泾河流域土地利用/覆被变化对径流情势的影响

张洪波，顾　磊，孙文博，曹　巍

（1.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710054；2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安 710054）

泾河流域土地利用/覆被变化对径流情势的影响

张洪波1，2，顾磊1，孙文博1，曹巍1

（1.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710054；2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安 710054）

通过建立泾河流域SWAT分布式水文模型，重点模拟分析了河流径流情势对土地利用/覆被变化的响应，对比了不同气候条件及人类活动综合影响下研究区水文过程的变化。结果表明：1996年以前土地利用/覆被变化是影响水文过程的主要人类活动影响源，径流量年际变化平稳，属有小幅增加的正偏；年内影响以枯水季节为主，年内分配更趋均匀，径流集中度降低，集中期略有滞后，且趋于平稳；土地利用/覆被变化导致流域蒸散发量、冠层和落叶层截留量减小，入渗量增加，河川基流量和地表径流量相应增大，并在时域上耦合形成了水文过程的新变化；1996年以后，气候条件驱动下泾河年径流量呈现明显的增大趋势，人类活动亦从以土地利用/覆被变化为主转变为以人类水事活动为主的综合影响模式，且人类水事活动超过气候变化和土地利用/覆被变化成为影响水文过程变化的主因。

径流情势；土地利用/覆被变化；SWAT模型；泾河流域

土地利用/覆被变化（land use and land cover change，LUCC）发生的实质是空间和非空间因素的相互作用，包括自然因素和人为因素的影响［1］。随着社会经济的高速发展，人类活动已成为土地利用/覆被变化的主要驱动因素，并对流域生态系统、河流水文情势等造成了一定的影响。定量研究土地利用/覆被变化对河流水文情势的影响，对开展当前阶段的区域水资源规划与流域管理具有重要的科学意义。泾河流域位于黄土高原中部，因自然资源的不合理开发利用，流域内植被退化显著，水土流失等问题较为严重；从20世纪70年代至今，该流域内土地利用/覆被发生了较大的变化，对流域水循环过程与生态环境产生了一系列扰动［2］。因此，科学定量土地利用/覆被变化对流域径流情势的影响极为必要。

流域水文模型是模拟流域水文过程和探讨土地利用/覆被变化影响的重要工具，其中，以SWAT模型为代表的分布式水文模型代表了流域水文模拟的一个重要发展方向。近年来，SWAT模型在我国应用广泛，姚苏红等［3］通过建立SWAT模型，对内蒙古闪电河流域径流进行了模拟研究，评价了模型的适用性；杨桂莲等［4］将SWAT模型应用于基流模拟，对比分析了SWAT模型基流模拟与业界普遍认可的数字滤波法基流计算的区别，评价了SWAT模型地下水模块的适用性；孟现勇等［5］通过改进SWAT模型的融雪模块，更好地模拟了高寒山区的径流过程。除此之外，很多学者尝试通过设置不同情景，如不同气候模式、土地利用情景等来模拟不同条件下的产流状况，以此确定不同因素对径流过程的影响，如邱国玉等［6］基于SWAT模型分别从北方气候和土地利用两方面的变化对泾河径流产生的影响进行了定量评估；冯夏清等［7］通过SWAT模型探讨了不同气候变化情景下乌裕尔河流域的径流演变趋势。

目前有关人类活动对河川径流影响的研究大多专注于土地利用变化对河川年径流量的影响，而缺乏对河川径流情势影响的探索；同时，人类活动影响多指土地利用/覆被变化对水文过程的间接影响，而人类涉水活动的直接影响，如河道取水、库坝蓄水等，或被忽略，或被包含在土地利用/覆被变化中，并未做细致的区分。基于此，笔者通过建立泾河流域的SWAT模型，重点模拟不同时期土地利用/覆被变化下的产汇流过程，并着重从年际与年内尺度两个层面分析土地利用/覆被变化对径流的影响，以期更全面科学地评估径流情势对土地利用/覆被变化的响应；同时，对比分析不同气候以及人类活动等条件的变化对水文过程的影响，探索气候变化和人类活动的综合影响，为流域水资源管理提供技术参考。

