張國(guó)棟 張照璽 余韻 張志華

摘?要：為研究土地利用變化對(duì)流域徑流的影響，以汾河上游為研究區(qū)，利用1951—2016年的水文氣象資料，結(jié)合不同土地利用類型的時(shí)空變化特征，進(jìn)行SWAT模型的構(gòu)建，設(shè)置1978年、1998年和2016年3種土地利用情景，模擬土地利用變化與徑流的關(guān)系。結(jié)果表明：模型在研究區(qū)具有很好的適用性，可以精確地模擬汛期月徑流量及全年徑流量，年平均徑流量呈下降趨勢(shì);1978—2016年研究區(qū)林草面積占比顯著提高，農(nóng)用地面積占比呈下降趨勢(shì);土地利用變化使汛期徑流量、最大月徑流量減小以及汛期徑流系數(shù)減小。

關(guān)鍵詞：土地利用變化;植被覆蓋;SWAT;汾河上游

中圖分類號(hào)：P333;F301.34;TV121?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.006

Effects of Land Use Change on Runoff in the Typical Areas in Upper Fenhe River Basin

ZHANG Guodong1， ZHANG Zhaoxi1， YU Yun2， ZHANG Zhihua3

（1.Henan Yellow River Hydrological Survey and Design Insitute， Zhengzhou 450001， China;

2.China Machinery International Engineering Design & Research Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China;

3.Kaifeng Water Development and Construction Co.， Ltd.， Kaifeng 475000， China）

Abstract：In order to research the reaction of the runoff of Fenhe River Basin towards the change of land use， the upper Fenhe River Basin were regarded as the research area and the data of hydrometeorology from 1951 to 2016 were combined to analyze the characteristics of temporal and spatial changes of different land use. Moreover， three scenarios of land use were set in combination of SWAT （Soil and Water Assessment Tool） model and influence to the runoff by the change of land use types was evaluated. The result shows that this model can better simulate monthly flow process of the whole year as well as in flood seasons. The runoff has experienced a gradual decrease for many years. The transformation in time and space among different types of land use presents the reversibility and major changes include an increase in forest， a decrease in grassland and a little increase in agricultural land. The increase of forest and the decrease of grassland will cause a decrease of runoff in flood season and the maximum monthly peak discharge. The coefficient in flood season is decreased with the increase of forest area. Therefore， it is very important to properly plan land use pattern so as to control watershed hydrological events.

Key words： land use change; land cover; SWAT; Upper Fenhe River Basin

土地利用/覆被變化 （LUCC） 是人類活動(dòng)改造自然的結(jié)果，也是引起全球陸面過程變化的主要因素之一[1-2]。自1970年以來，國(guó)內(nèi)外大批學(xué)者先后開展了LUCC對(duì)水文水資源的影響研究。研究方法由傳統(tǒng)的試驗(yàn)流域法、統(tǒng)計(jì)分析方法轉(zhuǎn)向水文模型方法，研究方向由只關(guān)注LUCC驅(qū)動(dòng)的水文水資源現(xiàn)象轉(zhuǎn)向揭示其對(duì)水文水資源影響的過程與機(jī)理。LUCC改變了植被的林冠截留量、蒸散發(fā)強(qiáng)度和土壤入滲能力等，進(jìn)而影響流域水文情勢(shì)和產(chǎn)匯流過程，使流域洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度發(fā)生改變[3-5]。

黃土高原水土流失嚴(yán)重。近幾十年來政府實(shí)施了一系列生態(tài)恢復(fù)與重建工程，這些工程多以植被建設(shè)為核心[6-7]。植被恢復(fù)是水土保持的重要組成部分，是黃河流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)的核心，也是根本上扭轉(zhuǎn)黃河流域生態(tài)環(huán)境問題的主要途徑之一[8-11]。通過生態(tài)恢復(fù)來改善環(huán)境涉及兩方面內(nèi)容：①通過增加有效的植被覆蓋從而減少地表徑流;②增加土壤含水量，有效提高生產(chǎn)力。一系列的植被恢復(fù)與重建措施導(dǎo)致下墊面發(fā)生了劇烈的變化，使產(chǎn)匯流過程發(fā)生了極大的變化[12-13]。

