重慶市主城區(qū)土地利用變化對(duì)地表徑流的影響

田 甜, 牟鳳云, 王俊秀, 趙靈晰, 陳 林, 李秋彥

(1.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074; 2.國家信息中心 公共技術(shù)服務(wù)部, 北京 100045)

土地利用變化是人類利用自然環(huán)境的顯著特征，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力之一，主要原因在于土地利用變化對(duì)自然環(huán)境系統(tǒng)會(huì)造成劇烈的影響，地表徑流形成過程就是其中之一。地表徑流的產(chǎn)生具有復(fù)雜性，不僅受到降雨量、土地利用方式的影響，同時(shí)還受其他自然要素時(shí)空分布綜合作用。短期來看對(duì)地表徑流產(chǎn)生影響的關(guān)鍵要素就是土地利用的改變[1]，它會(huì)直接改變地表水資源數(shù)量及時(shí)空分布，因此探究土地利用變化對(duì)地表徑流的影響機(jī)制，可為合理規(guī)劃土地利用、水資源管理等提供重要依據(jù)。

20世紀(jì)50年代，美國農(nóng)業(yè)部水土保持局成功開發(fā)適用于中小尺度空間[2]的SCS水文模型[3]。國內(nèi)外學(xué)者以此為支撐對(duì)地表徑流受土地利用變化的影響展開大量分析研究，成果顯著。主要圍繞地表徑流模擬[4-6]、模型參數(shù)改進(jìn)[7-8]、SCS與其他模型集成等[9]方面。在地表徑流模擬方面，Shrimali等[4]以蘇克納湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于SCS水文模型采用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)計(jì)算模擬地表徑流；史培軍等[5]以深圳市為研究對(duì)象，研究地表徑流對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，結(jié)果表明城市化使地表徑流量大幅增加；牟鳳云等[6]基于SCS水文模型模擬不同降雨情景下巫山縣徑流空間分布特征，并對(duì)巫山縣公路洪災(zāi)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。在模型參數(shù)改進(jìn)方面，Mishra等[7]探討蒸散量對(duì)初損估計(jì)值的影響，改進(jìn)模型并對(duì)大尺度研究區(qū)降雨徑流進(jìn)行模擬；張衛(wèi)等[8]利用降雨徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演CN值，并建立了CN值與降雨量的回歸模型。在與其他模型集成方面，俞彥等[9]對(duì)比分析SCS模型和新安江模型反推的臨界雨量并與真實(shí)值比較，并判斷二者的模擬精度。

綜上，目前基于SCS水文模型對(duì)土地利用變化與地表徑流關(guān)系的研究主要集中在中小流域，對(duì)城市的研究較少，近年來，隨著城市化進(jìn)程加快，各土地利用類型相互轉(zhuǎn)化愈發(fā)顯著，地表徑流也隨之發(fā)生劇烈變化。截至2015年底，重慶市主城區(qū)平均城鎮(zhèn)化率達(dá)到90.10%，其中巴南區(qū)最低為78.28%，渝中區(qū)最高達(dá)100%，城鎮(zhèn)化率的不斷提高與人口向發(fā)達(dá)地區(qū)聚集和土地利用類型轉(zhuǎn)化密切相關(guān)；本文利用SCS水文模型模擬重慶市主城區(qū)枯水期、平水期、豐水期地表徑流，為重慶市主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、水資源利用及洪澇災(zāi)害防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

重慶市(圖1)位于中國西南部，青藏高原與長(zhǎng)江中下游地區(qū)的過渡帶，四川盆地東南部，與湖北、陜西、四川、貴州、湖南5省接壤，重慶市由主城片區(qū)、渝西片區(qū)、渝東北片區(qū)及渝東南片區(qū)4大片區(qū)組成；主城片區(qū)位于重慶市中西部，位于東經(jīng)106°12′—106°11′，北緯29°70′—30°70′，轄區(qū)面積5 472.68 km2，約占重慶市總面積的6.6%，主城區(qū)劃分為9個(gè)行政區(qū)，分別為渝中區(qū)、江北區(qū)、沙坪壩區(qū)、渝北區(qū)、九龍坡區(qū)、大渡口區(qū)、北碚區(qū)、南岸區(qū)及巴南區(qū)；屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫16～18℃，大部分地區(qū)年平均降雨量為1 000～1 350 mm，降雨主要集中在7—8月，11月—次年3月份降雨相對(duì)較少，且降雨時(shí)段主要集中于夜間到凌晨。

