朱溪小流域土地利用/覆蓋變化水文響應(yīng)分析

周偉東 汪小欽 朱雄斌

摘要 定量模擬土地利用/覆蓋對流域徑流的影響，對于揭示水文循環(huán)規(guī)律和水土流失治理等具有重要意義。以福建省長汀縣朱溪小流域為研究區(qū)域，在2011年土地利用/覆蓋（S0）基礎(chǔ)上，設(shè)置林地S1、耕地S2、園地S3和退耕還林S4共4種土地利用/覆蓋情景。利用SWAT模型，定量模擬朱溪小流域月平均徑流在不同土地利用/覆蓋情景下的變化情況。研究表明，不同情景下朱溪小流域月平均徑流量的變化規(guī)律一致，但變化幅度不同，徑流量從大到小依次為S2、S0、S3、S4、S1。說明在現(xiàn)有土地利用/覆蓋條件下，大量開墾耕地將使徑流量大幅度增加，增加林地的面積能有效地減少徑流量。徑流量大小主要由降雨量決定，土地利用/覆蓋對其起調(diào)節(jié)作用。在不改變土地利用/覆蓋基本格局的前提下，退耕還林是最為可行的徑流量減少方案。

關(guān)鍵詞 SWAT模型;水文響應(yīng);徑流量;土地利用/覆蓋;長汀縣;朱溪小流域

中圖分類號 TP79 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）10-0058-04

Abstract It is of great significance to quantitatively simulate land use and land cover impact on runoff in river basin for hydrological cycle and soil erosion control.This article took Zhuxi Watershed as the study area，which locates in Changting County of Fujian Province.Four scenarios based on land use and land cover status （S0） in 2011，namely forest scenario （S1），cultivated land scenario （S2），garden plot scenario （S3） and reforestation of arable land scenario （S4） were set up.Average monthly runoffs of Zhuxi watershed were simulated quantitatively using SWAT model.Results showed that variation trends of average monthly runoffs with time were consistent under different scenarios.Variation amplitudes of runoffs were different under different scenarios and the scenario order of variation amplitudes from big to small was S2，S0，S3，S4，S1.Runoffs would greatly increase with increase in arable land，while effectively decrease with increase of forest area.Runoff is mainly determined by precipitation，while land use and land cover has a regulating effect on it.The forestation of arable land scenario is the most feasible way to reduce runoff without changing the basic land use and land cover pattern.

Key words SWAT model;Hydrological response;Runoff;Land use and land cover;Changting County;Zhuxi Watershed

土地利用/覆被變化（LUCC）對流域水文過程有著明顯的影響，能引起水土流失、土地 退化、水環(huán)境惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1-2]。通過構(gòu)建水文模型，定量模擬和預(yù)測LUCC對流域徑流的影響，對于揭示水文循環(huán)規(guī)律、土地規(guī)劃管理、水土流失治理等具有重要意義。

分布式水文模型是水文模型未來發(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)[3]，其中由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心與德克薩斯農(nóng)工大學(xué)開發(fā)的SWAT（soil and water assessment tool）模型對多個水文模型的特征進(jìn)行了整合，是目前應(yīng)用最為廣泛和最有代表性的分布式水文模型，具有很強(qiáng)的物理機(jī)制，被廣泛應(yīng)用于流域產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬和污染物遷移等[4-9]。SWAT模型通過模擬水循環(huán)和土壤侵蝕的物理過程，可以預(yù)測人類活動和氣候變化對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙以及化學(xué)物質(zhì)的長期影響。SWAT模型在流域徑流的模擬中應(yīng)用廣泛，不少學(xué)者利用SWAT模型，通過土地利用/覆蓋變化或者設(shè)置不同的土地利用/覆蓋情景，定量分析與研究流域LUCC與徑流的響應(yīng)關(guān)系[1，10-16]。

筆者選擇福建省長汀縣朱溪小流域為研究區(qū)，應(yīng)用SWAT模型，通過2011年土地利用/覆蓋格局，構(gòu)建不同土地利用/覆蓋類型情景，定量模擬不同情景對徑流過程的影響，以期為朱溪小流域的自然資源開發(fā)利用、合理配置及水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

朱溪小流域地處25°38′15″～25°42′55″N， 116°23′30″～116°30′30″E，位于福建省西部長汀縣境內(nèi)（圖1），亞熱帶季風(fēng)氣候，流域總面積約為44.96 km2。朱溪河總長為13.9 km，是汀江流域的一級支流。流域地勢自東北向西南傾斜，海拔為268～684 m;流域災(zāi)害性天氣較多，山地丘陵地貌且以低山為主，地形復(fù)雜，地勢陡峭。成土母質(zhì)以花崗巖為主，由于中亞熱帶季風(fēng)性氣候雨量充沛、年內(nèi)分配不均等特點(diǎn)，風(fēng)化作用十分強(qiáng)烈，易受侵蝕。區(qū)域內(nèi)植被屬中亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，原生植被因受到土壤侵蝕和人為破壞基本都已轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊郑瑯浞N結(jié)構(gòu)較為單一，群落結(jié)構(gòu)簡單。該流域的地貌特點(diǎn)、母質(zhì)巖性、植被情況和氣候環(huán)境等共同導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的脆弱性，加上早期人為破壞使得該區(qū)域成為我國南方花崗巖紅壤侵蝕區(qū)的典型代表。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與處理