1　研究区概况与数据

1.1研究区概况

泾河流域概况如图1所示。泾河是渭河最大的支流，黄河的二级支流，发源于宁夏六盘山东麓，流经甘肃省平凉、泾川，并于杨家坪进入陕西长武县，途径政平、亭口、彬县、泾阳，最后于高陵县泾渭镇汇入渭河，全长455km。泾河水系较为发达，集水面积大于1000km2的支流有11条，大于500km2的支流有26条，各冲刷沟溪则达万条以上。泾河流域面积45373 km2，区内地形支离破碎，沟壑纵横，水土流失极其严重，是渭河主要沙源之一。泾河流域处于温带半湿润区向半干旱区的过渡带，其气候类型为典型的温带大陆性气候，冬季干旱少雨，夏季多暴雨。张家山断面以上多年平均降水量为539.1mm，多年平均蒸发量（蒸发皿）为1135.3mm，多年平均天然年径流量为18.7亿m3，多年平均输沙量为2.526亿t。

图1　泾河流域概况及周围气象站分布

泾河流域降水多集中于夏秋季，5—9月降水量占全年的72%～86%，年内分布不均；降水的空间分布亦不均匀，大体呈南北向递减。不均衡的降水时空分布增加了区域水资源开发利用的复杂度。

1.2研究区土地利用/覆被变化

在人类活动和气候变化的影响下，泾河流域的土地利用/覆被条件发生了深刻的改变。表1为20世纪70年代和1995年两个时期的各土地利用类型的变化［8］。由表1可知，与20世纪70年代相比，20世纪90年代的林地与高覆盖度草地面积显著减少，而低覆盖度草地和未利用地面积则有所增加。综合来看，研究区内覆被条件整体呈退化趋势，这对区域的产汇流过程产生了较大的影响。

表1　研究区土地利用/覆被变化%

1.3数据收集与处理

1.3.1数据资料选取

a.降水资料。为使模型精度更高，选取泾河流域内及周边共17个气象站（图1）1960—2010年实测数据建立气象数据库，采用协克里金插值法计算泾河流域面降水量，统计结果如图2所示。由图2可见，在1960—2010年间，区域降水并无明显趋势性变化。

图2　研究区降水量与径流深年际变化

b.径流资料。选取泾河干流出口站——张家山水文站1960—2010年逐日实测流量资料进行变异分析与对比计算。

c.空间数据。采用30 m×30 m分辨率的DEM数据（来源于shuttle radar topography mission，SRTM），1∶100万土壤图（来自中国科学院南京土壤研究所提供的土壤类型图）以及1995年1∶10万土地利用图（来源于国家自然科学基金委员会中国西部环境与生态科学数据中心）作为模型空间数据。

1.3.2资料的合理性与代表性审查

a.率定期与验证期。通过对张家山站各月径流实测序列的水文变异诊断，发现各月径流的变异点虽有不同，但均发生在1996年之后，加之降水无趋势性变化，说明1996年以前人类活动虽对张家山站以上径流有影响，但并不显著，可认为1996年以前人类取用水活动并未发生大规模的变化，径流情势改变应主要受土地利用/覆被变化影响。同时，对张家山站上游的调查显示泾河流域内大型河道取用水工程如张家山渠首水库、西郊水库等均于1996年后兴建运行，故可认为1996年之前土地利用/覆被变化是影响研究区径流情势变化的主要因素。因此，选取1987—1995年作为模型校准、验证期。

b.模拟期的代表性。模拟期的代表性是研究结果是否可信、是否具有普遍意义的关键，1971—2005年包含完整的丰枯变化，且径流量均值与长系列基本一致，说明该时段具有较好的代表性。

2　研究方法

2.1SWAT模型

SWAT（soil and water assessment tool）模型于20世纪90年代初由美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）融合了CREAMSS模型、EPIC模型、GLEAMS模型的主要特征，在SWRRB模型基础上，结合ROTO模型开发而成［9-13］，其工作原理为：通过DEM数据提取流域河网水系，将研究流域划分为多个子流域，并结合土地利用类型和土壤类型数据，将子流域划分为不同的水文响应单元HRUs；通过建立气象数据库，模拟各水文单元水分循环及其定量转化关系，进行汇总演算后，得到流域的水平衡关系。模型建立和应用流程分别如图3、图4所示。

图3　SWAT模型建立流程

图4　基于SWAT的土地利用/覆被变化影响分析

2.2径流情势评价指标

为全面分析土地利用/覆被变化对径流情势的影响，选取多年平均径流量，各月平均径流量，春、夏、秋、冬四季径流量，汛期、非汛期径流量，径流年内集中度与集中期，径流年际变差系数与偏态系数以及径流系数共24个指标，分别从径流量的年际演变情势和年内分配特性两个层面对土地利用/覆被变化对水文情势的影响展开评估。

