趙志杰

(河北省保定水文水資源勘測(cè)局，河北保定071051)

近年來(lái)由人類活動(dòng)引起的地球環(huán)境變化越來(lái)越明顯，土地利用/覆被變化是全球環(huán)境變化的重要組成部分，受到廣泛關(guān)注。土地利用/覆被變化對(duì)區(qū)域水資源、水文循環(huán)過程的影響研究，早期大都采用小流域?qū)嶒?yàn)法或傳統(tǒng)水文模型。隨著計(jì)算機(jī)和3S技術(shù)的應(yīng)用，基于GIS和遙感數(shù)據(jù)，利用分布式水文模型，對(duì)流域尺度的水文過程進(jìn)行模擬，在我國(guó)許多流域已經(jīng)取得進(jìn)展［1－3］。

王快水庫(kù)位于海河流域大清河水系，土地覆被類型多樣，徑流主要由降水及降水入滲補(bǔ)給，年內(nèi)、年際變化與降水變化基本一致，具有良好的代表性。選取王快水庫(kù)以上流域作為山區(qū)典型小流域，利用SWAT模型模擬土地利用/覆被變化對(duì)流域徑流的影響。

1 流域概況

王快水庫(kù)位于沙河中上游。沙河發(fā)源于山西省靈邱、繁峙兩縣，南北兩支流匯合于阜平縣的杜梨村，中途有鷂子河、板峪河匯入，流至草廠口村南于胭脂河一起匯入王快水庫(kù)，出庫(kù)后經(jīng)曲陽(yáng)、新樂、定州，至安國(guó)軍洗村后稱潴龍河。王快水庫(kù)以上流域面積 3 770 km2［4］。

王快水庫(kù)所處區(qū)域?qū)贉貛О敫珊荡箨懶詺夂?，四季分明，多年平均氣溫?1.3℃ ～14.6℃之間。流域內(nèi)多年平均降雨量626 mm，多集中在7、8、9三個(gè)月。流域土地利用類型主要包括林地、耕地、城鎮(zhèn)及居民點(diǎn)、裸地、水域5類。山區(qū)土地利用類型以林地、裸巖為主，平原區(qū)以耕地、城鎮(zhèn)居民點(diǎn)為主，土壤類型主要包括褐土、潮土、粗骨土、棕壤等12種。

2 流域徑流特征

保定市第二次水資源評(píng)價(jià)中［5］，采用1956～2000年系列實(shí)測(cè)徑流資料進(jìn)行還原計(jì)算，得出王快水庫(kù)以上流域年徑流特征值(表1)。王快水庫(kù)以上流域徑流量年際變化劇烈，最大值是最小值的45.2倍，年徑流量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。年內(nèi)多集中在汛期(6～9月份)，汛期平均徑流量4.16，占全年徑流量的73.6%。

表1 王快水庫(kù)以上流域年徑流特征值 億m3

王快水庫(kù)以上流域年徑流的變化既受氣候因素(如降水量)影響，也受人類活動(dòng)的影響。大規(guī)模的興建蓄水、引水工程，在很大程度上改變了河川徑流的天然情勢(shì);小流域綜合治理，封山育林、人工造林等水土保持措施的實(shí)施，使流域下墊面條件發(fā)生改變，也是影響流域徑流變化的重要因素。有研究表明［6］，王快水庫(kù)以上流域徑流量演變過程可分三個(gè)階段:基準(zhǔn)期1956～1979年和變化期1980～1995年及1996～2008年。因人類活動(dòng)的影響，1980～1995年變化期徑流量減少26.5%，1996～2008年變化期徑流量減少37.1%。

3 土地利用/覆被變化對(duì)流域徑流的影響

持續(xù)的開發(fā)建設(shè)和水土流失治理，改變了王快水庫(kù)以上流域土地利用類型和植被，土地利用/覆被變化可改變地表蒸發(fā)、土壤水分狀況及地表植被截留蒸散等，影響水分在流域中的再分配和運(yùn)行過程，從而改變流域水文循環(huán)和水文特征。運(yùn)用SWAT模型可在流域尺度上模擬其變化過程。

3.1 SWAT模型

SWAT(Soil and Water Assessment Too1)模型是20世紀(jì)90年代美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究中心(ARS)開發(fā)的流域尺度、時(shí)間連續(xù)、基于過程的分布式水文模型，它可以在水文響應(yīng)單元的空間尺度上模擬地表徑流、入滲、蒸散發(fā)、物質(zhì)輸移等多種過程，可預(yù)測(cè)大流域尺度下復(fù)雜多變的土壤類型、土地利用方式和管理措施對(duì)這些過程的影響［9］。SWAT模型需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型(DEM)、土地利用/覆被(LULC)數(shù)據(jù)、土壤類型及屬性數(shù)據(jù)、水文氣象資料等，通過輸入地形高程(DEM)數(shù)據(jù)，將流域劃分成多個(gè)子流域，根據(jù)土壤類型和土地利用數(shù)據(jù)，把每個(gè)子流域細(xì)分為多個(gè)水文響應(yīng)單元(HRU)，進(jìn)行徑流、泥沙、水質(zhì)模擬［7］。

