延河流域土地利用变化过程中水源涵养功能研究

杨思敏，权 全，徐家隆，张飞跃，刘铁军

(1.西安理工大学，陕西 西安 710048；2.陕西省水土保持勘测规划研究所，陕西 西安 710048；3.水利部 牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020)

延河发源于靖边县天赐湾乡周山，全长286.9 km，是黄河的一级支流[1]。延河流域总面积7 683 km2，位于36°27′～37°58′N、108°41′～110°29′E，属黄土丘陵沟壑区。作为我国西北干旱区实施水土保持的典型实验区，延河流域从2016年初就启动了延河综合治理工程，先后实施了河道疏浚、退耕还林还草等工程。这些工程的实施改变了当地的土地利用状况，并对水源涵养等生态系统服务功能产生了重要影响[2]。水源涵养是在一定时空范围内，通过林冠层、枯落物层和土壤层、湖泊水体等对降水进行截留、下渗和储存等，将水分充分保持在生态系统中的过程和能力[3]，不仅能满足生态系统内部对水源的需求，并且可以向系统外部及中下游地区提供水资源[4]。水源涵养功能与气候变化和人类活动具有较高的相关性。全面分析延河流域水资源涵养功能的变化趋势和空间分布特征，对该地区乃至西北干旱区生态环境治理具有重要意义。本研究以延河流域为例，在分析1990—2020年土地利用变化情况的基础上，采用可变下渗容量模型方法，模拟流域降雨、蒸散发和径流数据，从而进一步定量评价1999—2019年生态建设对水源涵养功能的影响。

1 研究区概况

延河流域属温带大陆性半干旱季风气候区，春季干旱多风、气温多变，夏季温热多阵雨，秋季温凉多雨、气温下降迅速，冬季寒冷干燥、降水稀少；年均降水量514 mm，降水主要集中在6—9月，降水量由西北向东南递增[5]，年均气温9.3 ℃，年均实际蒸散发量472.92 mm[6]。流域地势西北高、东南低，上游为峁梁丘陵沟壑区，梁多而峁小，河床比降大，植被稀少，侵蚀强烈；中游为峁状丘陵沟壑区，梁窄峁小，河谷宽阔，阶地发育，侵蚀不如上游严重；下游为破碎塬区，塬面窄小，冲沟发育，水土流失不如中上游严重。脆弱的自然条件和长期坡地耕种导致流域内水土流失严重。

2 研究方法

2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵能反映不同时间段各土地利用类型的变化特征[7]，其表达式为

(1)

式中：i，j分别为研究时段初期和末期的土地利用类型，i,j=1,2,…,n；Sij为初期土地利用类型i转移成末期土地利用类型j的面积。

2.2 可变下渗容量模型

可变下渗容量模型(VIC模型)是一个基于网格化的大尺度分布式水文模型，综合考虑了气象、土壤、地形、植被，能同时对热量和水量平衡进行模拟[8]。VIC模型分为产流模块和汇流模块：产流模块包括植被参数、土壤参数、气象参数等；汇流模块包括网格有效面积、水文站点的位置，以及河流的流向、流速等。本研究采用VIC模型模拟1999—2019年延河流域径流量等气象数据，并以2006—2012年实测径流数据进行参数率定和模型验证。

2.3 基于水量平衡法的水源涵养量分析

水量平衡法以水量的输入和输出量为基点，将整个生态系统视作一个“黑箱”，水源涵养量即为“黑箱”中降水量、蒸散发量和地表径流量的差值[9]，其表达式为

W=P-ET-R

(2)

式中：W为水源涵养量，mm；P、ET、R分别为降水量、蒸散发量和地表径流量，mm。

另外，采用Pearson、Spearman、Kendall相关分析法分析气候因子(降水量、温度、蒸散发量、地表径流量和风速等)与水源涵养量的关系。

2.4 数据来源与处理

本研究中高程数据来自地理空间数据云的SRTMDEM 90 m分辨率原始高程数据，利用ArcGIS对其进行掩膜处理，提取出延河流域相关数据。土地利用类型数据来自资源环境科学与数据中心，包括1990、2000、2010和2020年4期。VIC模型中的植被参数和土地覆盖数据来自Maryland大学发布的全球1 km分辨率的陆面植被类型分布覆盖图和土地覆盖类型数据[10]，土壤数据来自世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集。气象数据来自中国地面气候资料日值数据集(V3.0)，选取1999—2019年志丹、延川、子长、甘泉、延长、延安和安塞7个气象站点日降水量、日最高气温、日最低气温和日平均风速数据，通过反距离权重法将站点数据插值到网格中。甘谷驿水文站[11]是延河流域的出口控制水文站，因此本研究采用2006—2012年甘谷驿水文站实测径流资料对VIC模型模拟的径流量进行率定和验证。

3 结果与讨论

3.1 生态恢复下的土地利用变化特征

延河流域主要为温带植物，主要农作物多为一年一熟粮食作物及耐旱经济作物、落叶果树。运用ArcGIS中的重分类功能将研究区原始数据中25个土地利用类型二级分类重新分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地六大类。1990、2000、2010、2020年延河流域土地利用类型及其变化情况见表1。流域内土地利用类型以草地和耕地为主，1990年流域内草地和耕地面积之和接近总面积的90%，且草地面积比耕地略多。在退耕还林还草政策的影响下[12]，1990—2020年耕地面积减少了26.6%，草地和林地面积则明显增加，尤其草地面积占比已过半，水域面积总体较小，建设用地和未利用土地也有所增加。

