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汾河流域土地利用變化對洪水過程的影響

2025-04-16 00:00:00梁紀堯郭青霞
人民黃河 2025年4期
關鍵詞:模型

摘 要:為探究土地利用變化對流域洪水過程的影響,以汾河流域為研究區,通過SWAT 模型和極端土地利用情景分析法,分析不同時期和不同情景下土地利用類型變化對場次洪水過程的影響。結果表明:1)率定期和驗證期納什系數ENS均值大于0.70,決定系數R2均值大于0.65,表明SWAT 模型在汾河流域具有較好的適用性;2)2000—2020 年耕地、草地、水域和未利用地面積減少,林地和建設用地面積增加;3)2000 年、2010 年和2020 年土地利用條件下,各場次洪峰流量和洪水總量呈現小幅度增加趨勢;4) 耕地情景下,各場次洪水的洪峰流量和洪水總量呈增加趨勢,而在林地和草地情景下均呈減少趨勢。影響幅度方面,土地利用變化對較大洪水過程影響較小,對中小洪水過程影響較大。適當在洪澇災害高發區和水土流失嚴重區增加林草面積和提高植被覆蓋率,推進適水種植,避免高耗水植被,可提升汾河流域防洪抗澇、防災減災的能力,推動汾河流域生態修復和高質量發展。

關鍵詞:土地利用;SWAT 模型;洪峰流量;洪量;汾河流域

中圖分類號:TV12;TV882.1 文獻標志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2025.04.009

引用格式:梁紀堯,郭青霞.汾河流域土地利用變化對洪水過程的影響[J].人民黃河,2025,47(4):51-57.

0 引言

我國是世界上遭受洪澇災害最頻繁的國家之一,近年來,隨著人口增長、國民經濟快速發展和城鎮化率逐步提高,對自然資源的開發利用不斷增加,進而導致洪澇風險增加。同時,土地利用類型改變導致下墊面變化,對徑流及洪水產生顯著影響[1-4] 。

探究土地利用變化對流域水文和水資源的影響是適應性流域管理的重要基礎[5] 。作為環境變化的一個重要組成部分,土地利用/ 覆蓋變化主要影響土壤滲透、蒸散發強度和林冠截留量,進而對流域水文情勢、產匯流等產生顯著影響。研究土地利用變化對水文循環的影響,有助于深刻剖析區域生態環境變遷的內在機理,為制定可持續水資源管理策略提供科學依據。Liu 等[6] 探索了土地利用和氣候變化對渭河上游洪水的影響,認為林草地的增加在一定程度上減少了地表徑流,而耕地和荒地的擴張增加了地表徑流。Amiri等[7] 通過分析伊朗北部唐澗河的徑流變化,指出不同的土地利用情景會導致年徑流量發生變化。趙雪巖等[8] 分析了2005 年后土地利用變化對無定河流域徑流的影響,得出建設用地擴張是導致徑流增加的關鍵因素。張田田等[9] 以丹江流域為例,得出隨著草地和耕地面積的減少以及林地面積的增加,徑流量會減少。上述研究為探究土地利用變化下水文過程和循環響應機制奠定了一定基礎,然而,現有研究主要集中在模擬土地利用類型變化對較長時間尺度(年或月)流域徑流的影響,而對較短時間尺度(小時或日)徑流如場次洪峰流量和洪水總量的影響則相對較少。因此,探究土地利用變化對洪水過程,特別是對場次洪峰和洪量的影響是本研究的重點。

汾河位于溫帶大陸性季風氣候區,受季風影響,區域降水分布不均,差異顯著。在1949 年之前的100 多a 中,汾河流域遭受了超過30 次洪水的侵襲,平均每5a 就會發生一次。1949 年之后,汾河中下游地區在1954 年、1959 年、1977 年、1978 年以及1996 年共經歷5 次洪災[10] 。2021 年10 月,汾河流域遭遇近年來最強暴雨,平均降雨量132.6 mm,遠超歷史同期最高值。與此同時,隨著礦產開采、樹木砍伐以及城鎮化發展,土地利用的空間格局也在不斷變化,一定程度上影響流域產匯流,進而增大洪水發生頻率。本研究基于SWAT 模型模擬不同時期土地利用變化對場次洪峰流量和洪水總量的影響,同時結合極端土地利用情景分析法,量化單一土地利用類型對洪水過程中洪峰和洪量等關鍵要素的影響程度,以期為流域防洪抗澇和土地利用布局提供科學參考。

