高新潮，孔 珂，修 源，叢 鑫，徐 晶

(1.濟南大學資源與環(huán)境學院，濟南 250022；2.西安理工大學水利水電學院，西安 710048；3.北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083)

0 引 言

位于濟南市南部山區(qū)的“三川”流域，是濟南重要的水源地和地下水涵養(yǎng)區(qū)。近年來，由于人口增加和社會經濟發(fā)展，土地利用的變化逐漸成為影響土地覆被變化的最重要的因素，“三川”流域內土地利用/覆被變化(land use/cover change,LUCC)顯著[1,2]，改變了流域的水文過程，直接影響了位于流域出口的臥虎山水庫的入庫徑流。臥虎山水庫承擔著濟南市供水、補泉的重要任務，如果能夠找出LUCC影響流域徑流的主要因素、針對性地采取水資源優(yōu)化措施并定量地分析這些措施對入庫徑流量的影響程度，那么不僅可以提高流域水資源利用的有效性，而且可為水庫優(yōu)化調度提供科學依據，從而為濟南市社會發(fā)展和地下水環(huán)境保護提供更有力的支持。

3S技術與分布式水文模型的發(fā)展，為分析人類活動與自然水文過程的相互關系提供了技術支持。3S技術廣泛應用于流域LUCC的分析，何明波[3]對3S技術在土地資源調查、土地動態(tài)監(jiān)測、土地利用規(guī)劃中的應用做了詳細研究，探討了其存在的主要問題；阿迪力·吐爾干等[4]以迪那河綠洲為例，探討了在3S技術支持下的土地利用時空變化，并進行定量分析，得出其變化特點。同時，基于3S技術的分布式水文模型能真實地揭示降雨徑流形成機理與地形、植被及土地利用之間的定量關系[5]，并且能夠模擬流域內各種土地管理措施及用水方式對水文過程的影響。本研究通過對“三川”流域系列LUCC 進行分析，發(fā)現耕地面積的減少是導致流域徑流減少的主要原因之一，考慮到農業(yè)始終是區(qū)域內的主要產業(yè)，灌溉用水一直是主要的水資源消耗，所以對灌溉用水進行了優(yōu)化，并且利用SWAT模型模擬了優(yōu)化灌溉以后流域出口徑流的變化。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

“三川(錦繡川、錦陽川、錦云川)”位于濟南市歷城區(qū)，東經116°56′41″～117°18′45″，北緯36°20′55″～36°42′15″，流域總面積約為557 km2，在仲宮鎮(zhèn)匯合后入臥虎山水庫[6]。流域內多低山丘陵，氣候屬溫帶大陸性氣候。流域全年平均氣溫為13.4 ℃，一月份最冷，均溫為-2.7 ℃，七月份最熱，均溫為27.3 ℃，年際溫差較大。流域年均降雨量為709 mm，降水時空分布不均，由東南向西北遞減，年際變化大，6-9月份降雨較集中，約占全年降水的75%，其中7、8月份多暴雨且降雨頻率相對較高，約占全年降水的50%，易形成洪澇災害。年平均相對濕度為64%，平均日照時數為2 640.2 h，日照百分率為60%。多年潛在蒸發(fā)為1 143 mm且逐年呈現不顯著下降趨勢。“三川”流域多年平均入庫徑流深為115 mm，同樣呈現不顯著減少趨勢。土壤類型以褐土和棕壤為主，植被類型以針葉林為主。

臥虎山水庫是濟南市唯一的大型水庫，現設計庫容為1.195 億m3，興利庫容為6 374 萬m3，作為濟南市一項重要的水利工程，它不僅擔了南部城區(qū)的供水任務，還通過南水北調工程將長江水引入水庫，在玉符河沿線進行回灌補源，助力保泉工作。

1.2 數據來源

土地利用數據由Landsat TM而來，利用ENVI軟件對1988年至2014年共5期(1988 年、1996 年、2002年、2009年和2014年)數據進行解譯校正，土壤數據來自當地土費站和《山東省土種志》。水文數據來自臥虎山水庫管理處，包括降水和徑流的數據。根據模擬需要并且為與土地利用數據時序保持一致，降雨時間序列選取1985-2014年，徑流的時間序列選取2006-2014年；氣候數據來自濟南市水文局和中國氣象數據共享服務網，其時間序列為2006-2014年。

