土地利用方式对平原-丘陵-湿地交融区水资源的影响

宫兴龙 付 强 邢贞相 关英红 王 斌 李 茉

(东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

近几十年来全球环境变化对人类的生存和发展产生了严重威胁，未来多数地区将出现降雨量减少而蒸发量增加的现象[1-3]，对我国北方地区农业生产和生态环境造成了巨大的影响[4]。首先是对水资源的影响，而在影响水资源的因素中，土地利用/覆被变化(LUCC)对区域水资源的影响不可忽视，其影响着水循环过程中的蒸散发、下渗速率、土壤含水率、地面水流及地下水流等要素的时空分布，进而改变水资源量的时空分布特征[5]。三江平原处欧亚大陆东端的中高纬度地区，自1990年以来进入降水略减少和干旱较多发阶段[2,6-7]。三江平原地区所在政府及农户为应对全球气候变化导致水资源量减少的策略之一，就是调整优化耕地结构布局发展水田，但也产生了湿地基质逐渐变为农田基质，林地湿地退缩，草地和未利用地几乎被耕地所替代[7]，致使流域涵养水源减少，加速降雨转化为径流，从而更加剧了水资源短缺情况。学者围绕土地利用/覆被变化对水文过程、水文响应和水资源等方面进行大量有价值的研究，如将土地利用情景模式作为输入，分析土地利用变化对水文过程的影响，来探索分析土地利用变化对水文响应的影响[8-10]；从水土资源承载能力与匹配视角运用水土资源承载力评价体系、水土资源平衡方法和水土资源匹配指数法等方法分析了研究区的水土资源空间匹配格局及其承载力[11-13]；气候和土地利用同时变化对流域水资源的影响[14]；随着工农业发展，水资源短缺越来越严重，绿水水资源被更多学者认可，在分析土地利用变化对绿水水资源影响方面，学者进行了一定的研究[15-17]。

虽已有较为系统和深入研究土地利用/覆被变化对水资源的影响，但在平原-丘陵-湿地交融区，从时空角度反映农业结构变化对水资源影响的研究成果比较少，还存在进一步研究的必要：①在描述平原-丘陵-湿地交融区水循环过程使用的水文模型大多采用集总式或基于集总式的分散水文模型，难于描述土地结构时空变化对水文过程量时空的影响。②采用基于物理基础的分布式水文模型描述交融区水循环过程时，由于参数过多难于率定，应用不广。③绿水的研究多将流域作为一个整体来定量划分蓝水绿水，难于准确描述绿水蓝水时空分布[18-20]。

因此，本文以三江平原地区的挠力河流域为研究对象，选用通用的土地利用动态度模型，确定空间化处理尺度，研究流域土地利用变化特征，探讨其异质性规律，并对流域进行分区，分析土地利用变化情况。联合基于格子波尔兹曼法(LBM)的分布式TOPMODEL[21-22]和湿地水流运动模型构建平原-丘陵-湿地交融区水文模型，利用GIS和RS技术，结合地学信息图谱与空间自相关方法，分析挠力河流域土地利用方式变化对水资源量影响，以期为平原-丘陵-湿地交融区土地利用和水资源管理提供决策支持和科学依据。

1 平原-丘陵-湿地交融区水文模型构建

在构建平原-丘陵-湿地交融区水文模型时将研究区域分为平原-丘陵区和湿地区分别构建模型，之后在交界处栅格(Grid)上将两个模型耦合起来。

1.1 平原-丘陵区水文模型构建

在构建平原-丘陵区产汇流过程时，采用基于LBM改进了TOPMODEL的汇流和非饱和带土壤水运移模块，在栅格上对各模块进行松散耦合构建基于LBM的分布式TOPMODEL[23-25]，可通过调整栅格大小来改变描述产汇流的时空过程尺度。

1.2 湿地运动模型构建

1.2.1湿地水流运动方程

湿地水流运动方程为

(1)

式中h——水深

u、v——水平和垂直方向的流速

z——水位

l——曼宁糙率系数

f——柯氏系数

式(1)采用贴体坐标变换的方程为

(2)