1 研究區概況

汾河發源于山西省北部、流經山西省中南部,是黃河第二大支流, 位于東經110° 30′—113° 32′、北緯35°20′—39°00′,干流全長716 km,流域面積39 521km2,占山西省總面積的25.5%。全流域多年平均水資源總量33. 6 億m3, 占山西省水資源總儲備量的27.2%;60%的降水集中在7—9 月,多年平均降水量為504.8 mm。截至2020 年,耕地、林地、草地3 種地類面積占流域總面積的91.32%。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本研究使用SWAT ( Soil and Water AssessmentTool)模型模擬和分析不同土地利用變化情景對洪水過程的影響。構建模型數據庫需要兩類數據,即地理空間數據(DEM、土地利用和土壤數據) 和屬性數據(氣象和水文數據等)[11] 。首先,利用ArcGIS 軟件對DEM 數據進行拼接、投影轉換、填洼、流向分析,自動劃分子流域;其次,對土地利用、土壤和坡度數據疊加統計分析,生成水文響應單元(HRU),土地利用和土壤數據分別來源于中國科學院資源環境科學與數據中心和世界和諧土壤數據庫(HWSD);最后,輸入氣象和水文等屬性數據,數據來源于中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)和黃河流域水文年鑒,數據序列長度為2000—2016 年,缺失數據用SWAT Weather 軟件生成天氣發生器(WXGEN)填補。

2.2 模型構建

SWAT 模型是基于地理信息系統的分布式流域水文模型,可用于評估地表和地下徑流、污染物輸送和生態系統過程等[13- 15] 。在流域水文過程模擬中,SWAT模型主要利用水量平衡方程模擬流域水文循環過程。

該模型基于DEM 數據劃分子流域,同時疊加土地利用、土壤和坡度數據構建水文響應單元(HRU)。SWAT 模型水量平衡基本表達式如下:

式中: SWt 為最終土壤含水量, SW0 為早期土壤含水量, t 為時段長, Ri 為第i 天降雨量, Qsurfi 為第i 天地表徑流量, Eai 為第i 天蒸發量, Wseepi 為第i 天土壤剖面底部的滲透量和側流量, Qgwi 為第i 天地下徑流量。

參數校準和敏感性分析選用SUFI-2 算法。為減少校準參數的盲目性,選擇納什系數ENS 和決定系數R2兩個指標來評估模型模擬結果的質量[16- 17] ,具體計算公式如下:

式中: Qsim 為模擬徑流量, Qobs 為實測徑流量, Qasim 為模擬徑流量平均值, Qaobs 為實測徑流量平均值。

通常情況下,ENS越接近1 表示模擬值與實測值越一致。當0<ENS <0.54 時,模擬結果可以接受;當0.54≤ENS≤0.65 時,模擬結果較為滿意;當ENS >0.65 時,模擬結果非常好。R2 用來衡量模擬值和實測值之間的擬合優度,R2越接近1,模擬值和實測值之間的擬合越好。一般認為,當R2 > 0. 6 時,模擬結果相對令人滿意[18- 22] 。

2.3 情景設定

為了更好地呈現結果,選用極端土地利用情景分析法,對比不同土地利用類型對洪水過程的影響大?。郏玻常玻矗?。考慮到汾河流域耕地、林地和草地面積占比較大,本研究基于2020 年的土地利用現狀,假設了以下3 種極端土地利用情景,每種情景設置均保留水域。

