(shí)轉(zhuǎn)化為林地，年徑流量小于0.71億m3，減少20%以上，變化劇烈。

在有效防治水土流失、發(fā)展經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，為使土地利用變化對(duì)臥虎山水庫(kù)入庫(kù)徑流影響最小，在三川流域?qū)嵤┩烁€林政策時(shí)，推薦土地利用變更方案為：將＞25°的耕地退耕還林還草，將＞20°且＜25°的耕地轉(zhuǎn)化為林地、草地或園地，以及將＞15°且＜20°的耕地轉(zhuǎn)化為草地或園地。

[1] 楊?yuàn)檴櫍煺骱停诅妫?基于SWAT模型的臥虎山水庫(kù)流域徑流模擬[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2013，(5):11-19.

[2] 魏耀武.濟(jì)南南部山區(qū)土地利用/覆蓋變化及情景預(yù)測(cè)研究[D].山東師范大學(xué)，2014.

[3] 劉昌明，王中根，鄭紅星，等.HIMS系統(tǒng)及其定制模型的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)E輯，2008，38(3):350-360.

[4] 楊默遠(yuǎn)，桑燕芳，王中根，等.潮河流域降水—徑流關(guān)系變化及驅(qū)動(dòng)因子識(shí)別[J].地理研究，2014，33(9):1658-1667.