式中u*、v*——坐标变换后坐标轴ξ、η方向水流流速

gξ、gη——离散网格ξ、η方向的网格长度

J——变换量

1.2.2离散方程

采用交错网格进行离散研究区域时，式(2)连续方程的离散方程形式为

A1,kz2k-1+B1,kz2k+1+C1,kz2k+3+D1,kv2k+1+

E1,ku2k+F1,ku2k+2=H1,k(k=1,2,…,m)

(3)

式中m——x方向离散网格数

z2k-1——2k-1断面离散点水位矩阵

v2k+1——2k+1断面离散点v矩阵

u2k——2k断面离散点u矩阵

A1,k、B1,k、C1,k、D1,k、E1,k、F1,k和H1,k为离散矩阵。

式(2)动量方程的离散形式为

(4)

式中A2,k、A3,k、B2,k、B3,k、C2,k、C3,k、D2,k、D3,k、E2,k、E3,k、F2,k，F3,k、H2,k、H3,k为离散矩阵。

1.2.3回代求解

在求解追赶方程基础上，可建立垂向网格断面流速u、v和水位z的回代矩阵

(5)

式中Z1、Z2——研究区域上游首断面和下游末断面水位

CIA2,2n、CIB2,2n、Ck2,2n、CIA1,2n-1、CIB1,2n-1、Ck1,2n-1、CIA3,2n-1、CIB3,2n-1、Ck3,2n-1为回代矩阵。

固壁边界处速度梯度极为陡峭，采用密集网格，应用不穿透条件即速度法向方向分量为零。

2 研究区域概况

挠力河流域位于中国东北部边陲的三江平原腹地佳木斯市境内，汇入乌苏里江，如图1所示。流域内地势平坦，土质肥沃，水土资源丰富，分布着五九七、八五二和八五三等多个农场，是我国粮食主产区。挠力河流域降雨量比较丰富、热量适中、夏季日照充足，是水稻、玉米和豆类等农作物的适宜生长区。地下水资源丰富，地下水水位距离地表比较近，水温较高，适宜抽取地下水灌溉农田。近些年来抽取地下水灌溉的水稻田面积急剧增长，产生了地下水位下降、湿地退化等一系列问题。解决这些问题的首要前提是研究挠力河流域土地利用方式变化对水循环过程和资源量的影响。利用SRTM数据获得3sDEM数据，通过填洼、识别流向和提取水系等步骤获得挠力河水系，如图1所示。

图1 挠力河流域位置图Fig.1 Location of Naolihe River Basin

2.1 土地利用方式变化分析

挠力河流域菜咀子站汇流区域1990年和2013年的2期LUCC信息如图2、3所示。为了反映从1990年至2013年间土地利用类型变化情况，绘制了土地变化的动态度[26]，如图4所示。由图2～4可知，1990年至2013年期间挠力河流域土地利用发生了比较大的变化，水田面积扩大，未利用地基本得到利用，旱地面积轻微下降，草地和林地面积基本不变。

图2 1990年土地利用图Fig.2 Land use map in 1990

图3 2013年土地利用图Fig.3 Land use map in 2013

图4 动态度分布Fig.4 Kinetic degree distribution

2.2 流域分区情况

由图2～4可知，土地利用方式变化是一个空间问题，如果以全流域作为一个整体去研究土地利用方式对水资源影响，难于描述清楚水资源量时空变化。挠力河流域作为一个封闭的流域，由子流域(或集水区)构成，而子流域除了出口与子流域外有联系，子流域内部水文循环完整且系统。因此选取子流域来探寻集水区土地利用方式变化对流域水资源量空间分布的影响。在经过提取汇水面积累积矩阵、提取河网、河网分级和提取流域地貌特征等步骤后获得的挠力河分区如图5所示，将流域划分为110个流域分区。

2.3 水稻田生育期水深管理

根据实地走访农户、文献资料分析[27-29]、查阅农场开发可行性研究报告和向建三江地区水稻生产主管部门咨询，得到研究区水稻管理制度，其具体管理方式见表1和表2。表1中的适宜水深为水稻生育期稻田水深范围，表2中的E0为水面蒸散发量，(E0,2.68)表示水稻生长期蒸散发量取水面蒸散发量和2.68 mm中的大值。

