东辽河流域未来土地利用变化对水文影响的研究

孙丽娜,梁冬梅

(1.吉林省汇众益环科技开发公司,长春 130012; 2.吉林省环境科学研究院,长春 130012)



东辽河流域未来土地利用变化对水文影响的研究

孙丽娜1,2,梁冬梅2

(1.吉林省汇众益环科技开发公司,长春 130012; 2.吉林省环境科学研究院,长春 130012)

土地利用变化对水文的影响已引起社会的广泛关注。以东辽河流域为研究对象，以分布式水文模型SWAT和土地利用变化模型CLUE-S为研究工具，通过将SWAT与CLUE-S模型耦合，定量评估了东辽河流域未来2种不同情景模式下的土地利用变化对流域水文过程长期的影响。研究结果表明：2016—2025年情景1的平均径流量为15.41 m3/s，2016—2025年情景2的平均径流量为13.8 m3/s，2025年情景2的土地利用变化比情景1的土地利用变化更有利于减少径流的流失；通过对比分析2000—2025年不同情景模式下土地利用变化的植被覆盖率变化，2000年植被覆盖率由77.51%变化到2025年情景1的77.23%和2025年情景2的78.93%，表明植被覆盖率与径流的流失量呈反比。因此，研究区未来土地利用变化应按照国家土地利用规划实行，对东辽河流域水资源规划及可持续发展具有重要的意义。

SWAT模型; CLUE-S模型; 土地利用变化; 东辽河流域

随着我国经济的快速发展，水资源的脆弱性已成为流域水环境污染的主要因素之一。不适当的土地利用方式及土地利用活动直接导致了土壤侵蚀及氮磷营养物随地表径流流失，从而对流域水体环境产生影响，致使水资源供需关系发生了变化，进而对流域的生态环境及社会经济可持续发展等方向产生了巨大的影响。因此，合理分析及改变土地利用变化情况对流域水环境改善及水文影响的研究显得尤为重要。

近年来，国内外学者在土地利用/土地覆被变化、驱动力方面以及应用分布式水文模型模拟研究区的水文特征等方面的研究较多。农宇等[1]利用多分类Logistic回归对湖北省嘉鱼县土地利用变化进行模拟；谢花林[2-3]、曾凌云[4]等应用GIS和Logistic回归模型对土地利用变化及驱动力分析进行了研究；Fox[5]等利用CLUE-S模型对东南亚大陆土地利用变化进行模拟；Santini[6]等利用土地变化模型对意大利的土地变化进行预测；Yu[7]、Neitsch[8]等采用分布式模型研究台湾地区的径流量。然而，国内外学者在土地利用变化对水文影响的研究方面比较少，尤其是将SWAT(the Semi-distributed Soil and Water Assessment Tool)模型与CLUE-S(the Conversion of Land Use and its Effects at Small Regional Extent)模型耦合，预测未来不同情景模式下土地利用变化对水文影响方面的研究在国内外已有的文献中鲜有报道。

本研究以东辽河流域为研究区，由于自然因素及人类活动的影响，东辽河流域内水质及水资源每况愈下，对流域水环境管理造成了很大的威胁。因此，本文在分析多年间东辽河流域土地利用变化趋势的基础之上，应用CLUE-S模型模拟研究区未来土地利用变化情景，探讨未来土地利用变化对流域水文影响的研究，旨在为东辽河流域的土地利用规划及水资源可持续利用方面提供指导。

1　研究区概况

东辽河是辽河的主要支流，发源于吉林省东辽县辽河源镇，自东向西流经辽源市区、东辽县大部分乡镇后，在东辽县云顶镇注入二龙山水库。后流经梨树县、公主岭市、双辽市后流入辽宁省境内。地形特点是自东向西将辽河分为山地、丘陵和平原。流域内四季分明，春季干旱多风，夏季温度多雨，多年平均降雨量为545 mm，主要集中在6—8月，降雨量约占年降水量50%以上；多年平均蒸发量为1 020 mm，属于东部季风区中温带半湿润大陆气候。东辽河流域是吉林省重要的商品粮基地，年均产供水量中，农业供水量约占85%。

2　研究方法与数据分析

2.1研究方法

本文首先收集东辽河流域相关资料，校准和验证SWAT模型在研究区的适用性。然后基于3S技术将2000年和2005年两期的土地利用图生成分辨率为250 m×250 m的GRID形式，利用GIS空间分析功能得出研究区土地利用变化的空间与属性数据，通过CLUE-S模型模拟研究区2005年土地利用图，校准和验证CLUE-S模型在研究区的适用性，从而通过建立的未来土地利用图输入到SWAT模型中，定量分析东辽河流域未来土地利用变化对水文的影响。

