重慶市主城區土地利用變化對地表徑流的影響

田 甜, 牟鳳云, 王俊秀, 趙靈晰, 陳 林, 李秋彥

(1.重慶交通大學 建筑與城市規劃學院, 重慶 400074; 2.國家信息中心 公共技術服務部, 北京 100045)

土地利用變化是人類利用自然環境的顯著特征，也是經濟社會發展的重要驅動力之一，主要原因在于土地利用變化對自然環境系統會造成劇烈的影響，地表徑流形成過程就是其中之一。地表徑流的產生具有復雜性，不僅受到降雨量、土地利用方式的影響，同時還受其他自然要素時空分布綜合作用。短期來看對地表徑流產生影響的關鍵要素就是土地利用的改變[1]，它會直接改變地表水資源數量及時空分布，因此探究土地利用變化對地表徑流的影響機制，可為合理規劃土地利用、水資源管理等提供重要依據。

20世紀50年代，美國農業部水土保持局成功開發適用于中小尺度空間[2]的SCS水文模型[3]。國內外學者以此為支撐對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]、模型參數改進[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]以蘇克納湖流域為研究對象，基于SCS水文模型采用遙感和地理信息系統技術計算模擬地表徑流；史培軍等[5]以深圳市為研究對象，研究地表徑流對土地利用變化的響應，結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，并對巫山縣公路洪災進行風險評價。在模型參數改進方面，Mishra等[7]探討蒸散量對初損估計值的影響，改進模型并對大尺度研究區降雨徑流進行模擬；張衛等[8]利用降雨徑流實測數據反演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]對比分析SCS模型和新安江模型反推的臨界雨量并與真實值比較，并判斷二者的模擬精度。

綜上，目前基于SCS水文模型對土地利用變化與地表徑流關系的研究主要集中在中小流域，對城市的研究較少，近年來，隨著城市化進程加快，各土地利用類型相互轉化愈發顯著，地表徑流也隨之發生劇烈變化。截至2015年底，重慶市主城區平均城鎮化率達到90.10%，其中巴南區最低為78.28%，渝中區最高達100%，城鎮化率的不斷提高與人口向發達地區聚集和土地利用類型轉化密切相關；本文利用SCS水文模型模擬重慶市主城區枯水期、平水期、豐水期地表徑流，為重慶市主城區土地利用結構調整、水資源利用及洪澇災害防治提供理論依據。

1 研究區概況

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

圖1 研究區概況

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究的數據主要包括重慶市主城區土地利用數據、土壤類別數據、重慶市主城區地面累年值月值數據集及行政區劃圖。其中重慶市主城區行政區劃圖和土地利用數據來源為資源環境數據云平臺(www.resdc.cn)，土地利用數據共4期，時間節點為2000年、2005年、2010年及2015年，分辨率為30 m；土壤類別數據來源為國家土壤信息服務平臺(www.soilinfo.cn/map/index.aspx)，分辨率為1 km；重慶市主城區地面累年值月值數據集來源為國家氣象科學數據中心(www.data.cma.cn)，數據包括重慶市主城區轄區內4個國家級地面站點，記錄了1981—2010年累年12個月20—20時降雨量均值。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉移矩陣 研究區某時段內各土地利用類型之間的轉換分析通?？梢曰谕恋乩棉D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換方向及來源，又可以反映出轉換的數量特征，從而反映出研究時段內研究區的土地利用變化特征。其表達式為:

(1)

式中:n為土地利用類型總數;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為研究時段內由i地類轉換為j地類的面積。

2.2.2 SCS水文模型 SCS水文模型[11]結構并不復雜，但具有較高的模擬精度，我國學者應用該模型進行了很多研究工作[12-15]。SCS水文模型的產流計算公式為：

(2)

(3)

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

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

表1 SCS模型水文土壤組的劃分標準

本文以前期土壤濕潤程度為正常狀態(AMCⅡ)的基礎上展開研究，產流系數CN綜合體現地表各土地利用類型與土壤類別組合的產流屬性，其大小反映了地表的產流能力強弱。通常情況下土壤類別狀態穩定，CN值主要受土壤濕潤程度和土地利用變化的影響；根據CN值查算表[17]，借鑒國內有關學者的研究成果[18]，并結合主城區土地利用和土壤類別數據，確定CN值矩陣，具體可參見表2。

表2 重慶市主城區在AMCⅡ狀態下的CN值

3 結果與分析

3.1 土地利用變化特征

基于重慶市主城區2000—2015年4期土地利用數據，應用ArcGIS軟件進行統計分析，可得出2000—2015年重慶市主城區土地利用結構圖(圖2)及轉移矩陣(表3)。