图5 挠力河流域分区Fig.5 Zones of Naolihe River Basin

表1 水稻田生育期水深管理Tab.1 Water depth during rice growth period mm

表2 水稻田生育期蒸发量Tab.2 Evaporation during rice growth period mm

3 模型模拟与检验

根据1974—1989年的降雨、蒸发和径流等水文气象资料进行模型参数的率定和验证，率定非饱和带扩散系数取0.67 m2/min，根系区最大蓄水量为68 mm，河道扩散系数取4.12 m2/min，波速取2.56 m/s，曼宁糙率系数取0.017。具体模型验证见文献[23-25]。

4 结果与分析

由于研究区为平原-丘陵-湿地交融的流域，其地表水包括平原和丘陵区域产生的水资源量，还包括湿地区域的水资源量。平原和丘陵区域地表径流是指其所在分区流域出口的地表水资源量。湿地区域地表水资源是指其所在流域区域储存的地表水资源量。流域地下水资源量是指降雨和湿地补给流域地下水的水量。FALKENMARK[30]在1995年提出了绿水与蓝水的概念，绿水由实际蒸散发量组成的绿水流和土壤中蓄水量组成的绿水储量2部分组成。种植水田区域在地表水不能满足水稻需水时，需抽取地下水灌溉水田，本文将这部分水量称为提水量，即灌溉水田抽取的地下水水量。

由研究区域概况可知挠力河流域土地利用方式变化主要是未利用地和旱田转为水田，因此本文设置3种情景来描述土地利用方式。情景1为1990年挠力河流域土地利用方式里的水田视为旱地，即稻田面积为0 hm2，其他土地使用方式不变。情景2为1990年的土地利用方式，稻田面积19.7万hm2。情景3为2013年的土地利用方式，稻田面积为53.7万hm2。

降雨量、蒸发量和径流量采用1974—1989年5—10月多年平均日数据。从水稻田管理方式可以得出水田管理时间段为15日或半月。将每个月分为月上(月初1—15日)和月下(月末16—30日或16—31日)两个时间段。

4.1 土地利用方式变化对水资源量影响

利用水文气象数据和3种土地利用方式情景作为输入数据，由平原-丘陵-湿地交融区水文模型模拟得挠力河流域水资源量，如图6～8所示。模拟的时间为5—10月期间共12个时间段。图6～8的绿水流量、补给地下水量、径流深和绿水储量变化等曲线趋势基本相同，可知1990—2013年间流域整体水循环没有发生大的变化。相同的5—10月降雨量不同情景模式对水资源量影响如表3所示。由表3可知，土地利用变化对水资源影响按从强到弱顺序为提水量(灌溉水田抽取的地下水量)、绿水储量、径流深、绿水流量、补给地下水量。提水量从情景1的0 mm发展到情景2的3.2 mm，到情景3时已达20.5 mm，说明种植水稻时大量提取地下水。由表3可知，情景3模式下补给地下水量为39.2 mm，而此时提水量达20.5 mm，占补给量的52.3%。绿水储量变化由情景1的-9.9 mm到情景2的-9.9 mm，再增加到情景3的10.5 mm，可以发现绿水储量不一定随水田面积增加而增加。径流深影响比较大，情景3径流深相对情景1径流深减少达23.5%。绿水流量从情景1的375.8 mm增加到情景3的399.6 mm，增加了5.3%，增加不十分明显。补给地下水量由情景1的26.9 mm增加到情景3的39.2 mm。

图6 情景1水资源要素Fig.6 Factors of water resources under condition 1

图7 情景2水资源要素Fig.7 Factors of water resources under condition 2

图8 情景3水资源要素Fig.8 Factors of water resources under condition 3

表3 5—10月3种情景模式计算的水资源量Tab.3 Water resources calculated under three conditions from May to October