SWAT模型輸入數(shù)據(jù)主要包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫兩大類，完整而詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是SWAT模型運(yùn)行的保障，直接影響到模型模擬的精度。此次研究收集到的數(shù)據(jù)主要包括地形數(shù)據(jù)、土地利用/覆蓋類型圖、土壤類型分布圖、土壤物理屬性數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)（如逐日降雨量、溫度、太陽輻射量等）、水文數(shù)據(jù)（流域內(nèi)卡口站的徑流泥沙數(shù)據(jù)）等。

地形數(shù)據(jù)是SWAT模型模擬的首要數(shù)據(jù)，也是最基本的地理要素，地形數(shù)據(jù)采用1∶1萬DEM數(shù)據(jù)（圖2a），通過地形數(shù)據(jù)進(jìn)行水系提取、子流域劃分獲取基本的地理特征參數(shù)。土地利用/覆蓋類型是采用面向?qū)ο蠓诸惙椒▽?011年的長汀地區(qū)0.5 m WorldView影像處理獲得（圖2b）。建立土壤數(shù)據(jù)庫是進(jìn)行模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的關(guān)鍵過程，該研究采用的表層（0～20 cm）土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的野外土壤采集，采用SolIM模型的線性加權(quán)方法結(jié)合模糊聚類方法對采樣點(diǎn)上土壤的屬性進(jìn)行插值（圖2c）[17];第二層土壤數(shù)據(jù)來源于HWSD（harmonized world soil database）數(shù)據(jù)庫。

氣象數(shù)據(jù)采用2013—2015年位于朱溪小流域東部的河田氣象站（圖2a的黑色點(diǎn)）實(shí)測的逐日降雨數(shù)據(jù)，其余采用中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站和美國國家環(huán)境預(yù)報中心的氣象數(shù)據(jù)，少量缺失的數(shù)據(jù)利用SWAT模型的天氣生成模擬器生成。徑流數(shù)據(jù)來源于游屋圳子流域卡口站（圖2a的綠色點(diǎn)）的觀測值，包括水位、流速、含沙量、輸沙率，主要用于模型校準(zhǔn)和驗證。2013—2014年的實(shí)測數(shù)據(jù)用于模型的校準(zhǔn)，2015年的實(shí)測數(shù)據(jù)用于模型的驗證。

2.2 SWAT模型構(gòu)建

首先利用DEM數(shù)據(jù)，設(shè)置流域集水面積并確定分水線，提取河網(wǎng)并劃分子流域，經(jīng)過對河道最小匯面積閾值的反復(fù)試驗，最終劃分了55個子流域;在HRUs分析過程中，通過加載土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型和坡度分類數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)疊加分析，選取適當(dāng)閾值劃分了292個HRU，基本保證每個子流域上平均3～5個HRU。每個HRU內(nèi)的水平衡是利用地表徑流、壤中流、降水、蒸散發(fā)、滲透、河道運(yùn)移損失以及地下水回流進(jìn)行計算。參數(shù)敏感性分析采用SWATCUP模塊，通過多元回歸模型完成。模型校準(zhǔn)主要是在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)通過對模型參數(shù)的調(diào)整，使模擬值不斷接近實(shí)測值，減少與實(shí)測值之間的誤差。利用流域內(nèi)游屋圳小流域卡口站月徑流數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行預(yù)熱、校準(zhǔn)和驗證。

利用相對誤差、相關(guān)系數(shù)和納什系數(shù)對驗證期的徑流量實(shí)測值和模擬值進(jìn)行對比驗證，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為吻合，基本能反映研究區(qū)的徑流過程。

2.3 不同土地利用/覆蓋情景設(shè)置

為評估朱溪小流域土地利用/覆蓋變化對流域徑流的影響，在2011年土地利用/覆蓋（圖2b，記為情景S0）的基礎(chǔ)上，設(shè)置4種土地利用/覆蓋情景進(jìn)行定量模擬（圖3）。

S1（林地情景）：保持2011年土地利用/覆蓋類型中的疏林地、裸土、交通用地、居民區(qū)、水域不變，將土地利用/覆蓋類型為耕地和園地設(shè)置為林地。

S2（耕地情景）：保持2011年土地利用/覆蓋類型中的疏林地、裸土、交通用地、居民區(qū)、水域不變，將土地利用/覆蓋類型為林地和園地設(shè)置為耕地。

S3（園地情景）：保持2011年土地利用/覆蓋類型中的疏林地、裸土、交通用地、居民區(qū)、水域不變，將土地利用/覆蓋類型為耕地和林地設(shè)置為園地。

S4（退耕還林情景）：保持2011年土地利用/覆蓋類型中的疏林地、裸土、交通用地、居民區(qū)、水域、園地不變，按照國家退耕還林的相關(guān)規(guī)定，提取坡度大于25°的耕地和裸地，并將其設(shè)置為林地。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用/覆蓋情景面積差異