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)主要包括重慶市主城區(qū)土地利用數(shù)據(jù)、土壤類別數(shù)據(jù)、重慶市主城區(qū)地面累年值月值數(shù)據(jù)集及行政區(qū)劃圖。其中重慶市主城區(qū)行政區(qū)劃圖和土地利用數(shù)據(jù)來源為資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(www.resdc.cn)，土地利用數(shù)據(jù)共4期，時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2000年、2005年、2010年及2015年，分辨率為30 m；土壤類別數(shù)據(jù)來源為國家土壤信息服務(wù)平臺(tái)(www.soilinfo.cn/map/index.aspx)，分辨率為1 km；重慶市主城區(qū)地面累年值月值數(shù)據(jù)集來源為國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(www.data.cma.cn)，數(shù)據(jù)包括重慶市主城區(qū)轄區(qū)內(nèi)4個(gè)國家級(jí)地面站點(diǎn)，記錄了1981—2010年累年12個(gè)月20—20時(shí)降雨量均值。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 研究區(qū)某時(shí)段內(nèi)各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換分析通?？梢曰谕恋乩棉D(zhuǎn)移矩陣[10]來展開，它既可以反映研究末期各土地利用類型的轉(zhuǎn)換方向及來源，又可以反映出轉(zhuǎn)換的數(shù)量特征，從而反映出研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)的土地利用變化特征。其表達(dá)式為:

(1)

式中:n為土地利用類型總數(shù);i,j分別為研究初期與末期的土地利用類型(i,j=1,2,…,n);Sij為研究時(shí)段內(nèi)由i地類轉(zhuǎn)換為j地類的面積。

2.2.2 SCS水文模型 SCS水文模型[11]結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但具有較高的模擬精度，我國學(xué)者應(yīng)用該模型進(jìn)行了很多研究工作[12-15]。SCS水文模型的產(chǎn)流計(jì)算公式為：

(2)

(3)

式中:S，P，Q依次為滯留系數(shù)、降雨量與徑流深度,單位都為mm,產(chǎn)流系數(shù)CN不具有量綱特性,取值范圍為0～100,綜合表示研究區(qū)水文特征,由土地利用類型、土壤性質(zhì)及降雨前土壤濕潤(rùn)程度等因素共同決定,反映研究區(qū)降雨量與地表徑流之間的關(guān)系。

由公式(3)可知，滯留系數(shù)S由產(chǎn)流系數(shù)CN確定，產(chǎn)流系數(shù)由土壤性質(zhì)、土地利用類型及降雨量前土壤濕潤(rùn)程度所確定；根據(jù)土壤滲透性和導(dǎo)水性差異，可將土壤分為4類(表1)。重慶市主城區(qū)土壤類別主要有水稻土、棕壤和石灰土等，結(jié)合主城區(qū)土壤實(shí)際情況和SCS水文模型土壤分類標(biāo)準(zhǔn)[16]，主城區(qū)土壤被劃分為B，C，D三大類。

表1 SCS模型水文土壤組的劃分標(biāo)準(zhǔn)

本文以前期土壤濕潤(rùn)程度為正常狀態(tài)(AMCⅡ)的基礎(chǔ)上展開研究，產(chǎn)流系數(shù)CN綜合體現(xiàn)地表各土地利用類型與土壤類別組合的產(chǎn)流屬性，其大小反映了地表的產(chǎn)流能力強(qiáng)弱。通常情況下土壤類別狀態(tài)穩(wěn)定，CN值主要受土壤濕潤(rùn)程度和土地利用變化的影響；根據(jù)CN值查算表[17]，借鑒國內(nèi)有關(guān)學(xué)者的研究成果[18]，并結(jié)合主城區(qū)土地利用和土壤類別數(shù)據(jù)，確定CN值矩陣，具體可參見表2。

表2 重慶市主城區(qū)在AMCⅡ狀態(tài)下的CN值

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征

基于重慶市主城區(qū)2000—2015年4期土地利用數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得出2000—2015年重慶市主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)圖(圖2)及轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。

圖2 2000-2015年重慶市主城區(qū)土地利用

表3 2000-2015年重慶市主城區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

從土地利用結(jié)構(gòu)分析可知，2000—2015年，重慶市主城區(qū)耕、林地占比較高，二者面積之和呈減少趨勢(shì)，從4 954.76 km2減少到4 194.83 km2，占比從90.54%降低到76.65%；次之為建設(shè)用地，2000—2015年面積分別為230.32，501.45，750.43，932.55 km2，面積占比分別為4.21%，9.16%，13.71%，17.04%；草地呈波動(dòng)變化，呈現(xiàn)出先增后減的特征，面積最終從168.51 km2減少為159.40 km2，占比從3.08%降低到2.91%；水域面積從111.92 km2增加到185.76 km2，占比從2.05%升高到3.39%。

