土地利用变化对径流影响的定量研究

吴淼 石朋 张行南 瞿思敏 陈昂

摘要：为定量研究径流对土地利用变化的响应，以淮河上游潢川流域为例，分析不同时期土地利用空间转移规律，结合SWAT模型，通过选取典型子流域，定量分析流域土地利用变化对径流的影响。结果表明：在不同时期，研究区旱地面积变化较大，主要转化为水田与林地，草地、城镇用地及水域几乎没有变化；研究区土地利用方式的改变导致年径流深明显减小，原因是水田大面积增多能够促进水面蒸散发，同时林地的增多也滞缓了径流汇集速度，进一步增加了蒸发。

关键词：土地利用；径流模拟；SWAT模型；定量研究；溃川流域

中图分类号：P338+.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.010

下垫面条件变化对流域水文过程影响机理是国际水文与环境领域关注的热点。20世纪以来，人类活动引起的土地利用变化导致洪涝灾害频发，土地利用变化成为直接或間接影响水文过程的第二个主要边界条件，主要表现为土地利用变化在一定程度上影响了下垫面地表覆被截留量，同时改变地表水蒸发能力和土壤水分的入渗能力，进而影响径流时空分布及流域水循环过程[1]。随着国际地圈生物圈计划（IGBP）与国际全球环境变化人文因素计划（IHDP）的推进，国内外学者针对土地利用/土地覆盖变化（LUCC）开展了大量研究与实践工作，研究结果表明：由于不同流域/区域下垫面条件特征不同，土地利用变化对流域水文过程影响存在区域差异性，因此需要开展大量的典型区域实证研究，探索总结土地利用变化对流域水文过程的影响机理[1-3]。目前，土地利用变化对流域水文过程的影响研究已逐渐由定性分析转变为定量计算，如姚允龙等[4]建立了基于降水与耕地面积的径流过程统计模拟模型，丰华丽等[5]分析了土地利用变化对流域生态需水的影响，袁艺等[6]分析了土地利用变化对降雨径流关系的影响，吴森等[7]分析了土地利用变化对淮河上游小流域设计洪水的影响。综合来看，前人主要在全球尺度、流域或区域尺度进行土地利用模拟与预测，流域尺度土地利用变化对蒸散发、截留、填洼和下渗等水文过程的影响与效应，土地利用对降雨径流影响的时空尺度确定和水文模型优选等方面开展的较多研究，虽然取得了显著成果，但还存在一些不足，如流域局部等小尺度土地利用变化的水文影响、流域不同土地利用类型的水文效应、土地利用变化与水文过程模拟计算单元耦合等方面研究较少，未来亟需加强不同土地利用类型变化对径流过程定量影响的机理研究[8-13]。随着社会经济快速发展，淮河流域土地利用方式及下垫面条件变化显著，下垫面的变化严重影响着淮河流域的蒸散发及产汇流过程，流域降雨径流特性发生显著改变，洪涝灾害频发，研究淮河流域土地利用变化对径流的影响是流域防洪减灾工作的迫切需求。

本文以淮河上游潢川流域为例，构建SWAT（Soiland Water Assessment Tool）流域分布式水文模型，通过分析潢川流域下垫面时空变化规律及不同子流域土地利用类型组合方式，选择年径流深指标定量分析不同土地利用类型及变化对潢川流域径流的影响。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

潢川流域位于淮河流域上游，东经114°53′-115°21′、北纬31°52′-32°22′，流域面积2050km2，地势南高北低，略向东北倾斜。潢川流域年降水量为800～1050mm，多年平均年径流深为371mm，多年平均水面蒸发量为1039mm。潢川流域每年50%的降水量集中在6-8月，故产生季节性洪水的风险较大。流域内建有大型水库——泼河水库，总库容2.35亿m3，控制流域面积222km2。

1.2 SWAT分布式水文模型

流域内产汇流过程的不均衡性要求必须选择基于过程的水文模型，才能够体现径流产生机制。SWAT模型是Jeff Arnold为美国农业部研究所（USDA-ARS ）开发的流域分布式水文模型，目前已成为我国使用较为广泛的水文模型之一，凭借其在模拟精度、模型结构、适用性及灵活性等方面的优势，全方位考虑地形、植被覆盖、气候等因素的影响，可满足本研究的流域水文过程模拟要求[9，15-16]。

