1995-2016年三岔河上游土地利用變化對徑流的影響

田仁偉， 趙翠薇， 賀中華， 徐志榮

(貴州師范大學 地理與環境科學學院， 貴州 貴陽 550025)

隨著全球變化研究的深入，土地利用/覆被變化與水文過程的相互作用成為全球生態與環境研究的熱點和前沿問題之一[1-2]。土地利用/覆被變化(LUCC)的重要環境效應，是以水文效應的形式而體現[3]，LUCC對流域水量的影響是這一效應最迅速、最直接的表現[4]，對流域生態環境具有重要影響[5]。降雨是徑流產生的一個必要條件，降雨的多少會直接影響徑流的大小，但有降雨不一定能產生徑流，下墊面性質是影響徑流產生的一個充分不必要條件[6]。土地利用變化引起下墊面性質的改變，會影響地表截留、填洼、下滲、水分蒸發等過程，對徑流產生過程有顯著影響[7]。不同地類的涵養水源能力差異較大，主要表現為：水域>林地>草地>耕地>建設用地>未利用土地[8]。國內外大多數研究認為植樹造林會使年徑流減少[9]，流域土地利用結構變化對徑流的變化具有顯著影響[10-13]。

黔中地區因地處兩江分水嶺河源地帶、巖溶地貌發育強烈、水土流失嚴重、生態環境較為脆弱的山區，山高谷深水源低，雨多水少不易蓄，坡陡土薄涵水弱，水資源開發利用難度大，且水資源時空分配不均，人均水資源量少。作為貴州省經濟較發達的地區，用水需求較大，缺水成為限制其發展的首要問題[14]。三岔河上游流域作為黔中水利樞紐工程的水源區，對整個黔中地區水資源的分配起到至關重要的作用，從烏江上游三岔河取水的黔中水利樞紐工程是為解決該地區經濟發展用水而建設的重要調水工程，可緩解黔中地區用水緊張問題[15-16]。目前對三岔河上游流域的研究主要有以下幾方面：侯文娟等[17]基于SWAT模型模擬了烏江三岔河生態系統產流服務及其空間變異特征；張一鳴等[18]對三岔河上游近50 a降水徑流變化特征進行了研究；侯祎亮等[19]對貴州省三岔河流域水化學特征及其控制因素進行了研究；焦樹林等[20]研究了三岔河流域水文特征與化學風化碳匯效應。以上研究多是對三岔河上游流域徑流變化或水質狀況進行單一研究和分析，在土地利用變化對徑流影響方面研究較少，且此項研究對于流域水資源的利用和調配具有較強的現實意義。因此，本文選取黔中水利樞紐工程水源區——三岔河上游流域作為研究區，采用回歸分析的方法分析1995—2016年三岔河上游流域降雨和徑流的演變過程，并結合降雨和徑流的結果模擬，探討降雨和土地利用變化對徑流的影響，以期為預測未來流域水資源變化規律和黔中水利樞紐工程水資源的調配提供一定的參考依據。

1 研究區概況

三岔河為烏江南源一級支流，位于104°18′—106°18′E，26°10′—27°00′N之間，流域面積7 264 km2。三岔河發源于貴州高原西部烏蒙山，流經貴州省畢節地區、六盤水市、安順市，河流全長325.6 km，其中流域內95%為山地和丘陵[21]。流域地勢西高東低，海拔在911～2 330 m之間，大部分地區屬于亞熱帶季風性濕潤氣候區，氣候濕潤溫和、雨量充沛，年均降水量為1 300 mm。三岔河上游流域處在貴州省西北部，位于104°19′—105°31′E，26°11′—27°00′N之間，流域面積為3 754.89 km2，生態環境較為脆弱，流域土地利用類型主要以林地、耕地、草地以及建設用地為主，其中林地的面積比例較大，其次是耕地和草地，建設用地、未利用土地和水域的面積比例較小。

2 數據與研究方法

2.1 數據來源

土地利用數據來源于《貴州省生態環境十年(2000—2010 年)變化遙感調查與評估》及《貴州省2016年生態環境監測》數據，分辨率為30 m的數字高程模型數據(DEM)。根據LUCC分類系統，將研究區土地利用類型合并為耕地、林地、草地、建設用地、未利用土地和水域6個一級地類。