把一年内所有月的径流量看作向量，月径流量的大小作为该月径流矢量的模，即径向距离；所处的月份作为径流矢量的方向，用圆周（把圆周的度数360°作为1年天数365 d，则1 d相当于0.9863°）方位来表示，将一年中各月径流矢量求和，合矢量模与年径流的比值为年径流集中度CD，合矢量方向为年径流集中期CP［14-15］，计算公式如下：

式中：R为年径流量，亿m3；Rx、Ry分别为12个月的分量之和所构成的水平、垂直分量，亿m3；ri为第i月的径流量，亿m3；θi为第i月径流的矢量角度，i= 1，2，…，12。CD可以很好地表达径流年内的集中程度，当全年径流集中于某一月，CD取最大值，为1；当各月径流量相等，CD取最小值，为0。CD值越大，表征径流的年内分配越不均匀。CP则主要反映最大径流量的出现时间。

3　泾河流域SWAT模型

对1971—2005年的径流过程进行模拟。选取张家山水文站月径流数据对流域径流模拟结果进行校准。模型率定与验证时期需要一个径流变化相对稳定的时间段，而1987年之前的流域土地利用/覆被变化较大，1996年后研究流域出现了大规模的人类涉水活动，径流数据扰动强烈，这些时段的数据都不宜用作模型率定与验证。因此选取1987—1992年作为模型率定期，模拟尺度为月，并选取相关系数R2、相对误差E、均方根误差Re等3个指标用于评价模型适用性［16-17］。同时选取1993—1995年作为模型验证期。

3.1泾河流域土地利用类型与土壤类型重分类

由于调查的土地利用与土壤类型与SWAT模型要求不一致，因此需要进行重分类。图5、图6分别为泾河流域重分类后的土地利用与土壤类型图，其中土地利用类型为8种，土壤类型为22种。土地利用数据主要是依据SWAT模型代码逐一归类获得；而土壤数据则通过查阅相关资料，将其分为14个大类，即水域、水稻土、新积土、淡棕壤、潮土、灰褐土、粗骨土、紫色土、红土、耧土、草甸土、褐土、黄绵土以及黑垆土。对于面积较大且复杂的大类，则将其划为不同子类，如新积土、粗骨土、耧土、褐土、黑垆土均包含了两个子类；而对于最为普遍的黄绵土，本文则将其划为4个子类。计算所需参数后，建立相关的基础数据库。

3.2模型参数校准及验证

数据库建立与参数初设完毕，即可进行径流模拟验证，模拟结果如图7所示。由图7可知模型模拟径流与实测径流较为吻合，降水的丰枯变化与径流的丰枯变化基本一致。

图5　泾河流域土地利用分类

图6　泾河流域土壤类型分类

图7　张家山站1987—1995年径流模拟

从模型校准期与验证期的误差分析结果（表2）看，模型校准期相对误差E为15.8%，相关系数R2达到0.91，均方根误差Re仅为32.87m3/s，表明模拟效果较好；而在模型验证期，E和R2分别为1.6%和0.81，误差也在可接受范围内，故可认为该模型可以使用。

表2　径流模拟效果评价

4　土地利用/覆被变化对径流情势的影响

在1971—1980年实测气象条件下，模拟20世纪90年代土地利用/覆被变化条件下的产汇流过程，将其与1971—1980年实测径流对比，分析研究区土地利用/覆被变化（不包含人类涉水活动）对径流情势的影响。

4.1对径流年际变化的影响

对比1971—1980年SWAT模型模拟径流与实测径流过程，并统计相关参数，如年平均流量、年际变差系数、偏态系数以及径流系数等，对比分析主要体现土地利用/覆被变化下径流情势的改变，部分结果如图8所示。由图8（a）可知，土地利用/覆被变化对径流的年际变化影响是客观存在的，与实测径流相比，模拟径流大18%。纵观整个模拟期，实测年径流量的变差系数和偏态系数分别为0.45和0.29，年径流波动起伏较大，但在均值两侧分布较为对称。土地利用/覆被变化后，模拟径流的变差系数和偏态系数变为0.41和0.62，可见土地利用/覆被变化导致径流在年际变化上更趋于平缓，且正偏显著。

同时，统计结果显示，1971—1980年实测年平均流量为36.30 m3/s，而模拟年平均流量为43.33 m3/s，大于实测值，这表明土地利用/覆被变化整体上对径流有“增量”影响。

