1995-2016年三岔河上游土地利用变化对径流的影响
2019-07-24田仁伟赵翠薇贺中华徐志荣
田仁伟， 赵翠薇， 贺中华， 徐志荣
(贵州师范大学 地理与环境科学学院， 贵州 贵阳 550025)
随着全球变化研究的深入，土地利用/覆被变化与水文过程的相互作用成为全球生态与环境研究的热点和前沿问题之一[1-2]。土地利用/覆被变化(LUCC)的重要环境效应，是以水文效应的形式而体现[3]，LUCC对流域水量的影响是这一效应最迅速、最直接的表现[4]，对流域生态环境具有重要影响[5]。降雨是径流产生的一个必要条件，降雨的多少会直接影响径流的大小，但有降雨不一定能产生径流，下垫面性质是影响径流产生的一个充分不必要条件[6]。土地利用变化引起下垫面性质的改变，会影响地表截留、填洼、下渗、水分蒸发等过程，对径流产生过程有显著影响[7]。不同地类的涵养水源能力差异较大，主要表现为：水域>林地>草地>耕地>建设用地>未利用土地[8]。国内外大多数研究认为植树造林会使年径流减少[9]，流域土地利用结构变化对径流的变化具有显著影响[10-13]。
黔中地区因地处两江分水岭河源地带、岩溶地貌发育强烈、水土流失严重、生态环境较为脆弱的山区，山高谷深水源低，雨多水少不易蓄，坡陡土薄涵水弱，水资源开发利用难度大，且水资源时空分配不均，人均水资源量少。作为贵州省经济较发达的地区，用水需求较大，缺水成为限制其发展的首要问题[14]。三岔河上游流域作为黔中水利枢纽工程的水源区，对整个黔中地区水资源的分配起到至关重要的作用，从乌江上游三岔河取水的黔中水利枢纽工程是为解决该地区经济发展用水而建设的重要调水工程，可缓解黔中地区用水紧张问题[15-16]。目前对三岔河上游流域的研究主要有以下几方面：侯文娟等[17]基于SWAT模型模拟了乌江三岔河生态系统产流服务及其空间变异特征；张一鸣等[18]对三岔河上游近50 a降水径流变化特征进行了研究；侯祎亮等[19]对贵州省三岔河流域水化学特征及其控制因素进行了研究；焦树林等[20]研究了三岔河流域水文特征与化学风化碳汇效应。以上研究多是对三岔河上游流域径流变化或水质状况进行单一研究和分析，在土地利用变化对径流影响方面研究较少，且此项研究对于流域水资源的利用和调配具有较强的现实意义。因此，本文选取黔中水利枢纽工程水源区——三岔河上游流域作为研究区，采用回归分析的方法分析1995—2016年三岔河上游流域降雨和径流的演变过程，并结合降雨和径流的结果模拟，探讨降雨和土地利用变化对径流的影响，以期为预测未来流域水资源变化规律和黔中水利枢纽工程水资源的调配提供一定的参考依据。
1 研究区概况
三岔河为乌江南源一级支流，位于104°18′—106°18′E，26°10′—27°00′N之间，流域面积7 264 km2。三岔河发源于贵州高原西部乌蒙山，流经贵州省毕节地区、六盘水市、安顺市，河流全长325.6 km，其中流域内95%为山地和丘陵[21]。流域地势西高东低，海拔在911～2 330 m之间，大部分地区属于亚热带季风性湿润气候区，气候湿润温和、雨量充沛，年均降水量为1 300 mm。三岔河上游流域处在贵州省西北部，位于104°19′—105°31′E，26°11′—27°00′N之间，流域面积为3 754.89 km2，生态环境较为脆弱，流域土地利用类型主要以林地、耕地、草地以及建设用地为主，其中林地的面积比例较大，其次是耕地和草地，建设用地、未利用土地和水域的面积比例较小。
2 数据与研究方法
2.1 数据来源
土地利用数据来源于《贵州省生态环境十年(2000—2010 年)变化遥感调查与评估》及《贵州省2016年生态环境监测》数据，分辨率为30 m的数字高程模型数据(DEM)。根据LUCC分类系统，将研究区土地利用类型合并为耕地、林地、草地、建设用地、未利用土地和水域6个一级地类。