灌溉設計資料主要來源于山東省水利科學研究院在全省九個試驗站的灌溉試驗科學實驗成果：《山東省主要農作物灌溉定額》(DB37/T1640-2010)《主要農作物高產省水灌溉技術的研究總結報告》(魯水科C87011)及《各種主要作物的專題報告》(魯水科C87012、C87013)[7-9]。

2 研究區(qū)LUCC與徑流演變特征分析

2.1 LUCC時空變化特征

對從TM等收集的“三川”流域遙感數據進行監(jiān)督分類后土地類型被分為八類，分別為道路、低密度居民點、高密度居民點、耕地、闊葉林、其他草地、水體、針葉林，圖1是“三川”流域2009年土地利用圖。將“三川”流域不同土地利用類型進行空間疊置，歸納出流域5期土地利用面積及所占比例，如表1所示。其中，針葉林面積為25 365 hm2，占流域總面積的40.3%，廣泛分布于整個流域，是流域的主要土地利用方式；闊葉林和耕地所占流域面積次之，分別為21.8%、19.9%；其他草地面積占流域總面積的11.4%，交錯分布于整個流域；低密度居民點、道路、水體和高密度居民點面積較小，分別占整個流域面積的2.9%、1.9 %、1.3 %和0.6 %，低密度居民點、道路基本上沿流域水系分布，高密度居民點分布于流域西北部。

圖1 “三川”流域土地利用圖(2009年)Fig.1 Land use map of “Sanchuan” basin

表1 “三川”流域八類土地利用類型面積多年變化情況Tab.1 Multi-year change of eight land use types in “Sanchuan” basin

從表1“三川”流域八類土地利用類型面積多年變化情況可見臥虎山流域土地利用的變化特征主要表現為：低密度居民點、道路、水體面積的逐漸增加，耕地、針葉林、其他草地面積的減少。

LUCC模型可分為經驗統(tǒng)計模型、隨機模型、概念機理模型等，有經驗隨機等多種模型[10]。根據已有數據時間序列較長的特點，本研究選取隨機模型，采用土地變化轉移量分別計算流域5期土地利用/覆被轉化情況，結果如表2～表5所示，可看出土地利用類型之間的相互轉化情況。1988-1996年期間，土地利用/覆被的主要變化是耕地、草地、林地和道路、居民點、水體之間的轉化，轉化特點為耕地、草地、林地面積的減少及道路、居民點、水體面積的增加；1996-2002年期間，土地利用/覆被的主要變化相對前一階段水體增加面積不大，道路、低密度居民點、高密度居民點侵占耕地、草地、林地的情況有所增加；2002-2009年，2009-2014年期間較前兩階段耕地、草地、林地面積的減少量顯著下降，而道路、居民點的增加量也逐年減少。

總體來說，流域土地利用/覆被變化逐漸趨于平穩(wěn)。由于1988-2002年間是旅游業(yè)開始發(fā)展規(guī)模擴大的特殊時期，尤其是以開發(fā)山區(qū)為主要形式，所以造成了耕地、林地與草地被侵占的面積較大；2002-2014年間，隨著旅游業(yè)發(fā)展空間的逐漸飽和，林地與草地被侵占的面積減少，以居民點侵占耕地為主要擴張形式。

表2 “三川”流域1988-1996土地利用面積轉移 hm2

表3 “三川”流域1996-2002土地利用面積轉移 hm2

2.2 徑流對LUCC的響應

土地利用類型的改變導致徑流隨之改變，在SWAT中，可以通過更換土地利用數據來模擬不同LUCC下徑流情況[11,12]。在模擬之前，必須對模型進行率定。我們選取流域2006-2014年的降水及水庫實測入庫徑流資料，用2006年數據為模型預熱，2007-2011年數據率定，2012-2014年數據驗證。

2.2.1 模型敏感性分析

SWAT模擬流域徑流是在水量平衡方程的基礎上采用SCS曲線法和Green&Ampt下滲法來估算徑流量。在SWAT模型中與徑流模擬有關的參數眾多，結合研究區(qū)實際情況和影響徑流的因素，本文選取了22個相關參數，利用SWAT-CUP[13]對這些已選定的參數進行敏感性分析。SWAT-CUP是基于拉丁超立方抽樣(Latin Hypercube，LH)的目標函數多元回歸分析來評價參數的敏感性，這種分析方法能實現參數的提取和輸出結果的可視化。采用該方法分析后得到植被冠層截留(CANMX)、徑流曲線數(CN2)及地下水蒸發(fā)系數(GW_REVAP)等14個敏感性較高的參數并確定其最佳值。