3.2 LUCC 情景建立

根據(jù)極端土地利用法建立以下4種土地覆被情景:(1)2009年的現(xiàn)狀植被，用以對(duì)照其他3種LUCC情景的白洋淀山區(qū)徑流量變化情況;(2)假設(shè)流域生態(tài)一直向惡性方向發(fā)展，林地大量砍伐，地表無(wú)任何植被覆蓋，均為裸巖;(3)假設(shè)流域生態(tài)朝良性方向發(fā)展，林地大面積恢復(fù)且長(zhǎng)勢(shì)良好，地表全部被林地所覆蓋;(4)從實(shí)際出發(fā)，假設(shè)未來(lái)幾年內(nèi)達(dá)到最佳的土地覆被狀況，水域、森林、耕地、果樹合理配置，不存在未利用土地。

3.3 LUCC對(duì)徑流的影響

根據(jù)建立的4種LUCC情景模式，分別模擬了王快水庫(kù)流域2005～2010年共6年的徑流量(表2、圖1)。由圖表可以看出:(1)模擬徑流量最大值為地表全為裸巖覆蓋情景，此時(shí)徑流量比對(duì)照情景增加了10.7%，而徑流量最小值為未來(lái)最佳植被覆蓋情景，比對(duì)照情景減少了7.2%。模擬徑流量由大到小依次為裸巖覆蓋、現(xiàn)狀植被、森林覆蓋、未來(lái)最佳植被，這表明隨林地面積的增加，徑流逐漸減小。(2)未來(lái)最佳植被與森林覆蓋兩種情景相對(duì)比，因果園較森林蒸散更劇烈，蓄水能力更小，導(dǎo)致徑流量最小。

表2 王快水庫(kù)以上流域不同LUCC情景年均徑流深

圖1 王快水庫(kù)以上流域不同LUCC情景年徑流量

對(duì)4種LUCC情景在月時(shí)間尺度上進(jìn)行徑流模擬，統(tǒng)計(jì)多年月平均徑流量(表3)。結(jié)果表明:(1)土地覆被變化對(duì)汛期(6～9月份)徑流量影響較大，對(duì)非汛期的影響則不明顯。(2)汛期徑流最大值出現(xiàn)在7月份裸巖覆蓋類型，相比對(duì)照情景增加了43.3%，徑流最小值出現(xiàn)在7月份森林覆蓋類型，相比對(duì)照情景減少了26.2%。說明隨土地覆被的增加，汛期徑流顯著減少。(3)裸巖覆蓋類型徑流變化最為明顯，汛期徑流量大幅度增加，平均變化率為23.9%，而非汛期徑流呈減少趨勢(shì)，平均變化率為－14.1%。其它土地覆被類型與之相反，汛期由于植被截留蒸散、根系吸收等作用導(dǎo)致流域徑流量減少，非汛期由于根系對(duì)土壤的疏松作用，使土壤側(cè)向流增加，從而增加流域徑流量。

表3 王快水庫(kù)以上流域不同LUCC情景月平均徑流量變化率

4 結(jié)語(yǔ)

(1)王快水庫(kù)以上流域徑流的變化受氣候因素和人類活動(dòng)的雙重影響，大規(guī)模水利建設(shè)和水土保持，是影響流域徑流變化的重要因素。因人類活動(dòng)影響，1980～1995年變化期徑流量減少26.5%，1996～2008年變化期徑流量減少37.1%。

(2)運(yùn)用SWAT模型可以有效模擬土地利用/覆被變化對(duì)王快水庫(kù)以上流域徑流的影響。隨著流域土地覆被的增加，年徑流量減小，模擬徑流量由大到小依次為裸巖覆蓋、現(xiàn)狀植被、森林覆蓋、未來(lái)最佳植被。

(3)土地覆被變化對(duì)汛期徑流量影響較大，對(duì)非汛期的影響則不明顯。隨著土地覆被的增加，汛期徑流顯著減少。裸巖覆蓋類型年內(nèi)徑流變化幅度最大。

［1］鄧慧平.氣候與土地利用變化對(duì)水文水資源的影響研究［J］.地理科學(xué)進(jìn)展.2001，16(3):436 －441.

［2］劉昌明，李道峰，田英.基于DEM的分布式水文模型在大尺度流域應(yīng)用研究［J］.地理科學(xué)進(jìn)展.2003，22(5):437－445.

［3］賴格英，劉志勇，劉胤雯.流域土地利用覆蓋與植被變化的水文響應(yīng)模擬研究［J］.水土保持研究.2008，15(4):10－14.

［4］高惠明，崔惠敏，韓曉東.王快水庫(kù)水質(zhì)變化趨勢(shì)及影響因素分析［J］.水科學(xué)與工程技術(shù).2011(3):29－31.

［5］保定市第二次水資源評(píng)價(jià)［R］.保定:保定市水利局.河北省保定水文水資源勘測(cè)局.2006.

［6］楊春霄.沙河王快水庫(kù)以上流域年徑流變化及原因研究［A］.王春澤，郎洪剛，喬光建.水文科技研究與發(fā)展［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社.2010:368－371.

［7］王中根，劉昌明，黃友波.SWAT模型的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究［J］.地理科學(xué)進(jìn)展.2003，22(1):79 －86.