汾河是黃河中游第二大支流，對(duì)黃河中下游的水文情勢(shì)有著重要影響[14-16]。本研究重點(diǎn)分析汾河上游（蘭村以上）下墊面條件的時(shí)空變化，構(gòu)建SWAT模型，探討汾河上游下墊面變化與徑流的相互作用關(guān)系，以期闡明汾河上游土地利用與徑流的相互作用機(jī)制。

1?研究區(qū)概況和研究方法

1.1?研究區(qū)概況

汾河流域面積為39 826 km2，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，月平均氣溫為4～13 ℃，最大水面蒸發(fā)量為1 120 mm，多年平均降水量為503 mm，60%的降雨發(fā)生在7—9月。土地利用類型主要為森林和草地，20世紀(jì)80年代以來，隨著城市化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)建設(shè)用地逐年擴(kuò)大。汾河上游流域面積為7 705 km2，主河道平均比降為6.7%，流域形狀系數(shù)為0.398。隨著退耕還林工程的實(shí)施，下墊面條件發(fā)生了巨大變化，對(duì)徑流和水資源產(chǎn)生了很大的影響。此外，汾河上游流域無采煤活動(dòng)，引水量小，無大型水利樞紐工程[17-18]。

1.2?SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建立

1.2.1?空間數(shù)據(jù)

（1）SWAT模型利用ArcGIS基于DEM數(shù)據(jù)將流域劃分為不同的子流域。利用DEM數(shù)據(jù)建立河網(wǎng)與子流域的拓?fù)潢P(guān)系。

（2）土地利用數(shù)據(jù)是模型建立的必要數(shù)據(jù)，由土地利用類型以及土地類型索引表組成。土地利用類型使用土地覆蓋/植被類型的二級(jí)分類。土地利用類型及重分類見表1。

1.2.2?土壤數(shù)據(jù)

SWAT模型土壤數(shù)據(jù)庫(kù)包括：土壤類型圖、索引表以及物理屬性表。土壤中水、氣的運(yùn)動(dòng)情況由土壤物理屬性決定。

1.2.3?水文氣象數(shù)據(jù)

水文數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)來自水利部水文局編制的水文年鑒。徑流數(shù)據(jù)：靜樂站（1956—2012年）、蘭村站（1951—2016年）的徑流數(shù)據(jù)，靜樂站（1954—2016年）的洪水?dāng)?shù)據(jù);降水?dāng)?shù)據(jù)：靜樂、宋家崖、岔上等8個(gè)雨量站的日降雨量數(shù)據(jù)和時(shí)段降雨量數(shù)據(jù)（1955—2016年）;氣象數(shù)據(jù)：汾河流域11個(gè)氣象站點(diǎn)1955—2016年的氣象日數(shù)據(jù)，來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.gov.cn/site/index.html）。人 民 黃 河?2020年第10期

1.3?研究方法

1.3.1?遙感圖像信息提取

采用遙感圖像處理軟件ERDAS 9.2，基于非監(jiān)督分類方法，提取3個(gè)時(shí)期 （1978 年、1998年和2016年）各土地利用類型的面積。分類精度評(píng)價(jià)采用總體分類精度和總體Kappa系數(shù)來反映，然后利用分類精度來分析土地利用類型的空間分布。

1.3.2?研究區(qū)SWAT模型構(gòu)建

（1）SWAT模型。SWAT分布式水文模型由美國(guó)農(nóng)業(yè)部 （USDA）開發(fā) [19-20]，具有明確的物理意義，基于GIS/RS技術(shù)，可以模擬土地利用變化對(duì)流域水文過程的影響[21]。SWAT模型水量平衡公式如下：

Wt=W0+∑ti=1（Pi-Rsi-Ei-Rseepi-Rgi）（1）

式中：Wt為時(shí)段末土壤含水量，mm;W0為時(shí)段前期土壤含水量，mm;t為時(shí)間步長(zhǎng)，d;Pi為第i天降水量，mm;Rsi為第i天地表徑流量，mm;Ei為第i天蒸散發(fā)量，mm;Rseepi為第i天滲透量和側(cè)流量，mm;Rgi為第i天地下徑流量，mm。

