土地利用變化對盤龍江流域產流過程的影響分析

楊麗萍，鄒 進

(1.云南省水文水資源局 ，昆明 650106；2.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650100)

1 研究背景

變化環境中的水文循環研究成為 21 世紀水科學研究熱點，短期內的土地利用和覆被變化是改變水文循環的主要因素之一[1]。隨著城鎮化的建設，人類活動引起的土地利用變化日益顯著，而土地利用變化通過改變不同界面[2]的水分交換量影響徑流時空分布及流域水循環過程[3]。水文過程及特點的變化與土地利用方式之間相互影響，錯綜復雜[4]。研究土地利用變化在流域內的水文響應過程，將為流域水土資源的開發利用和管理決策奠定科學基礎[2]。

目前， 國內外的學者關于流域的水文過程模擬研究多采用分布式水文模型SWAT( soil and water assessment tool)，且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[5]，其中以情景模擬較為多見[6]，且主要以模擬地表徑流居多。如：GEBREMICAEL T G 等[7]基于SWAT 模型,對埃塞俄比亞高原的土地利用變化對水文響應進行研究，結果表明土地利用變化是導致青尼羅河徑流量顯著變化的主要原因。高倩等[8]利用SWAT水文模型設置了大汶河流域在極端土地利用情景下設計模擬流域內的徑流響應，結果表明在耕地情境和林地情境下，徑流量減少，而在草地情境下，徑流量增加；金鑫等[9]基于LU-SWAT模型的土地利用/覆被變化對黑河上游的水文過程影響進行研究，結果表明1990-2001年流域的地表徑流、側向流、蒸散發量以及總產水量均增加而地下徑流減少的主要原因有可能是林地的減少造成的，而2002-2009年流域地表徑流、側向流、蒸散發量以及總產水量減少而地下徑流量增加的主要原因有可能是裸地的大面積減少；孫麗娜[10]等通過將SWAT與CLUE-S模型耦合,定量評估了東遼河流域未來2種不同情景模式下的土地利用變化對流域水文過程長期的影響，結果表明植被覆蓋率與徑流的流失量呈反比；成向榮[11]等利用SWAT-CUP建立衢江流域模型研究植被覆蓋變化對流域水文效應的影響，結果表明大面積發展經濟林會增加地表徑流,減少地下水補給,植被水源涵養功能減弱。然而，現目前的大部分研究主要是針對流域內的土地利用變化對年、月、豐、枯等時間段的徑流影響進行分析，而徑流形成過程中的地表徑流、土壤水、蒸散發等水文通量對流域內的水文過程影響研究有所欠缺[12]。

盤龍江是昆明市的母親河，貫穿整個昆明主城區，流域面積為724.84 km2，且昆明市的成熟經濟帶大部分都集中在盤龍江流域內，因此河道的人為干擾程度較高，下墊面的變化對水文過程帶來的影響與人工修建閘壩相比，前者的可控性和可恢復性更難，需要我們引起格外重視。在前期建立的盤龍江流域SWAT 模型[13]及流域內1994、2000、2008年三期土地利用數據的條件下，對盤龍江流域的水文過程進行定量分析。通過研究分析各水文通量對流域水文過程的影響，可有效制定城市防洪規范，改善水環境，對優化流域內土地利用規劃具有指導意義[14]，為實現流域水資源科學管理提供依據。

2 研究區域概況

盤龍江流域位于昆明市，年平均溫度14.5 ℃，最熱月(7月)平均氣溫19.7 ℃，最冷月(1月)平均氣溫7.5 ℃，年溫差12～13 ℃。多年平均降水量975.3 mm，其中雨季(5-10月)的降水量占全年的85%～90%，相對濕度為74%。水面蒸發量在600～2 000 mm之間，陸面蒸發量在600～700 mm之間，河谷區高于山丘區。多年平均徑流深為305.2 mm，多年平均徑流量0.67 億m3[14]。全流域的土地利用類型為林地、草地、水域、建設用地、裸地和農業用地六類，其中林地、農業用地、城鎮用地占主導地位，占流域面積的96%以上。流域的土壤類型通過分類和合并，共分為水稻土、紅壤、亞熱帶山地紅壤、棕壤和城市不透水層五類。該研究流域的區域見圖1。

