土地利用变化对卧虎山水库入库径流的影响

姜爱华 ，王 军 ，王中根

（1.济南市城乡水务局，山东 济南 250099；2.中国科学院地理科学与资源研究所，陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101）

卧虎山水库位于济南市南部山区三川流域，是济南市唯一的大型水库。三川流域内地势南高北低，东高西低，海拔在118～981 m之间；属大陆性季风气候，年平均气温为13.4℃，年平均降水量706.8 mm，卧虎山水库多年平均入库径流深114 mm；流域内主要分布棕壤和褐土两大类；2014年流域土地利用现状为林地、草地、果园、旱地和建设用地分别占流域总面积的23.13%、24.04%、19.70%、21.17%和8.47%；观光旅游业为当地支柱性产业，为保护水源地，流域内实施了植树造林等水土保持措施，建设用地逐年增加。

本文基于HIMS（Hydro-Informatic Modelling System）系统构建卧虎山水库上游流域的分布式水文模型，通过设置情景，定量分析土地利用变化对卧虎山水库入库径流的影响，研究结果能为科学评估实施水土保持措施下的卧虎山水库水资源情势提供科学依据。

1 研究方法

1.1 HIMS模型

HIMS是中科院陆地水循环及地表过程重点实验室开发的一个水循环综合模拟系统，已在黄河、海河等多个流域进行了成功的径流模拟。HIMS日过程模型主要包括对潜在蒸发、实际蒸发、下渗、地表径流、壤中流、地下水补给、基流、河道汇流等过程的计算，其中地表径流采用LCM公式计算，林地、草地、果园等各植被类型实际蒸散发采用ETa=KsKcET0计算。其中ETa为实际蒸散发，mm；ET0为参考作物腾发量，mm；Kc为作物系数；Ks为土壤水分修正系数。

HIMS模型参数分为作物系数和产汇流参数两类。不同土地利用类型的作物系数参考农田/样地尺度实验结果确定，产汇流参数通过模型率定和验证确定。选用Nash效率系数、相对误差作为评价指标评价模拟结果。

1.2 土地利用情景设计

本文选用“土地利用空间配置法”和“极端土地利用情景法”进行流域土地利用情景设计。以2014年流域土地利用数据为基准情景，参考“国家退耕还林还草工程”要求、考虑极端土地利用情况，共设置17种土地利用情景。不同情景下各土地利用类型变化面积占流域总面积的百分比见表1。

2 结果分析

2.1 HIMS模型构建

在Arcgis10.2平台上，将等高线图转化为DEM高程图，提取流域河网信息，再结合流域水库分布信息等，将三川流域划分为46个子流域；耦合子流分布图、土壤图和土地利用图确定各子流域的计算单元。分别采用泰森多边形法、反距离平方法将日降雨和参考作物腾发量插值到各子流域。实地调研发现，流域内农作物一般不灌溉，因此在模拟过程中不考虑农作物灌溉。

表1 不同情景下各土地利用类型变化面积占流域总面积的百分比

以2003年为预热期，2004—2005年为率定期，2006—2007年为验证期，进行产汇流参数率定和验证。率定期和验证期模拟与实测径流过程的对比见图1。

由图1可知：率定期和验证期HIMS模型模拟的月入库径流过程与实测过程相吻合。率定期入库径流模拟与实测值的Nash效率系数和相对误差分别为0.95和10.2%，验证期的Nash效率系数和相对误差分别为0.88和12.8%。HIMS模型的模拟效果与杨姗姗等（2013）采用的SWAT模型模拟结果相一致。SWAT模型模拟是以2007—2009年为率定期，率定期模拟与实测值的Nash效率系数为0.7，各年相对误差均小于15%。可将率定和验证后的HIMS模型用于模拟分析土地利用变化对三川流域卧虎山水库入库径流的影响。