4.2对径流年内分配特征的影响

4.2.1季节分布影响

统计1971—1980年春、夏、秋、冬四季及汛期、非汛期的实测与模拟径流量，结果如图9所示。

图8　张家山站实测与模拟径流的年际变化

图9　张家山站四季及汛期、非汛期模拟与实测径流量

土地利用/覆被变化后，夏秋两季径流量的变化相对较小，而冬春两季变化较大，尤其是冬季径流显著增大。从图9可以看出，冬季实测径流与模拟径流的变化趋势基本一致，但量值差别较为明显，模拟值大约是实测值的4倍；而春、秋季差别次之，模拟径流量分别比实测径流量大27%和31%。夏季模拟径流则较实测径流略小，应该是土地利用/覆被变化引发的产流系数变小所致。

从汛期与非汛期径流的差异看，汛期模拟径流量比实测径流量略大（增幅6%）；而非汛期模拟径流量显著大于实测径流量（增幅80%）。可见，土地利用/覆被变化使得区域的产汇流过程发生改变。

4.2.2集中度与集中期

根据式（1）～（4）计算得到实测与模拟径流的集中度与集中期如图10所示。由图10（a）可知，张家山站年内实测径流分布较为集中，集中度在0.33～0.78之间。土地利用/覆被变化后，径流集中度明显减小，多年平均值从0.61缩减为0.47。这主要与土地利用方式变化后，枯季水量显著增加有关。由图10（b）可知，模拟径流与实测径流的集中期相差不大，但略有滞后。实测径流集中期主要分布于7月下旬至9月，8月较为集中，占统计年数的40%，从分布形态看，集中期分布较为均匀，7月、9月各占30%。而模拟径流的集中期总体拖后，集中期分布于8—10月，其中8月仍为主集中期，约占统计年份的50%，9月次之，占40%。总体来看，模拟径流相对实测径流，集中期更为集中，时域上的波动幅度更小。

4.2.3月尺度径流变化

1971—1980年实测与模拟月径流深对比如表3所示。由表3可知，除个别月份（如4—7月）模拟值略小于实测值外，其余各月模拟值均大于实测值。相差幅度最大的月份为1月和12月，模拟值是实测值的5倍以上。此外，模拟与实测径流的波动范围上也有明显差别，可见土地利用/覆被变化不仅影响月径流量的大小，对月径流的年内波动亦有扰动。

图10　模拟与实测径流集中度及集中期

表3　1971—1980年实测与模拟月径流深对比mm

4.3物理成因分析

由前面的分析可知，泾河流域土地利用/覆被变化，导致张家山站控制流域的地表产流量和径流总量均有增加。基于区域水循环的物理机制（图11），可认为林地、高覆盖草地向地覆盖草地、未利用土地的转化，会导致流域内蒸散发和冠层截留及草地枯落物截留量减小及入渗量增加，进而使地表径流与基流量有所增加，这与文献［18-20］的研究结论基本一致。

为了进一步剖析土地利用/覆被变化对流域水文机制的影响，应用滤波法［21］切割1971—1980年的模拟与实测径流序列，得到两者的基流演变过程。分割结果显示，模拟的冬季基流明显大于实测径流，差值达0.7966亿m3，为实测基流的4.38倍；春季基流也有差别，差值为0.0744亿m3，约为实测基流的29%；夏秋二季基流量相差不大，且呈一定程度减小。通过对基流时域变化的分析，发现基流与降水峰值存在大约3个月的时滞，故认为冬季基流的增加应该主要受到汛期降水对地下水补给的增大所影响。从汛期与非汛期来看，模拟的非汛期基流显著大于实测值，从0.7727亿m3增至1.7526亿m3；汛期基流则有一定程度减小，这一变化与季节变化的结果基本一致。

综合以上分析，研究区的土地利用/覆被变化后，年地表径流和基流均呈增大趋势（地表径流量增幅为2%，基流增幅为0.5%），年径流量有所增大，且年际变化趋于平缓。从年内分布看，丰水季节径流受地表产流增大的影响，呈现小幅增加；枯水季节径流受基流增大的影响，增幅显著。两者变化导致径流的集中度减小，集中期偏后且趋于稳定。