從土地利用轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，重慶市主城區(qū)土地利用類型在2000—2005年轉(zhuǎn)換顯著，其中耕地和林地尤其突出，由于主城區(qū)城市化擴(kuò)張和退耕還林的影響，耕地主要轉(zhuǎn)化為林地(78.79 km2)和建設(shè)用地(164.08 km2)，林地一方面被增長(zhǎng)的建設(shè)用地侵占，轉(zhuǎn)化110.19 km2為建設(shè)用地，另一方面也受到三峽庫區(qū)蓄水的影響，導(dǎo)致有24.82 km2的林地轉(zhuǎn)化為水域，其他土地利用類型轉(zhuǎn)化面積較少。2005—2010年主城區(qū)各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系與2000—2005年基本相同，耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和林地的面積進(jìn)一步增加，分別轉(zhuǎn)化了186.47，91.23 km2，建設(shè)用地持續(xù)增長(zhǎng)，除耕地外還由林地和草地轉(zhuǎn)化得到。2010—2015年，主城區(qū)城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，建設(shè)用地主要由耕地(137.59 km2)和林地(109.71 km2)轉(zhuǎn)化而來，建設(shè)用地相應(yīng)地分別轉(zhuǎn)化了23.93，40.56 km2為耕地和林地，耕地和林地相互轉(zhuǎn)化，相比之下林地多轉(zhuǎn)化了51.90 km2為耕地。

總體來看，2000—2015年重慶市主城區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化顯著，具體特點(diǎn)體現(xiàn)為耕地、未利用土地面積明顯減少，而水域、建設(shè)用地面積不斷增長(zhǎng)，對(duì)于草地、林地而言，則呈現(xiàn)出波動(dòng)變化特點(diǎn)。主要原因有：(1) 1997年重慶市成為我國中西部的唯一直轄市，到新千年，更是將其納為西部大開發(fā)關(guān)鍵城市，導(dǎo)致主城區(qū)城市化進(jìn)程加快，建設(shè)用地依靠侵蝕耕地和林地實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)；(2) 2000年重慶市被正式納為退耕還林試點(diǎn)地區(qū)，導(dǎo)致大量耕地轉(zhuǎn)化為林地，由于退耕還林效果具有時(shí)間滯后性，林地呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)；(3) 三峽大壩的修建導(dǎo)致庫區(qū)水位上升，導(dǎo)致沿江的各種土地轉(zhuǎn)化為水域，其中未利用土地的轉(zhuǎn)化尤為明顯。

3.2 SCS水文模型計(jì)算

根據(jù)SCS水文模型的產(chǎn)流計(jì)算公式(2)可知，徑流深度計(jì)算需要確定研究區(qū)的降雨量P。降雨量由重慶市主城區(qū)轄區(qū)內(nèi)4個(gè)國家級(jí)地面站點(diǎn)記錄的1981—2010年累年值月值數(shù)據(jù)獲取，以月降雨距平百分率<-20%，-20%～20%，>20%為指標(biāo)[19]，降雨月型劃分為枯水期、平水期、豐水期。根據(jù)主城區(qū)4個(gè)地面站點(diǎn)的全年各月降雨數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)合重慶市全年降雨特點(diǎn)，得出1月份屬枯水期，4月份屬平水期，6月份屬豐水期，降雨量分別為19.68，99.70，190.93 mm，本文以這3期降雨量來模擬主城區(qū)地表徑流。

根據(jù)SCS水文模型要求，運(yùn)用ArcGIS軟件處理重慶市主城區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，利用公式(2)模擬主城區(qū)2000年、2005年、2010年和2015年的地表徑流深度(圖3)。從不同降雨期分析徑流深度空間演化趨勢(shì)可知，枯水期主城區(qū)徑流深度較低，2000—2015年徑流深度低于14.58 mm，未產(chǎn)生徑流的地區(qū)分別占主城區(qū)總面積的27.03%，25.96%，25.48%，23.93%，呈下降趨勢(shì)，這些地區(qū)主要為主城區(qū)南北走向的山脈，西部的縉云山和中梁山、北部的龍王洞山、長(zhǎng)江以北的銅鑼山及東南部的蓮花山，這些山脈的土地利用類型多為林地，徑流系數(shù)較低，地表徑流產(chǎn)生所需最小降雨量較大，在枯水期很難形成地表徑流。從平水期和豐水期模擬結(jié)果可知，隨著平水期、豐水期降雨量增加，主城區(qū)徑流深度有明顯提升，平水期和豐水期主城區(qū)徑流深度分別為12.70～93.74 mm，62.45～184.85 mm。