1)情景1:耕地情景。假設流域內除水域外,剩余地類全部轉為耕地。

2)情景2:林地情景。假設流域內除水域外,剩余地類全部轉為林地。

3)情景3:草地情景。假設流域內除水域外,剩余地類全部轉為草地。

3 結果與分析

3.1 模型校準與驗證

設定2000—2002 年為模型預熱期,2003—2013 年為模型率定期,2014—2016 年為模型驗證期。其中2003—2013 年挑選6 場洪水逐場次率定,2014—2016 年挑選3 場洪水逐場次驗證(這3 場洪水包括了不同量級的洪水),同時使用SWAT-CUP 軟件[25-27] 對該模型自動校準和驗證參數,最終確定的12 個參數見表1。根據圖1 可知,模擬洪水過程線在率定期和驗證期與實際洪水過程線基本吻合。整體模擬結果中,2007 年和2015 年的洪峰流量相對實際值誤差較大。由表2可知,率定期洪峰流量合格率為83.33%,驗證期洪峰流量合格率為66.67%,整體合格率達到乙級標準[依據《水文情報預報規范》(CB/ T 22482—2008)中的洪水預報評價指標對模擬結果進行精度評定,規范要求洪峰流量的許可誤差不得超過實測值的20%]。率定期和驗證期場次洪水ENS 均值都大于0.70,達到規范要求的乙級標準。綜上,模型在汾河流域適用性較好。

3.2 土地利用變化分析

2000—2020 年,汾河流域以耕地、林地和草地為主要土地利用類型。其中,耕地面積約占41%,林地和草地面積分別約占28%和24%,水域和未利用地面積約占1%,建設用地面積約占6%。

從表3 可以看出,汾河流域20 a 來土地利用結構發生明顯變化。2000—2010 年耕地和草地面積減少幅度較大,2010—2020 年減少幅度較小,耕地面積的減少說明汾河流域退耕政策發揮了一定的作用;林地面積在2000—2020 年變化趨勢為先增加后減少,20 a內凈增加158.10 km2;所有地類中,建設用地面積增長最為顯著,特別是在2000—2010 年,汾河流域人口迅速增長和城鎮化進程加快,為滿足居民住房需求,建設用地面積凈增加1 133.57 km2,2010—2020 年伴隨城市規劃和土地政策調整,建設用地面積增加但增速趨緩,10 a 內凈增加面積328.29 km2;水域和未利用地占比較小,2010—2020 年面積基本不變。

由圖2、圖3、圖4 可以看出,2000—2010 年洪峰流量和洪水總量的變化率高于2010—2020 年,主要原因是2000—2010 年建設用地面積大幅增加,草地面積減少,而2010—2020 年建設用地面積增長減緩,草地和林地面積穩定。20 a 內,耕地和建設用地面積變化最為明顯,耕地面積減少,建設用地面積增加。鑒于洪峰流量和洪水總量整體呈現小幅度增大趨勢,可以得出建設用地對洪峰和洪量的影響程度高于耕地的影響。

3.3 土地利用變化對場次洪峰和洪量的影響

2000—2020 年不同時期土地利用條件下場次洪峰流量和洪水總量呈現小幅度增大趨勢,變化相對穩定,見圖2。相較于2000 年土地利用條件,2010 年和2020 年土地利用條件下洪峰流量平均變化率分別為1.82%和3.11%,洪水總量平均變化率分別為2.01%和3.23%。結合土地利用變化分析,2000—2010 年耕地和草地面積減少,林地和建設用地面積增加,耕地轉出部分多流向建設用地,剩余部分流向林地和草地,各地類變化中,建設用地面積增加最為明顯;2000—2020年建設用地面積增加接近一倍,耕地和草地面積減少,林地面積增加。由于模擬結果是在不同土地利用條件下綜合得出的,在分析過程中,無法具體分析單一土地利用類型對洪峰流量和洪水總量的影響,因此僅從整體影響進行評價。

3.4 極端情景模擬結果及分析

為進一步探究土地利用變化對洪水過程的影響,使用3 種假定情景,代入SWAT 模型,并以原始情景為參考,比較3 種情景下洪峰流量和洪水總量及其變化(見圖5~圖7)。

