黃尾河流域土地利用變化對(duì)徑流量影響的研究

陳 杭 伊 鑫 車宇陽(yáng)2 顧哲衍 陳家棟3 李學(xué)德 夏 禹

（1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 揚(yáng)州 225127 2.揚(yáng)州蘇水科技有限公司揚(yáng)州 225000 3.江蘇省水文水資源勘測(cè)局南京分局 南京 210000）

土地利用變化作為區(qū)域環(huán)境變化的一種表現(xiàn)形式，導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域的多種地表物理過(guò)程隨之產(chǎn)生劇烈變化，與其他環(huán)境要素間相互作用對(duì)水文過(guò)程產(chǎn)生直接或間接的影響。一個(gè)區(qū)域的水文要素既受氣候系統(tǒng)的控制，又受陸面土地利用的影響。氣候系統(tǒng)主要決定降水、氣溫、蒸發(fā)等的年內(nèi)分配和年際變化；土地利用狀況則決定水資源的賦存環(huán)境、地表徑流、地下水流量以及河流水系特征等。由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類的生產(chǎn)和生活已經(jīng)導(dǎo)致大多數(shù)地區(qū)的土地利用狀況發(fā)生改變，從而使水文過(guò)程受人為干擾影響的程度加大。因此，研究區(qū)域內(nèi)土地利用變化對(duì)水文要素的影響，對(duì)改善區(qū)域水環(huán)境、合理利用水土資源具有積極意義[1]。

Baumgartner 和Reichel[2]指出，在全球范圍內(nèi)，64%的陸面降水以蒸散發(fā)的形式返回大氣，其大小強(qiáng)烈影響著溪流、地下水補(bǔ)給、污染物轉(zhuǎn)移以及水質(zhì)情況等。Scott 和Schulze[3]選取了數(shù)個(gè)非洲南部不同尺度的流域，利用水文模型模擬了流域相同或不同季節(jié)下的土地利用變化的水文響應(yīng)特性，結(jié)果表明流域水文過(guò)程對(duì)土地利用的變化具有強(qiáng)烈的敏感性。Vander[4]對(duì)印尼爪哇西部典型流域1922—1929年和1979—1986年期間的徑流量變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)期年均降雨量基本相等，但后一時(shí)期的年均徑流量比前一時(shí)期增加了約11%。原因是后一時(shí)期林地面積減少，而建設(shè)用地增加，從而導(dǎo)致徑流量的大幅增加。

本文重點(diǎn)分析了以降水為代表的氣候變化和人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用變化的水文效應(yīng)，并以線性模型確定了二者對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃尾河流域位于安徽省西部霍山縣與岳西縣交界處，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)116°5′～116°24′，北緯30°57′～31°9′之間，流域面積約266.6km2。流域主體位于岳西縣境內(nèi)，約占流域面積的80.7%，霍山縣境內(nèi)部分約占19.3%。黃尾河，又名東淠河，是淠河的東部分支，源出岳西縣多枝尖（高程1721m）北側(cè)，東北向流動(dòng)，經(jīng)青天鄉(xiāng)、黃尾鎮(zhèn)，至陡峰寨入霍山縣境內(nèi)，北流至磨子潭水庫(kù)，經(jīng)汪家沖、橫沖，與漫水河相匯后，抵佛子嶺水庫(kù)大壩，出庫(kù)后的黃尾河，基本北流，與西淠河匯合后入淮。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

研究所用徑流、降雨為黃尾河流域出水口處水文站的1970—2009年的逐月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由安徽省水文資料檔案館提供，1989年降雨徑流數(shù)據(jù)缺失，采用前后兩年的數(shù)據(jù)均值進(jìn)行插補(bǔ)；黃尾河流域下墊面數(shù)據(jù)是由美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）提供的1975年10月Landsat MSS（軌道號(hào)：Path 131/Row 038）、1992年10月和2009年10月Landsat 5 TM（軌道號(hào)：Path 122/Row 038）共3 期遙感影像組成。為糾正影像的幾何畸變和輻射失真，需對(duì)影像進(jìn)行幾何精校正和大氣校正，預(yù)處理流程如圖1所示。