表4 “三川”流域2002-2009土地利用面積轉移 hm2

表5 “三川”流域2009-2014土地利用面積轉移 hm2

2.2.2 模型評價指標選取

選取Nash-Suttcliffe系數Ens和相關系數r2兩個指標應用于評價模型適用性，其計算公式分別如下：

(1)

式中：Qi是實測值；Pi是模擬值；Qavg是實測平均值；n為實測值的個數。

當Qi=Pi時，Ens=1。一般認為Ens值在0.7以上為比較準確。

(2)

式中：Qi、Pi、Qavg含義同式(1)；Pavg為模擬平均值。

2.2.3 SWAT模型率定與驗證

考慮到水庫的存在會對“三川”流域徑流的模擬產生影響，因此在率定期和驗證期內均在SWAT的Edit Reservoir Parameters對話框中編輯了水庫水量等與水庫相關的參數，如圖2 SWAT水庫安排參數輸入界面所示。

圖2 SWAT水庫安排參數輸入界面Fig.2 Input interface of reservoir parameters in SWAT

利用SWAT-CUP軟件進行參數敏感性分析并據此調整模型參數后進行流量模擬，得到“三川”流域率定期模擬值與實測值對比，如圖3所示。由率定結果可以看出，模擬值與實測值的峰值、谷值出現的時間基本一致，徑流量大小的吻合度也較好，說明參數及其取值選取恰當。根據模型評價指標經多次運算得率定期r2=0.83，Ens=0.81，系數大小均在0.8以上，說明模擬準確。

圖3 “三川”流域率定期模擬值與實測值Fig.3 Periodic simulated and measured values of “Sanchuan” basin in calibration period

將率定后的參數帶入模型中，模擬2012年-2014年流域產流量，“三川”流域驗證期模擬值與實測值比較如圖4所示。由圖可以看出驗證期模擬值與實測值整體契合度較高，對模型評價指標進行計算后得r2=0.85，Ens=0.81，說明模擬效果較好，模擬值具有參考性。

圖4 “三川”流域驗證期模擬值與實測值Fig.4 Periodic simulated and measured values of “Sanchuan” basin in validation period

2.2.4 模擬結果

率定之后，用率定好的參數選取降水保證率為50%的典型年，將5期LUCC數據依次輸入SWAT中，得出模擬結果。

由表6“三川”流域5期LUCC的徑流模擬結果分析可得：5年徑流量逐年增加，1996年較1988年徑流量由3 987.6 萬m3增加到4 019.1 萬m3，增加了0.79%；1996-2002年徑流量增加比例為1.87%，相對來看徑流增加量最為顯著。2002-2009年、2009-2014年徑流量增加量逐段減少，分別為0.72%、0.60%，這與2002-2009年、2009-2014年耕地、林地和草地的減少量減小、人口聚集區(qū)增加有關。

表6 “三川”流域5期LUCC的徑流模擬結果Tab.6 Runoff simulation results of five phases LUCC in “Sanchuan” basin

2.3 LUCC對徑流影響分析

LUCC中影響徑流的主要因素變化如圖5“三川”流域影響徑流的主要因素變化趨勢所示，1988-2014年，耕地、草地面積最終有所減少，而居民點建設用地面積持續(xù)增加，其中，耕地的減少與居民點的增加五期LUCC變化中持續(xù)最為顯著。一般來說，草地通過對降水的吸納增大下滲率，并增加對土壤水的補給，從而減少流域徑流量；建設用地增加使不透水面積的增大，土地蓄水能力下降從而增加流域徑流總量；耕地面積的減少量在1996-2002年期間最多，2002-2014年期間減少量逐漸減少，道路、居民點的增加量也是如此。

圖5 “三川”流域影響徑流的主要因素變化趨勢Fig.5 Change trends of main factors affecting runoff in “Sanchuan” basin

對比模擬徑流與影響徑流的主要因素的變化趨勢可以看出，“三川”流域土地利用/覆被類型的這些主要因素的變化對水文產生的作用與SWAT模擬的徑流演化趨勢的有一定的相似性。由此，得出“三川”流域的LUCC對徑流的影響，即道路、居民點面積的增加與耕地面積的減少影響流域出口徑流。優(yōu)化灌溉對出口徑流產生影響，所以制定科學合理的優(yōu)化措施至關重要。