由圖5 至圖7 可知,3 種情景下,各場次洪水的洪峰流量和洪水總量均發生相應變化。具體而言,在耕地情景下,各場次洪水的洪峰流量和洪水總量呈增大趨勢,洪峰流量和洪水總量平均變化率分別為7.39%和7.96%,表明耕地能增加研究區地表徑流,對洪峰和洪量具有正向效應。其原因主要是耕地表層植被覆蓋減少、土壤滲透性降低等,易形成地表徑流。相反,在林地和草地情景下,各場次洪水的洪峰流量和洪水總量呈減小趨勢。林地情景下,洪峰流量和洪水總量平均變化率分別為-11.14%和-10.60%,草地情景下,洪峰流量和洪水總量平均變化率分別為- 6. 79% 和-6.77%,表明林地和草地一定程度上能夠減緩洪水過程,降低流域洪澇災害發生的概率。其原因主要是林草地能增大地表植被覆蓋率,且林地樹冠可以避免降雨直接打擊土壤表面,此外,茂密的枝葉和落葉層可以吸收和滯留雨水,減少土壤表面徑流,具有良好的水源涵養功能??梢姡鼐哂忻黠@的產流作用,而林地和草地能夠有效減少地表徑流,削減洪峰流量和洪水總量。

不同洪水過程的規模各異,綜合分析顯示,當洪水總量相對較小時,土地利用類型的變化會顯著影響洪峰流量和洪水總量的變化。相反,當洪水總量相對較大時,土地利用類型的變化對洪峰流量和洪水總量的影響相對較小。

4 結論及建議

4.1 結論

本文基于SWAT 模型研究了汾河流域土地利用變化對洪水過程的影響。通過分析2000 年、2010 年、2020 年三期土地利用數據,模擬了不同時期土地利用對場次洪峰流量和洪水總量的影響。同時,結合極端土地利用情景分析法,量化了耕地、林地和草地對場次洪水過程的影響情況,得出結論如下:

1)利用SWAT-CUP 對模型參數進行率定和驗證,得出率定期和驗證期不同場次洪水納什系數ENS均值大于0.70,決定系數R2 均值大于0.65,不同場次洪水洪峰流量整體合格率達到乙級標準,模擬結果表明SWAT 模型在汾河流域具有較好的適用性。

2)2000—2020 年,汾河流域土地利用類型多為耕地、林地和草地。從變化趨勢上看,耕地、草地、水域和未利用地面積呈減少趨勢,林地和建設用地面積呈增加趨勢。

3)2000 年、2010 年和2020 年土地利用條件下,場次洪峰流量和洪水總量呈現小幅度增大趨勢。結合流域土地利用變化情況,耕地和建設用地面積變化最為明顯,其中耕地面積減少,建設用地面積增加,綜合分析得出建設用地對洪峰和洪量的影響程度高于耕地的影響。

4)耕地情景下,各場次洪水的洪峰流量和洪水總量呈增大趨勢,平均變化率分別為7.39%和7.96%;林地和草地情景下,各場次洪水的洪峰流量和洪水總量呈減小趨勢,其中林地情景下平均變化率分別為-11.14%和-10.60%,草地情景下平均變化率分別為-6.79%和-6.77%,減小程度為林地情景大于草地情景。在影響幅度方面,整體來看,土地利用變化對較小洪水過程影響更加明顯,相反,對于較大洪水過程影響則相對較小。

4.2 建議

汾河流域受氣候和土地利用變化等因素的影響,近年來洪水次數頻增,嚴重影響當地人民生活和經濟發展。本文通過探究土地利用變化對洪水過程的影響,特別是對洪峰流量和洪水總量的影響,得出增加林地和草地面積能有效減少流域地表徑流,降低流域洪澇災害發生的概率。這對于以汾河為重點的“七河”流域生態保護、洪水調節和可持續發展具有重要意義。林地的土壤層和根系能夠緩沖地表徑流,增加土壤的蓄水能力;草地能夠攔蓄雨水,減少水土流失,提升土壤的透水能力。因此,建議在流域內,特別是洪澇災害高發區和水土流失嚴重區,增加林草面積、提高植被覆蓋率,推進適水種植,避免高耗水植被,以提升汾河流域防洪抗澇、防災減災的能力,推動汾河流域生態修復和高質量發展。

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【責任編輯 許立新】

基金項目:山西省回國留學人員科研教研資助項目(2022-111)

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