圖1 研究流域區域圖

3 研究方法與模型建立

3.1 數據來源

盤龍江流域的氣象數據來源于中國氣象數據共享服務網http:∥cdc.Cma.gov.cn /，主要包括昆明氣象站1956-2010年逐日氣溫(最高、最低、平均)、日降水、日照時數、平均風速與平均相對濕度等數據。水文數據來源于水利部水文局，包含松花壩站、敷潤橋站2個水文站1999-2007年的逐月徑流數據。土地利用數據來源為中國科學院資源環境科學數據中心提供的1994、2000、2008年的土地利用柵格圖，分辨率為25 m。數字高程(DEM)數據來源于中國科學院國際科學數據平臺，數據坐標系統采用WGS-84，空間分辨率為25 m[14]。土壤數據來源于中國科學院南京土壤研究所，分辨率為944.6 m。

3.2 研究方法

基于水量平衡原理，SWAT 模型將流域水文循環過程分為陸面部分和匯流部分[15]。前者描述了每個子流域內主河道的輸入量; 后者則描述了各河網向流域出口的輸移過程[16]。模型運行后，可對流域的地表徑流、基流、蒸發等水文通量進行模擬輸出。

為了定量區分土地利用變化對盤龍江流域水文循環的影響，本文在前期研究的土地利用數據年份為2000年的盤龍江流域SWAT 模型中[13]，對流域在1999-2007年的氣象條件下進行水文循環模擬。在氣象條件不變的前提下，將模型中2000年的土地利用數據分別替換為1994、2008年，進行流域的水文循環模擬過程，并對各土地利用情況下各個子流域的各水文通量[4]值進行統計，分析盤龍江流域在1994-2008年土地利用變化對水文過程的影響。

3.3 建立SWAT模型

流域的水文過程在空間上存有差異，為了能細化出整個流域的差異性，SWAT模型在進行模擬過程時，結合流域的DEM圖和流域閾值將流域劃分成30個子流域，790個HRUs(Hydrologic Response Unit，水文響應單元)。其中土地利用面積、土壤面積、坡度的最小閾值分別為1%、1%、10%，在此閾值條件下，可確保整個子流域的面積可以得到100%的模擬。

SWAT模型運用過程中，參數采用SWAT-CUP中的SUFI-2算法進行參數的率定和驗證，最終模擬出1999-2007 年氣象條件下盤龍江流域水文循環過程。結果顯示[13]：流域出口的敷潤橋站，其月徑流模擬率定期1994-2004年的模擬值大于實測值，相對誤差Re=1%，確定性系數R2=0.75，效率系數ENS=0.65；驗證期2005-2007年的模擬值大于實測值，Re=12%，R2=0.68，ENS=0.58[13]。總體來看，在率定期和驗證期R2均達0.6 以上，ENS大于0.55，Re小于15%，可見SWAT 模型的模擬精度基本滿足盤龍江流域的水文模擬過程，可為該流域在后續的水文循環研究奠定基礎。

4 結果與分析

4.1 1994-2008 年盤龍江流域土地利用變化分析

盤龍江流域地處滇中地區，貫穿昆明市區后流入滇池。而該流域內的原生植被在長期的歷史發展過程中，為了滿足人類日益增長的生產和生活需要，人為的對它進行了一系列的毀林開荒、陡坡開墾等干擾行為，嚴重破壞了流域內植被的生態環境。雖然后期對流域實施了植樹造林、封山造林、退耕還林等措施，植被覆蓋面積比例由少變多，但它對于蓄水保土性能、生態發展、水源涵養能力還是出現了下降[14]。

根據研究區域土地利用的整體情況，流域內的土地利用類型被分類為林地、草地、水域、建設用地、裸地、農業用地6 類(圖2)。不同時期土地利用變化情況見表1，1994-2008年的土地利用轉移矩陣見表2。

表1 不同時期土地利用變化情況

表2 1994-2008年的土地利用轉移矩陣

圖2 盤龍江流域土地利用圖(1994、2000、2008年)