2 土地利用變化對(duì)徑流的影響

2.1 黃尾河流域土地利用變化情況

本文選取1975年、1992年及2009年的3期遙感影像，以Globcover 全球土地覆被數(shù)據(jù)，采用SVM 支持向量機(jī)分類法對(duì)多時(shí)相影像進(jìn)行了監(jiān)督分類，并對(duì)分類后的結(jié)果進(jìn)行了最大聚合分析，最終總體分類精度達(dá)85%以上。

黃尾河流域20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)初的土地利用情況有一定變化。林地主要存在于流域西北部，人為干擾相對(duì)較小，農(nóng)田主要存在于流域南部和東部，南部農(nóng)田較為聚集，東部農(nóng)田較為分散，總體來(lái)說(shuō)，農(nóng)田呈不規(guī)則幾何形狀分布，量大而散，對(duì)于林地的分化割裂作用明顯，不利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。顯然黃尾河流域1975年的土地利用情況與1992年的土地利用情況較為相似，與2009年的土地利用情況相差較大，主要表現(xiàn)為林地的增加和農(nóng)田的減少非常明顯，特別是流域南部和東部農(nóng)田向林地的轉(zhuǎn)化作用最為顯著。

為了反映這些流域內(nèi)各土地利用類型面積的變化幅度與變化速度的差異，本文采用土地利用類型的變化率指數(shù)（公式1）來(lái)直觀反映類型變化的幅度與速度。顯然該公式隱含了土地利用類型年變化的線性假設(shè)。

式中，K 為變化率，Ua和Ub分別為研究時(shí)段內(nèi)初期與末期某種土地利用類型的面積，T 為研究時(shí)段。

由表1可知，林地面積增加趨勢(shì)顯著，占地面積由1992年的73.82%增至2009年的80.25%，凈增面積17.14km2，這一時(shí)期年變化率K2值為0.51，約為K1值的2 倍，表明這一時(shí)期林地的增幅是遠(yuǎn)高于前一時(shí)期（1975—1992年）。農(nóng)田呈顯著的減少趨勢(shì)，凈減面積18.51km2，減幅遠(yuǎn)高于前一時(shí)期（1975—1992年），這一時(shí)期年變化率K2值為-1.77，約為K1值的3 倍。黃尾河流域位于大別山區(qū)腹地山區(qū)，土地利用的特殊性表現(xiàn)在林地和農(nóng)田占地比例超過(guò)96%，土地利用的變遷方式以“林地—農(nóng)田”相互轉(zhuǎn)化為主，建設(shè)用地、水體與林地、農(nóng)田的相互轉(zhuǎn)化規(guī)模極小，對(duì)于流域水文過(guò)程的影響可以忽略不計(jì)，因而本文對(duì)于具體的土地轉(zhuǎn)移方式不做探討，只需明確流域的土地變遷方式主要為“林地—農(nóng)田”之間的相互轉(zhuǎn)化即可。

圖1 預(yù)處理流程圖

表1 1975—2009年土地利用類型面積構(gòu)成表

2.2 黃尾河流域土地利用變化的水文效應(yīng)

若將徑流系數(shù)視為一個(gè)隨機(jī)變量，它的分布函數(shù)是對(duì)該流域氣候物理機(jī)制和人類活動(dòng)影響徑流機(jī)理的一種反映[5-6]。

