徐州市區(qū)土地利用變化及其對(duì)徑流的影響

于紅學(xué)++薛麗芳++孟瑤瑤

摘要：結(jié)合土地利用、土壤類型數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用SCS水文模型，在GIS環(huán)境的支持下，模擬徐州市區(qū)1983-2013年土地利用變化及其對(duì)地表年徑流深的影響。結(jié)果顯示，土地利用變化主要表現(xiàn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、水體、未利用地面積增加，耕地、草地、林地面積減少。土地利用結(jié)構(gòu)的變化使得地表徑流深發(fā)生變化，在前期土壤濕潤(rùn)程度為平均，降水量為803 mm的情況下，30年間徐州市區(qū)年徑流深增加了42 mm，年徑流系數(shù)增加了0.06。

關(guān)鍵詞：土地利用變化；SCS水文模型；徑流深；徐州市區(qū)

中圖分類號(hào)：F301.24；P333；P404 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）16-3895-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.016

Land Use Change and Its Influence to Runoff in Xuzhou City

YU Hong-xue，XUE Li-fang，MENG Yao-yao

（School of Resources and Geosciences， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221000， Jiangsu， China）

Abstract： Based on data of land use and soil classification and precipitation data，land use change and impact of land use change on depth of surface runoff of Xuzhou during the period of 1983-2013 was analyzed by using the SCS hydrological model under the environment of GIS. The results showed that the dynamic change of land use mainly presented the increase of the areas of urban land， water， unused land and the decrease of farmland， grassland， forest land. The change of land use made the depth of surface runoff change. Supposing the early soil moisture as average and annual rainfall precipitation as the level of flat water years-803 mm， the annual depth of surface runoff of Xuzhou increased 42 mm， and the annual runoff coefficient increased 0.06 in the 30 years.

Key words： land use change； SCS hydrological model； depth of runoff； Xuzhou

隨著城市化的不斷加快，人們對(duì)自然環(huán)境的改造和利用直接表現(xiàn)為人類對(duì)土地的利用，大幅度改變了地球上長(zhǎng)期形成的依附于土地的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)。城市化過程中森林、農(nóng)田、濕地等不斷轉(zhuǎn)化成居住地、工業(yè)用地或商業(yè)用地，城市地區(qū)不透水面積增加。這種土地利用變化過程使下滲量、截留量、蒸發(fā)量、基流和地下水位減少或降低，從而影響流域產(chǎn)流；另一方面與河流渠化、防洪堤壩等水利工程措施共同作用使河道結(jié)構(gòu)、河網(wǎng)形態(tài)改變，從而影響河道匯流，產(chǎn)匯流發(fā)生變化導(dǎo)致地表徑流量發(fā)生變化[1]。目前，在眾多水文模型中，美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局研制的用來衡量徑流和暴雨之間數(shù)量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀猄CS模型已經(jīng)得到普遍認(rèn)可和推廣[2-4]。該模型能夠根據(jù)土地利用的變化很好的描述降雨與徑流的關(guān)系，可用于分析人類活動(dòng)如水利工程措施、土地利用方式、管理水平以及城市化對(duì)徑流的影響。

本研究以城市化發(fā)展進(jìn)程較快的徐州市區(qū)為研究對(duì)象，以SCS模型為基礎(chǔ)，結(jié)合地理信息方法研究人類活動(dòng)帶來的土地利用變化對(duì)徑流的影響，其研究結(jié)果可為城市防災(zāi)減災(zāi)及水土保持、生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)，也可為城市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考和依據(jù)[5]。

1 研究方案

1.1 研究區(qū)概況

徐州地處江蘇省西北部，華北平原的東南部，介于116°22′-118°40′E、33°43′-34°58′N之間，總面積11 258 km2，約占江蘇省總面積的11%。本研究的研究區(qū)域?yàn)樾熘菔袇^(qū)（圖1），包含5個(gè)區(qū)：鼓樓區(qū)、云龍區(qū)、泉山區(qū)、銅山區(qū)和賈汪區(qū)，總面積3 059 km2。區(qū)域內(nèi)除中部和東部存在少數(shù)丘崗?fù)?，大部分皆為平原。根?jù)成土條件、土體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的差異，可將其土壤分為潮土、棕土、褐土、水稻土、紫色土、砂姜黑土6大類。徐州市地處古淮河的下游，以黃河故道為分水嶺，形成南部的濉、安河水系和北部的沂、沭、泗水系。徐州市屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，受東南季風(fēng)影響較大，東部屬暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，西部為暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，年均降水量約為860 mm，雨季降水量占全年的56%。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1 土地利用數(shù)據(jù) 本研究以Landsat TM影像提取土地利用信息，采用ENVI軟件對(duì)影像圖首先進(jìn)行幾何校正、輻射校正等數(shù)據(jù)預(yù)處理，后采用監(jiān)督分類中的支持向量機(jī)分類器對(duì)1983、1993、2003、2013年遙感TM影像進(jìn)行解譯分類，將研究區(qū)域內(nèi)的土地劃分為草地、耕地、林地、城市建筑用地、水體以及未利用地等6種地物類型[6]。對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，得到徐州市1983、1993、2003、2013年的土地利用分類圖（圖2）。

