土地利用變化對徑流影響的定量研究

吳淼 石朋 張行南 瞿思敏 陳昂

摘要：為定量研究徑流對土地利用變化的響應，以淮河上游潢川流域為例，分析不同時期土地利用空間轉移規律，結合SWAT模型，通過選取典型子流域，定量分析流域土地利用變化對徑流的影響。結果表明：在不同時期，研究區旱地面積變化較大，主要轉化為水田與林地，草地、城鎮用地及水域幾乎沒有變化；研究區土地利用方式的改變導致年徑流深明顯減小，原因是水田大面積增多能夠促進水面蒸散發，同時林地的增多也滯緩了徑流匯集速度，進一步增加了蒸發。

關鍵詞：土地利用；徑流模擬；SWAT模型；定量研究；潰川流域

中圖分類號：P338+.2 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.010

下墊面條件變化對流域水文過程影響機理是國際水文與環境領域關注的熱點。20世紀以來，人類活動引起的土地利用變化導致洪澇災害頻發，土地利用變化成為直接或間接影響水文過程的第二個主要邊界條件，主要表現為土地利用變化在一定程度上影響了下墊面地表覆被截留量，同時改變地表水蒸發能力和土壤水分的入滲能力，進而影響徑流時空分布及流域水循環過程[1]。隨著國際地圈生物圈計劃（IGBP）與國際全球環境變化人文因素計劃（IHDP）的推進，國內外學者針對土地利用/土地覆蓋變化（LUCC）開展了大量研究與實踐工作，研究結果表明：由于不同流域/區域下墊面條件特征不同，土地利用變化對流域水文過程影響存在區域差異性，因此需要開展大量的典型區域實證研究，探索總結土地利用變化對流域水文過程的影響機理[1-3]。目前，土地利用變化對流域水文過程的影響研究已逐漸由定性分析轉變為定量計算，如姚允龍等[4]建立了基于降水與耕地面積的徑流過程統計模擬模型，豐華麗等[5]分析了土地利用變化對流域生態需水的影響，袁藝等[6]分析了土地利用變化對降雨徑流關系的影響，吳森等[7]分析了土地利用變化對淮河上游小流域設計洪水的影響。綜合來看，前人主要在全球尺度、流域或區域尺度進行土地利用模擬與預測，流域尺度土地利用變化對蒸散發、截留、填洼和下滲等水文過程的影響與效應，土地利用對降雨徑流影響的時空尺度確定和水文模型優選等方面開展的較多研究，雖然取得了顯著成果，但還存在一些不足，如流域局部等小尺度土地利用變化的水文影響、流域不同土地利用類型的水文效應、土地利用變化與水文過程模擬計算單元耦合等方面研究較少，未來亟需加強不同土地利用類型變化對徑流過程定量影響的機理研究[8-13]。隨著社會經濟快速發展，淮河流域土地利用方式及下墊面條件變化顯著，下墊面的變化嚴重影響著淮河流域的蒸散發及產匯流過程，流域降雨徑流特性發生顯著改變，洪澇災害頻發，研究淮河流域土地利用變化對徑流的影響是流域防洪減災工作的迫切需求。

本文以淮河上游潢川流域為例，構建SWAT（Soiland Water Assessment Tool）流域分布式水文模型，通過分析潢川流域下墊面時空變化規律及不同子流域土地利用類型組合方式，選擇年徑流深指標定量分析不同土地利用類型及變化對潢川流域徑流的影響。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

潢川流域位于淮河流域上游，東經114°53′-115°21′、北緯31°52′-32°22′，流域面積2050km2，地勢南高北低，略向東北傾斜。潢川流域年降水量為800～1050mm，多年平均年徑流深為371mm，多年平均水面蒸發量為1039mm。潢川流域每年50%的降水量集中在6-8月，故產生季節性洪水的風險較大。流域內建有大型水庫——潑河水庫，總庫容2.35億m3，控制流域面積222km2。

