流域土地利用变化情景下的水文响应模拟研究

吴洪斌，汪建宏，朱子健，李 宏，廖志伟

（浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310052）

1 引言

随着社会经济的不断发展，我国城镇化的程度也不断加强，对于土地的利用与开发强度日益增加，剧烈的土地利用覆被变化则会引起一系列的生态环境演变[1]。正是由于对水资源的重视与可持续发展，因而有效地进行土地利用变化评估对水文过程的影响极为重要。充分了解其中的规律能够有效地整合水资源规划与相应的利用，这些热点与焦点问题也成为业界专家深入研究的方向之一[2]。对于流域的开发与利用往往会引起流域土地利用/覆被变化，同时这样的人类活动会逐渐地引起流域相应的水资源分布、产汇流、地表蒸发、截留等变化。业界对于人类活动引起的流域变化特别是对流域水文循环产生的影响进行了深入的研究，如利用分项调查、实验流域等方法进行分析与实验，这两种方式需要长时间序列的观测资料，同时需要确保外部的环境没有明显的差异，因而要求较高；有学者利用水文模型法进行LUCC（土地利用覆被变化）的研究，即在对相应的模型进行充分的验证与对应的率定的前提下，定量地进行LUCC对水文循环的影响分析[3]。这种依托水文模型的方法进行模拟，其本质在于选择合适的水文模型，才能有效地进行实际水文过程的模拟。在水文模型的选择过程中重要的需要考虑模型的输入，综合遥感与GIS因素，灵活地进行土地利用变化情景配置，模拟不同土地利用变化情景下的水文过程的响应[4]。

水文模型诞生于20世纪50年代，随着研究的逐渐深入，不同的试验区出现了丰富的水文模型，如新安江模型、斯坦福模型、Tank模型、SHE模型、TopModel模型等。遥感技术的发展使得数据获取的方式与频次逐渐多样化，同时出现了GIS空间分析功能，因而，水文模型逐渐向程度更加精细、模拟尺度更大、功能更加丰富的程度发展，应用的领域也涉及水污染、水生态等[5-6]。

为了探索和明晰流域LUCC下的水文响应模拟，本文依托成熟的SWAT水文模型，设计不同的情景进行土地利用变化下的水文响应计算，旨在分析不同类型下的LUCC数据对流域径流量影响，为水文模拟提供支撑。

2 数据整理

为了进行水文响应模拟，首先需要对输入数据进行预处理，以确保这些数据具有相同的坐标系，能够进行分析，对于栅格的数据则统一进行30 m的重新采样，以使得这些输入数据能够进行一致的运算，具体的空间数据各类参数如表1所示。

表1 输入数据的具体列表

针对表1的数据，首先进行数据的相应预处理，确保数据准确、统一；其次，根据模型的土地利用/覆被类型对研究区域的LUCC数据进行类别的相应索引重建，以使得在具体的建模过程中能够有效地重建与查找。选择SWAT水文模型进行模拟，因此土壤数据类型的分类需要与模型的需求分类一致，即在建立对应土壤属性数据库的基础上，相应存储不同土壤类型的物理、化学属性，如土壤粒子、含水量、湿度反照率、可蚀性因子等，对SWAT模型中的相应的蒸散发与水文模拟有重要的作用。此外，对于气象数据而言，则需要包含站点的各个位置及相应的观测数据表，如日最高气温、日最低气温，平均湿度、平均风速数据等。雨量的数据则从对应的水文年鉴直接获取，包括分布在试验区的29个雨量站的逐日降水量（实测）。利用相应的气象数据，可以有效地计算日均降水量、日均最低最高温度、日均风速等因子，以进行水文模拟时的补充。

3 流域径流模拟

3.1 模型构建

首先利用DEM数据进行SWAT模型的河网划分，利用真实的河网DLG数据对河网进行自动化提取进行有效校正，在此基础上，依托土地利用数据和土壤数据实现流域的水文响应单元的有效剥离，并逐渐输入处理好的流域水库数据、气象数据，综合来看，最终建立包含55个子流域的模型，1 150个水文响应单元（HRU）。

针对地表径流的计算选择SWAT模型的SCS（径流曲线数法）计算，蒸散发则是利用彭曼-蒙特斯公式进行计算，河道的汇流演算利用变动型蓄量模型进行计算。

3.2 模型参数率定

在选定SWAT模型的基础上，选择浙江某实验区的5个水文站点进行流域径流量的实际水位测量用于模型数据的校准。利用SUFI-2算法进行敏感性的分析与模型的分析，综合参数的不确定性，依托T检验方法来具体判断参数的敏感性程度，通过P-factor来具体衡量所有的不确定性的程度，R-factor则用于衡量不确定性分析的具体效果。根据1 000次的不断迭代计算，得到相应的参数敏感性分析统计，具体如表2所示。

表2 模型参数敏感性分析及率定结果

从表2的具体统计结果来看，相比较参数而言，敏感度最高的是地下水延迟时间（GW_DELAY）；次高的是基流alpha因子（ALPHA_BF）；再次高的为径流曲线（CN2）；其余的参数如土壤饱和水力传导度（SOL_K）等相比较会涉及具体的流域土壤下渗、田间持水能力相对也比较敏感。