图1 卧虎山水库2004-2007年入库径流模拟结果(a)率定期； (b)验证期

2.2 不同土地利用变化情景下径流变化分析

以2004—2007年为基准期，评价土地利用变化对径流的影响。17种土地利用情景下的年径流模拟结果见表2，由表2可知：

表2 不同土地利用情景下卧虎山水库入库径流变化

1）从情景1～17年径流模拟结果可知：各情景下入库径流量相对基准径流量都有所减少；除将＞15°的耕地和园地转化为林地，以及将＞15°的耕地、园地和草地同时转化为林地情景外，其余情景入库径流量都大于0.80亿m3。

2）对比情景 1、3、9、15 和 17 模拟径流及变化结果可知：①将＞25°、＞20°或＞15°的耕地分别转化为林地，年径流分别为0.87亿m3、0.84亿m3和0.81亿m3，相对基准径流分别减少 2.68%、5.53%、9.27%，退耕还林引起年径流减少。②将现有＞15°的耕地和园地全部转化为林地，年径流仅0.71亿m3，减少20.66%，将园地转化为林地径流减少；③继续将＞15°的草地转化为林地，则年径流降至0.56亿m3，减少量可达37.13%，草地转化为林地也会引起径流的减少。

3）对比情景2、4、10和16模拟径流及变化结果可知： ①将＞25°、＞20°或＞15°的耕地分别转化为草地，年径流分别为 0.88 亿 m3、0.87 亿 m3和 0.86 亿 m3，分别变化-0.99%、-2.03%、-3.40%，退耕还草也会减少年径流，变化量不超过4%，变化不大；②将＞15°的耕地和园地全部转化为草地，年径流量仅减少0.97%，为 0.88 亿 m3，大于将＞15°的耕地转化为草地情景下年径流量，这说明将园地转化为草地会引起径流的增加，这主要与草地的实际蒸散发小于果园有关。

4）对比情景1和8模拟径流及变化结果可知：同时将＞25°的耕地转化为林地、将＞20°且＜25°的耕地转化为园地情景下的径流减少量，大于仅将＞25°的耕地转化为林地引起的径流减少量，这说明将耕地转化为园地也会引起径流减少。

5）分析各土地利用类型单位面积变化对径流的影响发现，各土地利用类型转化对径流的影响从高到低依次为：耕地转林地、草地转林地、园地转林地、耕地转园地、耕地转草地、园地转草地。

6）综合情景1～17模拟径流及变化结果可知：将＞25°的耕地退耕还林还草，将＞20°且＜25°的耕地转化为林地、草地或园地，以及将＞15°且＜20°的耕地转化为草地或园地，年径流量大于0.84亿m3，相对基准径流减少量不超过6%，变化不大；将＞15°的耕地转化为林地，年径流量为0.81 亿 m3，减少约 10%，变化略大；将＞15°的耕地、园地或草地同时转化为林地，年径流量小于0.71亿m3，减少20%以上，变化剧烈。

在有效防治水土流失、发展经济的基础上，为使土地利用变化对卧虎山水库入库径流影响最小，在三川流域实施退耕还林政策时，推荐土地利用变更方案为：将＞25°的耕地退耕还林还草，将＞20°且＜25°的耕地转化为林地、草地或园地，以及将＞15°且＜20°的耕地转化为草地或园地。

[1] 杨姗姗，徐征和，孔珂，等.基于SWAT模型的卧虎山水库流域径流模拟[J].中国农村水利水电，2013，(5):11-19.

[2] 魏耀武.济南南部山区土地利用/覆盖变化及情景预测研究[D].山东师范大学，2014.

[3] 刘昌明，王中根，郑红星，等.HIMS系统及其定制模型的开发与应用[J].中国科学E辑，2008，38(3):350-360.

[4] 杨默远，桑燕芳，王中根，等.潮河流域降水—径流关系变化及驱动因子识别[J].地理研究，2014，33(9):1658-1667.