基于SWAT和GIS的洱海流域土地利用變化對徑流影響的研究

彭彬a，b，楊昆b，c，李建b，c，張韶華a，b，宋毅a，b

(云南師范大學 a.旅游與地理科學學院； b.西部資源環(huán)境地理信息技術教育部工程研究中心；

c.信息學院，昆明650500)

摘要：利用DEM、土地利用、土壤、氣象等時空數(shù)據(jù)并結合GIS和RS技術，建立洱海流域SWAT模型,分析了2000年和2010年不同土地利用情景對徑流的影響，其結果為洱海流域土地利用變化引起徑流的變化率為2.46%。以《云南省土地利用總體規(guī)劃大綱(2006—2020)》為依據(jù)，結合洱海流域土地利用分布的實際情況，設置3種土地利用情景，研究不同土地利用情景對徑流的影響。結果表明：情景1中，66.06 km2的耕地轉(zhuǎn)林地和89.16 km2的耕地轉(zhuǎn)草地，模擬的年均徑流值增加75.73 mm；情景2中，100.13 km2的裸地和105.74 km2的草地轉(zhuǎn)為耕地，年均徑流增加39.89 mm；情景3中，138.72 km2的草地和292.86 km2林地轉(zhuǎn)耕地，年均徑流減少20.36 mm。模擬表明:在坡度15°以上，洱海流域森林和草地面積的增加將會增加徑流量；在坡度15°以下，耕地的增加會一定程度上減少徑流量。研究成果為洱海流域水資源空間合理調(diào)配提供參考依據(jù)。

關鍵詞：SWAT模型；土地利用；徑流模擬；LUCC;洱海流域

中圖分類號：P334.2 文獻標志碼：A

收稿日期：2014-04-08

基金項目：國家科技支撐計劃課題(2012BAB03B04)

作者簡介：郭志陽(1989-)，男，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事水環(huán)境保護與生態(tài)修復方面的研究，(電話)18751958953(電子信箱)gzy7111@126.com。

通訊作者：朱亮(1963-)，男，江蘇泰州人，教授，博士，主要從事水污染控制、水環(huán)境保護與生態(tài)修復方面的研究，(電話)025-83786724(電子信箱)zhulianghhu@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.004

收稿日期：2013-10-31;修回日期：2013-11-11

作者簡介：代興蘭(1971-)，女，云南會澤人，高級工程師，主要從事水資源研究、水資源保護及水文情報預報工作,(電話) 13887151265(電子信箱)325865343@qq.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.003

1研究背景

洱海作為流域重要的水源地，支撐著整個流域的生產(chǎn)生活和經(jīng)濟發(fā)展，其水量、水質(zhì)變化對流域有重大影響。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類的社會經(jīng)濟活動和氣候變化對流域生態(tài)環(huán)境的影響逐漸突顯出來，湖泊水位降低，資源性缺水,水資源供需矛盾較為突出。在水文循環(huán)中，除了主要受到氣候影響外，人類對自然資源的利用和改造導致的土地利用/土地覆被變化(LUCC)也影響流域水文循環(huán)的所有環(huán)節(jié)。由于研究區(qū)域的尺度、氣候條件、地理因素等不同，國內(nèi)外研究得出了2種完全對立的結論:森林可增加徑流和森林可減少徑流。金棟梁[1]通過對長江流域的分析,證實森林覆被率高的流域比森林覆被率低的流域、有林地的流域比無林地流域,年徑流量均增加。郝芳華等[2]和王學等[3]基于SWAT模型分別在黃河下游流域和白馬河流域分析土地利用變化對徑流影響，得出森林植被覆蓋率高對年徑流增長有促進作用。Li Yaoji等[4]在云南松華壩水庫流域研究土地利用變化和氣候?qū)λ倪^程的影響中，得出耕地轉(zhuǎn)為林地對河川徑流的增加有很大的促進作用。馬雪華[5]、王金葉等[6]也證明森林在一定程度上增加徑流。而Githui等[7]對肯尼亞恩佐亞河流域的研究得出森林在一定程度上減少徑流。謝媛媛[8]在甘肅天水羅玉溝流域探討了森林植被變化對水文生態(tài)響應的影響，得出森林植被具有減水減沙生態(tài)水文功能。