（2）模型數(shù)據(jù)輸入。SWAT模型包括DEM數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)庫(kù)、氣象數(shù)據(jù)庫(kù)、土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)和水文數(shù)據(jù)庫(kù)。土壤數(shù)據(jù)庫(kù)由土壤物理屬性和空間分布構(gòu)成，土壤機(jī)械組成利用三次樣條插值法將國(guó)際制變換為美國(guó)制。土地利用（流域1978年、1998年和2016年3期土地利用類型）數(shù)據(jù)基于遙感影像解譯獲得。氣象數(shù)據(jù)為1955—2016年流域內(nèi)及周邊氣象站點(diǎn)的日數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)為汾河上游蘭村水文站1955—2016年洪水要素摘錄表中逐日徑流數(shù)據(jù)。

（3）模型校準(zhǔn)及驗(yàn)證。由于SWAT模型自帶的參數(shù)敏感性分析、模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證功能相對(duì)薄弱，因此進(jìn)行模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證時(shí)選用SWAT-CUP。將1978年作為預(yù)熱期，1979—1998年為校準(zhǔn)期，1999—2016年為驗(yàn)證期，參數(shù)敏感性分析和校準(zhǔn)原則為自上而下。

（4）模型適應(yīng)性評(píng)價(jià)。選取決定系數(shù)R2、Nash-Sutcliffe 確定性系數(shù)Ns以及相對(duì)誤差Re來衡量模擬值與實(shí)測(cè)值之間的擬合度，以此評(píng)價(jià)SWAT模型在汾河上游的適用性。

2?結(jié)果與分析

2.1?土地利用變化情況

利用非監(jiān)督分類法獲得研究區(qū)不同時(shí)期土地利用類型分布情況，如圖1所示。檢驗(yàn)后1978年、1998年和2016年分類精度分別為81.65%、79.16%和83.37%，Kappa系數(shù)分別為0.776 1、0.748 4和0.781 1?；贜DVI最大值和最小值，利用ArcGIS 10.2對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行處理，將不同時(shí)期（1978年、1998年和2016年）分類精度分別提高到90.54%、89.17%和90.21%。

1978—2016年草地與林地面積增加，建筑用地與水域面積呈現(xiàn)小幅度增加趨勢(shì)，農(nóng)用地面積減少，林地面積、草地面積、水域面積與建筑用地面積分別增加了116.84%、80.59%、3.54%和11.50%，農(nóng)用地面積減少了16.46%，見表2。

2.2?徑流量變化情況

1955—2016年汾河上游年徑流量呈減小趨勢(shì)（見圖2），年際變化幅度較大，多年平均徑流量為1.09億m3，1964年年徑流量最大（3.03億m3），1975年年徑流量最?。?.39億m3）。1998年以來，汾河上游年徑流量變化維持在較小區(qū)間內(nèi)。

對(duì)1955—2016年汾河上游年徑流量進(jìn)行M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：除1959年外，UFk均為負(fù)值，表明汾河上游年徑流量呈減小趨勢(shì)。1955—1971年UFk值維持在90%置信區(qū)間，表明年徑流量呈減小趨勢(shì);1972—1985年UFk值變化劇烈，表明年徑流量波動(dòng)劇烈;1986—2000年UFk值穩(wěn)定在95%置信區(qū)間內(nèi)，表明徑流量呈現(xiàn)進(jìn)一步減小趨勢(shì)。2001—2016年UFk值超出了95%的置信區(qū)間，表明年徑流減少愈加劇烈。UFk與UBk兩條線相交于1997年，表明年徑流量突變點(diǎn)為1997年（見圖3）。

2.3?SWAT模型參數(shù)率定及驗(yàn)證

本研究利用SWAT-CUP對(duì)模型13個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，見表3。

依據(jù)上述分析結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際情況，選取8個(gè)參數(shù)并進(jìn)行參數(shù)率定。采用SWAT-CUP程序?qū)WAT模型參數(shù)進(jìn)行率定，結(jié)果見表4。

2.4?模型評(píng)價(jià)分析

模擬汾河上游汛期及全年徑流過程，評(píng)價(jià)指標(biāo)為確定性系數(shù)、相對(duì)誤差和決定系數(shù)。模擬結(jié)果表明，模型在汾河上游可以取得較好的效果，可用于模擬土地利用變化對(duì)徑流的影響（見表5）。