表1 延河流域土地利用类型及其变化情况统计

重点分析了2000—2020年延河流域不同土地利用类型之间的相互演变(表2)。整体来看，延河流域土地利用变化主要体现在耕地向林地和草地转移，水域和未利用土地的转移不明显。其中：发生变化的土地利用类型面积为1 746 km2，占流域面积的22.73%；耕地面积减少了872 km2，草地和林地则分别增加了546、273 km2。流域内土地利用类型分布较为分散，主要地类中草地和林地主要分布在流域上、下游，耕地和建设用地在流域中游地区分布密集。在城镇化建设和各项水土保持措施的影响下，2000—2020年研究区不同土地利用类型面积变化较大，变化区域主要集中在上游和中游地区[7]。

表2 2000—2020年延河流域土地利用转移矩阵 km2

3.2 延河流域径流模拟

采用VIC模型将流域划分为112个网格(图1)，网格分辨率为0.083°×0.083°，模拟生成1999—2019年流域逐日径流量、降水量、蒸散发量等数据。将模拟过程分为率定期和验证期两个阶段，其中：2006—2009年为率定期，2010—2012年为验证期。将甘谷驿水文站的实测径流资料与模型模拟值相比，对模型参数进行率定。选取Nash效率系数、Er(相对误差)和r(相关系数)作为评价模型模拟效果的指标，模拟结果见表3。从模拟效果看，Nash系数和r在0.6以上，Er小于4%，虽然对于部分日期和月份洪峰流量误差较大，但均符合评价指标的各项要求，说明模型能基本模拟延河流域的水文过程。

图1 延河流域网格划分

表3 延河流域日尺度模拟结果

图2是延河流域模拟和实测的日流量散点图。延河流域的洪水期在7—10月，枯水期在12月到次年4月。在率定期内，实测和模拟最高月均流量分别为9.09、8.89 m3/s，均出现在2007年10月；在验证期内，实测和模拟最高月均流量分别为12.00、9.59 m3/s，均出现在2010年8月。通过对比实测和模拟最高月均流量，发现模拟的流量洪峰值均偏低，但总体趋势变化与甘谷驿水文站实测流量较为一致。

图2 延河流域实测与模拟日流量散点图

3.3 水源涵养量变化分析

通过VIC模型得到降水、蒸散发和地表径流数据后，采用水量平衡方程[式(2)]计算1999—2019年水源涵养总量。其中部分时间段的水源涵养量为负值。当水源涵养量为负值时，表明流域内降水量小于蒸散发量，无法涵养水源，因此将负值的水源涵养量归为0[9]。分析得到1999—2019年延河流域年降水量为446.2～502.11 mm，年蒸散发量为439.33～489.7 mm，年水源涵养量为28.91 mm，并呈现出0.716 mm/10 a的减少趋势。图3为1999—2019年延河流域水源涵养量、降水量和蒸散发量的空间分布。可见，水源涵养量总体呈东南高、西北低的分布特征，这与降水量和蒸散发量的空间分布基本一致。

图3 水源涵养量及其影响因子空间分布

表4显示了延河流域内各个站点的水源涵养量及其影响因子的气候倾向率。其中：降水量、蒸散发量和地表径流量的气候倾向率均呈现增加的趋势，但水源涵养量只在延河上游(安塞水文站)呈现增加趋势，这可能与延河上游草地分布面积较大有关。结合土地利用类型空间分布变化分析，流域中游大面积的耕地转变为其他土地利用类型后，流域涵养水源的能力呈增加趋势，而当林、草地转变为其他土地利用类型后，涵养水源能力减弱，这说明耕地涵养水源能力较差，林、草地涵养水源能力较好。

表4 各站点气候要素倾向率 %/10a

水源涵养是一个复杂的生态过程，受气候、地形、土地利用等因素的影响。分析水源涵养量对气候因子(降水量、温度、蒸散发量、地表径流量和风速等)变化的响应，有助于了解不同因子对水源涵养量变化的影响程度。水源涵养量与气候因素的Pearson、Spearman、Kendall相关系数如表5所示。可见，水源涵养量与温度、降水量、蒸散发量和径流量呈极显著正相关，与风速呈极显著负相关；降水量、径流量与水源涵养量的Pearson相关系数分别为0.812和0.878，显著高于其他气候因素；从水量平衡角度出发，降雨量增加会导致径流量增大，从而影响水源涵养功能，因此延河流域影响水源涵养量的主要因子是降水量。

表5 水源涵养量与主要气候因素相关性分析

4 结 论

本研究分析了1999—2019年延河流域土地利用变化对水源涵养功能的影响，得出以下结论：实施退耕还林(草)政策后，延河流域土地利用类型由耕地向林地、草地逐渐转移，水域面积变幅不大，建设用地和未利用土地略微增多；水源涵养量空间分布呈东南高、西北低，林、草地涵养水源的性能较好，影响水源涵养量的主要气候因素是降水量。