SWAT模型可用于水文評價的許多方面，如流域水文循環(huán)的模擬預測、土地利用管理措施的評價、非點源污染管理和土壤侵蝕預測等[9]。Fohrer等[10]基于SWAT模型在德國阿勒河流域發(fā)現(xiàn),土地利用變化對徑流變化最敏感。Du等[11]在UOC流域的研究得出SWAT模型適于流量資料缺乏的地區(qū)。Hernandez等[12]證實SWAT模型能較好反映LUCC變化下多年的降水-徑流關系。在國內(nèi)，袁軍營[13]、羅巧[14]、陳媛[15]、宋倩[16]、曾赟[17]等分別在柴河水庫流域、湘江流域、三峽庫區(qū)流域、伊犁喀什河流域、李子溪流域證實SWAT模型適合模擬不同尺度流域的徑流。本文利用SWAT模型深入研究了洱海流域土地利用變化下的徑流特征，有利于了解流域內(nèi)水資源分布格局，為水資源空間合理調(diào)配提供參考依據(jù)，同時也是改善流域水體功能、治理流域生態(tài)環(huán)境的基礎工作，對合理利用水資源有著重要的理論和現(xiàn)實意義。

2資料預處理及研究方法

2.1　研究區(qū)概況

洱海位于云南省大理州境內(nèi)，地理坐標為北緯25°25′ ～26°10′，東經(jīng)99°32′ ～100°27′，湖面為249.8 km2，可容水28.8億m3，共有大小入湖河流117條。洱海主要的補給水源是降水、森林滯留水和少量冰川融雪，主要以徑流的方式注入湖盆，年均入湖水量8.25億m3。西洱河是洱海唯一出湖河流，年均輸出水量約8.63億m3。洱海流域?qū)俚途暥雀咴瓉啛釒Ъ撅L氣候，光照充足，四季如春，年平均氣溫16.2℃左右；主導西南季風，平均風速為2.3 m/s。流域降雨豐沛，年均降雨1 048 mm。流域內(nèi)土壤分布具有明顯的垂直地帶性：由低到高依次為紅壤、黃紅壤、黃棕壤、暗棕壤、亞高山草甸及高山草甸土，另有紫色土、漂灰土、石灰土和沼澤土零星分布。土壤垂直分異大致情況如下：海拔2 600 m以下為紅壤、紫色土和部分沖積土；2 600 ～2 800 m為紅棕壤；2 800 ～3 300 m為棕壤和暗棕壤；3 300 ～3 900 m為亞高山草甸土；3 900 m以上為高山草甸土。

2.2　SWAT模型模擬原理

SWAT模型的地表徑流包括2部分：陸地階段和河道匯流階段。陸地階段主要進行產(chǎn)流和坡地匯流，主要影響從各個子流域中最終進入主河道的徑流量。河道匯流階段主要是從源頭開始模擬徑流，經(jīng)過河網(wǎng)演算，并最終到達流域總出口的輸移過程。SWAT模型水文模擬遵循水平衡方程，即

(1)

式中:SWt為模擬結束時的土壤含水量(mm)；SW0為模擬開始時的土壤含水量(mm)；t表示模擬時間(d)，即共模擬t天；Rday是第i天的總降雨量(mm)；Qsurf為第i天的地表徑流量(mm)，Ea是第i天的蒸騰損失量(mm)；Wseep是第i天穿過土壤剖面的下滲量(mm)；Qgw是第i天回流到地下水的量(mm)。

2.3　基礎數(shù)據(jù)

本文采用洱海流域30 m DEM數(shù)據(jù)，來源于國家1∶50 000數(shù)字高程模型。流域海拔內(nèi)高程變幅在1 960 ～3 970.8 m之間。

遙感影像為2000年和2010年的TM/ETM遙感影像，分辨率為30 m，來源于國際科學數(shù)據(jù)服務平臺(http:∥datamirror.csdb.cn/index.jsp)。利用ENVI軟件對遙感影像進行監(jiān)督分類，并輔以目視解譯修正，獲得洱海流域2000年和2010年的土地利用類型分布圖。2000年和2010年土地利用提取總體精度分別達到85.49%，82.88%，Kappa系數(shù)分別達到了0.815 0和0.794 8，提取精度較為滿意。土地利用類型劃分為8類：林地、草地、耕地、園地、濕地、建設用地、水體、裸地，并通過代碼轉(zhuǎn)換與SWAT模型中的土地覆被類型建立聯(lián)系(表1)。

表1　2000年和2010年洱海流域土地利用類型面積統(tǒng)計 Table 1　Statistics of different land use areas of Erhai basin in 2000 and 2010

氣象數(shù)據(jù)來源于云南省水文水資源局和中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，時段為1997—2010年，共有6個氣象站點，分別為：大理站、福和站、煉成站、牛街站、下關站、銀橋站。土壤數(shù)據(jù)來自國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心”。

