黄尾河流域土地利用变化对径流量影响的研究

陈 杭 伊 鑫 车宇阳2 顾哲衍 陈家栋3 李学德 夏 禹

（1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司 扬州 225127 2.扬州苏水科技有限公司扬州 225000 3.江苏省水文水资源勘测局南京分局 南京 210000）

土地利用变化作为区域环境变化的一种表现形式，导致相应区域的多种地表物理过程随之产生剧烈变化，与其他环境要素间相互作用对水文过程产生直接或间接的影响。一个区域的水文要素既受气候系统的控制，又受陆面土地利用的影响。气候系统主要决定降水、气温、蒸发等的年内分配和年际变化；土地利用状况则决定水资源的赋存环境、地表径流、地下水流量以及河流水系特征等。由于经济社会的发展，人类的生产和生活已经导致大多数地区的土地利用状况发生改变，从而使水文过程受人为干扰影响的程度加大。因此，研究区域内土地利用变化对水文要素的影响，对改善区域水环境、合理利用水土资源具有积极意义[1]。

Baumgartner 和Reichel[2]指出，在全球范围内，64%的陆面降水以蒸散发的形式返回大气，其大小强烈影响着溪流、地下水补给、污染物转移以及水质情况等。Scott 和Schulze[3]选取了数个非洲南部不同尺度的流域，利用水文模型模拟了流域相同或不同季节下的土地利用变化的水文响应特性，结果表明流域水文过程对土地利用的变化具有强烈的敏感性。Vander[4]对印尼爪哇西部典型流域1922—1929年和1979—1986年期间的径流量变化进行了研究，发现两个时期年均降雨量基本相等，但后一时期的年均径流量比前一时期增加了约11%。原因是后一时期林地面积减少，而建设用地增加，从而导致径流量的大幅增加。

本文重点分析了以降水为代表的气候变化和人类活动导致的土地利用变化的水文效应，并以线性模型确定了二者对径流变化的贡献率。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄尾河流域位于安徽省西部霍山县与岳西县交界处，地理坐标介于东经116°5′～116°24′，北纬30°57′～31°9′之间，流域面积约266.6km2。流域主体位于岳西县境内，约占流域面积的80.7%，霍山县境内部分约占19.3%。黄尾河，又名东淠河，是淠河的东部分支，源出岳西县多枝尖（高程1721m）北侧，东北向流动，经青天乡、黄尾镇，至陡峰寨入霍山县境内，北流至磨子潭水库，经汪家冲、横冲，与漫水河相汇后，抵佛子岭水库大坝，出库后的黄尾河，基本北流，与西淠河汇合后入淮。

1.2 数据来源及预处理

研究所用径流、降雨为黄尾河流域出水口处水文站的1970—2009年的逐月实测数据，由安徽省水文资料档案馆提供，1989年降雨径流数据缺失，采用前后两年的数据均值进行插补；黄尾河流域下垫面数据是由美国地质勘探局（USGS）提供的1975年10月Landsat MSS（轨道号：Path 131/Row 038）、1992年10月和2009年10月Landsat 5 TM（轨道号：Path 122/Row 038）共3 期遥感影像组成。为纠正影像的几何畸变和辐射失真，需对影像进行几何精校正和大气校正，预处理流程如图1所示。

2 土地利用变化对径流的影响

2.1 黄尾河流域土地利用变化情况

本文选取1975年、1992年及2009年的3期遥感影像，以Globcover 全球土地覆被数据，采用SVM 支持向量机分类法对多时相影像进行了监督分类，并对分类后的结果进行了最大聚合分析，最终总体分类精度达85%以上。

黄尾河流域20世纪70年代至21世纪初的土地利用情况有一定变化。林地主要存在于流域西北部，人为干扰相对较小，农田主要存在于流域南部和东部，南部农田较为聚集，东部农田较为分散，总体来说，农田呈不规则几何形状分布，量大而散，对于林地的分化割裂作用明显，不利于生态环境的可持续发展。显然黄尾河流域1975年的土地利用情况与1992年的土地利用情况较为相似，与2009年的土地利用情况相差较大，主要表现为林地的增加和农田的减少非常明显，特别是流域南部和东部农田向林地的转化作用最为显著。