3 優(yōu)化灌溉及其水文響應的模擬計算

3.1 灌溉優(yōu)化方案的制定

“三川”流域內灌溉管理以山東省通用灌溉定額為依據，比較粗放，節(jié)水效果不佳。實際上，灌溉水量與降水、土壤含水量、作物類型、作物生育期等因素相關?！叭ā绷饔蛭挥诔鞘薪迹饕N植以果樹為主的經濟作物和以冬小麥為主的糧食作物，由于果樹與林地在ENVI解譯中較難區(qū)分，因此本研究僅對冬小麥的灌溉方案進行了優(yōu)化。研究表明，冬小麥生育期內對水分增加或減少的響應明顯不同[14-16]。因此，本研究根據實際降水、土壤類型等資料對冬小麥的灌溉方案進行優(yōu)化，即在滿足作物各生育階段的需水量的前提下，將灌溉水量盡可能地降低以達到節(jié)水和增加流域產流的目的，降水水平年選擇50%的中水年。

3.1.1 凈灌溉定額

旱作物的凈灌溉定額(M)包括兩部分，分別為播前灌水定額(M1)和作物生育期內灌溉定額(M2)，即：

M=M1+M2

(3)

(1)播前灌水定額(M1)的確定。為保證旱作物在播種后能夠順利發(fā)芽和出苗，播種前往往要灌水一次。播前灌水量可按下式進行計算：

M1=6.67Z(θmax-θ0)

(4)

式中：Z表示土壤計劃濕潤層深度，應以播種前灌水要求來確定；θmax一般為田間持水率，以占土壤的體積百分數計；θ0表示播前Z深度土層內的土壤含水率，以占土壤的體積百分數計。本研究取θ0=0.6θmax，計算得到M1=1.78 m3/hm2。

(2)作物生育期內灌溉定額(M2)的確定。本研究采用水量平衡分析法來確定作物的生育期內灌溉定額。可以用以下水量平衡方程表示：

Wt-W0=WT+P0+K+M-ET

(5)

式中：W0，Wt分別表示時段初和任意t時間的土壤計劃含水層內儲水量；WT表示由于土壤計劃含水層變化引起的水量變化，如計劃含水層在時段內沒有變化則無此項；P0表示保持在土壤計劃濕潤層內的有效雨量；K表示時段t內的地下水補給量；M表示t時段內的灌溉水量；ET表示時段t內作物田間需水量；式中各值的單位可以用mm或m3/hm2計。

由流域實際情況，依次確定上述各項值，由此列出的“三川”流域冬小麥生育期的優(yōu)化灌水定額，見表7“三川”流域冬小麥生育期的灌溉優(yōu)化方案結果表。

表7 “三川”流域冬小麥生育期的灌溉優(yōu)化方案結果表(50%水平年)Tab.7 Results of irrigation optimum scheme for winter wheat growth period in “Sanchuan” basin (50% Horizontal Year)

由于土壤初始含水量為3.53 m3/hm2[17]，所以實際灌水定額中應該去除這部分水量，即流域冬小麥全生育期內的灌溉定額M2為9.6 m3/hm2。

(3)作物凈灌溉定額(M)的確定。由公式(3)計算得到小麥的凈灌溉定額為11.38 m3/hm2。

3.1.2 毛灌溉定額

毛灌溉定額是以凈灌溉定額為基礎，考慮輸水損失和田間灌水損失后，折算到渠首的每公頃灌溉需水量。按下式進行計算：

M毛=M/η

(6)

式中：η表示灌溉水利用系數，根據臥虎山流域的相關資料，這里取0.58。

保持灌溉次數與灌溉時間不變，計算得到“三川”流域冬小麥的毛灌溉定額為19.6 m3/hm2，全生育期的毛灌溉定額為16 m3/hm2，與實時生產所用到的山東省通用毛灌溉定額19.2 m3/hm2相比減少了3.2 m3/hm2。

3.2 灌溉優(yōu)化方案的水文模擬

3.2.1 SWAT模型的構建

將輸入到SWAT中的“三川”流域DEM圖為基礎，模型經過流域邊界劃分和河網提取后，得到21個子流域，如圖6加載氣象站點和數據后的流域圖所示。

圖6 加載氣象站點和數據后的流域圖Fig.6 Watershed map loaded with meteorological stations and data