降雨数据取自流域内3个雨量站(二塘、南开、付家寨)和3个水文站(向阳、阳长、龙场桥)提供的1995—2016年月平均降雨数据。径流量用年径流深表示，数据来源于三岔河上游龙场桥水文站1995—2016年的实测月平均径流资料。
2.2 研究方法
2.2.1 研究区范围及水系的提取 采用ArcGIS Desktop提供的水文分析工具Hydrology进行流域河网水系特征信息的提取，主要的内容包括DEM数据填洼、计算水流方向、计算栅格单元累积汇流量、生成流域河网水系4方面[22]。具体流程如图1所示。
图1 基于Hydrology水文分析工具提取河网水系流程
2.2.2 降雨和径流的回归分析 以黔中水利枢纽平寨水库的修建时间将流域降雨与径流演变过程划分两个阶段，第一阶段(1995—2010年)，第二阶段(2010—2016年)。采用一元线性回归方程对降雨和径流进行分析，检验降雨和径流的相关性。具体数学表达式如下：
y=a+bx
(1)
式中：y——年平均径流深(mm)；x——年平均降雨量(mm)。
2.2.3 土地利用动态变化 采用变化量和变化幅度两个土地利用动态指标表征土地变化状况。变化量表示某种土地利用类型在前后两个时期内的面积数量变化的大小，土地利用变化率指某种土地利用类型的变化量占其在研究初期面积的比率，反映土地利用类型变化的剧烈程度[23]。具体的数学表达式为：
ΔS=Sb-Sa
(2)
K=(Sb-Sa)/Sa×100%
(3)
式中：Sa，Sb——研究初期和末期某种土地利用类型的面积数量(km2)； ΔS，K——研究时段内某种土地利用类型的变化量和变化率(%)。
2.2.4 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵是定量研究土地利用类型间相互转化的数量和方向的主要方法，能具体反映土地利用变化的结构特征和各类型间的转移方向[24]。
3 结果与分析
3.1 土地利用变化
流域土地利用类型主要以林地、耕地和草地为主，还有少量水域、建设用地和未利用地，3种主要土地利用类型面积之和占流域总面积的比例在4个时期分别为97.17%，97.11%，96.91%，95.31%，动态变化不显著(如图2所示)。2000—2016年，流域土地利用结构变化较为显著，其中林地面积占流域总面积在4个时期的比例依次是37.57%，37.97%，38.93%，40.98%，所占比例呈持续上升的趋势；草地面积呈持续上升的趋势，所占比例依次为20.43%，21.20%，21.52%，22.95%；建设用地所占比例依次为1.64%，1.70%，1.90%，3.80%，呈持续增加趋势；耕地面积呈持续下降趋势，所占比例依次为39.17%，37.94%，36.46%，31.38%；水域和未利用地面积所占比例较小，且变化不明显。
图2 三岔河上游2000-2016年土地利用结构变化特征
流域土地利用的转移矩阵如表1所示。2000—2005年，土地利用变化趋势主要是耕地向草地、林地、建设用地分别转移了28.98，15.09，2.04 km2，转移率为1.97%，1.03%，0.14%。2005—2010年，草地向林地转移了9.38 km2；耕地向草地、林地和建设用地分别转移了21.32，26.96，7.64 km2，转移率分别为1.50%，1.87%，0.54%。2010—2016年，土地利用变化的主要趋势是草地分别向耕地、林地和建设用地转移了194.65，294.40，38.05 km2，转移率为24.09%，36.38%，4.71%；耕地向草地、林地和建设用地分别转移了304.76，330.41，48.14 km2，转移率为22.26%，24.13%，3.52%；林地向草地、耕地和建设用地转移了259.34，283.63，22.5 km2，转移率为17.74%，19.40%，1.54%。
表1 2000-2016年三岔河上游土地利用类型面积转移矩阵 km2
3.2 降雨与径流的变化趋势分析