圖3 2000-2015年重慶市主城區(qū)徑流深度

從不同降雨期2000—2015年重慶市主城區(qū)徑流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看(表4)，主城區(qū)2000—2015年徑流量顯著增長(zhǎng)，枯水期、平水期、豐水期徑流量范圍分別為(456.20～887.93)萬m3，(24 974.80～27 308.37)萬m3，(67 789.15～70 960.97)萬m3；2000—2015年主城區(qū)在枯水期、平水期、豐水期徑流量漲幅分別達(dá)到了94.63%，9.34%，4.68%；同年隨降雨的增加，徑流量也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，枯水期與平水期、豐水期比較尤為明顯。

3.3 土地利用變化對(duì)地表徑流的影響

SCS模型模擬結(jié)論證實(shí)，重慶市主城區(qū)徑流量持續(xù)增長(zhǎng)(表4)，為探究主城區(qū)各土地利用類型在不同降雨期的產(chǎn)流能力差異，分別對(duì)主城區(qū)各土地利用類型在枯水期、平水期、豐水期的平均徑流深度(表5)和總徑流量(圖4)進(jìn)行分析。

表4 2000-2015重慶市主城區(qū)徑流量 萬m3

表5 重慶市主城區(qū)各土地利用類型平均徑流深度 mm

圖4 2000-2015年重慶市主城區(qū)徑流量結(jié)構(gòu)

從產(chǎn)流能力來看，各土地利用類型的產(chǎn)流能力存在明顯差異，從弱到強(qiáng)排序?yàn)椋毫值?、草地、耕地、未利用土地、建設(shè)用地、水域。

從徑流量來看，主城區(qū)枯水期地表徑流量較多的土地利用類型為水域、耕地及建設(shè)用地，由于耕地面積減少，徑流量逐年減少，相反建筑用地徑流量隨著面積增加而升高；各土地利用類型在平水期和豐水期的徑流量較多的是耕地、林地及建設(shè)用地，林地雖然產(chǎn)流能力弱，但因其面積大，徑流量變化趨勢(shì)與林地面積動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)基本上維持一致。

本文比較了2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年重慶市主城區(qū)各地塊的徑流系數(shù)變化情況，分析主城區(qū)土地利用變化對(duì)地表徑流空間演化趨勢(shì)的影響，徑流系數(shù)的空間變化情況可以體現(xiàn)研究時(shí)段內(nèi)地表徑流的演化趨勢(shì)。從圖5可以看出，2000—2015年徑流系數(shù)未發(fā)生變化的區(qū)域占主城區(qū)總面積90%以上，說明這些地塊的土地利用類型保持不變。徑流系數(shù)降低的區(qū)域隨機(jī)零星分布，大部分是由于退耕還林導(dǎo)致土地利用類型發(fā)生改變，導(dǎo)致徑流系數(shù)減小。徑流系數(shù)升高的區(qū)域主要圍繞渝中區(qū)呈中心輻射發(fā)散分布，2000—2015年主城區(qū)建設(shè)用地從230.32 km2增至932.55 km2，導(dǎo)致徑流系數(shù)較高的地塊增加；2000—2005年徑流系數(shù)升高區(qū)域主要集中于渝北區(qū)西南部，2003年重慶北站正式動(dòng)工，導(dǎo)致城市向北擴(kuò)張；2005—2010年徑流系數(shù)升高區(qū)域主要在北碚中部地區(qū)、渝北中部地區(qū)及沙坪壩西部地區(qū)，2004年重慶市提出大學(xué)城“三步走”建設(shè)計(jì)劃，導(dǎo)致沙坪壩西部地區(qū)土地利用變化加劇，建設(shè)用地聚集增加，地表徑流系數(shù)升高；2010—2015年徑流系數(shù)升高區(qū)域主要為渝北區(qū)南部地區(qū)、江北區(qū)中部地區(qū)及巴南區(qū)西部，在2010年，國務(wù)院批準(zhǔn)了重慶市兩江新區(qū)的建設(shè)，打造其為內(nèi)陸地區(qū)對(duì)外開放的橋頭堡，建筑用地對(duì)其他用地的侵占明顯，導(dǎo)致其徑流系數(shù)顯著升高?？傮w來說，2000—2015年主城區(qū)徑流系數(shù)增加區(qū)域主要分布于“兩江四山”之間較平坦地區(qū)，主要呈現(xiàn)南北延伸趨勢(shì)。