4.1.1 土地利用類型變化分析

由表1 可見: ①在1994-2008年間，盤龍江流域的土地利用類型的主體為林地。林地面積占流域總面積平均71.46%，在15年間整體呈現先增加后減少的變化趨勢，整體僅減少2.73 km2，變化率為-0.54%，整體變化小。②農業用地占流域總面積平均約19.65% ，1994-2008 年呈現先減少后增加的變化趨勢，整體減少了68.53 km2，變化率為-34.21%，是流域內變化幅度最大的土地利用類型。③建設用地占流域總面積平均約6.60%， 1994-2008年呈現逐年遞增的變化趨勢，整體增加了52.23 km2，增長率206.04%。特別是2000-2008年較1994-2000年增長了約144.5%。④草地占流域總面積平均約1.0%，1994-2008年呈持續增長，共增加了10 km2，增長率為781.25%，是流域內變化率最大的土地利用類型。⑤裸地、水域面積整體有所增加。總體而言，1994-2008 年盤龍江流域的土地利用變化情況為：林地面積占比雖然整體有所降低，但仍為流域土地利用類型的主體；建設用地增加量最大，農業用地減少量最多，而草地、水域、裸地皆有所增加。

4.1.2 土地利用轉移矩陣分析

由表2 可見: ①增加的城鎮用地主要源于林地和農業用地的轉化，分別轉化了23.17和32.73 km2；②減少的農業用地向林地、城鎮用地、草地、裸地等發生了不同程度轉化，其中以林地和城鎮用地為主，分別為106.47和23.17 km2；③ 減少的林地主要向農業用地、城鎮用地進行轉化,分別轉化了66.72和32.73 km2；④農業用地和林地在兩個時段內農業用地向林地發生了一定的轉換。

4.2 土地利用變化對流域年徑流的影響

本文關于土地利用變化對流域年徑流的影響主要是通過統計的各個水文通量[4]來分析完成的。其中地表徑流、側向流以及基流之和等于徑流總量。盤龍江流域土地利用變化對年徑流的地表徑流、側向流、基流等各個水文通量的影響見圖3。

圖3 盤龍江流域土地利用變化對水文通量的影響

由圖3可知，盤龍江流域快速城市化過程中的土地利用變化對該流域的水文通量有著顯著的影響：城市化的快速發展可造成基流、側向流的減少及蒸散發、地表徑流的增加。在1994-2008年區間，不同土地利用條件對盤龍江各水文要素的影響變化如下：

(1)地表徑流在1994-2008年區間的不同土地利用條件下，由149.36 mm 增加至163.05 mm，共增加了13.69 mm，變化率為9.17%。地表徑流的增加主要是由農業用地、林地面積被城鎮用地占用減少而造成的，使得不透水面積的增加極大的減少了地表入滲，從而造成地表徑流增加。此外，城鎮建設用地的徑流系數大也是造成地表徑流增加的原因之一。

(2)側向流在1994-2008年區間的不同土地利用條件下，由102.22 mm 減少至95.14 mm，共減少了7.08 mm，變化率為-6.93 %。側向流的總量減少與城鎮建設用地的擴張有關，建設用地增加導致土壤水不斷減少的情況下，從土壤剖面滲流至地下水層的水分也會大量減少，并最終導致側向流的減少。

(3)基流在1994-2008年區間的不同土地利用條件下，由142.04 mm減少至137.79 mm，共減少了4.25 mm，變化率為-2.99%。基流的減少主要是由于農業用地、林地面積被城鎮用地占用減少而造成的，不透水面積的增加極大的減少了地表水入滲，使得基流失去水分補給的主要來源，造成基流量下降。

(4)實際蒸發和潛在蒸發在1994-2008年區間的不同土地利用條件下，分別由548.29、1 269.56 mm增加至550.80、1 271.76 mm，分別增加了2.51和2.20 mm，對應的變化率為0.46%和0.17%。蒸發總量的增加以建設用地、裸地、水域面積的增加而造成。雖然城鎮建設導致土壤水分供給條件受限，使蒸發量有所減少，但是裸地和水域造成的蒸發量遠大于城鎮用地增加造成的減少量，因此水域面積和裸地面積的增加導致流域內蒸發總量的增加。

(5)徑流總量為地表徑流、側向流以及基流之和。在1994-2008年區間的不同土地利用條件下，徑流總量由393.62 mm 增加至395.98 mm，共增加了2.36 mm，變化率為0.60 %。徑流總量的增加主要是由于城鎮建設用地擴大造成的地表徑流增加量遠大于下滲補給限制的側向流和基流減少量，從而說明地表徑流是徑流總量的主要來源。

綜上所述，土地利用變化對各水文通量影響最大和最小的分別是地表徑流和潛在蒸發量，這與呂樂婷[4]、成向榮[11]等關于土地利用變化對徑流影響的研究結果相類似。結合流域內土地利用變化情況和各個水文通量的變化情況進行分析，認為林地和農業用地的減少、城鎮用地的快速增加有可能是造成地表徑流增加的主要原因；建設用地、裸地、水域面積的增加有可能是造成潛在蒸發和實際蒸發增加的原因；而草地及建設用地面積的增加有可能引起基流和側向流的減少。