降雨數據取自流域內3個雨量站(二塘、南開、付家寨)和3個水文站(向陽、陽長、龍場橋)提供的1995—2016年月平均降雨數據。徑流量用年徑流深表示，數據來源于三岔河上游龍場橋水文站1995—2016年的實測月平均徑流資料。

2.2 研究方法

2.2.1 研究區范圍及水系的提取 采用ArcGIS Desktop提供的水文分析工具Hydrology進行流域河網水系特征信息的提取，主要的內容包括DEM數據填洼、計算水流方向、計算柵格單元累積匯流量、生成流域河網水系4方面[22]。具體流程如圖1所示。

圖1 基于Hydrology水文分析工具提取河網水系流程

2.2.2 降雨和徑流的回歸分析 以黔中水利樞紐平寨水庫的修建時間將流域降雨與徑流演變過程劃分兩個階段，第一階段(1995—2010年)，第二階段(2010—2016年)。采用一元線性回歸方程對降雨和徑流進行分析，檢驗降雨和徑流的相關性。具體數學表達式如下：

y=a+bx

(1)

式中：y——年平均徑流深(mm)；x——年平均降雨量(mm)。

2.2.3 土地利用動態變化 采用變化量和變化幅度兩個土地利用動態指標表征土地變化狀況。變化量表示某種土地利用類型在前后兩個時期內的面積數量變化的大小，土地利用變化率指某種土地利用類型的變化量占其在研究初期面積的比率，反映土地利用類型變化的劇烈程度[23]。具體的數學表達式為：

ΔS=Sb-Sa

(2)

K=(Sb-Sa)/Sa×100%

(3)

式中：Sa，Sb——研究初期和末期某種土地利用類型的面積數量(km2)； ΔS，K——研究時段內某種土地利用類型的變化量和變化率(%)。

2.2.4 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣是定量研究土地利用類型間相互轉化的數量和方向的主要方法，能具體反映土地利用變化的結構特征和各類型間的轉移方向[24]。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

流域土地利用類型主要以林地、耕地和草地為主，還有少量水域、建設用地和未利用地，3種主要土地利用類型面積之和占流域總面積的比例在4個時期分別為97.17%，97.11%，96.91%，95.31%，動態變化不顯著(如圖2所示)。2000—2016年，流域土地利用結構變化較為顯著，其中林地面積占流域總面積在4個時期的比例依次是37.57%，37.97%，38.93%，40.98%，所占比例呈持續上升的趨勢；草地面積呈持續上升的趨勢，所占比例依次為20.43%，21.20%，21.52%，22.95%；建設用地所占比例依次為1.64%，1.70%，1.90%，3.80%，呈持續增加趨勢；耕地面積呈持續下降趨勢，所占比例依次為39.17%，37.94%，36.46%，31.38%；水域和未利用地面積所占比例較小，且變化不明顯。

圖2 三岔河上游2000-2016年土地利用結構變化特征

流域土地利用的轉移矩陣如表1所示。2000—2005年，土地利用變化趨勢主要是耕地向草地、林地、建設用地分別轉移了28.98，15.09，2.04 km2，轉移率為1.97%，1.03%，0.14%。2005—2010年，草地向林地轉移了9.38 km2；耕地向草地、林地和建設用地分別轉移了21.32，26.96，7.64 km2，轉移率分別為1.50%，1.87%，0.54%。2010—2016年，土地利用變化的主要趨勢是草地分別向耕地、林地和建設用地轉移了194.65，294.40，38.05 km2，轉移率為24.09%，36.38%，4.71%；耕地向草地、林地和建設用地分別轉移了304.76，330.41，48.14 km2，轉移率為22.26%，24.13%，3.52%；林地向草地、耕地和建設用地轉移了259.34，283.63，22.5 km2，轉移率為17.74%，19.40%，1.54%。

表1 2000-2016年三岔河上游土地利用類型面積轉移矩陣 km2

3.2 降雨與徑流的變化趨勢分析

1995—2016年，三岔河上游流域年平均降雨量為1 088.40 mm，年平均徑流深為911.45 mm。其中，年平均降雨量是根據流域內3個雨量站和3個水文站提供的1995—2016年月平均降雨數據計算而得，年平均徑流深用龍場橋水文站實測月平均徑流資料計算而得。