1.2.1 数据准备

SWAT模型构建过程中需要大量数据支持，主要包括数字高程，土地利用和土壤等下垫面数据，降水、风速、温度、相对湿度和辐射等气象数据以及研究区域水文观测资料等。本研究选取1955-2012年流域内9个雨量站（内裴河、香山、新县、泼河、吴陈河、光山、长洲河、八里贩、潢川）逐日降雨资料、潢川水文站逐日流量资料、泼河水库出库流量资料以及固始气象站的蒸发资料；土地利用数据选取潢川流域1980年和1995年两期土地利用图；土壤数据从“国家地球系统科学数据共享平台”网站获取（研究区主要包括7种土壤类型）；空间地形数据来自于“地理空间数据云”网站潢川流域所在分区90m×90m网格的DEM。

1.2.2 模型率定及验证

利用SWAT模型自带模块进行敏感性分析，最终确定8个最为敏感的参数，见表1。为了判断模型的模拟效果，本研究分别使用相对误差Re、判定系数R2和Nash-Sutcliffe效率系数 Ens来评估模拟值与实测值之间的拟合程度。在1980年土地利用条件下，选择1973-1982年作为率定期、1964-1972年作为模型验证期；在1995年土地利用条件下，选择1995-2004年作为率定期、2005-2012年作为模型验证期。本文采用SWAT-CUP软件中的SUFI-2模块进行模型日流量过程的参数率定。

模型率定与验证结果表明，潢川流域较为敏感的5个参数为CN2（径流曲线系数）、ALPHA_BF（基流因子/基流回归系数）、SOL_AWC（土壤有效含水率）、ESCO（土壤蒸发补偿系数）、CH_N2（主河道曼宁系数）。CN2反映降雨前的流域特性，综合反映不同的前期土壤湿润条件下，土地利用、土壤渗透特性等对流域产流的影响，产流量大小与CN2值呈正相关，CN2越大，产流量也越大；ALPHA_BF反映地下水对于径流补给变化的响应，该系数增大，地下径流量也增大；SOL_AWC反映土壤的蓄水能力，其值越小，土壤蓄水能力就越差，产流量就越大；ESCO反映各土壤层的蒸发状况，与可进行蒸发的土壤深度有关，该值越大，土壤蒸发量就越小，产流量就越大；CH_N2跟水流速度、植物密度以及波浪等因素有关，潢川流域下垫面变化明显，旱地减少，水田、林地增多，改变了下垫面的植物密度，影响了径流形成速度，因此CH_N2变化较为明显。验证期模拟径流与实测径流较为吻合，能够满足精度要求（见表2）。

综上所述，潢川流域SWAT模型日流量模拟结果较好，各评价指标均达到了评价标准以上，模拟结果可信，精度较高，说明SWAT模型适用于该流域的径流模拟。

2 结果与讨论

2.1 土地利用面积变化分析

潢川流域土地利用以旱地、林地、水田为主，草地、城镇用地和水域面积相对较小。与1980年相比，1995年水田增加了30.752%，旱地减少了40.250%，而林地增加了10.036%，草地以及城镇用地面积分别增加了0.040%、0.005%，水域面积减少了0.583%（见图1及表3）。

2.2 土地利用时空变化分析

土地利用变化常用的计算方法有试验流域法、特征变化时间序列法、水文模型法以及综合法。通过分析比较，本研究选择水文模型与ArcGIS相結合的方法，利用土地利用转移矩阵，计算1980-1995年土地利用类型的变化情况[17-18]。

采用GIS转移矩阵分析法计算的土地利用变化见表4，结果表明：从1980年到1995年，旱地中有247.490km2转化为林地，512.905km2转化为水田；林地中有20.138km2转化为旱地，45.522km2转化为水田；城镇用地中有1.966km2转化成水田。总的来看，研究区旱地面积变化最大，主要转化成为水田与林地。草地、城镇用地及水域面积变化不大，因此在分析讨论中不考虑这3种类型对径流的影响。