3SWAT模型建立

3.1　模型構建

洱海流域的出流河流為西洱河，由于該河流上游建立了人工閘門，不能作為SWAT模型中的流域總出口。本研究將洱海流域看成入海流域，將流域所有主要入湖河流都看作入海河流，而每條入湖河流的入湖口是流域出口點。

首先加載DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS水文模塊進行無洼地DEM生成、匯流累積量計算、水流長度計算、河網(wǎng)提取以及流域分割等，并最終將整個研究區(qū)劃分成175個子流域，共生成集水面積約2 393.5 km2(圖1)。然后通過每個子流域內(nèi)部土地利用和土壤類型的重分類和統(tǒng)計分析，生成水文響應單元(hydrologic response units, HRU)。加載氣象數(shù)據(jù)后創(chuàng)建好模型輸入文件，SWAT模型對每個HRU進行徑流模擬，通過河網(wǎng)匯集得到整個流域的徑流模擬值。

圖1　洱海流域 子流域劃分 Fig.1　Sub-basins in Erhai basin

3.2　參數(shù)率定與驗證

本文使用SWAT-CUP對模型參數(shù)進行敏感性分析，找出對水文影響較大的15個參數(shù)進行敏感性分析，15個參數(shù)敏感度從大到小排序為：CN2,GWQMN,SOL_AWC,SURLAG,RCHRG,CH_K2,EPCO,CH_N2,REVAPMN,ALPHA_BF,SFTMP,GW_REVAP,GW_DELAY,ESCO,SOL_K。對模型進行調(diào)參校準時，針對性對敏感度靠前的參數(shù)進行調(diào)整。本文采用2個統(tǒng)計參數(shù)來評價模型率定和驗證的精度，分別為相關系數(shù)(R2)和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(Ens)。2個參數(shù)的計算公式分別為式(2)、式(3)。

(2)

(3)

式中:Yiobs為第i個實測值;Yisim為第i個模擬值;Yimean為實測平均值;n為實測數(shù)據(jù)個數(shù)。

本文模擬的時間段為1997—2010年，其中1997—1999年為模型預熱期。用煉城水文站2001年和2004年實測流量值分別對模型徑流過程進行校準和驗證，經(jīng)過SWAT-CUP的反復運行，徑流校準期R2和Ens分別達到了0.93，0.86；驗證期R2和Ens分別為0.94和0.67。一般當R2>0.6且Ens>0.5時，認為模型是準確的，由此可見，模型徑流率定的效果較為理想，適合洱海流域徑流的模擬。圖2(a)和圖2(b)分別為校準期和驗證期模擬值與實測值對比圖。

4情景設定與分析

為了確定LUCC對徑流變化的影響，本文在降雨量相同的條件下，研究LUCC的變化對徑流的影響。采用時段為1997—2010年的氣象數(shù)據(jù)，分別用2000年和2010年的土地利用分類圖來模擬徑流，結果如表2所示。由表2可知，2010年的土地利用情景下模擬的徑流年均值比2000年土地利用情景下模擬的徑流年均值高14.46 mm，變化率達到2.46%，土地覆被變化在一定程度上影響地表徑流。所以，本文只改變SWAT模型的土地覆被因子來分析其對地表徑流的影響。

(a) 校準期

(b) 驗證期 圖2　校準期和驗證期月平均流量模擬值和實測值對比 Fig.2　Comparison of monthly flow stream between observation and simulation in validation period and verification period

表2　2000年和2010年洱海流域不同情景徑流變化分析 Table 2　Runoff changes in different scenarios in 2000 and 2010

本文依據(jù)《云南省土地利用總體規(guī)劃大綱(2006—2020)》，洱海流域是山地地貌，坡度為15°以下多為壩子、緩坡和丘陵(不含水域)，生產(chǎn)力水平較高，是人口、城鎮(zhèn)、工礦和耕地集中分布的主要區(qū)域。坡度15°以上的坡地及陡坡土地約占流域土地總面積的56%，可供建設和耕作的土地資源相對不足。洱海流域不同坡度級別的土地面積以及百分比如圖3所示。25°以上的土地面積為640.8 km2，百分比為30%，15°到25°的土地面積為566.5 km2，約占26%。15°以下的土地面積為937.1 km2，占洱海流域面積的44%。洱海流域的林地、草地、耕地、園地、濕地、建設用地、水體、裸地在5種不同坡度級別的分布如圖4所示。本文主要是針對洱海流域的土地覆被進行3種情景模擬，其土地利用面積分布如圖5所示。