1.2 SWAT分布式水文模型

流域內產匯流過程的不均衡性要求必須選擇基于過程的水文模型，才能夠體現徑流產生機制。SWAT模型是Jeff Arnold為美國農業部研究所（USDA-ARS ）開發的流域分布式水文模型，目前已成為我國使用較為廣泛的水文模型之一，憑借其在模擬精度、模型結構、適用性及靈活性等方面的優勢，全方位考慮地形、植被覆蓋、氣候等因素的影響，可滿足本研究的流域水文過程模擬要求[9，15-16]。

1.2.1 數據準備

SWAT模型構建過程中需要大量數據支持，主要包括數字高程，土地利用和土壤等下墊面數據，降水、風速、溫度、相對濕度和輻射等氣象數據以及研究區域水文觀測資料等。本研究選取1955-2012年流域內9個雨量站（內裴河、香山、新縣、潑河、吳陳河、光山、長洲河、八里販、潢川）逐日降雨資料、潢川水文站逐日流量資料、潑河水庫出庫流量資料以及固始氣象站的蒸發資料；土地利用數據選取潢川流域1980年和1995年兩期土地利用圖；土壤數據從“國家地球系統科學數據共享平臺”網站獲取（研究區主要包括7種土壤類型）；空間地形數據來自于“地理空間數據云”網站潢川流域所在分區90m×90m網格的DEM。

1.2.2 模型率定及驗證

利用SWAT模型自帶模塊進行敏感性分析，最終確定8個最為敏感的參數，見表1。為了判斷模型的模擬效果，本研究分別使用相對誤差Re、判定系數R2和Nash-Sutcliffe效率系數 Ens來評估模擬值與實測值之間的擬合程度。在1980年土地利用條件下，選擇1973-1982年作為率定期、1964-1972年作為模型驗證期；在1995年土地利用條件下，選擇1995-2004年作為率定期、2005-2012年作為模型驗證期。本文采用SWAT-CUP軟件中的SUFI-2模塊進行模型日流量過程的參數率定。

模型率定與驗證結果表明，潢川流域較為敏感的5個參數為CN2（徑流曲線系數）、ALPHA_BF（基流因子/基流回歸系數）、SOL_AWC（土壤有效含水率）、ESCO（土壤蒸發補償系數）、CH_N2（主河道曼寧系數）。CN2反映降雨前的流域特性，綜合反映不同的前期土壤濕潤條件下，土地利用、土壤滲透特性等對流域產流的影響，產流量大小與CN2值呈正相關，CN2越大，產流量也越大；ALPHA_BF反映地下水對于徑流補給變化的響應，該系數增大，地下徑流量也增大；SOL_AWC反映土壤的蓄水能力，其值越小，土壤蓄水能力就越差，產流量就越大；ESCO反映各土壤層的蒸發狀況，與可進行蒸發的土壤深度有關，該值越大，土壤蒸發量就越小，產流量就越大；CH_N2跟水流速度、植物密度以及波浪等因素有關，潢川流域下墊面變化明顯，旱地減少，水田、林地增多，改變了下墊面的植物密度，影響了徑流形成速度，因此CH_N2變化較為明顯。驗證期模擬徑流與實測徑流較為吻合，能夠滿足精度要求（見表2）。

綜上所述，潢川流域SWAT模型日流量模擬結果較好，各評價指標均達到了評價標準以上，模擬結果可信，精度較高，說明SWAT模型適用于該流域的徑流模擬。

2 結果與討論

2.1 土地利用面積變化分析

潢川流域土地利用以旱地、林地、水田為主，草地、城鎮用地和水域面積相對較小。與1980年相比，1995年水田增加了30.752%，旱地減少了40.250%，而林地增加了10.036%，草地以及城鎮用地面積分別增加了0.040%、0.005%，水域面積減少了0.583%（見圖1及表3）。

2.2 土地利用時空變化分析

土地利用變化常用的計算方法有試驗流域法、特征變化時間序列法、水文模型法以及綜合法。通過分析比較，本研究選擇水文模型與ArcGIS相結合的方法，利用土地利用轉移矩陣，計算1980-1995年土地利用類型的變化情況[17-18]。

