朱溪小流域土地利用/覆盖变化水文响应分析

周伟东 汪小钦 朱雄斌

摘要 定量模拟土地利用/覆盖对流域径流的影响，对于揭示水文循环规律和水土流失治理等具有重要意义。以福建省长汀县朱溪小流域为研究区域，在2011年土地利用/覆盖（S0）基础上，设置林地S1、耕地S2、园地S3和退耕还林S4共4种土地利用/覆盖情景。利用SWAT模型，定量模拟朱溪小流域月平均径流在不同土地利用/覆盖情景下的变化情况。研究表明，不同情景下朱溪小流域月平均径流量的变化规律一致，但变化幅度不同，径流量从大到小依次为S2、S0、S3、S4、S1。说明在现有土地利用/覆盖条件下，大量开垦耕地将使径流量大幅度增加，增加林地的面积能有效地减少径流量。径流量大小主要由降雨量决定，土地利用/覆盖对其起调节作用。在不改变土地利用/覆盖基本格局的前提下，退耕还林是最为可行的径流量减少方案。

关键词 SWAT模型;水文响应;径流量;土地利用/覆盖;长汀县;朱溪小流域

中图分类号 TP79  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）10-0058-04

Abstract It is of great significance to quantitatively simulate land use and land cover impact on runoff in river basin for hydrological cycle and soil erosion control.This article took Zhuxi Watershed as the study area，which locates in Changting County of Fujian Province.Four scenarios based on land use and land cover status （S0） in 2011，namely forest scenario （S1），cultivated land scenario （S2），garden plot scenario （S3） and reforestation of arable land scenario （S4） were set up.Average monthly runoffs of Zhuxi watershed were simulated quantitatively using SWAT model.Results showed that variation trends of average monthly runoffs with time were consistent under different scenarios.Variation amplitudes of runoffs were different under different scenarios and the scenario order of variation amplitudes from big to small was S2，S0，S3，S4，S1.Runoffs would greatly increase with increase in arable land，while effectively decrease with increase of forest area.Runoff is mainly determined by precipitation，while land use and land cover has a regulating effect on it.The forestation of arable land scenario is the most feasible way to reduce runoff without changing the basic land use and land cover pattern.

Key words SWAT model;Hydrological response;Runoff;Land use and land cover;Changting County;Zhuxi Watershed

土地利用/覆被变化（LUCC）对流域水文过程有着明显的影响，能引起水土流失、土地 退化、水环境恶化等一系列生态环境问题[1-2]。通过构建水文模型，定量模拟和预测LUCC对流域径流的影响，对于揭示水文循环规律、土地规划管理、水土流失治理等具有重要意义。

分布式水文模型是水文模型未来发展趋势和研究热点[3]，其中由美国农业部农业研究中心与德克萨斯农工大学开发的SWAT（soil and water assessment tool）模型对多个水文模型的特征进行了整合，是目前应用最为广泛和最有代表性的分布式水文模型，具有很强的物理机制，被广泛应用于流域产流产沙模拟和污染物迁移等[4-9]。SWAT模型通过模拟水循环和土壤侵蚀的物理过程，可以預测人类活动和气候变化对流域产流产沙以及化学物质的长期影响。SWAT模型在流域径流的模拟中应用广泛，不少学者利用SWAT模型，通过土地利用/覆盖变化或者设置不同的土地利用/覆盖情景，定量分析与研究流域LUCC与径流的响应关系[1，10-16]。

笔者选择福建省长汀县朱溪小流域为研究区，应用SWAT模型，通过2011年土地利用/覆盖格局，构建不同土地利用/覆盖类型情景，定量模拟不同情景对径流过程的影响，以期为朱溪小流域的自然资源开发利用、合理配置及水土流失治理提供科学依据。

1 研究区概况

朱溪小流域地处25°38′15″～25°42′55″N， 116°23′30″～116°30′30″E，位于福建省西部长汀县境内（图1），亚热带季风气候，流域总面积约为44.96 km2。朱溪河总长为13.9 km，是汀江流域的一级支流。流域地势自东北向西南倾斜，海拔为268～684 m;流域灾害性天气较多，山地丘陵地貌且以低山为主，地形复杂，地势陡峭。成土母质以花岗岩为主，由于中亚热带季风性气候雨量充沛、年内分配不均等特点，风化作用十分强烈，易受侵蚀。区域内植被属中亚热带常绿阔叶林区，原生植被因受到土壤侵蚀和人为破坏基本都已转变为次生林，树种结构较为单一，群落结构简单。该流域的地貌特点、母质岩性、植被情况和气候环境等共同导致了生态环境的脆弱性，加上早期人为破坏使得该区域成为我国南方花岗岩红壤侵蚀区的典型代表。