图11　土地利用/覆被变化影响的物理成因分析

5　气候变化和人类活动对径流的综合影响

水文过程受气候变化和人类活动的联合影响，在不同时期呈现不同的趋势变化和波动规律［22-23］。其中，影响水文过程的人类活动主要包括两大类，即土地利用/覆被变化和人类涉水活动。人类涉水活动对水文过程产生直接影响，包括取用水活动等导致的径流“减量”变化以及污水排放等导致的径流“增量”变化，而土地利用/覆被变化指通过影响产流和汇流改变水文过程，其亦包括“减量”和“增量”两种模式。以下通过对比分析的方式，简要探讨气候变化和人类活动对研究区径流的综合影响，包括：①设定气候条件不同（1987—1995年与1996—2005年两个时间段的降水条件），土地利用/覆被条件相同（20世纪90年代），人类涉水活动无变化（或变化不显著），旨在评价两个时间段气候变化对径流量的影响；②设定气候条件相同（1996—2005年的降水条件），土地利用/覆被条件不同（1995—2005年变化中的土地利用/覆被条件），人类取用水活动不同（无变化对比人类涉水活动强烈），旨在通过模拟径流与实测径流的对比，反映土地利用/覆被变化和人类涉水活动的综合影响。

基于20世纪90年代土地利用/覆被条件不同因素对径流的影响统计结果如表4所示。1996—2005年，气候变化使径流深增加9.20 mm，人类活动则导致径流深减小18.76 mm，人类活动对泾河流域的径流影响更为显著。从人类活动的类型上看，1996年之前以土地利用/覆被变化为主导，影响程度相对较小，而之后人类涉水活动发挥主要作用，并超过气候变化，成为影响水文过程变化的关键因素。

表4　不同因素对径流的影响

6　结 论

a.SWAT模型可用于泾河流域月尺度的径流模拟，且具有较好的模拟精度。

b.由林地、高覆盖草地向低覆盖草地、未利用地的转变，将使泾河流域蒸散发量、冠层和落叶层截留量减小，入渗量增加，进而导致河川基流量和地表径流量增大。

c.土地利用/覆被变化后，受到地表产流和基流增加的共同影响，泾河径流量呈小幅增加，年际变化更为平稳，正偏显著。年内变化差异显著，枯水季节径流受基流变化影响，显著增加，丰水季节变动不大；集中度整体变小，年内分配更趋均匀；集中期略有滞后，且趋于平稳，且主要集中于8月和9月。

d.人类活动对泾河流域的径流影响更为显著。1996年之前人类活动以土地利用/覆被变化为主导，影响程度相对较小，而之后人类涉水活动发挥主要作用，并超过气候变化和土地利用/覆被变化，成为影响水文过程变化的关键因素。

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Influence of land use and land cover changes on runoff regime in Jinghe Basin

ZHANG Hongbo1，2，GU Lei1，SUN Wenbo1，CAO Wei1
（1.School of Environmental Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 710054，China；2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education，Chang'an Unviversity，Xi'an 710054，China）

In order to analyze the influence of land use and land cover changes on runoff regimes，a distributed hydrological model in the Jinghe Basin was built based on the SWAT model.The synthetic influence of climate change and human activities on the hydrological processes in the study area was also investigated.The results show that，before 1996，land use and land cover changes were the main human activities affecting hydrological processes；under those influences，interannual fluctuations of runoff were stable，showing a significant positive skew.At the intra-annual scale，the main influence was runoff in dry seasons，and the flow was more uniformly distributed than before.Meanwhile，the concentration ratio of runoff decreased，and the concentration period lagged and tended to be stable.The analysis of the physical causes of the runoff change indicates that land use and land cover changes lead to decreasing evapotranspiration，a decreasing amount of rainfall intercepted by the canopy and litter layer，and increasing infiltration in the basin，all of which cause the increase of the baseflow and surface runoff in the channel，leading to new variations of hydrological processes.The results also show that the runoff increased after 1996 due to climate change，and the main human activities changed from single land use and land cover type to land use and land cover coupled with other water-related activities.Also water-related activities，rather than climate change and land use and land cover changes，became the principal factor in the variation of hydrological processes.

runoff regime；land use and land cover change；SWAT model；Jinghe Basin

P339

A

10067647（2016）05002008

10.3880/j.issn.10067647.2016.05.004

国家自然科学基金（51379014）；陕西省科学技术研究发展计划（2014KJXX-54）；中央高校基本科研业务费专项（310829152018）

张洪波（1979—），男，副教授，博士，主要从事水资源系统工程研究。E-mail：hbzhang@chd.edu.cn

（20150908 编辑：郑孝宇）