采用GIS轉移矩陣分析法計算的土地利用變化見表4，結果表明：從1980年到1995年，旱地中有247.490km2轉化為林地，512.905km2轉化為水田；林地中有20.138km2轉化為旱地，45.522km2轉化為水田；城鎮用地中有1.966km2轉化成水田。總的來看，研究區旱地面積變化最大，主要轉化成為水田與林地。草地、城鎮用地及水域面積變化不大，因此在分析討論中不考慮這3種類型對徑流的影響。

2.3 土地利用變化對徑流影響分析

分別構建1980年、1995年的土地利用SWAT模型，由于模型輸入資料除土地利用資料不同外，其他輸人資料均相同，因此以1980年土地利用條件下率定的參數模擬的徑流序列構成序列1，以1995年土地利用條件下率定的參數模擬的徑流序列構成序列2。構建模型將潢川流域劃分為31個子流域，對比各個子流域的土地利用類型組成情況，選取典型子流域（3號、6號、20號、28號、30號）進行分析，典型子流域土地利用變化情況見表5。

由表5可知：3號、6號子流域土地利用類型在水田與旱地之間相互轉化，20號子流域土地利用類型在水田、旱地與林地之間相互轉化，28號子流域土地利用類型在旱地與林地之間相互轉化，30號子流域土地利用類型則是在水田、旱地、林地、草地以及水域之間相互轉化。

在1980年和1995年土地利用條件下模擬計算的典型子流域多年平均徑流深對比見表6。根據表5、表6可知，3號子流域土地利用方式在水田與旱地之間相互轉化，旱地轉化為水田，水田面積增加11.24%，整個系列年徑流深在變化后均有明顯減小，年徑流深平均值與標準差均減小。旱地具有弱透水性，會加快直接徑流的形成，旱地面積減少會引起地表徑流量減少，同時土地利用變化后子流域面積的90.8%為水田，增強了水面蒸發能力，從而引起土地利用變化后徑流量明顯減少。6號子流域土地利用類型在水田與旱地之間相互轉化，變化前水田、旱地分別占子流域總面積51.78%、 48.22%，變化后水田、旱地分別占子流域面積99.39%、0.61%，土地利用變化后徑流深均減小，均值與標準差也有大幅減小。20號子流域土地利用類型在旱地、水田、林地三者之間相互轉化，水田面積增加53.62%，旱地面積減小42.1%，林地面積減小11.51%，年徑流深減小（均值減小34.715%）。28號子流域土地利用類型在旱地與林地之間相互轉化，轉化后僅剩林地一種類型，徑流深有減小的趨勢，原因是林地增多，冠層截留量及蒸散發量變大，致使流域徑流減小。30號子流域草地、旱地均轉化為林地，其中水域面積不變，占子流域總面積的3.17%，徑流深減小。由此可見，土地利用變化對徑流有重要影響，不合理的土地利用會引發洪澇、干旱等問題。

3 結語

（1）淮河流域土地利用方式及下墊面條件發生顯著變化。20世紀80年代，土地利用方式以旱地為主，旱地占總面積的41.85%，林地其次，占總面積的38.55%；到了20世紀90年代，流域土地利用方式以林地為主，占總面積的40.69%，其次為旱地，占總面積的30.38%；上述下墊面的變化嚴重影響著淮河流域的蒸散發及產匯流過程，淮河流域的降雨徑流特性也發生了顯著改變。

（2）潢川流域SWAT模型模擬效果良好。建立演川流域SWAT模型土壤和氣象數據庫，通過敏感性參數分析及模型率定驗證了潢川流域SWAT模型的適用性。結果表明，不論在率定期還是驗證期，模擬徑流與實測徑流均比較吻合，模型的評價指標都能滿足精度要求，SWAT模型可作為潢川流域徑流模擬的有效分析工具。