2 数据与方法

2.1 基础数据收集与处理

SWAT模型输入数据主要包括空间数据库和属性数据库两大类，完整而详细的基础数据是SWAT模型运行的保障，直接影响到模型模拟的精度。此次研究收集到的数据主要包括地形数据、土地利用/覆盖类型图、土壤类型分布图、土壤物理属性数据、气象数据（如逐日降雨量、温度、太阳辐射量等）、水文数据（流域内卡口站的径流泥沙数据）等。

地形数据是SWAT模型模拟的首要数据，也是最基本的地理要素，地形数据采用1∶1万DEM数据（图2a），通过地形数据进行水系提取、子流域划分获取基本的地理特征参数。土地利用/覆盖类型是采用面向对象分类方法对2011年的长汀地区0.5 m WorldView影像处理获得（图2b）。建立土壤数据库是进行模型数据准备的关键过程，该研究采用的表层（0～20 cm）土壤数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所的野外土壤采集，采用SolIM模型的线性加权方法结合模糊聚类方法对采样点上土壤的属性进行插值（图2c）[17];第二层土壤数据来源于HWSD（harmonized world soil database）数据库。

气象数据采用2013—2015年位于朱溪小流域东部的河田气象站（图2a的黑色点）实测的逐日降雨数据，其余采用中国气象数据共享网站和美国国家环境预报中心的气象数据，少量缺失的数据利用SWAT模型的天气生成模拟器生成。径流数据来源于游屋圳子流域卡口站（图2a的绿色点）的观测值，包括水位、流速、含沙量、输沙率，主要用于模型校准和验证。2013—2014年的实测数据用于模型的校准，2015年的实测数据用于模型的验证。

2.2 SWAT模型构建

首先利用DEM数据，设置流域集水面积并确定分水线，提取河网并划分子流域，经过对河道最小汇面积阈值的反复试验，最终划分了55个子流域;在HRUs分析过程中，通过加载土地利用数据、土壤类型和坡度分类数据，将这些数据叠加分析，选取适当阈值划分了292个HRU，基本保证每个子流域上平均3～5个HRU。每个HRU内的水平衡是利用地表径流、壤中流、降水、蒸散发、渗透、河道运移损失以及地下水回流进行计算。参数敏感性分析采用SWATCUP模块，通过多元回归模型完成。模型校准主要是在适当的范围内通过对模型参数的调整，使模拟值不断接近实测值，减少与实测值之间的误差。利用流域内游屋圳小流域卡口站月径流数据对模型进行预热、校准和验证。

利用相对误差、相关系数和纳什系数对验证期的径流量实测值和模拟值进行对比验证，模拟结果与实测结果较为吻合，基本能反映研究区的径流过程。

2.3 不同土地利用/覆盖情景设置

为评估朱溪小流域土地利用/覆盖变化對流域径流的影响，在2011年土地利用/覆盖（图2b，记为情景S0）的基础上，设置4种土地利用/覆盖情景进行定量模拟（图3）。

S1（林地情景）：保持2011年土地利用/覆盖类型中的疏林地、裸土、交通用地、居民区、水域不变，将土地利用/覆盖类型为耕地和园地设置为林地。

S2（耕地情景）：保持2011年土地利用/覆盖类型中的疏林地、裸土、交通用地、居民区、水域不变，将土地利用/覆盖类型为林地和园地设置为耕地。

S3（园地情景）：保持2011年土地利用/覆盖类型中的疏林地、裸土、交通用地、居民区、水域不变，将土地利用/覆盖类型为耕地和林地设置为园地。

S4（退耕还林情景）：保持2011年土地利用/覆盖类型中的疏林地、裸土、交通用地、居民区、水域、园地不变，按照国家退耕还林的相关规定，提取坡度大于25°的耕地和裸地，并将其设置为林地。