2.5?土地利用變化對(duì)徑流的影響

校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期以1978年土地利用資料為基礎(chǔ)，然后分別以1978年、1998年和2016年的土地利用數(shù)據(jù)為情景輸入，統(tǒng)一模型氣候和土壤參數(shù)，計(jì)算得到不同情景下的徑流深（見表6）。

多年平均徑流深總體呈下降趨勢(shì)。對(duì)比1978年、1998年和2016年不同土地利用類型的模擬結(jié)果，1978年情景下具有最大的多年平均徑流量，2016年情景下具有最小的多年平均徑流量。

從汛期徑流量占比（見表6）來看，全年70%以上的徑流量集中在汛期，1978年情景下具有最高的汛期徑流量占比，這是1978年林草地面積占比相對(duì)較小、農(nóng)用地占比相對(duì)較大造成的。隨著退耕還林工程的實(shí)施，2016年林草面積占比增大、農(nóng)用地面積占比減小，造成2016年情景下徑流量減小。

徑流系數(shù)是流域產(chǎn)流過程的關(guān)鍵指標(biāo)。近30 a來，林草面積呈現(xiàn)大幅度增加趨勢(shì)（見表7）。徑流系數(shù)受多種因素影響，主要體現(xiàn)在匯水面積的土地利用情況與降水強(qiáng)度的關(guān)系。從林草面積占比與汛期徑流系數(shù)的相互關(guān)系來看，林草面積占比與汛期徑流系數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著林草面積的增加，汛期徑流系數(shù)相應(yīng)減小，表明退耕還林工程初見成效，起到了很好的蓄水保墑作用。

對(duì)1978年、1998年和2016年3種情景下的最大月徑流深進(jìn)行模擬統(tǒng)計(jì)分析，見表8。結(jié)果表明，3種情景下最大月徑流深呈減小趨勢(shì)。不同時(shí)期土地利用變化（1978年林草面積占比最小，1998年和2016年林草面積呈顯著上升趨勢(shì)，農(nóng)用地面積占比下降）分析表明，林草面積占比的增加導(dǎo)致月最大徑流深減小。

下墊面條件的差異會(huì)導(dǎo)致相同降雨條件下土壤入滲的不同，從而影響水文循環(huán)過程，進(jìn)一步影響土壤水分的時(shí)空分布。植被可以改變流域產(chǎn)匯流過程，同時(shí)植物根系可以增加土壤中大孔隙的比例，蓄水保墑，使土壤含水量增加。隨著不同時(shí)期植被狀況的改善，流域徑流量明顯減少，土壤蓄水能力增強(qiáng)。

3?結(jié)?論

通過設(shè)置1978年、1998年和2016年3種不同土地利用情景，構(gòu)建SWAT模型。模型取得了較好的模擬結(jié)果，可以應(yīng)用于汾河上游的徑流模擬。汾河上游土地利用呈現(xiàn)出劇烈的時(shí)空變化，1978—2016年林地面積、草地面積、水域面積和建筑用地面積分別增加了116.84%、80.59%、3.54%和11.50%，農(nóng)用地面積減少了16.46%。1955—2016年，汾河上游徑流量呈顯著下降趨勢(shì)。林草面積占比的增大以及農(nóng)用地占比的減小導(dǎo)致徑流量呈減小趨勢(shì)，林草面積的增加導(dǎo)致汛期徑流系數(shù)減小。

土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)流域的產(chǎn)匯流過程能夠產(chǎn)生深刻的影響，尤其對(duì)汛期的影響不容忽視。由于土地利用變化影響汾河流域水資源和生態(tài)系統(tǒng)健康，因此應(yīng)考慮土地利用變化所發(fā)揮的作用。事實(shí)上，在評(píng)估氣候變化時(shí)，應(yīng)該考慮氣候變化對(duì)未來土地利用變化的影響。然而，氣候變化與土地利用變化的復(fù)合效應(yīng)是復(fù)雜的，超出了本文的研究范圍。在未來的研究中，將考慮基于元胞自動(dòng)機(jī)和馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)土地利用變化，結(jié)合區(qū)域未來氣候情景，對(duì)未來可能的土地利用和氣候變化進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。

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