朱溪小流域土地利用/覆蓋類型以林地為主，占64.09%;其次是耕地，占18.83%;裸地和建設(shè)用地分別占6.64%和5.66%，其余地類所占百分比均不超過2%。不同土地利用/覆蓋情景下各地類面積統(tǒng)計如表1所示，主要區(qū)別在于有林地、耕地、園地和裸地面積的差異。

S1情景中林地面積在S0的基礎(chǔ)上增加2 644.83 hm2，林地所占比例由S0的64.09%增加到S1的84.49%;S2情景中耕地面積增加8 510.73 hm2，耕地所占比例由S0的18.83%增加到S2的84.49%;S3情景中園地面積增加10 747.08 hm2，園地所占比例由S0的1.58%增加到S3的84.49%;S4情景中耕地轉(zhuǎn)林地的面積為9.73 hm2，裸地轉(zhuǎn)林地的面積為860.91 hm2，林地總面積增加了870.64 hm2，林地、耕地和裸地所占比例分別由S0的64.09%、18.83%、6.44%變?yōu)镾4的70.81%、18.76%、0。

3.2 不同土地利用/覆蓋情景對徑流量的影響

將5種不同情景下的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)加載到校準(zhǔn)后的SWAT模型中，保持其他參數(shù)不變，定量模擬不同土地利用/覆蓋情形對朱溪小流域徑流變化的影響。模擬的2013年月平均徑流量變化如圖4所示。

從圖4可以看出，在不同土地利用/覆蓋情景下，朱溪小流域月平均徑流量的變化趨勢基本一致，只是在徑流量上呈現(xiàn)不同幅度的波動。不同情景下月平均徑流量從大到小的排列順序為S2、S0、S3、S4、S1。相對于S0，S2情景下徑流量增加了14.95%，而S1、S3和S4情景下徑流量分別減少了15.16%、5.21%和5.97%。在情景S2下，每個月徑流量都有所增加，而其他情景條件下，每個月的徑流基本都減少，特別是林地增加對徑流減少作用比較顯著。

通過對不同情景下月平均徑流量（m3/s）與月平均降雨量（mm/h）的線性回歸分析（表2，回歸方程中x代表降雨量，y代表徑流量），發(fā)現(xiàn)在不同情景下，徑流量與降雨量都有很強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于0.9。土地利用/覆蓋變化對徑流量有調(diào)節(jié)作用，差異主要體現(xiàn)在回歸方程的斜率上，體現(xiàn)了單位降雨量引起的徑流量變化，S0～S4情況分別為1.480 3、1.401 5、1.647 3、1.444 7和1.435 6，與S0的相對差異分別為-5.26%、11.28%、-2.40%和-3.02%。即與S0相比，每增加單位降雨量（mm/h），耕地情景S2使得徑流量增加11.28%，林地情景S1使得徑流量減少5.26%，退耕還林情景S4使得徑流量減少3.02%，園地情景S3僅減少2.40%。說明耕地的大量增加不利于水土保持;退耕還林對現(xiàn)有土地利用/覆蓋格局改變最小，而其對徑流量的減少僅次于大量的林地增加。因此，在不改變現(xiàn)有土地利用/覆蓋基本格局的前提下，退耕還林是最為可行的徑流量減少方案，能夠較為有限地減少徑流量。

以上分析表明，耕地面積的增加使得流域內(nèi)徑流量明顯增加，最不利于水土保持;林地的保水效果最好，林地面積增加能有效減少徑流量;退耕還林情景僅次于林地情景，優(yōu)于園地和現(xiàn)有的土地利用/覆蓋方式。說明退耕還林在修復(fù)生態(tài)環(huán)境的同時，有較好的保水效果，可以作為水土保持的重要措施。

4 結(jié)論

利用SWAT模型，通過構(gòu)建不同的土地利用/覆蓋情景，定量模擬朱溪小流域月徑流變化，結(jié)果表明：①不同土地利用/覆蓋情景下，朱溪小流域月平均徑流量的變化趨勢保持一致，但在徑流量上呈現(xiàn)不同幅度的波動，耕地情景S2徑流量最大，林地情景S1徑流量最小，退耕還林情景S4徑流量僅大于林地情景S1。說明在現(xiàn)有土地利用/覆蓋格局下，大量開墾耕地將使徑流量大幅度增加，增加林地的面積能有效地減少徑流量。②徑流量與降雨量有很強(qiáng)的正相關(guān)性，徑流量大小主要由降雨量大小決定，土地利用/覆蓋對徑流量起重要的調(diào)節(jié)作用。在不改變土地利用/覆蓋基本格局的前提下，退耕還林是最為可行的方案，可以兼顧生態(tài)環(huán)境修復(fù)與保水固沙的作用。

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