東江流域典型子流域土地利用/覆被變化對地表徑流影響*

楊宏偉，許崇育

(1:南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京210093)

(2:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京210008)

東江流域典型子流域土地利用/覆被變化對地表徑流影響*

楊宏偉1，2，許崇育1

(1:南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京210093)

(2:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京210008)

應(yīng)用SWAT模型對東江上中下游典型流域的地表徑流進(jìn)行模擬，采用1977-1981年和1996-2000年勝前、順天和九州三個(gè)出口控制站逐月實(shí)測徑流資料進(jìn)行模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證，確定模型的敏感性參數(shù)，采用相關(guān)系數(shù)R2和Nash-Suttclife模型效率系數(shù)ENS，對SWAT模型模擬結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示模擬精度較高，R2＞0.85，ENS在0.68-0.75之間.在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了典型流域土地利用變化對地表徑流的影響，研究認(rèn)為林地面積的增加可導(dǎo)致年徑流量減少;年內(nèi)分配上枯水期徑流明顯增加，豐水期徑流明顯減少;小于15°的林地面積增加引起的徑流減少作用更為明顯.

SWAT模型;土地利用/覆被變化;地表徑流;東江典型流域

陸地表層系統(tǒng)最重要的變化之一就是土地利用/覆被的變化［1］，其變化對區(qū)域水循環(huán)的影響極為深刻，是全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域［2］.近些年來，因土地利用/覆被變化影響的水文過程的研究得到普遍關(guān)注［3］，土地利用/覆被變化的水文效應(yīng)研究成為水文學(xué)研究的熱點(diǎn)［4］.如Hibbert［5］認(rèn)為森林覆蓋的減少導(dǎo)致年徑流量的增加;Sullivan等［6］研究認(rèn)為農(nóng)業(yè)方式的變化是影響英國Camel流域河川徑流的主要因素.諸多文獻(xiàn)表明，水文模型被廣泛用于土地利用/覆被變化的水文效應(yīng)研究［7］.如Camorani等［8］運(yùn)用降雨-徑流模型研究認(rèn)為洪水發(fā)生頻率與土地利用/覆被變化有密切關(guān)系;Daniel等［9］采用分布式水文模型WaSiMETH分析認(rèn)為LUCC在不同尺度上對暴雨徑流的影響具有差異性.Jiang等［10］比較了6種水文模型模擬東江流域氣候變化對徑流的影響.東江流域不但是廣東省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，還是河源、惠州、東莞、廣州、深圳及香港等地的重要水源地，研究該地區(qū)的土地利用/覆被變化對地表徑流影響對流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義.

1 研究區(qū)域概況

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Location of study area

東江屬珠江三大水系之一，流域總面積為35636 km2，在廣東省境內(nèi)達(dá)32136 km2，約占流域總面積的90%［11］，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有明顯的干濕季節(jié)，多年平均氣溫為20.4℃，多年平均降水量1750 mm，但降水量年內(nèi)分配極不均勻:汛期(4-9月)約占全年徑流量的75%-80%［11］，水量來去迅猛，水資源利用十分困難.

近幾十年來，環(huán)境變化下的東江流域徑流過程發(fā)生了巨大變化.研究認(rèn)為在降雨量呈不顯著減少趨勢的背景下，東江流域河源、嶺下站徑流呈不顯著增加趨勢是氣候因素和流域植被退化共同作用的結(jié)果［11-12］，而1990s以來土地利用/覆被變化引起的流域下墊面條件變化是影響東江流域徑流增加的主要原因.為了分析土地覆被變化對流域徑流的影響，本文選取東江三個(gè)典型流域(勝前流域667 km2、順天流域1363 km2和九州流域387 km2)(圖1)，分析在不同的土地覆被情景下流域徑流深的變化情況.

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

東江流域34個(gè)雨量站，1970-2000年的日降水資料和1961-2000年的月雨量資料.東江三個(gè)典型流域的出口控制站(勝前、順天和九州)1961-2000年的日徑流量資料.東江流域7站1970-2000年的日最大風(fēng)速風(fēng)向、日降水量、日平均水汽壓、日相對濕度、日最高溫度、日最低溫度資料.三個(gè)典型流域1973年(MSS)、1986年及2003年(TM)的三期土地利用衛(wèi)星影像解譯數(shù)據(jù);東江流域1∶250000數(shù)字地面高程數(shù)據(jù);1∶250000廣東省土壤圖.

2.2 研究方法

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是一個(gè)具有很強(qiáng)物理機(jī)制的、流域連續(xù)分布式水文模型，1990s初，模型吸取了CREAMS、GLEAMS、EPIC、SWRRB等模型的優(yōu)點(diǎn)，將SWRRB和ROTO整合為一個(gè)新的模型，并增加了敏感性分析、自動校核和不確定性分析模塊.通常SWAT模型很少在森林為主導(dǎo)的流域應(yīng)用［13］，但也有采用改進(jìn)后的SWAT模型在不同森林類型為主的流域進(jìn)行研究［14-15］.目前利用SWAT模型進(jìn)行研究的流域面積最小為0.395 km2，最大為491700 km2，可見其具有較強(qiáng)的適用性［16］.