2.1.1SWAT模型SWAT模型是由Arnold等[9]于1994年吸取了CREAMS，GLEAMS，EPIC等模型的优点为美国农业部(USDA)农业研究中心(ARS)开发的一个具有很强物理机制、长时段的流域分布式水文模型。该模型是以日为时间步长，通过按不同的土地利用、土壤类型和高程江流域划分为若干水文响应单元(HRUs)，可以在多种土壤、土地利用和管理条件下的复杂流域，利用3S技术的空间信息，模拟、预报复杂流域的多种不同的水文物理过程，很大程度上提高了模型模拟精度[10-11]。SWAT模型作为一种具有代表性的分布式水文模型，近几年来得到迅速的发展，主要用于对各种管理措施及气候条件下水资源供给的模拟及预测等。此外，该模型也广泛用于土地利用变化下的水文响应研究，该研究对水资源规划、管理及维持具有重要的意义。

2.1.2CLUE-S模型CLUE-S模型是由荷兰瓦赫宁根大学Verburg等[12]科学家在其较早的CLUE模型基础上为小尺度研究区开发的。该模型综合分析了研究区土地利用空间分布概率、研究区初期土地利用现状图、土地利用变化规律，在对研究区土地利用变化的经验理解基础之上，通过定量分析土地利用变化与社会、经济、技术及自然环境等驱动因子之间的关系来模拟多种土地利用变化，进行不同情景模式下的土地利用变化模拟，进而对未来土地利用变化进行预测[13]。

2.2数据收集

2.2.1SWAT模型数据

(1)空间数据源。主要包括DEM、研究区1∶10万2000年和2005的土地利用图、1∶100万的2000年土壤类型分布图。

(2)属性数据。主要包括集水域内1989—2009年间流域内4个雨量站日降雨数据、日径流数据、日最高最低气温数据和相对湿度等气象资料。

2.2.2CLUE-S模型数据根据研究区2000年、2005年的土地利用图，在GIS软件支持下分别将土地利用现状图作栅格化处理，栅格大小为250 m×250 m，结合研究区土地利用特点，将上述栅格图重新分为7大类：水田、旱地、林地、草地、水域、城镇、其他。利用GIS空间分析模块分别生成居民点、道路、河流的距离分析图层。

3　结果与分析

3.1SWAT模型参数的率定和验证

应用SWAT模型建立研究区数据库，选取2000—2007年的实测月平均流量、泥沙对SWAT模型进行参数率定，2008—2009年的实测资料对模型进行验证。选用确定性系数(R2)、Ens[14]来评价水文模型的适用性，模型参数率定和验证的精度统计见表1，图1给出流域率定期及验证期径流和泥沙的模拟过程与实测过程。结果表明，R2>0.5，Ens>0.5，SWAT模型模拟精度较高，在东辽河流域具有较好的适用性，可用于分析东辽河流域土地利用变化对水文过程的影响研究。

表1　率定期、验证期各指标的R2与Ens值

图1　率定期、验证期径流、泥沙实测值与模拟值的对比

3.2CLUE-S模型参数的率定和验证

根据研究区2000年的土地利用图，通过CLUE-S模型模拟出2005年土地利用图(图2)。通过2005年土地利用图的实测图与2005年模拟图对比分析可知CLUE-S模型模拟的精度。该模型采用Kappa指数评价模型的模拟精度[15]，公式为：

Kappa=(Pa-Pc)/(Pb-Pc)

(1)

式中：Pa为正确模拟的比例；Pc为随机情况下期望的正确模拟比例；Pb为理想分类情况下正确模拟比例；Kappa值越接近1，模型模拟精度越高。由图2可知，模型模拟的正确栅格数为136 297，占总栅格数的85.26%。本文将土地利用类型划分为7类，所以Pc为1/7，由此可知Kappa指数为0.828 0。结果表明，CLUE-S模型可用于预测东辽河流域未来土地利用变化情况。

图2　东辽河流域2000年、2005年(实测、模拟)土地利用类型

3.3未来情景设置

本文基于东辽河流域土地利用变化发展的历史趋势及未来土地利用总体规划，基于CLUE-S模型构建了两种土地利用变化情景，并预测东辽河流域2025年不同情境模式下的土地利用变化情况。

(1)历史趋势发展情景。根据研究区2000—2005年土地利用变化转移概率矩阵和2005年土地利用类型所占面积百分比，利用统计分析法预测东辽河流域2025年按历史趋势发展的土地利用图。

(2)土地利用总体规划情景。研究区各类土地利用面积发展趋势将根据《吉林省土地利用总体规划》(2006—2020年)变化。基于2005年研究区土地利用数据，结合前面CLUE-S模型参数设置，分别对2025年2种情景下的土地利用图进行模拟，结果见图3。研究区2000—2025年的各土地利用类型面积变化见图4。