（3）土地利用變化導致潢川流域年徑流深明顯減小。通過在潢川流域SWAT模型更改不同時期土地利用數據，模擬了不同土地利用條件下的兩個徑流序列，通過選取典型子流域，分析子流域土地利用改變情況，計算兩種條件下年徑流深變化情況，結果表明，在土地利用類型變化后年徑流深明顯減小，且水田大面積增多能夠促進水面蒸散發，從而減少產流，同時林地的增多也滯緩了徑流形成，使得徑流量明顯減少。

本研究就土地利用變化對流域徑流影響進行了定性分析與定量分析，取得了一些初步的研究成果。但是，資料獲取有局限性，研究中還存在著很多問題與不足，需要進一步完善和改進，特別是如何區分復雜變化下單一土地利用類型對徑流的貢獻率，將是未來研究的方向。

參考文獻：

[1]QU Simin，BAO Weimin，SHI Peng，et al.Evaluation ofRunoff Responses to Land Use Changes and]，and CoverChanges in the Upper Huaihe River Basin，China[J].Journal of Hydrologic Engineering，2012，17（7）：800-806.

[2]SCHILLING K E，GASSMAN P W，KLING C L，et al.ThePotential for Agricultural Land Use Change to Reduce FloodRisk in a Large Watershed[J].Hydrological Processes，2014，28（8）：3314-3325.

[3]HE Y，LdN K，CHEN X.Effect of Land Use and ClimateChange on Runoff in the Dongjiang Basin of South China[J].Mathematical Problems in Engineering，2013（1）：14-26.

[4]姚允龍，呂憲國，王蕾.流域土地利用/覆被變化水文效應研究的方法評述[J].濕地科學，2009，7（1）：83-88.

[5]豐華麗，王超，朱光燦，等.土地利用變化對流域生態需水的影響分析[J].水科學進展，2002，13（6）：757-762.

[6]袁藝，史培軍.土地利用對流域降雨—徑流關系的影響：SCS模型在深圳市的應用[J].北京師范大學學報（自然科學版），2001，2（1）：131-136.

[7]吳森，石朋，孫勇，等.土地利用變化對淮河上游小流域設計洪水的影響研究[J].西安理工大學學報，2015，31（3）：366-373.

[8]劉吉峰，霍世青，李世杰，等.SWAT模型在青海湖布哈河流域徑流變化成因分析中的應用[J].河海大學學報（自然科學版），2007，35（2）：159-163.

[9]楊小強，石朋，包為民，等.SWAT模型在淮河息縣流域的參數敏感性及不確定性研究[J].中國農村水利水電，2013（10）：33-36，41.

[10]SAJIKUMAR N，REMYA R S.Impact of Land Cover andLand Use Change on RunoffCharacteristics[J].Journal ofEnvironmental Management，2015，161：460-468.

[11]周敏敏，瞿思敏，石朋，等.淮河上游大坡嶺流域土地利用方式變化引起的流域滯時變化[J].河海大學學報（自然科學版），2015，43（2）：100-106.

[12]蔡濤，李瓊芳，宋秀民，等.基于空間信息平臺的土地利用方式變化徑流響應模擬[J].河海大學學報（自然科學版），2009，37（5）：563-567.

[13]賴格英，吳敦銀，鐘業喜，等.SWAT模型的開發與應用進展[J].河海大學學報（自然科學版），2012，40（3）：243-251.

[14]孫愛立，余鐘波，楊傳國，等.我國水系提取閾值影響因素分析[J].水利學報，2013，44（8）：901-908.

[15]徐宗學，程磊.分布式水文模型研究與應用進展[J].水利學報，2010，41（9）：1009-1017.

[16]王中根，劉昌明，黃友波.SWAT模型的原理、結構及應用研究[J].地理科學進展，2003，22（1）：79-86.

[17]陳昂，隋欣，王東勝，等.小浪底水庫周邊生態承載力時空動態評價[J].人民黃河，2016，38（4）：69-73.

[18]陳昂，隋欣，王東勝，等.黃河下游河道沿岸景觀格局時空動態變化研究[J].水電能源科學，2014，32（11）：107-110.