由圖2（a）可知，黃尾河流域的年均徑流系數(shù)1979 前波動(dòng)較小，表現(xiàn)平穩(wěn)，80年代后波動(dòng)較大，不確定性增大，40年間，多年平均徑流系數(shù)約為0.71，總體呈減少趨勢(shì)，表明測(cè)定的徑流量占降雨量的比例在減少。特別是1992年之后，17年內(nèi)，有12年年均徑流系數(shù)低于多年平均水平0.71，比例超過(guò)70%。圖2（b）為黃尾河流域降雨—徑流雙累積曲線，顯然1992年前流域降雨—徑流關(guān)系具有較強(qiáng)的一致性，自1992年起曲線向橫軸（年累計(jì)降雨量軸）偏轉(zhuǎn)，表明在降水量不變的情況下，徑流量是減少的，降雨—徑流的不確定性關(guān)系增強(qiáng)。

以1992年為界，分析黃尾河流域的降雨—徑流的Pearson 線性相關(guān)性（圖3），顯然，1970—1991年的降雨—徑流線性相關(guān)性（R2=0.8152）明顯高于1992—2009年（R2=0.7282），表明流域降水對(duì)徑流的直接影響作用在降低，徑流對(duì)降水的響應(yīng)程度在減弱。1992年之前，流域土地利用變化不明顯，氣候因素對(duì)于流域的水文情勢(shì)變化占據(jù)主導(dǎo)作用，1992年之后，人類大規(guī)模地改造流域下墊面所引起的土地利用被變化在很大程度上影響了流域的產(chǎn)流能力。因而1992年可視為黃尾河流域天然徑流量與人類活動(dòng)等擾動(dòng)徑流量的分界線。

圖2 黃尾河流域年均徑流系數(shù)曲線（a）和降雨—徑流雙累積曲線（b）圖

圖3 黃尾河流域1992年前后降雨—徑流關(guān)系散點(diǎn)圖

表2 1975—2009 土地利用類型與徑流參數(shù)變化表

1975—1992年期間，林地面積近變化了2.98%，而1992年后，林地面積大規(guī)模增加，是1992年前的增幅的2 倍多。農(nóng)田面積則表現(xiàn)為與林地面積增幅相似的減少姿態(tài)。1975—1992年，流域年平均徑流量為10.24m3/s，1992年后減少至2.69m3/s，凈減約73.73%，徑流系數(shù)亦減少約16.88%（見(jiàn)表2）。這可定性的表明，對(duì)黃尾河流域而言，林地面積的增加和農(nóng)田面積的減少會(huì)引起徑流量的減少。森林通過(guò)林木枝葉的截留作用，林木的蒸騰作用等影響著區(qū)域降水的再分配能力，林木凋落物層、林木根系均可改良林下土壤的生化特性，如增大田間持水量、使土壤團(tuán)聚體增多增大,有利于涵養(yǎng)水源、保持水土、減少產(chǎn)流，此外植被群體對(duì)于洪峰的還具有極強(qiáng)的滯緩作用。與森林相比,農(nóng)田在降雨截留和入滲方面能力較弱,耕地向森林的轉(zhuǎn)化則會(huì)導(dǎo)致徑流相對(duì)減少。

2.3 土地利用變化對(duì)徑流變化的影響估算

圖4 黃尾河流域1992—2009年干擾徑流量與模擬徑流量對(duì)比圖

圖5 黃尾河流域1992—2009年干擾徑流量與模擬徑流量絕對(duì)誤差圖

表3 黃尾河流域人類活動(dòng)對(duì)徑流影響計(jì)算表

由前文分析可知，1991—1993年是黃尾河流域天然徑流和受土地利用變化影響的擾動(dòng)徑流的過(guò)度時(shí)期。故可設(shè)定1970—1991年為天然徑流基準(zhǔn)期，1992—2009年為擾動(dòng)徑流期。對(duì)黃尾河流域而言，測(cè)站位置和觀測(cè)技術(shù)幾乎沒(méi)有變化，天然條件下徑流量與降水量呈現(xiàn)極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。建立基準(zhǔn)期內(nèi)降雨—徑流的線性回歸方程：Y=0.0088X-3.5237（R2=0.8152，降雨量單位：mm，徑流量單位m3/s）。以此基準(zhǔn)期方程模擬黃尾河流域擾動(dòng)期（1992—2009年）天然徑流量如圖4，可見(jiàn)，假設(shè)流域生態(tài)系統(tǒng)未受外界干擾下的模擬的天然徑流量明顯大于干擾徑流量。模擬徑流量與干擾徑流量的絕對(duì)誤差量可被認(rèn)為是外界干擾因素對(duì)徑流變化影響的具體量化（圖5）。誤差值為正時(shí)，表明外界干擾對(duì)徑流具有正向的增加作用，誤差值為負(fù)時(shí)，表明外界干擾對(duì)徑流具有負(fù)向的減少作用，顯然，外界干擾因素降低了流域產(chǎn)流能力，減少了流域出水量。