图3　不同情况下2025年土地利用变化

3.4东辽河流域未来土地利用变化对水文的影响研究

为了定量分析未来土地利用变化对径流等水文要素的长期影响，本文将采取固定的水文资料及气候因子的方法，即运用1990—2009年东辽河流域的水文资料、1990—2009年20 a的气象站资料，运用SWAT已经验证好的模型参数，将CLUE-S模型模拟的未来不同情景下的土地利用图输入SWAT模型，对2025年情景1及2025年情景2的不同情景模式下的土地利用变化下的水文响应进行研究。模拟结果见图5。由实测数据我们可知2000—2009年的平均径流量为20.98 m3/s，由图5模拟结果可知，2016—2025年情景1的平均径流量为15.41 m3/s，2000—2009年的平均径流量减少了5.57 m3/s；2016—2025年情景2的平均径流量为13.8 m3/s，比2000—2009年的平均径流量减少了7.18 m3/s。由此可知，相同的气象条件(均用1990—2009年的气象资料)不同的土地利用图所导致的东辽河流域的地表径流变化也较大，情景2的土地利用变化比情景1的土地利用变化更有利于减少径流的流失。由图4可知，2000—2025年情景1、2025年情景2的土地利用面积变化较大，植被覆盖率由2000年的77.51%变化到2025年情景1的77.23%和2025年情景2的78.93%。由此可知，植被覆盖可以很好地减少地表径流。因此，未来研究区的土地利用变化应按照国家的土地利用规划实行，使东辽河流域的土地利用演化趋于合理，从而有利于东辽河流域水资源规划及可持续发展。

图4　研究区2000-2025年不同情景模式下各土地利用类型面积变化

图5　不同情境模式下径流对比分析

4　结 论

将分布式水文模型SWAT应用于东辽河流域，选取2000—2007年的实测月平均流量、泥沙对SWAT模型进行参数率定，2008—2009年的实测资料对模型进行验证，选用确定性系数R2和Ens评价模型的适用性，研究结果表明R2和Ens均大于0.5，证明SWAT模型模拟精度较高，适用于研究区水文模拟研究。

依据研究区2000年土地利用图，通过CLUE-S模型模拟出2005年土地利用图与2005年实测图对比分析可知，CLUE-S模型模拟的精度适用于研究区土地利用模拟研究。基于东辽河流域土地利用变化发展的历史趋势及未来土地利用总体规划，借助CLUE-S模型构建了东辽河流域2025年不同情境模式下的土地利用变化情况。

通过将SWAT与CLUE-S模型耦合，预测了研究区2025年不同情境模式下土地利用变化对水文的响应。2016—2025年情景1的平均径流量为15.41 m3/s，2016—2025年情景2的平均径流量为13.8 m3/s，2025年情景2的土地利用变化比情景1的土地利用变化更有利于减少径流的流失；通过对比分析2000年到2025年不同情景模式下土地利用变化的植被覆盖率变化，2000年植被覆盖率由77.51%变化到2025年情景1的77.23%和2025年情景2的78.93%，表明植被覆盖率与径流的流失量呈反比。研究区未来土地利用变化按照国家土地利用规划实行，对东辽河流域水资源规划及可持续发展具有重要的意义。

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Effect of Future Land Use Change on Hydrology in Dongliaohe Basin

SUN Lina1,2,LIANG Dongmei2

(1.Jilin Huizhongyihuan Technology Development Company,Changchun 130012, China; 2.Jilin Research Academy of Environment Sciences,Changchun 130012,China)

The influence of land use change on hydrology has obtained the extensive concern of society.Dongliaohe Basin was chosen as the case study area.Used distributed watershed hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool)and CLUE-S model,we modeled the hydrological response to different land-use change scenarios through coupling the models for SWAT and CLUE-S.The result shows that the runoff in scenario 1 from 2016 to 2025 will be 15.41 m3/s and the runoff in scenario 2 from 2016 to 2025 will be 13.80 m3/s,the result shows that the land use change in scenario 2 will be better for runoff reduction; through comparisons of land use change of vegetation coverage from 2000 to 2025,the vegetation coverage will change from 77.51% to 77.23% from 2000 to the scenario 1 of 2025,and the vegetation coverage will change from 77.51% to 78.93% from 2000 to the scenario 2 of 2025,which shows that the vegetation coverage has the negative relationship with runoff.Therefore,the future land use change in the study area should be in accordance with the national land use planning,the Dongliaohe Basin resources planning and sustainable development have the vital significance.

SWAT model; CLUE-S model; land use change; Dongliaohe Basin

2015-08-28

2015-09-24

吉林省财政厅项目“东辽河流域土地利用变化对非点源污染的影响研究”

孙丽娜(1985—),女,吉林延吉人,博士,研究方向为水文学及水资源。E-mail:sunlina_1985@126.com

F301.2; P333

A

1005-3409(2016)05-0164-05