1995—2016年，三岔河上游流域年平均降雨量为1 088.40 mm，年平均径流深为911.45 mm。其中，年平均降雨量是根据流域内3个雨量站和3个水文站提供的1995—2016年月平均降雨数据计算而得，年平均径流深用龙场桥水文站实测月平均径流资料计算而得。
利用Mann-Kendall秩次相关法来检验年径流和降水的变化趋势[25]。Mann-Kendall法的统计量τ和标准化变量U的计算公式为:
(4)
(5)
(6)
式中：P——x1,x2,… ,xn系列中所有对偶值(xi,xj,j>i)中xi
根据平寨水库的修建时间，将流域降雨和径流的演变过程划分为两个阶段，对第一阶段(1995—2010)年和第二阶段(2010—2016)年的降雨和径流进行回归分析，结果显示，1995—2010年，降雨和径流存在显著的线性回归关系，表明降雨是径流形成的主要原因；2010—2016年间，降雨和径流之间的显著性降低，表明降水对径流的影响作用下降。
根据表2的方程，进行显著性检验后，对径流进行假设与模拟，假设在两个时期内降雨量均为1 200 mm，运用表2的回归方程进行模拟，所得出两个时期的y值分别为1 097.534 mm和875.561 mm，实测值分别为1 055.4 mm和794.07 mm，模拟值与实测值之间具有一定的差距，说明除了降雨对径流的影响外，还有其他因子对径流有影响，主要表现为：人类活动影响下的土地利用结构变化在一定程度上对径流的变化产生影响，以及黔中水利枢纽工程平寨水库的修建对流域水量平衡的调节作用对径流变化带来的影响。
图3 1995-2016年降雨和径流的变化趋势表2 降雨和径流之间的回归方程
年 份回归方程变量解释相关检验R1995—2010y=1.2x-342.466y,x分别为年平均径流量和降雨量R=0.917**2010—216y=0.772x-50.839y,x分别为年平均径流量和降雨量R=0.641
注：**表示在0.01水平(双侧)显著相关。
3.3 土地利用变化对径流的影响
根据2000年、2005年、2010年和2016年4期的土地利用动态变化指标和转移矩阵(表1和表3)，分析土地利用变化对径流的影响，分析结果如下。
(1) 2000—2016年径流总体呈波动下降的趋势。1995—2010年，流域土地利用类型主要以林地、耕地和草地为主，3种土地类型面积之和分别占3个时期流域总面积的97.17%，97.11%，95.31%，土地利用结构变化较为明显，主要变化趋势为林地和草地面积增加，耕地面积逐渐减少，导致流域降雨截留能力增强，产流能力降低，是除降雨对径流的影响外造成径流持续减少的主要原因。2010—2016年，流域土地利用结构变化明显，主要表现为林地和草地的增加，耕地和未利用地的减少，表明生态环境得到改善，水源涵养能力得到增强，是使径流大幅减少的主要原因。此外，黔中水利枢纽工程平寨水库的修建对地表径流有较强的拦蓄和调节水作用，在一定程度上造成径流减少。
表3 不同时期土地利用类型变化量与变化率
(2) 2000—2005年间，降雨和径流呈持续下降的趋势，径流从1 194.00 mm下降到676.59 mm，变化幅度较降雨要大，为517.41 mm。流域内土地利用变化的主要趋势是草地和林地面积增加，变化量分别为27.98，15.09 km2，变化率为3.78%和1.07%；耕地面积减少46.12 km2，变化率为-3.14%；建设用地增加了2.04 km2，变化率为1.64%。耕地向草地、林地和建设用地的转换是流域内土地利用变化的主导过程，转移量分别为28.98，15.09，2.04 km2，转移率为1.97%，1.03%，0.14%。土地利用结构的变化使流域对降雨的截留作用加强，特别是林地和草地的增加，削弱流域产流能力，导致径流持续下降。2005—2010年间，降雨和径流总体呈波动下降趋势，两者变化幅度都较大，降雨和径流分别864.07～1 259.00 mm和676.59～1 142.30 mm之间变化，但径流的变化更为显著，变化幅度较降雨要大，为465.71 mm。