圖2 2000-2015年重慶市主城區土地利用

表3 2000-2015年重慶市主城區土地利用轉移矩陣 km2

從土地利用結構分析可知，2000—2015年，重慶市主城區耕、林地占比較高，二者面積之和呈減少趨勢，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%；草地呈波動變化，呈現出先增后減的特征，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%。

從土地利用轉換關系可知，重慶市主城區土地利用類型在2000—2005年轉換顯著，其中耕地和林地尤其突出，由于主城區城市化擴張和退耕還林的影響，耕地主要轉化為林地(78.79 km2)和建設用地(164.08 km2)，林地一方面被增長的建設用地侵占，轉化110.19 km2為建設用地，另一方面也受到三峽庫區蓄水的影響，導致有24.82 km2的林地轉化為水域，其他土地利用類型轉化面積較少。2005—2010年主城區各土地利用類型之間的轉化關系與2000—2005年基本相同，耕地轉化為建設用地和林地的面積進一步增加，分別轉化了186.47，91.23 km2，建設用地持續增長，除耕地外還由林地和草地轉化得到。2010—2015年，主城區城市化進程進一步加快，建設用地主要由耕地(137.59 km2)和林地(109.71 km2)轉化而來，建設用地相應地分別轉化了23.93，40.56 km2為耕地和林地，耕地和林地相互轉化，相比之下林地多轉化了51.90 km2為耕地。

總體來看，2000—2015年重慶市主城區土地利用動態變化顯著，具體特點體現為耕地、未利用土地面積明顯減少，而水域、建設用地面積不斷增長，對于草地、林地而言，則呈現出波動變化特點。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關鍵城市，導致主城區城市化進程加快，建設用地依靠侵蝕耕地和林地實現快速增長；(2) 2000年重慶市被正式納為退耕還林試點地區，導致大量耕地轉化為林地，由于退耕還林效果具有時間滯后性，林地呈現先減少后增加的趨勢；(3) 三峽大壩的修建導致庫區水位上升，導致沿江的各種土地轉化為水域，其中未利用土地的轉化尤為明顯。

3.2 SCS水文模型計算

根據SCS水文模型的產流計算公式(2)可知，徑流深度計算需要確定研究區的降雨量P。降雨量由重慶市主城區轄區內4個國家級地面站點記錄的1981—2010年累年值月值數據獲取，以月降雨距平百分率<-20%，-20%～20%，>20%為指標[19]，降雨月型劃分為枯水期、平水期、豐水期。根據主城區4個地面站點的全年各月降雨數據的平均值，結合重慶市全年降雨特點，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地表徑流。

根據SCS水文模型要求，運用ArcGIS軟件處理重慶市主城區相關數據，利用公式(2)模擬主城區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可知，枯水期主城區徑流深度較低，2000—2015年徑流深度低于14.58 mm，未產生徑流的地區分別占主城區總面積的27.03%，25.96%，25.48%，23.93%，呈下降趨勢，這些地區主要為主城區南北走向的山脈，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，徑流系數較低，地表徑流產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果可知，隨著平水期、豐水期降雨量增加，主城區徑流深度有明顯提升，平水期和豐水期主城區徑流深度分別為12.70～93.74 mm，62.45～184.85 mm。

圖3 2000-2015年重慶市主城區徑流深度

從不同降雨期2000—2015年重慶市主城區徑流量統計結果來看(表4)，主城區2000—2015年徑流量顯著增長，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年主城區在枯水期、平水期、豐水期徑流量漲幅分別達到了94.63%，9.34%，4.68%；同年隨降雨的增加，徑流量也呈增長趨勢，枯水期與平水期、豐水期比較尤為明顯。

3.3 土地利用變化對地表徑流的影響

SCS模型模擬結論證實，重慶市主城區徑流量持續增長(表4)，為探究主城區各土地利用類型在不同降雨期的產流能力差異，分別對主城區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)進行分析。

表4 2000-2015重慶市主城區徑流量 萬m3

表5 重慶市主城區各土地利用類型平均徑流深度 mm

圖4 2000-2015年重慶市主城區徑流量結構

從產流能力來看，各土地利用類型的產流能力存在明顯差異，從弱到強排序為：林地、草地、耕地、未利用土地、建設用地、水域。

從徑流量來看，主城區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、林地及建設用地，林地雖然產流能力弱，但因其面積大，徑流量變化趨勢與林地面積動態變化狀態基本上維持一致。