以降水為主導(dǎo)的氣候因素和人類活動(dòng)引致的土地利用變化是黃尾河流域徑流演變特性形成的兩個(gè)至關(guān)重要的因素，而這兩個(gè)因素存在著此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。視流域天然時(shí)段的實(shí)測(cè)徑流為基準(zhǔn)值，則可為人類活動(dòng)影響時(shí)段的實(shí)測(cè)徑流與基準(zhǔn)值的差值是由外界干擾作用導(dǎo)致的，此差值包含兩部分：其一為以降水為主導(dǎo)的氣候變化影響量；其二為人類活動(dòng)引致的土地利用變化影響量。分割公式如下：

式中：ΔHQ為人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響量；ΔCQ為氣候變化對(duì)徑流的影響量；ΔTQ為徑流變化總量；BQ為徑流基準(zhǔn)值；Q HR為人類活動(dòng)時(shí)期的實(shí)測(cè)徑流量；Q HN為人類活動(dòng)時(shí)期的天然徑流量；Hη和Cη分別為人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率。

表3顯示1992年前后黃尾河流域平均徑流變化量為-2.28m3/s，其中，氣候變化使徑流減少1.05m3/s，人類活動(dòng)引致的土地利用變化使徑流減少1.23m3/s。90年代后，人類活動(dòng)引致的土地利用變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為53.95%，大于氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率46.05%，說(shuō)明土地利用變化對(duì)徑流變化的影響作用逐漸凸顯。

3 結(jié)論

黃尾河流域受自然干擾、人為干擾等多種因素的綜合影響，徑流時(shí)空變化的隨機(jī)性、非線性及非平穩(wěn)性特征顯著。本文以黃尾河流域長(zhǎng)時(shí)間序列的降雨徑流資料為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、GIS和遙感技術(shù)重點(diǎn)分析了以降雨為主導(dǎo)的氣候因素和人類活動(dòng)引致的土地利用變化對(duì)徑流過(guò)程的影響：

黃尾河流域1975年的土地利用情況與1992年的土地利用情況較為相似，與2009年的土地利用情況相差較大。土地利用的特殊性表現(xiàn)在林地和農(nóng)田占地比例超過(guò)96%，土地利用的變遷方式以“林地—農(nóng)田”相互轉(zhuǎn)化為主，建設(shè)用地、水體與林地、農(nóng)田的相互轉(zhuǎn)化規(guī)模極小，對(duì)于流域水文過(guò)程的影響可以忽略不計(jì)。林地面積的增加和農(nóng)田面積的減少會(huì)引起徑流量的減少。1992年前后黃尾河流域平均徑流變化量為-2.28m3/s，其中，氣候變化使徑流減少1.05m3/s，人類活動(dòng)引致的土地利用變化使徑流減少1.23m3/s。90年代后，人類活動(dòng)引致的土地利用變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為53.95%，大于氣候變化對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率46.05%，說(shuō)明土地利用變化對(duì)徑流變化的影響作用逐漸凸顯。河川徑流對(duì)氣候變化和下墊面變化的響應(yīng)程度隨時(shí)間而異。隨著時(shí)間的推移，下墊面要素的變化對(duì)黃尾河流域徑流的影響有增大的趨勢(shì)，氣候變化有減小趨勢(shì)■