2.3 土地利用变化对径流影响分析

分别构建1980年、1995年的土地利用SWAT模型，由于模型输入资料除土地利用资料不同外，其他输人资料均相同，因此以1980年土地利用条件下率定的参数模拟的径流序列构成序列1，以1995年土地利用条件下率定的参数模拟的径流序列构成序列2。构建模型将潢川流域划分为31个子流域，对比各个子流域的土地利用类型组成情况，选取典型子流域（3号、6号、20号、28号、30号）进行分析，典型子流域土地利用变化情况见表5。

由表5可知：3号、6号子流域土地利用类型在水田与旱地之间相互转化，20号子流域土地利用类型在水田、旱地与林地之间相互转化，28号子流域土地利用类型在旱地与林地之间相互转化，30号子流域土地利用类型则是在水田、旱地、林地、草地以及水域之间相互转化。

在1980年和1995年土地利用条件下模拟计算的典型子流域多年平均径流深对比见表6。根据表5、表6可知，3号子流域土地利用方式在水田与旱地之间相互转化，旱地转化为水田，水田面积增加11.24%，整个系列年径流深在变化后均有明显减小，年径流深平均值与标准差均减小。旱地具有弱透水性，会加快直接径流的形成，旱地面积减少会引起地表径流量减少，同时土地利用变化后子流域面积的90.8%为水田，增强了水面蒸发能力，从而引起土地利用变化后径流量明显减少。6号子流域土地利用类型在水田与旱地之间相互转化，变化前水田、旱地分别占子流域总面积51.78%、 48.22%，变化后水田、旱地分别占子流域面积99.39%、0.61%，土地利用变化后径流深均减小，均值与标准差也有大幅减小。20号子流域土地利用类型在旱地、水田、林地三者之间相互转化，水田面积增加53.62%，旱地面积减小42.1%，林地面积减小11.51%，年径流深减小（均值减小34.715%）。28号子流域土地利用类型在旱地与林地之间相互转化，转化后仅剩林地一种类型，径流深有减小的趋势，原因是林地增多，冠层截留量及蒸散发量变大，致使流域径流减小。30号子流域草地、旱地均转化为林地，其中水域面积不变，占子流域总面积的3.17%，径流深减小。由此可见，土地利用变化对径流有重要影响，不合理的土地利用会引发洪涝、干旱等问题。

3 结语

（1）淮河流域土地利用方式及下垫面条件发生显著变化。20世纪80年代，土地利用方式以旱地为主，旱地占总面积的41.85%，林地其次，占总面积的38.55%；到了20世纪90年代，流域土地利用方式以林地为主，占总面积的40.69%，其次为旱地，占总面积的30.38%；上述下垫面的变化严重影响着淮河流域的蒸散发及产汇流过程，淮河流域的降雨径流特性也发生了显著改变。

（2）潢川流域SWAT模型模拟效果良好。建立演川流域SWAT模型土壤和气象数据库，通过敏感性参数分析及模型率定验证了潢川流域SWAT模型的适用性。结果表明，不论在率定期还是验证期，模拟径流与实测径流均比较吻合，模型的评价指标都能满足精度要求，SWAT模型可作为潢川流域径流模拟的有效分析工具。

（3）土地利用变化导致潢川流域年径流深明显减小。通过在潢川流域SWAT模型更改不同时期土地利用数据，模拟了不同土地利用条件下的两个径流序列，通过选取典型子流域，分析子流域土地利用改变情况，计算两种条件下年径流深变化情况，结果表明，在土地利用类型变化后年径流深明显减小，且水田大面积增多能够促进水面蒸散发，从而减少产流，同时林地的增多也滞缓了径流形成，使得径流量明显减少。

本研究就土地利用变化对流域径流影响进行了定性分析与定量分析，取得了一些初步的研究成果。但是，资料获取有局限性，研究中还存在着很多问题与不足，需要进一步完善和改进，特别是如何区分复杂变化下单一土地利用类型对径流的贡献率，将是未来研究的方向。

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