4.2 土地利用方式变化对绿水流量影响

为了反映水田变化对水资源量的影响，采用敏感性分析，见表4(表中数据为各时段情景1绿水流量与情景2及情景3绿水流量的百分比)。由表4可知，随着水田面积增加绿水流量增加明显，究其原因为水稻生育期间稻田蒸发量大于等于水面蒸发量(表2)。由表4可知，绿水流量对土地利用变化敏感性随时间变化，5月上到6月下敏感性增强，到6月下敏感性最强，之后敏感性逐渐减弱，9月和10月敏感性趋于零。为了找到绿水流量增加的原因，绘制敏感性最强的时段6月下情景1和情景3的绿水流量如图9～11。由图9可知，情景1计算的绿水流量最大值发生在降水丰富的挠力河下游部分。由图10可知，情景3绿水流量最大值均发生在水田处。由图11情景3相对于情景1敏感性分布图发现，种植水田后蒸发量增加明显，局部水田处增加量达163.7%，这说明6月下水田处的绿水流量比一般旱田大1.5倍左右。

表4 绿水流量对土地利用方式变化敏感性分析Tab.4 Sensitivity analysis of green water flow to land use change %

图9 情景1绿水流量分布Fig.9 Green water distribution under condition 1

图10 情景3绿水流量分布Fig.10 Green water distribution under condition 3

图11 情景3相对于情景1敏感性分布Fig.11 Sensitivity distribution

4.3 土地利用方式变化对径流深影响

由表5可知，径流深对土地利用变化敏感性也是随着水稻生育期不同而不同，5—9月期间的径流深随着水田面积增加而减少，9月后水田变化对径流深影响趋于零。由表2可知，从5月泡田开始到

8月水稻成熟期间水田蒸散发量大于等于水面蒸发量，水田面积越大流域蒸发越大，则其径流深越小，表5验证了这一规律。6月下水田蒸散发量最大，径流深减小量达20.46%。由表4和表5对比发现，水田面积增加对流域径流量影响大于对绿水流量影响。这是因为水田蒸发存在一个最大值，如表2分蘖初蒸发按照水面蒸发和9.61 mm中的大者进行。而在灌溉水稻时需要一定适宜水深，在水田水深达不到适宜水深时，先抽取地表水，地表水不足后再开采地下水，这时需用大量地表水。为了进一步分析水田分布对径流空间分布影响，绘制了6月下情景3径流深分布图，如图12所示。由表5发现，径流深对土地利用敏感性最强时期为6月下，但从图12可知，不同流域分区水田面积比例不同，影响径流程度不同。图12中部分分区径流深接近于零，即这些区域地表水全部进入水田。这些区域一定要特别注意水田面积不能再增加，而应适当调整农业结构减少水田面积，否则由于缺水生态环境将遭到破坏。

图12 情景3径流深分布Fig.12 Runoff depth distribution under condition 3

表5 径流深对土地利用方式变化敏感性分析Tab.5 Sensitivity analysis of runoff depth to land use change %

4.4 土地利用方式变化对湿地水资源量影响

由表6分析得，水田面积对湿地平均水深影响显著；水稻不同生育期湿地平均水深对土地利用变化敏感性不同，5月水田抽取地表水和地下水，水田开始对湿地水深产生影响，水稻生育期内适宜水深大和蒸发量大的6月和7月湿地水深对土地利用变化敏感大，8月水稻开始成熟，用水逐渐减小，水田对湿地水深敏感性逐渐地减小。由表5和表6对比发现，土地利用方式变化对湿地水深的影响弱于对流域径流量的影响。为了进一步描述土地利用方式变化对湿地水位空间分布的影响，绘制情景2和情景3土地利用情况下6月1日的水位分布。由图13和图14可知，情景3湿地水位低于情景2湿地水位，情景2湿地上下游水位分别为57.5、52.5 m，而情景3湿地上下游水位分别为56、52 m。为了反映湿地水位空间分布变化情况，绘制了6月1日情景2湿地水位减去情景3湿地水位的差值分布，如图15所示。由图15可知，整个湿地区域水位下降，最大下降量超过0.8 m，发生在湿地上游。对比图2和图3可知，挠力河流域下游南部区域水田面积增加明显，导致南部湿地水位变化大于其他部区域。