根據(jù)研究區(qū)域的自然特征、資料收集情況和土地利用/覆被的特征，本文選擇改進(jìn)后的分布式水文模型SWAT.根據(jù)Spruill［17］等對不同尺度流域的比較研究，認(rèn)為SWAT模型在中小流域尺度月徑流模擬的精度較高.故本文采用1996-2000年水文氣象資料，模擬1973年、1986年和2003年土地利用/覆被條件下的逐月徑流量，探討不同土地利用/覆被變化對月徑流量的影響.

3 土地利用/覆被時(shí)空變化特征

三個(gè)流域林地和農(nóng)業(yè)用地是土地利用的主要類型，從其空間變化的強(qiáng)度來看，三個(gè)流域存在明顯差異.勝前流域從1973-2003年，農(nóng)業(yè)用地變化幅度較小，但林地面積增加幅度較大，從1973年的51.65%增加至2003年的70.59%;城鎮(zhèn)建設(shè)用地2003年與1973年相比增加了近40倍之多，1990s以后變化尤為突出.順天流域農(nóng)業(yè)用地有所減少，由1973年的34.61%降至2003年的29.54%;林地面積由1973年的39.39%增加至2003年的62.28%，城鎮(zhèn)建設(shè)用地也有所增加.九州流域除了林地面積增加較多外，其他用地變化不大(表1).1985年作出了“十年綠化廣東”的戰(zhàn)略決策，整個(gè)流域森林覆蓋率已有較大提高［18］.

表1 1973-2003年三個(gè)典型流域主要土地利用類型面積變化Tab.1 Land use area changes in the three watersheds from 1973 to 2003

4 月徑流量模擬

4.1 模型參數(shù)率定

選用1977-1981年三個(gè)流域出口控制站的日徑流資料進(jìn)行參數(shù)的率定.SWAT模型參數(shù)多達(dá)60多個(gè)，首先必須對參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析.通常SWAT模型按靈敏度分為:極高(＞1.0)、高(0.2-1.0)、中(0.05-0.2)和低(＜0.05)四個(gè)等級［18］.運(yùn)行模型靈敏度分析模塊，通過靈敏性分析，得知靈敏性因子的重要性，三個(gè)流域的敏感值看出，SCS徑流曲線系數(shù)和地表水滯后時(shí)間對徑流的影響最顯著;土壤可利用水量和土壤飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)對徑流影響也較顯著(表2).在靈敏性分析的基礎(chǔ)上，選擇對流域產(chǎn)流有影響的參數(shù)，運(yùn)行SWAT模型的自動校準(zhǔn)模塊，得出一整套參數(shù)值，再根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行必要的調(diào)整，使產(chǎn)流量模擬值與實(shí)測值吻合較好.

表2 SWAT模型主要率定參數(shù)Tab.2 The main calibrated parameters of SWAT model

4.2 模型的校準(zhǔn)與驗(yàn)證

模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證通常選用模擬流量和實(shí)測流量之間的相關(guān)系數(shù)R2和Nash-Suttclife模型效率系數(shù)ENS，衡量模型模擬值與實(shí)測值之間的擬合度.效率系數(shù)的表達(dá)式為:

圖2 三個(gè)流域模擬月徑流量與實(shí)測徑流量對比Fig.2 Comparison between simulated and observed monthly flow in the three watersheds

圖3 三個(gè)流域不同時(shí)段多年平均月徑流量Fig.3 Variation of the mean monthly flow for the different periods in the three watersheds

式中，Qo為流量實(shí)測值;Qs為流量模擬值;Qavg為流量實(shí)測平均值;n為實(shí)測流量數(shù)據(jù)的長度.ENS=1表示模擬值與實(shí)測值完全一致;ENS=0表示模擬效果與實(shí)測值的平均值一致;若ENS＜0，則模擬結(jié)果無效.

對三個(gè)典型流域的地表徑流進(jìn)行模型模擬，與同時(shí)期出口控制站觀測資料對比分析;并用1996-2000年的氣象、水文資料和1990s后期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證.

4.2.1 模型的校準(zhǔn) 根據(jù)資料完整性，選用1977-1981年的氣象和水文資料，以及與之相對應(yīng)時(shí)期的土地利用/覆被數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的校準(zhǔn)，在敏感性參數(shù)調(diào)整基礎(chǔ)上，三個(gè)流域1977-1981年逐月徑流模擬與實(shí)測值的擬合很好，相關(guān)系數(shù)R2在0.9以上，P ＜0.05，效率系數(shù) ENS在0.8 以上.

4.2.2 模型的驗(yàn)證 用1996-2000年的氣象、水文資料和1990s后期的土地利用數(shù)據(jù)作為資料輸入進(jìn)行模型驗(yàn)證.流域出口月徑流模擬值與實(shí)測流量擬合較好(圖2和表3)，表明模型在該研究區(qū)模擬產(chǎn)流的適應(yīng)性較好.