期间流域草地和林地面积分别增加11.93，36.08 km2，变化率为1.5%，2.53%；耕地面积减少55.64 km2，变化率为-3.91%；建设用地面积增加7.64 km2，变化率为12%。耕地向草地、林地和建设用地的转化构成流域土地利用变化的主导过程，转移量分别21.32，26.69，7.64 km2，转移率分别为1.50%，1.87%，0.54%；草地向林地转移了9.39km2，转移率1.18%。由此可知，流域建设用地面积的大幅增加，导致地表不透水面面积的扩大，一方面增强流域的产流能力，另一方面削弱地表对降雨的截留作用及水源涵养能力，导致径流变化幅度增大。
2010—2016年间，降雨和径流的变化趋势基本一致，总体呈下降趋势，降雨在831.15～1 241.40 mm之间变化，径流在531.33～997.70 mm之间波动变化，变化较为显著，下降幅度较降雨要大，为466.37 mm。期间流域土地利用结构变化较为明显，主要表现为：草地和林地面积分别增加136.77 km2和79.71 km2，变化率为16.93%和5.25%；建设用地增加71.31 km2，变化率为100.03%；耕地减少190.70 km2，变化率为-13.93%；未利用土地减少了31.19 km2，变化率为-83.97%。草地向耕地、林地、建设用地和水域的转化和耕地向草地、林地、建设用地和水域的转化以及林地向草地、耕地、建设用地和水域的转化构成流域土地利用变化的主导过程。林地、草地面积的持续增加以及未利用地的减少，表明流域土地利用结构变化状况逐渐转好，生态环境质量得到提高，对降水的截留作用及对水源的涵养作用进一步增强，导致产流能力下降，流域土地利用变化是除降雨对径流的影响外，造成径流大幅减少的主要原因。此外，黔中水利枢纽工程平寨水库的修建：一方面使流域水域面积增加20.12 km2，流域水源涵养作用得到增强；另一方面，水库的修建具有较好拦蓄地表径流和调节水量平衡的作用，丰水期防止极端径流的出现，降低洪涝灾害的风险，平水期为下游地区提供灌溉水源，枯水期可以起到涵养水源和储存水量的作用，在一定程度上对径流减少具有重要影响。另外，水库的修建和生态环境的改善对流域水量的调节和水源的净化具有重要意义。
4 结 论
1995—2016年，三岔河上游流域降雨和径流总体呈现出波动下降的趋势。1995—2005年(第一阶段)流域年降雨和径流呈持续下降的趋势，径流的下降幅度比降雨大，从1 194.00 mm下降到676.59 mm，下降幅度为517.41 mm，期间流域土地利用结构变化较为明显，草地和林地分别增加了3.78%，1.07%，耕地减少3.14%，除受降雨对径流影响外，土地利用变化是导致径流持续减少的主要原因。2005—2010年径流呈波动下降趋势，变化幅度较降雨要大，为465.71 mm，期间建设用地增加了12%，是造成径流大幅变化的主要原因。2010—2016年(第二阶段)降雨与径流的变化总体呈下降趋势，径流在531.33～997.70 mm之间波动，且变化幅度较降雨要大，为466.37 mm，期间流域土地利用结构变化较为明显，草地和林地分别增加了19.93%，5.25%，耕地和未利用土地分别减少13.93%，87.97%，表明流域态环境逐渐改善，对降雨的截留作用增强，导致径流大幅减少。此外，黔中水利枢纽工程平寨水库的修建对径流具有较强的调节作用，在一定程度上对径流减少具有重要作用。
基于降雨和径流演变的回归分析模拟试验，结合土地利用动态变化指标和转移矩阵，定性和定量研究土地利用变化对径流的影响，其结果具有一定的参考意义。但由于水文过程的复杂性，所涉及的因素较多，研究所选取降雨和土地利用变化两个影响因子，虽然在一定时间段上能定性和定量分析土地利用结构变化对径流所产生的影响，但在预测未来土地利用状况对径流的影响上存在一定的难度，需要进一步的完善。