利用Mann-Kendall秩次相關法來檢驗年徑流和降水的變化趨勢[25]。Mann-Kendall法的統計量τ和標準化變量U的計算公式為:

(4)

(5)

(6)

式中：P——x1,x2,… ,xn系列中所有對偶值(xi,xj,j>i)中xiU(0.05，2)=1.96，說明年降雨的下降趨勢較為顯著(圖3)。從二者的多年距平百分率變化情況看(圖3)，二者的波動情況不一致，年徑流的波動幅度大于年降水的波動幅度。可見，降雨是引起徑流變化的主要因素，但其他因素在一定程度上對徑流的變化造成一定的影響，主要表現為人類活動影響下的土地利用變化對徑流產生的影響。

根據平寨水庫的修建時間，將流域降雨和徑流的演變過程劃分為兩個階段，對第一階段(1995—2010)年和第二階段(2010—2016)年的降雨和徑流進行回歸分析，結果顯示，1995—2010年，降雨和徑流存在顯著的線性回歸關系，表明降雨是徑流形成的主要原因；2010—2016年間，降雨和徑流之間的顯著性降低，表明降水對徑流的影響作用下降。

根據表2的方程，進行顯著性檢驗后，對徑流進行假設與模擬，假設在兩個時期內降雨量均為1 200 mm，運用表2的回歸方程進行模擬，所得出兩個時期的y值分別為1 097.534 mm和875.561 mm，實測值分別為1 055.4 mm和794.07 mm，模擬值與實測值之間具有一定的差距，說明除了降雨對徑流的影響外，還有其他因子對徑流有影響，主要表現為：人類活動影響下的土地利用結構變化在一定程度上對徑流的變化產生影響，以及黔中水利樞紐工程平寨水庫的修建對流域水量平衡的調節作用對徑流變化帶來的影響。

圖3 1995-2016年降雨和徑流的變化趨勢表2 降雨和徑流之間的回歸方程

年 份回歸方程變量解釋相關檢驗R1995—2010y=1.2x-342.466y,x分別為年平均徑流量和降雨量R=0.917**2010—216y=0.772x-50.839y,x分別為年平均徑流量和降雨量R=0.641

注：**表示在0.01水平(雙側)顯著相關。

3.3 土地利用變化對徑流的影響

根據2000年、2005年、2010年和2016年4期的土地利用動態變化指標和轉移矩陣(表1和表3)，分析土地利用變化對徑流的影響，分析結果如下。

(1) 2000—2016年徑流總體呈波動下降的趨勢。1995—2010年，流域土地利用類型主要以林地、耕地和草地為主，3種土地類型面積之和分別占3個時期流域總面積的97.17%，97.11%，95.31%，土地利用結構變化較為明顯，主要變化趨勢為林地和草地面積增加，耕地面積逐漸減少，導致流域降雨截留能力增強，產流能力降低，是除降雨對徑流的影響外造成徑流持續減少的主要原因。2010—2016年，流域土地利用結構變化明顯，主要表現為林地和草地的增加，耕地和未利用地的減少，表明生態環境得到改善，水源涵養能力得到增強，是使徑流大幅減少的主要原因。此外，黔中水利樞紐工程平寨水庫的修建對地表徑流有較強的攔蓄和調節水作用，在一定程度上造成徑流減少。

表3 不同時期土地利用類型變化量與變化率

(2) 2000—2005年間，降雨和徑流呈持續下降的趨勢，徑流從1 194.00 mm下降到676.59 mm，變化幅度較降雨要大，為517.41 mm。流域內土地利用變化的主要趨勢是草地和林地面積增加，變化量分別為27.98，15.09 km2，變化率為3.78%和1.07%；耕地面積減少46.12 km2，變化率為-3.14%；建設用地增加了2.04 km2，變化率為1.64%。耕地向草地、林地和建設用地的轉換是流域內土地利用變化的主導過程，轉移量分別為28.98，15.09，2.04 km2，轉移率為1.97%，1.03%，0.14%。土地利用結構的變化使流域對降雨的截留作用加強，特別是林地和草地的增加，削弱流域產流能力，導致徑流持續下降。2005—2010年間，降雨和徑流總體呈波動下降趨勢，兩者變化幅度都較大，降雨和徑流分別864.07～1 259.00 mm和676.59～1 142.30 mm之間變化，但徑流的變化更為顯著，變化幅度較降雨要大，為465.71 mm。期間流域草地和林地面積分別增加11.93，36.08 km2，變化率為1.5%，2.53%；耕地面積減少55.64 km2，變化率為-3.91%；建設用地面積增加7.64 km2，變化率為12%。耕地向草地、林地和建設用地的轉化構成流域土地利用變化的主導過程，轉移量分別21.32，26.69，7.64 km2，轉移率分別為1.50%，1.87%，0.54%；草地向林地轉移了9.39km2，轉移率1.18%。由此可知，流域建設用地面積的大幅增加，導致地表不透水面面積的擴大，一方面增強流域的產流能力，另一方面削弱地表對降雨的截留作用及水源涵養能力，導致徑流變化幅度增大。