4.3 土地利用變化對月徑流的影響

為研究土地利用變化對流域月徑流的影響，分別對1994、2000、2008年土地利用狀態下的各水文通量月均值進行統計分析，結果如圖4所示。

圖4 盤龍江流域土地利用變化對水文通量影響的年內分布狀況

受土地利用變化的影響，盤龍江流域的地表徑流全年呈增長趨勢，且增幅具有明顯的季節性，即雨季增幅比旱季明顯，其中6月和2月的增幅分別為年內最大和最小，對應的值分別為5.28和0.03 mm; 而從變化率上來說，5月和8月的變化率分別為最大和最小，對應的值分別為26.05%和3.75%。側向流全年呈減少趨勢，在4-9月份減幅較大，而其余月份減幅較小，其中7 月和12月的減少量分別為年內最大和最小，對應的值分別為-1.23和0.03 mm；而從變化率上來說，3月和11月的變化率分別為最大和最小，對應的值分別為-37.09%和-1.48%。基流全年呈減少趨勢，在旱季減幅相對較明顯，其中10月和8月的減少量分別為年內最大和最小，對應的值分別為-2.69和-0.02 mm; 而從變化率上來說，10月和8月的變化率分別為最大和最小，對應的值分別為-18.13%%和-0.15%。實際蒸發量全年呈增長趨勢，在旱季增幅較大，雨季增幅較小，其中12月和7、9月的增幅分別為年內最大和最小，對應的值分別為1.03和0.02 mm；而從變化率上來說，12月和5月的變化率分別為最大和最小，對應的值分別為1.68%和0.09%。潛在蒸發全年呈增大趨勢，且與季節密切相關，即旱季增幅大于雨季，其中3月和8月的增幅分別為年內最大和最小，對應的值分別為1.03和0.18 mm;而從變化率上來說，3月和8月的變化率分別為最大和最小，對應的值分別為0.67%和0.02%。徑流總量全年中，5-8月徑流量均增加，變化量為7.01 mm，而其余月份均減少,對應的變化量為4.65 mm。而變化率上來說，旱季和雨季的平均變化率分別為-3.70%和1.22%。由此可知，各水文通量對土地利用變化的響應程度相比較而言，地表徑流、側向流在雨季更為敏感，實際蒸發、潛在蒸發與徑流總量在旱季更為敏感，基流在雨季、旱季幾乎相同。

5 結 語

(1)在1994-2008年間，盤龍江流域的土地利用類型除了林地、農業用地面積發生減少外，其余的土地利用類型均發生了不同程度的增加。在土地利用變化的影響下，盤龍江流域的單位面積地表徑流、實際蒸發和潛在蒸發分別增加了13.69、2.51、2.20 mm；側向流、基流分別減少7.08、4.25 mm；因此徑流總量共增加2.36 mm。

(2)流域內的土地利用變化對各水文通量的影響程度不同。受土地利用變化的影響，地表徑流的響應度最高，1994-2008年共增加了9.17%；其次是基流與側向流，分別減少了6.93%與2.99%；最低的是潛在蒸發量，增加了0.17%。

(3)在不同的季節，流域內的土地利用變化對各水文通量的影響亦有所差異。在雨季，土地利用變化對流域產流過程中有較高敏感度的水文通量是地表徑流、側向流；而實際蒸發、潛在蒸發與徑流總量則在旱季比較敏感；基流在雨季、旱季幾乎相同。

土地利用變化對盤龍江流域的水文產流過程造成的顯著影響，進一步可影響到流域內的自然生態系統和社會經濟系統，其影響機制對于協調和解決土地利用、水資源管理、城市發展之間的矛盾有著重要意義。本次研究由于缺乏更多的實測水文數據導致模型率定和校驗方面存在一些不足，但本文的研究方法和結論對于城市化發展過程中土地利用變化的水文效應的理解和一些相關問題的解決仍具有一定的意義。在今后的研究中，除了從時間序列上提高模型的模擬精度，還應加入區域氣候變化、城市化過程中的生產生活用水、水利工程建設及管網布置等因素，從廣度上全面反映土地利用變化對整個流域水文的影響。