4.5 土地利用方式变化对补给地下水量影响

由表1可知，水稻田主要生育期需要适宜水深，因此水稻田区域补给地下水量会增加。由表3可知，随着水田面积由情景1的0 hm2增加到情景3的53.7万hm2，补给地下水量由26.9 mm增加到39.2 mm。一个地区的土地利用类型由旱田和未利用地转化为水田，其对地下水的补给势必增加，由表7情景2和情景3相对于情景1的敏感性数据也验证这一事实。但由表7发现，不同时段敏感性不同，5月敏感性增强，之后敏感性逐渐减弱直至为零。这是因为挠力河流域经过长时间少雨时期，流域地下水水位比较低，而进入5月汛期降雨量比较多，补给地下水增加，6月后地下水补给量达到一定程度，渗入地下水速率逐渐降低。表7的8月上敏感性为负值，即此时水田种植面积越大对地下水补给量影响越小，其原因：①到8月时水稻进入黄熟期补给地下水量接近旱田。②水田抽取地表水导致水田下游一定区域补给地下水量减小。

表6 湿地平均水深对土地利用方式变化敏感性分析Tab.6 Sensitivity analysis of average water depth of wetland to land use change %

图13 情景2湿地水位分布Fig.13 Wetland water level distribution under condition 2

图14 情景3湿地水位分布Fig.14 Wetland water level distribution under condition 3

图15 湿地水位差值分布Fig.15 Distribution of wetland water level difference

4.6 土地利用方式变化对灌溉水田抽取地下水量影响

由表8可知，5—8月期间种植水田后各个时段灌溉水田提水量增加，每一个情景模式不同生育期内灌溉水田提水量不同，这是由于水田在不同生育期蓄水量和蒸发量不同引起的。由表8知，情景3每半个月提水量不大于3.4 mm，开采地下水量不是十分大。这是从流域整体角度研究土地利用方式变化对提水量影响，没有考虑水田空间分布对提水量空间分布的影响。为了研究水田空间分布对提水量空间分布的影响，绘制了5月上情景2和情景3提水量空间分布图，如图16、17所示。从图16、17和图2、3可以看出，水田覆盖比例大的区域提水量增加非常迅速，情景3局部提水量达21.5 mm，而同期降雨量才28.3 mm。局部提取水量非常大很有可能引起地面沉陷、地下水漏斗和含水层挤压等地质灾害。

表7 补给地下水量对土地利用方式变化敏感性分析Tab.7 Sensitivity analysis of groundwater recharge to land use change %

表8 情景2和情景3的灌溉水田提水量Tab.8 Withdraw water quantity under conditions 2 and 3 mm

图16 情景2提水量分布Fig.16 Withdraw water quantity distribution under condition 2

图17 情景3提水量分布Fig.17 Withdraw water quantity distribution under condition 3

5 结论

(1)1990—2013年间挠力河流域草地和林地面积变化不大，旱地面积轻微下降；挠力河流域中部与北

部区域生产条件优越的未利用地和旱地改为水田。

(2)土地利用方式变化对水资源影响按由强到弱顺序为灌溉水田抽取地下水量、绿水储量、径流深、绿水流量、补给地下水量。

(3)水稻不同生育期稻田蒸发量不同导致不同生育期绿水流量和绿水储量的不同，5—6月呈现绿水流量增加而绿水储量减少趋势，之后这一趋势逐渐减弱，到8月后绿水流量和绿水储量向无水田时趋近。

(4)径流深对土地利用变化敏感性变化也是随着水稻生育期不同而不同。水田分布密度大的流域分区径流深降低量比较大，有的区域径流深接近零。

(5)水田生育期和空间分布影响补给地下水量和灌溉水田抽取地下水量的时空分布。水田需水量大的5—8月，水田对地下水补给量和灌溉水田抽取地下水量都大，8月后补给量减小趋于旱田情况，灌溉水田抽取地下水量逐渐减少为零。局部区域水田密集，灌溉水田抽取地下水量非常大，有可能引起地面沉陷、地下水漏斗和含水层挤压等地质灾害。

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