使用2019年～2021年的具体实测数据，利用P-factor、R-factor、纳什系数ENS、相关系数R2具体的4个指标，对模型进行具体的参数验证，对于指标的具体评价结果如表3所示。P-factor的取值区间为0～100%，如果P-factor值越接近于1则说明其效果越好，R-factor值的变化范围为0～∞，如果R-factor值越接近于0说明效果越好；ENS与R2的值如果越接近于1，则表明具体的模拟数值与真实的测量值之间的差距逐渐缩小。通常，ENS大于0.5则说明效果可以接受，如果取值范围在0.65～0.75之间，则说明效果较好，如果取值大于0.75则说明模拟的效果非常好，因此，从具体的参数和实际的模拟来看，5个站点的模拟效果比较好，说明选择的SWAT模型非常适合所选的实验区进行径流模拟。

表3 参数率定及验证

4 情景设计

4.1 土地利用变化情景

人类对于流域土地的开发组要体现在土地利用变化上，为了定量地进行该研究区土地利用变化对于径流水文响应的影响，文中根据该实验区真实的土地利用变化状况、土地利用总体规划、城市总体规划等设计了4种类型的变化情景。

情景1：退耕还林。将坡度在25°以上的坡度型耕地、水土流失的严重土地直接设定为林地；坡度为15°～25°的丘陵、小山则设定为园地，其余的土地利用类型则保持不变。

情景2：新型城镇化建设。根据具体的城市总体规划，将农村地区的自然村撤销合并至中心发展村，改善现有的农田破碎、不集中的现状，城市的总体面积有所增加，县一级的城镇也有所扩张，其他的地类则保持不变。

情景3：适度的耕地开发。将坡度小于15°的湿地、未利用地等类型直接设定为耕地，其余的土地利用类型则保持不变。

情景4：实际变化发展。利用2021年遥感影像解译分类以获得该流域土地利用变化类型。

根据具体的4类情景模式，采用具体的已率定的参数，模拟实验区在不同的情景下的土地利用类型的径流量，并与原始模型的结果进行综合性对比分析。

从计算的结果来看，在情景1下，从耕地变为林地的地类面积达到6 km2左右，耕地变为园地为125 km2左右，说明耕地变为园地的变化更明显；在情景2下，主要涉及其他地类、农村居民点变化，其中其他地类变为城镇用地达到181 km2左右，农村居民点变为耕地为20 km2左右；在情景3下，未利用地变为耕地的面积约为294 km2；在情景4下，城镇农村地类面积增加了近240 km2。

表4 不同情景下的土地利用类型

4.2 结果分析

在情景设计的基础上，本文基于参数率定后的结果，分别进行4种情景下的不同土地利用下的月均径流量，计算多年的平均径流深度，并且与实际的测站数据进行充分对比分析，见图1所示。

图1 不同情景下的年平均径流深变化

从图1计算的结果来看，土地利用变化对于水文过程的响应较为明显，在情景1中，在面积增加的基础上，径流的深度模拟输出增加了近10 mm，在情景2中，径流的深度模拟输出减小了近7 mm，在情景3中，耕地面积的增加导致了径流深度模拟的输出减少了11 mm左右；在情景4中，林地、草地、建设用地地类面积均有所增加，导致径流深度的模拟输出减少了不到4 mm，但需要注意的是，这部分的数据源是遥感影像的分类结果，因而，数据源的精确度受分类方法分类精度的影响。

总体来看，土地利用覆被变化与流域径流量的具体变化规律符合已有的研究结论，表明了研究具有一定的参考意义。

5 总结

随着社会经济的不断发展，人类对于流域的影响也愈来愈大，如何研究人类活动影响下的土地利用变化对流域水文响应的模拟是水文研究的热点之一。针对这些需求，以浙江某实验区为研究对象，通过选择成熟的SWAT水文模型，设置4类不同的情景下的土地利用变化，模拟了流域的具体径流在不同情景下的水文响应。

（1）在情景1中，耕地转变为林地与园地后，流域的径流量有明显的减少，约减少4%，说明在林地、草地的地类类型中，其田间持水量能力、减少径流量、防洪效应有一定的提升。

（2）在情景2中，城镇化的建设，导致了流域的水流下渗量有明显减少、洪峰的流量增加、径流的系数增加等，从而导致流域的径流量有明显增加，在这种情景下，流域的径流量有明显增加，同时，相应的人类开发也在一定程度上促进了经济效益的有效增加。

（3）在情景3中，未利用地转变为耕地后径流量有明显的增加，径流量的变化说明了耕地的变化削弱了林地、草地的防洪效应，下渗的能力有所减弱。

（4）在情景4中，耕地有所减少，林地、草地有明显的增加，城镇农村有所增加，导致径流有一定程度的增加。

在实际的土地利用开发中，不仅仅需要考虑城市的具体开发带来的经济效益，还需要综合考虑流域水文的效应、防洪的效应及更好地平衡性生态系统。土地利用开发方式的粗犷往往会引起局部区域的生态系统紊乱，引起旱涝灾害频发，不利于区域的可持续、生态型增长，因而，需要综合考虑具体的水文效应、经济效益，以统筹人类实际的开发利用，最终达到“设计结合自然”的目的，切实响应“绿水青山就是金山银山”的要求。