模擬結(jié)果顯示，由于三個(gè)流域土地利用方式的變化不同，年徑流變化存在差異.勝前流域在1973-1986年間年徑流深減少5.4 mm，在1987-2003年間增加了18.07 mm;順天流域在兩個(gè)時(shí)段分別減少了4.45 mm和增加了2.93 mm;九州流域在兩個(gè)時(shí)段分別減少了5.62 mm和17.74 mm.徑流在年內(nèi)分配的變化較大(圖3):勝前流域在1973-1986年間，汛期徑流減少了 10.83 mm，非汛期增加了5.42 mm;在1987-2003年間汛期和非汛期分別增加了5.12 mm和12.96 mm;順天流域在1973-1986年間，汛期減少了 9.41 mm，非汛期增加了4.96 mm，在1987-2003年間汛期減少了12.27 mm，非汛期增加了15.20 mm;九州流域在1973-1986年間，汛期減少了11.63 mm，非汛期增加了6.01 mm;在1986-2003年間，汛期減少了17.96 mm，非汛期增加了0.23 mm(表4).

5 結(jié)論與討論

采用分布式水文模型，模擬了東江三個(gè)典型流域的逐月徑流量，結(jié)合土地利用/覆被時(shí)空變化特征分析得出以下結(jié)論:

(1)分布式水文模型SWAT的參數(shù)率定后，驗(yàn)證結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R2在0.85以上，效率系數(shù)在0.70左右(表3)，說明SWAT模型可用于東江典型流域的徑流模擬.

表3 1996-2000年模型驗(yàn)證評價(jià)Tab.3 Summary of the model validation performance for the three watersheds from 1996 to 2000

表4 土地利用變化與月徑流量增幅*Tab.4 Land use changes and variation of the mean monthly flow

(2)對三個(gè)流域不同時(shí)期土地利用變化與多年平均月徑流深變化的比較分析，1973-1986年除了林地的變化較大外，其它土地利用類型變化較小.模擬結(jié)果顯示林地面積的增加，年徑流量減少.年內(nèi)分配上表現(xiàn)出枯水期徑流明顯增加，豐水期徑流明顯減少.其原因可能是隨著森林覆蓋率的提高，流域的貯水能力增強(qiáng)攔截作用加大;1973-1986年間九州流域＜15°的林地面積增加了2.59%，而1987-2003年間增加了5.66%，其它土地利用類型面積變化相對較小(表4).兩個(gè)階段汛期的徑流減少程度存在差異(表3)，表現(xiàn)為低坡度(＜15°)的林地面積增加引起的徑流減少作用更為明顯.

(3)從1987-2003年，盡管勝前流域林地面積增加了13.65%，而建設(shè)用地面積增加了1.47%(表1)，是原來的40倍.汛期的徑流深增加了5.12 mm(表4)，說明建設(shè)用地面積的增長，導(dǎo)致不透水面積增加，大大增加了雨季流域的地表徑流，抵消了由林地增加而引起的徑流減少的幅度.

本文研究認(rèn)為應(yīng)對東江流域土地資源在空間和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行合理配置，減少城鎮(zhèn)化過程中對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和林地的影響;在確保農(nóng)業(yè)用地的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對林地等自然植被的保護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)綠化造林，改變林業(yè)結(jié)構(gòu)，尤其是＜15°的林地可以大力發(fā)展水源林、經(jīng)濟(jì)林，減少水土流失，保護(hù)水源，從而提高水資源的利用效率.

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Effect of LUCC on runoff of three representative watersheds in Dongjiang River Basin

YANG Hongwei1，2＆ XU Chongyu1
(1:School of Geographic and Oceanographic Sciences，Nanjing University，Nanjing 210093，P.R.China)
(2:Nanjing Institute of Geography and Limnology，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，P.R.China)

With the hydrological model SWAT，the runoff variation of three representative watersheds in Dongjiang River Basin was simulated.With discharge data from Shengqian，Shuntian and Jiuzhou hydrological stations in 1977-1981 and 1996-2000，more sensitive hydrology factors were calibrated and satisfactory simulation results were obtained(R2＞0.85，0.68 ＜ENS＜0.75).The study investigated the influences of LUCC on the hydrological process of the three watersheds.The result shows that:(1)the increase of forest area was the cause of annual runoff decrease;(2)in terms of annual variability，runoff decrease in the wet season while increase in the dry season;(3)the decrease of runoff becomes more notable when the forest area increases with slope＜15o.

SWAT;LUCC;runoff;representative watersheds in Dongjiang River Basin

* 香港特別行政區(qū)研究基金會項(xiàng)目(CUHK4627/05H)資助.2011-04-20收稿;2011-06-08收修改稿.楊宏偉，男，1967年生，博士，副研究員;E-mail:yanghw@niglas.ac.cn.