3 结果与分析

3.1 不同土地利用/覆盖情景面积差异

朱溪小流域土地利用/覆盖类型以林地为主，占64.09%;其次是耕地，占18.83%;裸地和建设用地分别占6.64%和5.66%，其余地类所占百分比均不超过2%。不同土地利用/覆盖情景下各地类面积统计如表1所示，主要区别在于有林地、耕地、园地和裸地面积的差异。

S1情景中林地面积在S0的基础上增加2 644.83 hm2，林地所占比例由S0的64.09%增加到S1的84.49%;S2情景中耕地面积增加8 510.73 hm2，耕地所占比例由S0的18.83%增加到S2的84.49%;S3情景中园地面积增加10 747.08 hm2，园地所占比例由S0的1.58%增加到S3的84.49%;S4情景中耕地转林地的面积为9.73 hm2，裸地转林地的面积为860.91 hm2，林地总面积增加了870.64 hm2，林地、耕地和裸地所占比例分别由S0的64.09%、18.83%、6.44%变为S4的70.81%、18.76%、0。

3.2 不同土地利用/覆盖情景对径流量的影响

将5种不同情景下的土地利用/覆盖数据加载到校准后的SWAT模型中，保持其他参数不变，定量模拟不同土地利用/覆盖情形对朱溪小流域径流变化的影响。模拟的2013年月平均径流量变化如图4所示。

从图4可以看出，在不同土地利用/覆盖情景下，朱溪小流域月平均径流量的变化趋势基本一致，只是在径流量上呈现不同幅度的波动。不同情景下月平均径流量从大到小的排列顺序为S2、S0、S3、S4、S1。相对于S0，S2情景下径流量增加了14.95%，而S1、S3和S4情景下径流量分别减少了15.16%、5.21%和5.97%。在情景S2下，每个月径流量都有所增加，而其他情景条件下，每个月的径流基本都减少，特别是林地增加对径流减少作用比较显著。

通过对不同情景下月平均径流量（m3/s）与月平均降雨量（mm/h）的线性回归分析（表2，回归方程中x代表降雨量，y代表径流量），发现在不同情景下，径流量与降雨量都有很强的相关性，相关系数均大于0.9。土地利用/覆盖变化对径流量有调节作用，差异主要体现在回归方程的斜率上，体现了单位降雨量引起的径流量变化，S0～S4情况分别为1.480 3、1.401 5、1.647 3、1.444 7和1.435 6，与S0的相对差异分别为-5.26%、11.28%、-2.40%和-3.02%。即与S0相比，每增加单位降雨量（mm/h），耕地情景S2使得径流量增加11.28%，林地情景S1使得径流量减少5.26%，退耕还林情景S4使得径流量减少3.02%，园地情景S3仅减少2.40%。说明耕地的大量增加不利于水土保持;退耕还林对现有土地利用/覆盖格局改变最小，而其对径流量的减少仅次于大量的林地增加。因此，在不改变现有土地利用/覆盖基本格局的前提下，退耕还林是最为可行的径流量减少方案，能够较为有限地减少径流量。

以上分析表明，耕地面积的增加使得流域内径流量明显增加，最不利于水土保持;林地的保水效果最好，林地面积增加能有效减少径流量;退耕还林情景仅次于林地情景，优于园地和现有的土地利用/覆盖方式。说明退耕还林在修复生态环境的同时，有较好的保水效果，可以作为水土保持的重要措施。

4 結论

利用SWAT模型，通过构建不同的土地利用/覆盖情景，定量模拟朱溪小流域月径流变化，结果表明：①不同土地利用/覆盖情景下，朱溪小流域月平均径流量的变化趋势保持一致，但在径流量上呈现不同幅度的波动，耕地情景S2径流量最大，林地情景S1径流量最小，退耕还林情景S4径流量仅大于林地情景S1。说明在现有土地利用/覆盖格局下，大量开垦耕地将使径流量大幅度增加，增加林地的面积能有效地减少径流量。②径流量与降雨量有很强的正相关性，径流量大小主要由降雨量大小决定，土地利用/覆盖对径流量起重要的调节作用。在不改变土地利用/覆盖基本格局的前提下，退耕还林是最为可行的方案，可以兼顾生态环境修复与保水固沙的作用。

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