为了反映这些流域内各土地利用类型面积的变化幅度与变化速度的差异，本文采用土地利用类型的变化率指数（公式1）来直观反映类型变化的幅度与速度。显然该公式隐含了土地利用类型年变化的线性假设。

式中，K 为变化率，Ua和Ub分别为研究时段内初期与末期某种土地利用类型的面积，T 为研究时段。

由表1可知，林地面积增加趋势显著，占地面积由1992年的73.82%增至2009年的80.25%，净增面积17.14km2，这一时期年变化率K2值为0.51，约为K1值的2 倍，表明这一时期林地的增幅是远高于前一时期（1975—1992年）。农田呈显著的减少趋势，净减面积18.51km2，减幅远高于前一时期（1975—1992年），这一时期年变化率K2值为-1.77，约为K1值的3 倍。黄尾河流域位于大别山区腹地山区，土地利用的特殊性表现在林地和农田占地比例超过96%，土地利用的变迁方式以“林地—农田”相互转化为主，建设用地、水体与林地、农田的相互转化规模极小，对于流域水文过程的影响可以忽略不计，因而本文对于具体的土地转移方式不做探讨，只需明确流域的土地变迁方式主要为“林地—农田”之间的相互转化即可。

图1 预处理流程图

表1 1975—2009年土地利用类型面积构成表

2.2 黄尾河流域土地利用变化的水文效应

若将径流系数视为一个随机变量，它的分布函数是对该流域气候物理机制和人类活动影响径流机理的一种反映[5-6]。

由图2（a）可知，黄尾河流域的年均径流系数1979 前波动较小，表现平稳，80年代后波动较大，不确定性增大，40年间，多年平均径流系数约为0.71，总体呈减少趋势，表明测定的径流量占降雨量的比例在减少。特别是1992年之后，17年内，有12年年均径流系数低于多年平均水平0.71，比例超过70%。图2（b）为黄尾河流域降雨—径流双累积曲线，显然1992年前流域降雨—径流关系具有较强的一致性，自1992年起曲线向横轴（年累计降雨量轴）偏转，表明在降水量不变的情况下，径流量是减少的，降雨—径流的不确定性关系增强。

以1992年为界，分析黄尾河流域的降雨—径流的Pearson 线性相关性（图3），显然，1970—1991年的降雨—径流线性相关性（R2=0.8152）明显高于1992—2009年（R2=0.7282），表明流域降水对径流的直接影响作用在降低，径流对降水的响应程度在减弱。1992年之前，流域土地利用变化不明显，气候因素对于流域的水文情势变化占据主导作用，1992年之后，人类大规模地改造流域下垫面所引起的土地利用被变化在很大程度上影响了流域的产流能力。因而1992年可视为黄尾河流域天然径流量与人类活动等扰动径流量的分界线。

图2 黄尾河流域年均径流系数曲线（a）和降雨—径流双累积曲线（b）图

图3 黄尾河流域1992年前后降雨—径流关系散点图

表2 1975—2009 土地利用类型与径流参数变化表

1975—1992年期间，林地面积近变化了2.98%，而1992年后，林地面积大规模增加，是1992年前的增幅的2 倍多。农田面积则表现为与林地面积增幅相似的减少姿态。1975—1992年，流域年平均径流量为10.24m3/s，1992年后减少至2.69m3/s，净减约73.73%，径流系数亦减少约16.88%（见表2）。这可定性的表明，对黄尾河流域而言，林地面积的增加和农田面积的减少会引起径流量的减少。森林通过林木枝叶的截留作用，林木的蒸腾作用等影响着区域降水的再分配能力，林木凋落物层、林木根系均可改良林下土壤的生化特性，如增大田间持水量、使土壤团聚体增多增大,有利于涵养水源、保持水土、减少产流，此外植被群体对于洪峰的还具有极强的滞缓作用。与森林相比,农田在降雨截留和入渗方面能力较弱,耕地向森林的转化则会导致径流相对减少。

