区域土地利用/土地覆被变化的水文水资源效应分析

刘鹏 李宁 郝锦锦

【摘要】区域内部土地利用/土地覆被变化对水循环过程影响显著，其所衍生的资源问题和环境问题必然会影响流域生态、区域经济乃至社会经济的发展。本文主要利用SWAT模型对黄河流域不同土地利用/土地覆被变化的水文水资源效应进行模拟分析，以期为水资源的合理调控和区域内森林植被建设提供理论依据。

【关键词】土地利用；土地覆被；水文水资源；SWAT模型

榆林市位于毛乌素沙漠和黄土高原的过渡区，是陕西省最北部的一个地级市，黄河沿东界南下涉境270多公里。随着城市化和工业化进程的加快以及人民生活水平的提升，该区水资源短缺问题日益突出，加上现代气候变化显著，直接影响流域内水分平衡分量，而区域内部土地利用/土地覆被变化也对流域的产、汇、流过程产生了显著影响，这些都衍生了一系列资源问题和生态问题，比如区域内地下水位下降、土地沙化加重、植被退化等，对流域生态和区域经济发展都有不良影响，也不利于下游地区的水土保持与荒漠化防治。为此，深入研究区域内土地利用/土地覆被变化的水文水资源效应非常有必要，这对于构建合理的土地利用/覆被结构与格局、建立健全生态管理机制以及实现水资源的合理调控具有重要实践价值。

一、研究方法与数据处理

在土地利用/土地覆被变化水文效应研究中，分布式文模型方法的应用较为广泛，其中，较为成熟的模型之一是SWAT模型，该模型具有适用性强、数据易得、可长时间连续模拟、精度高等特点，主要以水量平衡为基本原理，能够模拟和预测土地利用/土地覆被变化、气候变化对水、沙、降雨、化学物质——径流过程的长期影响，在水资源综合管理和土地利用水文水资源效应研究领域应用比较广泛。模型中采用的水量平衡方程为：

式中，

SWt——土壤最终含水量即水量平衡计算结束时的土壤含水量（mm）；

SW0——土壤初始含水量即水量平衡计算开始时的土壤含水量（mm）；

t——计算时段（d）；

Rday——第i天降雨量（mm）；

Qsurf——第i天地表径流深（mm）；

Eα——第i天蒸发量（mm）；

Wseep——第i天土壤底层渗漏量（mm）；

Qgw——第i天地下水侧渗量（mm）。

SWAT模型需要输入的数据包括流域的数字高程模型（DEM）、坡度和坡向数、土地利用/覆被类型空间分布数据、土壤类型空间分布数据，所以，应基于地理信息系统建立流域DEM，构建土壤类型数据库、土地利用/覆被数据库，根据实际月气象资料定义一个天气发生器连续记录降水、温度与太阳辐射等参数，并采集降水数据和入流数据等。

SWAT模型涉及参数众多，仅关于陆面水循环模拟中径流分量的参数就包含26项，然而不同参数对模型的影响和贡献也有差别，为进一步提高模型率定效率，增强模型确定性，有必要对模型参数进行敏感性分析。最新版本SWAT提供了自动参数敏感性分析模块，使用LHS法和OAT法相结合方式确定参数敏感性，也就是先采用LHS法选出适当的变量随机抽样组合，然后利用OAT法直接对参数敏感度进行确定。以T检验和P值检验值为敏感性评价指标，T值越大、P值与0越接近，说明参数的敏感性越强。采用SSQ方程，选择水文站不同阶段实测日径流进行参数率定。

二、流域不同土地利用/土地覆被变化的水文情境模拟

1.情境设置

为讨论土地利用/土地覆被变化对流域径流量的影响过程，本文在分析流域内多年土地利用/土地覆被变化、景观特征状况的基础上，同时考虑空间尺度以及社会特点等，设置不同土地利用土地覆被变化情景。主要构建以下几种情景：①2002-2012年的土地利用/土地覆被现状，用于与其他情景进行对比；②假设区域内生态环境逐渐恶化，林地逐渐变为草地，覆盖草地退化为裸地；③假设当地通过采取生态修复和保护措施，通过一系列修复工程，地表全部被林地和高密度草地覆盖；④假设地表符合退耕政策，耕地、林地、草地并存；⑤假设地表土地进一步退化，地表为低密度草地和裸地；⑥假设地表为率定验证期状况。

2.流域不同土地利用结构的水文响应

根据情景②-情景⑥，分别模拟2002-2012年均流量。结果见表1。由表可知，随着地表林地和草地面积的增加，流域年平均流量逐渐减小，情境②流量最大，在该情景下，河流流域年均流量增大了，当地表全部被林地和草地覆盖时，年均流量相较于模拟期减小了，退耕还林期间和土地进一步退化时，年均流量都有所增大，但增幅较小。

表1 5种情境模拟结果

情景 年均流量（m3·s-1） 年均流量变化量（m3·s-1） 年均流量变化率（%）

② 43.70 7.98 19.78

③ 33.81 -2.62 -7.22

④ 37.72 1.11 3.01

⑤ 39.84 3.02 8.24

⑥ 36.66 0 0

总的来说，随着地表林地和草地覆盖率增加，汛期、非汛期径流量逐渐减小，且非汛期径流量减小幅度更小，这主要是因为非汛期降水量较小，温度较低，使得植被生产率较低，蒸发量会随之减小，所以土地覆被变化对径流量影响不显著。在不同土地利用情景下我们可发现，区域流域总径流会发生响应的变化，所以区域内生态環境优劣与流域径流量有直接联系，这就要求我们加强生态环境管理和建设，尽量增加林地面积，以达到稳定、增加区域内流域径流的目的。

3.气候变化下的水文响应

当今，气候变化及其所带来的影响已成为一个世界性问题，它对水文水资源变化有着重要影响。首先，降水与径流有着密切关系，降水变化将直接导致流域水文总量变化；其次，温度变化会对流域内的空气湿度带来影响，并影响冰川积雪的融化过程，进而对整个流域的水文情势带来影响。所以在研究土地利用/土地覆被变化的水文水资源效应过程中，还应设置相应的气候变化情景，保证模拟结果的准确性和可操作性。可设计以下两个情景：①以现状值为基础，假设降水变化为20%、10%、-20%、-10%、不变；②以现状值为基础，假设温度增加1℃、2℃、-1℃、-2℃、不变。

三、结语

总之，区域内部土地利用/土地覆被变化对水循环过程影响显著，其所衍生的资源问题和环境问题必然会影响流域生态、区域经济乃至社会经济的发展，也不利于下游地区的水土保持与荒漠化防治。本文主要利用SWAT模型对黄河流域不同土地利用/土地覆被变化的水文水资源效应进行模拟分析，结果表明，土地利用/土地覆被变化对水文水资源影响显著。未来，我们还应开展更深入的研究，以为构建合理的土地利用/覆被结构与格局、建立健全生态补偿机制以及实现水资源的合理调控提供理论依据。

参考文献：

1. 周兴东；徐州市城区景观格局时空变化遥感监测与分析[D]；山东科技大学；2010年

2. 穆振侠；高寒山区降水垂直分布规律及融雪径流模拟研究[D]；新疆农业大学；2010年

3. 赵锦梅；不同土地利用方式对高寒地区水土保持生态服务功能的影响研究[D]；甘肃农业大学；2010年

4. 黄泽钧；；关于城市内涝灾害问题与对策的思考[J]；水科学与工程技术；2012年01期

5.冯宝平；区域水资源可持续利用理论与应用研究[D]；河海大学；2004年