區(qū)域土地利用/土地覆被變化的水文水資源效應(yīng)分析

劉鵬 李寧 郝錦錦

【摘要】區(qū)域內(nèi)部土地利用/土地覆被變化對水循環(huán)過程影響顯著，其所衍生的資源問題和環(huán)境問題必然會影響流域生態(tài)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)乃至社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。本文主要利用SWAT模型對黃河流域不同土地利用/土地覆被變化的水文水資源效應(yīng)進(jìn)行模擬分析，以期為水資源的合理調(diào)控和區(qū)域內(nèi)森林植被建設(shè)提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】土地利用；土地覆被；水文水資源；SWAT模型

榆林市位于毛烏素沙漠和黃土高原的過渡區(qū)，是陜西省最北部的一個地級市，黃河沿東界南下涉境270多公里。隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快以及人民生活水平的提升，該區(qū)水資源短缺問題日益突出，加上現(xiàn)代氣候變化顯著，直接影響流域內(nèi)水分平衡分量，而區(qū)域內(nèi)部土地利用/土地覆被變化也對流域的產(chǎn)、匯、流過程產(chǎn)生了顯著影響，這些都衍生了一系列資源問題和生態(tài)問題，比如區(qū)域內(nèi)地下水位下降、土地沙化加重、植被退化等，對流域生態(tài)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有不良影響，也不利于下游地區(qū)的水土保持與荒漠化防治。為此，深入研究區(qū)域內(nèi)土地利用/土地覆被變化的水文水資源效應(yīng)非常有必要，這對于構(gòu)建合理的土地利用/覆被結(jié)構(gòu)與格局、建立健全生態(tài)管理機(jī)制以及實現(xiàn)水資源的合理調(diào)控具有重要實踐價值。

一、研究方法與數(shù)據(jù)處理

在土地利用/土地覆被變化水文效應(yīng)研究中，分布式文模型方法的應(yīng)用較為廣泛，其中，較為成熟的模型之一是SWAT模型，該模型具有適用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)易得、可長時間連續(xù)模擬、精度高等特點，主要以水量平衡為基本原理，能夠模擬和預(yù)測土地利用/土地覆被變化、氣候變化對水、沙、降雨、化學(xué)物質(zhì)——徑流過程的長期影響，在水資源綜合管理和土地利用水文水資源效應(yīng)研究領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。模型中采用的水量平衡方程為：

式中，

SWt——土壤最終含水量即水量平衡計算結(jié)束時的土壤含水量（mm）；

SW0——土壤初始含水量即水量平衡計算開始時的土壤含水量（mm）；

t——計算時段（d）；

Rday——第i天降雨量（mm）；

Qsurf——第i天地表徑流深（mm）；

Eα——第i天蒸發(fā)量（mm）；

Wseep——第i天土壤底層滲漏量（mm）；

Qgw——第i天地下水側(cè)滲量（mm）。

SWAT模型需要輸入的數(shù)據(jù)包括流域的數(shù)字高程模型（DEM）、坡度和坡向數(shù)、土地利用/覆被類型空間分布數(shù)據(jù)、土壤類型空間分布數(shù)據(jù)，所以，應(yīng)基于地理信息系統(tǒng)建立流域DEM，構(gòu)建土壤類型數(shù)據(jù)庫、土地利用/覆被數(shù)據(jù)庫，根據(jù)實際月氣象資料定義一個天氣發(fā)生器連續(xù)記錄降水、溫度與太陽輻射等參數(shù)，并采集降水?dāng)?shù)據(jù)和入流數(shù)據(jù)等。

SWAT模型涉及參數(shù)眾多，僅關(guān)于陸面水循環(huán)模擬中徑流分量的參數(shù)就包含26項，然而不同參數(shù)對模型的影響和貢獻(xiàn)也有差別，為進(jìn)一步提高模型率定效率，增強(qiáng)模型確定性，有必要對模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。最新版本SWAT提供了自動參數(shù)敏感性分析模塊，使用LHS法和OAT法相結(jié)合方式確定參數(shù)敏感性，也就是先采用LHS法選出適當(dāng)?shù)淖兞侩S機(jī)抽樣組合，然后利用OAT法直接對參數(shù)敏感度進(jìn)行確定。以T檢驗和P值檢驗值為敏感性評價指標(biāo)，T值越大、P值與0越接近，說明參數(shù)的敏感性越強(qiáng)。采用SSQ方程，選擇水文站不同階段實測日徑流進(jìn)行參數(shù)率定。