2.3 土地利用变化对径流变化的影响估算

图4 黄尾河流域1992—2009年干扰径流量与模拟径流量对比图

图5 黄尾河流域1992—2009年干扰径流量与模拟径流量绝对误差图

表3 黄尾河流域人类活动对径流影响计算表

由前文分析可知，1991—1993年是黄尾河流域天然径流和受土地利用变化影响的扰动径流的过度时期。故可设定1970—1991年为天然径流基准期，1992—2009年为扰动径流期。对黄尾河流域而言，测站位置和观测技术几乎没有变化，天然条件下径流量与降水量呈现极强的正相关关系。建立基准期内降雨—径流的线性回归方程：Y=0.0088X-3.5237（R²=0.8152，降雨量单位：mm，径流量单位m3/s）。以此基准期方程模拟黄尾河流域扰动期（1992—2009年）天然径流量如图4，可见，假设流域生态系统未受外界干扰下的模拟的天然径流量明显大于干扰径流量。模拟径流量与干扰径流量的绝对误差量可被认为是外界干扰因素对径流变化影响的具体量化（图5）。误差值为正时，表明外界干扰对径流具有正向的增加作用，误差值为负时，表明外界干扰对径流具有负向的减少作用，显然，外界干扰因素降低了流域产流能力，减少了流域出水量。

以降水为主导的气候因素和人类活动引致的土地利用变化是黄尾河流域径流演变特性形成的两个至关重要的因素，而这两个因素存在着此消彼长的关系。视流域天然时段的实测径流为基准值，则可为人类活动影响时段的实测径流与基准值的差值是由外界干扰作用导致的，此差值包含两部分：其一为以降水为主导的气候变化影响量；其二为人类活动引致的土地利用变化影响量。分割公式如下：

式中：ΔHQ为人类活动对径流的影响量；ΔCQ为气候变化对径流的影响量；ΔTQ为径流变化总量；BQ为径流基准值；Q HR为人类活动时期的实测径流量；Q HN为人类活动时期的天然径流量；Hη和Cη分别为人类活动和气候变化对径流变化的贡献率。

表3显示1992年前后黄尾河流域平均径流变化量为-2.28m3/s，其中，气候变化使径流减少1.05m3/s，人类活动引致的土地利用变化使径流减少1.23m3/s。90年代后，人类活动引致的土地利用变化对径流变化的贡献率为53.95%，大于气候变化对径流变化的贡献率46.05%，说明土地利用变化对径流变化的影响作用逐渐凸显。

3 结论

黄尾河流域受自然干扰、人为干扰等多种因素的综合影响，径流时空变化的随机性、非线性及非平稳性特征显著。本文以黄尾河流域长时间序列的降雨径流资料为基础，结合数理统计方法、GIS和遥感技术重点分析了以降雨为主导的气候因素和人类活动引致的土地利用变化对径流过程的影响：

黄尾河流域1975年的土地利用情况与1992年的土地利用情况较为相似，与2009年的土地利用情况相差较大。土地利用的特殊性表现在林地和农田占地比例超过96%，土地利用的变迁方式以“林地—农田”相互转化为主，建设用地、水体与林地、农田的相互转化规模极小，对于流域水文过程的影响可以忽略不计。林地面积的增加和农田面积的减少会引起径流量的减少。1992年前后黄尾河流域平均径流变化量为-2.28m3/s，其中，气候变化使径流减少1.05m3/s，人类活动引致的土地利用变化使径流减少1.23m3/s。90年代后，人类活动引致的土地利用变化对径流变化的贡献率为53.95%，大于气候变化对径流变化的贡献率46.05%，说明土地利用变化对径流变化的影响作用逐渐凸显。河川径流对气候变化和下垫面变化的响应程度随时间而异。随着时间的推移，下垫面要素的变化对黄尾河流域径流的影响有增大的趋势，气候变化有减小趋势■