圖3　不同坡度級別的土地利用面積及百分比 Fig.3　Percentage of land use area in the presence of different slope gradients

圖4　不同坡度級別下土地利用類型的面積 Fig.4　Areas of land use types in the presence of different slope gradients

第1種情景模擬是以“生態(tài)退耕”為依據(jù)，全面執(zhí)行禁伐、退耕還林還草和天然林保護等生態(tài)工程，將坡度大于25°的耕地設為林地，坡度在15°到25°的耕地設為草地，其他保持不變；第2種情景是以云南省耕地面積不足，適度開發(fā)備用耕地資源為依據(jù)，將所有坡度小于15°的裸地和草地設為耕地，其他保持不變；第3種情景是模擬由于生存所迫，在洱海流域加大土地開墾力度，林草植被嚴重破壞。將15°以上的草地以及15°到25°的林地設為耕地，其他保持不變，3種情景模擬如表3所示。

圖5　3種情景設置下的土地利用類型分布 Fig.5　Distribution of land use types in three scenarios

根據(jù)建立的3種土地利用情景模式，模擬洱海流域的年均徑流，并與實際結果進行對比分析。如表4所示：洱海流域生態(tài)恢復引起的土地覆被變化

表3　洱海流域3種情景設置下的土地利用變化 Table 3　Land use changes in three scenarios in Erhai Basin

表4　洱海流域3種情景設置下的年平均徑流模擬值 Table 4　Simulated results of annual average runoff in three scenarios in Erhai Basin

對徑流有一定的影響。情景1中，隨著林地、草地面積的增加，模擬的年均徑流比原始模擬值增加75.73 mm，變化率為12.58%；情景2中，隨著15°以下的裸地和草地轉(zhuǎn)為耕地，徑流模擬輸出增加39.89 mm，變化率為6.63%；情景3中，由于加大土地開墾力度，林地和草地面積大幅度減少，模擬的年均徑流量減少20.36 mm，變化率達到-3.38%。

5結論

(1) 情景1和情景3表明，洱海流域在坡度15°以上，林地、草地會促使徑流量增加，而耕地面積的增加在一定程度上抑制徑流量的產(chǎn)出。該研究結果和一些學者關于林地促進徑流產(chǎn)生的結論一致。

(2) 洱海流域坡度15°以下的土地面積只占流域的44%，建設和耕作的土地資源相對不足，適度開發(fā)備用耕地資源非常重要。情景2增加205.87 km2耕地，在一定程度上緩解了洱海流域耕地面積不足的現(xiàn)狀。陡坡地的生產(chǎn)力低下，不太適合農(nóng)業(yè)耕地。情景1提倡陡坡地退耕還林、退耕還草，能增加流域產(chǎn)水量，緩解水資源短缺。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Response of Runoff to Land Use Change inErhai Basin Based on SWAT and GIS

PENG Bin1,3，YANG Kun2,3，LI Jian2,3，ZHANG Shao-hua1,3, SONG Yi1,3

(1.School of Tourism and Geography Science, Yunnan Normal University, Kunming650500, China; 2.School of Information, Yunnan Normal University, Kunming650500, China; 3.Engineering Research Center of GIS Technology in Western China under Ministry of Education,Yunnan Normal University,Kunming650500, China)

Abstract:DEM, land use, soil, weather and other spatiotemporal data are combined with GIS, RS technology to build the SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model for Erhai basin. The influence of land use change on runoff in 2000 and 2010 is analyzed and it is concluded that the rate of runoff change caused by land use change is 2.46% in Erhai basin. According to Overall Planning Framework of Land Use in Yunnan(2006-2020) and in line with land use distribution in Erhai basin, three land-use scenarios are set up. Simulation results show that in scenario 1 (66.06 km2 farmland are changed into forestland and 89.16 km2 farmland are changed into grassland), the simulated annual runoff increases by 75.73mm; while in scenario 2 (100.13 km2 bare land and 105.74 km2 grassland are changed into farmland), the annual runoff increases by 39.89mm; and in scenario 3 (138.72 km2 grassland and 292.86 km2 forestland are changed into farmland), the annual runoff decreases by 20.36mm. We also conclude that when the slope gradient is larger than 15°, increases in forestland and grassland will induce runoff increase, whereas when slope gradient is smaller than 15°, increase in farmland will reduce runoff to some extent.

Key words: SWAT model; land use; runoff simulation; LUCC; Erhai basin

2015,32(04):18-21，39

2015,32(04):12-17