圖5 2000-2015年重慶市主城區(qū)徑流系數(shù)變化

為進(jìn)一步分析土地利用變化對(duì)地表徑流的影響，主城區(qū)按行政區(qū)劃劃分為渝中區(qū)、江北區(qū)、沙坪壩區(qū)等9個(gè)部分，選擇各區(qū)縣的耕地、林地、建設(shè)用地及其平均徑流深度；參考有關(guān)學(xué)者[20]的研究，由Fragstats 4.2軟件計(jì)算PLAND(斑塊所占比例)、NP(斑塊數(shù)量)、LPI(最大斑塊指數(shù))、COHESION(斑塊結(jié)合指數(shù))、DIVISION(破碎度)及AI(斑塊聚集度)6個(gè)景觀格局指數(shù)，共獲得54組數(shù)據(jù)。利用SPSS軟件對(duì)土地利用類型景觀格局指數(shù)和平均徑流深度進(jìn)行相關(guān)性分析。由表6可知，經(jīng)過相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，耕地、林地、建設(shè)用地景觀格局指數(shù)與平均徑流深度的相關(guān)系數(shù)隨降雨增加呈減小趨勢(shì)，建筑用地相關(guān)系數(shù)比耕地、林地較大；其中平均徑流深度與耕地、林地的PLAND，NP，LPI，COHESION，AI呈負(fù)相關(guān)，與DIVISION呈正相關(guān)；平均徑流深度與建設(shè)用地PLAND，LPI，COHESION，AI具有極顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)范圍分別為：0.93～0.72，0.82～0.59，0.61～0.58，0.73～0.64，與建設(shè)用地的NP，DIVISION呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)范圍分別為-0.81～-0.56，-0.71～-0.45。建設(shè)用地相較于耕地和林地對(duì)地表徑流的影響更加明顯，耕地和林地下滲和攔截徑流能力較強(qiáng)，產(chǎn)流能力較弱，建設(shè)用地產(chǎn)流能力較強(qiáng)，在建設(shè)用地持續(xù)增長(zhǎng)過程中，合理增加其斑塊數(shù)量、斑塊破碎度，減少大面積建設(shè)用地聚集，從而減少地表徑流。

表6 用地類型景觀格局指數(shù)與平均徑流深度的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 論

(1) 2000—2015年，重慶市主城區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)整體上相對(duì)穩(wěn)定，主要以林地和耕地為主；未利用土地與耕地面積持續(xù)減少，建設(shè)用地、水域則呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)之勢(shì)，其中建設(shè)用地面積由230.32 km2增加到932.55 km2，增幅達(dá)304.90%，林地面積呈先減后增的變化趨勢(shì)，草地則與之相反；重慶市主城區(qū)土地利用變化主要受到城市化、退耕還林及三峽大壩蓄水等影響，主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地、林地及水域。

(2) 2000—2015年重慶市主城區(qū)枯水期、平水期、豐水期徑流深度、徑流量均呈逐年上升趨勢(shì)，徑流深度范圍分別為0～14.58 mm，12.70～93.74 mm，62.45～184.85 mm，徑流量增幅分別為94.63%，9.34%，4.68%，同年隨降雨量的增加，徑流量顯著增加，由于林地徑流系數(shù)較小，導(dǎo)致枯水期與平水期、豐水期徑流量差距較大。

(3) 重慶市主城區(qū)各土地利用類型產(chǎn)流能力從弱到強(qiáng)分別為：林地、草地、耕地、未利用土地、建設(shè)用地、水域；2000—2015年主城區(qū)徑流系數(shù)未發(fā)生變化的區(qū)域占總面積90%以上，徑流系數(shù)降低的區(qū)域隨機(jī)零星分布；徑流系數(shù)增加區(qū)域主要分布于“兩江四山”間較平坦地區(qū)，呈現(xiàn)南北延伸趨勢(shì)；建設(shè)用地相較于耕地和林地對(duì)地表徑流的影響更加明顯，在城市化進(jìn)程中可以通過增加建設(shè)用地斑塊數(shù)量和破碎度、減少聚集度，合理增加綠地，進(jìn)而減少城市地表徑流量。

本文僅模擬了土壤濕潤(rùn)程度正常狀態(tài)(AMCⅡ)下的地表徑流，沒有全面考慮前期土壤濕潤(rùn)對(duì)地表徑流的影響；在接下來的研究中可以在不同土壤濕潤(rùn)程度狀態(tài)下，綜合探討土地利用變化對(duì)地表徑流的影響機(jī)理。