本文比較了2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年重慶市主城區各地塊的徑流系數變化情況，分析主城區土地利用變化對地表徑流空間演化趨勢的影響，徑流系數的空間變化情況可以體現研究時段內地表徑流的演化趨勢。從圖5可以看出，2000—2015年徑流系數未發生變化的區域占主城區總面積90%以上，說明這些地塊的土地利用類型保持不變。徑流系數降低的區域隨機零星分布，大部分是由于退耕還林導致土地利用類型發生改變，導致徑流系數減小。徑流系數升高的區域主要圍繞渝中區呈中心輻射發散分布，2000—2015年主城區建設用地從230.32 km2增至932.55 km2，導致徑流系數較高的地塊增加；2000—2005年徑流系數升高區域主要集中于渝北區西南部，2003年重慶北站正式動工，導致城市向北擴張；2005—2010年徑流系數升高區域主要在北碚中部地區、渝北中部地區及沙坪壩西部地區，2004年重慶市提出大學城“三步走”建設計劃，導致沙坪壩西部地區土地利用變化加劇，建設用地聚集增加，地表徑流系數升高；2010—2015年徑流系數升高區域主要為渝北區南部地區、江北區中部地區及巴南區西部，在2010年，國務院批準了重慶市兩江新區的建設，打造其為內陸地區對外開放的橋頭堡，建筑用地對其他用地的侵占明顯，導致其徑流系數顯著升高?？傮w來說，2000—2015年主城區徑流系數增加區域主要分布于“兩江四山”之間較平坦地區，主要呈現南北延伸趨勢。

圖5 2000-2015年重慶市主城區徑流系數變化

為進一步分析土地利用變化對地表徑流的影響，主城區按行政區劃劃分為渝中區、江北區、沙坪壩區等9個部分，選擇各區縣的耕地、林地、建設用地及其平均徑流深度；參考有關學者[20]的研究，由Fragstats 4.2軟件計算PLAND(斑塊所占比例)、NP(斑塊數量)、LPI(最大斑塊指數)、COHESION(斑塊結合指數)、DIVISION(破碎度)及AI(斑塊聚集度)6個景觀格局指數，共獲得54組數據。利用SPSS軟件對土地利用類型景觀格局指數和平均徑流深度進行相關性分析。由表6可知，經過相關系數顯著性檢驗，耕地、林地、建設用地景觀格局指數與平均徑流深度的相關系數隨降雨增加呈減小趨勢，建筑用地相關系數比耕地、林地較大；其中平均徑流深度與耕地、林地的PLAND，NP，LPI，COHESION，AI呈負相關，與DIVISION呈正相關；平均徑流深度與建設用地PLAND，LPI，COHESION，AI具有極顯著正相關性，相關系數范圍分別為：0.93～0.72，0.82～0.59，0.61～0.58，0.73～0.64，與建設用地的NP，DIVISION呈極顯著負相關，相關系數范圍分別為-0.81～-0.56，-0.71～-0.45。建設用地相較于耕地和林地對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，產流能力較弱，建設用地產流能力較強，在建設用地持續增長過程中，合理增加其斑塊數量、斑塊破碎度，減少大面積建設用地聚集，從而減少地表徑流。

表6 用地類型景觀格局指數與平均徑流深度的相關系數

4 結 論

(1) 2000—2015年，重慶市主城區的土地利用結構整體上相對穩定，主要以林地和耕地為主；未利用土地與耕地面積持續減少，建設用地、水域則呈現持續增長之勢，其中建設用地面積由230.32 km2增加到932.55 km2，增幅達304.90%，林地面積呈先減后增的變化趨勢，草地則與之相反；重慶市主城區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，主要表現為耕地轉換為建設用地、林地及水域。

(2) 2000—2015年重慶市主城區枯水期、平水期、豐水期徑流深度、徑流量均呈逐年上升趨勢，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，由于林地徑流系數較小，導致枯水期與平水期、豐水期徑流量差距較大。

(3) 重慶市主城區各土地利用類型產流能力從弱到強分別為：林地、草地、耕地、未利用土地、建設用地、水域；2000—2015年主城區徑流系數未發生變化的區域占總面積90%以上，徑流系數降低的區域隨機零星分布；徑流系數增加區域主要分布于“兩江四山”間較平坦地區，呈現南北延伸趨勢；建設用地相較于耕地和林地對地表徑流的影響更加明顯，在城市化進程中可以通過增加建設用地斑塊數量和破碎度、減少聚集度，合理增加綠地，進而減少城市地表徑流量。

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