采取優(yōu)化措施以后，灌溉用水的減少量中一部分在河道內或者以淺層地下水、深層地下水的形式留在流域內，另一部分流出流域增加出口徑流。SWAT提供了相應管理模塊以模擬實施此類土地管理后的水文響應。

模型的管理模塊是通過HRU的管理文件(.mgt)來匯總各種措施，包括種植、收獲、灌溉、施用營養(yǎng)物、噴灑殺蟲劑和耕作操作的輸入數據，也存儲了排水和城鎮(zhèn)區(qū)的相關信息。管理文件分為兩部分，一部分是初始條件或模擬中不變的管理措施的輸入數據，另一部分是特定時間內發(fā)生變化的管理措施的安排。

為模擬灌溉過程需要指定常規(guī)灌溉參數，如需指定灌溉水源的類型(IRRSC)，分別為河道、水庫、淺層含水層、深層含水層或流域外的水源。當選擇前四種水源類型時，要水源的位置(IRRNO)，如河道的編碼、水庫的編碼或者含水層子流域編碼。在灌溉水源為河道，還需要設置定義河內的最小流量(FLOWMIN)、日最大灌溉取水量(DIVMAX)和灌溉水量占可用水量的份數。灌溉的方式，模型提供特定日期灌溉和自動灌溉兩種，這里采用的是特定日期進行灌溉。

通過SWAT模型中HRU Analysis Reports讀取每個子流域中的耕地面積，得出每個子流域中冬小麥的種植面積，結合灌溉定額可計算出各HRU的冬小麥灌溉需水量。通過編輯模型中Edit SWAT Input選項中Water Use(.Wus)文件，輸入灌溉的日期、管理操作代碼、HRU中的灌溉水深、灌溉效率和地表徑流比等數據。同時考慮到“三川”流域內塘壩、水庫的影響，在模擬中也予以設置。運行模型，可實現優(yōu)化灌溉方案的模擬。

3.2.2 模擬結果

利用配置好的模型將50%水平年(2009年)作為降水數據輸入，以最近一期(2014年)土地利用數據作為底圖，分別輸入優(yōu)化的灌溉方案和通用灌溉定額，得出模擬結果。通過對比二者可看出對出口徑流的影響，即灌溉方案優(yōu)化前臥虎山水庫入庫量為4 123.8 萬m3，優(yōu)化后的入庫流量為4 136.6 萬m3，增加了0.31%的入庫徑流量，采取優(yōu)化后對流域徑流的影響是正面的。

4 結論與展望

根據對“三川”流域LUCC的分析、徑流的模擬以及灌溉方案的優(yōu)化，得出以下結論。

(1)分析5期LUCC數據得出隨著旅游業(yè)的逐漸飽和，林地草地減少的量逐年降低，土地利用轉移情況以耕地面積的減少和道路、居民點的增加為主，這也是導致流域出口徑流減少的主要因素，還發(fā)現灌溉措施對徑流也存在很大影響。

(2)將LUCC數據輸入SWAT運行模擬后發(fā)現徑流量呈現逐年增加的趨勢，增加量在2002年達到峰值隨后減少，增量減少與林、草地的減少和居民點的增加有關。

(3)本文通過對研究區(qū)流域模型進行參數敏感性分析、模擬徑流的率定與驗證，發(fā)現模型率定期及驗證期評價指標系數均在0.8以上，說明模擬效果較好，SWAT模型可以很好地適用于“三川”流域的徑流模擬，基于SWAT的流域日尺度模擬可以滿足應用要求，為本研究區(qū)今后日尺度下的相關研究如非點源污染模擬、營養(yǎng)物遷移模擬等奠定了良好基礎。

(4)結合當年降雨優(yōu)化出的灌溉定額比通用灌溉定額減少了3.2 m3/hm2，對灌溉優(yōu)化方案的水文模擬后，臥虎山水庫入庫量相較灌溉優(yōu)化前增加了0.31%，此結果對制定流域尺度下的灌溉優(yōu)化措施具有指導意義。

本文這種類型的研究對數據的質量和數量都有比較高的要求，如果能獲得更加細致的土地利用類型數據、更長的水文序列以及更豐富的灌溉資料，將能夠提高研究的科學性，并且農業(yè)灌溉受到區(qū)域經濟發(fā)展、水價政策及水權制度的影響，將這些因素耦合到流域水文模擬中將是下一步工作的重要內容。