二、流域不同土地利用/土地覆被變化的水文情境模擬

1.情境設(shè)置

為討論土地利用/土地覆被變化對流域徑流量的影響過程，本文在分析流域內(nèi)多年土地利用/土地覆被變化、景觀特征狀況的基礎(chǔ)上，同時考慮空間尺度以及社會特點等，設(shè)置不同土地利用土地覆被變化情景。主要構(gòu)建以下幾種情景：①2002-2012年的土地利用/土地覆被現(xiàn)狀，用于與其他情景進(jìn)行對比；②假設(shè)區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，林地逐漸變?yōu)椴莸?，覆蓋草地退化為裸地；③假設(shè)當(dāng)?shù)赝ㄟ^采取生態(tài)修復(fù)和保護(hù)措施，通過一系列修復(fù)工程，地表全部被林地和高密度草地覆蓋；④假設(shè)地表符合退耕政策，耕地、林地、草地并存；⑤假設(shè)地表土地進(jìn)一步退化，地表為低密度草地和裸地；⑥假設(shè)地表為率定驗證期狀況。

2.流域不同土地利用結(jié)構(gòu)的水文響應(yīng)

根據(jù)情景②-情景⑥，分別模擬2002-2012年均流量。結(jié)果見表1。由表可知，隨著地表林地和草地面積的增加，流域年平均流量逐漸減小，情境②流量最大，在該情景下，河流流域年均流量增大了，當(dāng)?shù)乇砣勘涣值睾筒莸馗采w時，年均流量相較于模擬期減小了，退耕還林期間和土地進(jìn)一步退化時，年均流量都有所增大，但增幅較小。

表1 5種情境模擬結(jié)果

情景 年均流量（m3·s-1） 年均流量變化量（m3·s-1） 年均流量變化率（%）

② 43.70 7.98 19.78

③ 33.81 -2.62 -7.22

④ 37.72 1.11 3.01

⑤ 39.84 3.02 8.24

⑥ 36.66 0 0

總的來說，隨著地表林地和草地覆蓋率增加，汛期、非汛期徑流量逐漸減小，且非汛期徑流量減小幅度更小，這主要是因為非汛期降水量較小，溫度較低，使得植被生產(chǎn)率較低，蒸發(fā)量會隨之減小，所以土地覆被變化對徑流量影響不顯著。在不同土地利用情景下我們可發(fā)現(xiàn)，區(qū)域流域總徑流會發(fā)生響應(yīng)的變化，所以區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣與流域徑流量有直接聯(lián)系，這就要求我們加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境管理和建設(shè)，盡量增加林地面積，以達(dá)到穩(wěn)定、增加區(qū)域內(nèi)流域徑流的目的。

3.氣候變化下的水文響應(yīng)

當(dāng)今，氣候變化及其所帶來的影響已成為一個世界性問題，它對水文水資源變化有著重要影響。首先，降水與徑流有著密切關(guān)系，降水變化將直接導(dǎo)致流域水文總量變化；其次，溫度變化會對流域內(nèi)的空氣濕度帶來影響，并影響冰川積雪的融化過程，進(jìn)而對整個流域的水文情勢帶來影響。所以在研究土地利用/土地覆被變化的水文水資源效應(yīng)過程中，還應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的氣候變化情景，保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可操作性。可設(shè)計以下兩個情景：①以現(xiàn)狀值為基礎(chǔ)，假設(shè)降水變化為20%、10%、-20%、-10%、不變；②以現(xiàn)狀值為基礎(chǔ)，假設(shè)溫度增加1℃、2℃、-1℃、-2℃、不變。

三、結(jié)語

總之，區(qū)域內(nèi)部土地利用/土地覆被變化對水循環(huán)過程影響顯著，其所衍生的資源問題和環(huán)境問題必然會影響流域生態(tài)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)乃至社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也不利于下游地區(qū)的水土保持與荒漠化防治。本文主要利用SWAT模型對黃河流域不同土地利用/土地覆被變化的水文水資源效應(yīng)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，土地利用/土地覆被變化對水文水資源影響顯著。未來，我們還應(yīng)開展更深入的研究，以為構(gòu)建合理的土地利用/覆被結(jié)構(gòu)與格局、建立健全生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制以及實現(xiàn)水資源的合理調(diào)控提供理論依據(jù)。

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