2010—2016年間，降雨和徑流的變化趨勢基本一致，總體呈下降趨勢，降雨在831.15～1 241.40 mm之間變化，徑流在531.33～997.70 mm之間波動變化，變化較為顯著，下降幅度較降雨要大，為466.37 mm。期間流域土地利用結構變化較為明顯，主要表現為：草地和林地面積分別增加136.77 km2和79.71 km2，變化率為16.93%和5.25%；建設用地增加71.31 km2，變化率為100.03%；耕地減少190.70 km2，變化率為-13.93%；未利用土地減少了31.19 km2，變化率為-83.97%。草地向耕地、林地、建設用地和水域的轉化和耕地向草地、林地、建設用地和水域的轉化以及林地向草地、耕地、建設用地和水域的轉化構成流域土地利用變化的主導過程。林地、草地面積的持續增加以及未利用地的減少，表明流域土地利用結構變化狀況逐漸轉好，生態環境質量得到提高，對降水的截留作用及對水源的涵養作用進一步增強，導致產流能力下降，流域土地利用變化是除降雨對徑流的影響外，造成徑流大幅減少的主要原因。此外，黔中水利樞紐工程平寨水庫的修建：一方面使流域水域面積增加20.12 km2，流域水源涵養作用得到增強；另一方面，水庫的修建具有較好攔蓄地表徑流和調節水量平衡的作用，豐水期防止極端徑流的出現，降低洪澇災害的風險，平水期為下游地區提供灌溉水源，枯水期可以起到涵養水源和儲存水量的作用，在一定程度上對徑流減少具有重要影響。另外，水庫的修建和生態環境的改善對流域水量的調節和水源的凈化具有重要意義。

4 結 論

1995—2016年，三岔河上游流域降雨和徑流總體呈現出波動下降的趨勢。1995—2005年(第一階段)流域年降雨和徑流呈持續下降的趨勢，徑流的下降幅度比降雨大，從1 194.00 mm下降到676.59 mm，下降幅度為517.41 mm，期間流域土地利用結構變化較為明顯，草地和林地分別增加了3.78%，1.07%，耕地減少3.14%，除受降雨對徑流影響外，土地利用變化是導致徑流持續減少的主要原因。2005—2010年徑流呈波動下降趨勢，變化幅度較降雨要大，為465.71 mm，期間建設用地增加了12%，是造成徑流大幅變化的主要原因。2010—2016年(第二階段)降雨與徑流的變化總體呈下降趨勢，徑流在531.33～997.70 mm之間波動，且變化幅度較降雨要大，為466.37 mm，期間流域土地利用結構變化較為明顯，草地和林地分別增加了19.93%，5.25%，耕地和未利用土地分別減少13.93%，87.97%，表明流域態環境逐漸改善，對降雨的截留作用增強，導致徑流大幅減少。此外，黔中水利樞紐工程平寨水庫的修建對徑流具有較強的調節作用，在一定程度上對徑流減少具有重要作用。

基于降雨和徑流演變的回歸分析模擬試驗，結合土地利用動態變化指標和轉移矩陣，定性和定量研究土地利用變化對徑流的影響，其結果具有一定的參考意義。但由于水文過程的復雜性，所涉及的因素較多，研究所選取降雨和土地利用變化兩個影響因子，雖然在一定時間段上能定性和定量分析土地利用結構變化對徑流所產生的影響，但在預測未來土地利用狀況對徑流的影響上存在一定的難度，需要進一步的完善。