1.2.2 土壤數(shù)據(jù) 在SCS模型中根據(jù)土壤水分的最小滲透率劃分而成的4組土壤類型（表1）來確定研究流域的土壤水文屬性[7]。

本研究區(qū)收集到的土壤數(shù)據(jù)來源于1∶100萬中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)得研究區(qū)內(nèi)的土壤類型主要是潮土、砂礓黑土、紫色土、水稻土、脫鹽花堿土以及褐土。在ArcGIS軟件支持下，按照SCS模型給定的土壤分類標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)土壤進(jìn)行重新分類。結(jié)合該地實(shí)際情況，將褐土歸為A類，潮土、紫色土統(tǒng)歸為B類，砂礓黑土、水稻土統(tǒng)歸為C類，脫鹽花堿土歸為D類。由此得到符合SCS模型的徐州市區(qū)土壤分類圖（圖3）。

1.2.3 水文數(shù)據(jù) 降雨數(shù)據(jù)來源于徐州市水利局的徐州站、藺家壩站、解臺(tái)閘站的日降雨量。對(duì)1963-2012年徐州站、藺家壩站和解臺(tái)閘站的降水量利用面積加權(quán)平均值進(jìn)行降雨頻率計(jì)算，分出豐水年、平水年和枯水年，本研究采用平水年的年降雨量，即803 mm。

1.3 研究方法

1.3.1 SCS模型原理 本研究所采用的SCS模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局開發(fā)并研制的流域水文模型，SCS模型能綜合反映不同土壤類型、不同土地利用類型和不同前期土壤含水量對(duì)降雨徑流的影響，是一種小型集水區(qū)徑流計(jì)算方法。目前，中國(guó)水文學(xué)者也廣泛應(yīng)用SCS模型進(jìn)行了很多水文方面的研究工作[8]。在SCS模型的基本原理[9]指導(dǎo)下，SCS模型的產(chǎn)流計(jì)算公式[10]為：

Q=■，P≥0.2SQ=0， P≤0.2S （1）

其中，P為單次降雨的降雨總量，Q為地表徑流量，S為流域在當(dāng)時(shí)可能存在的最大滯留量，單位均為mm。

S主要與地表覆被條件和土壤相關(guān)，而且它有很大的變化范圍，不利于取值，因此引入CN（Curve Number），CN為產(chǎn)流系數(shù)，它的取值范圍為0～100，CN與S之間的關(guān)系如下所示：

S=■-254 （2）

其中，CN是SCS模型中一個(gè)無量綱的量，CN表示的是在降雨之前地表特征的一個(gè)綜合指標(biāo)，與前期土壤濕潤(rùn)程度、地形坡度、植被類型、土壤類型和土地利用狀況等方面有關(guān)。由于CN受前期土壤濕潤(rùn)程度的影響，根據(jù)徑流事件發(fā)生前5 d的降雨總量，可以將前期土壤濕潤(rùn)程度狀況劃分為干旱（AMCⅠ）、平均（AMCⅡ）和濕潤(rùn)（AMCⅢ）3種狀態(tài)[11]，不同的前期土壤濕潤(rùn)程度的CN之間存在相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。本研究假設(shè)前期土壤濕潤(rùn)程度為平均（AMCⅡ）狀態(tài)，結(jié)合土壤類型和土地利用狀況，通過CN計(jì)算公式和CN查算表[12]，確定研究區(qū)在平均（AMCⅡ）狀態(tài)下的CN矩陣（表2）。

1.3.2 技術(shù)路線 在ArcGIS軟件支持下，前期土壤濕潤(rùn)程度為平均（AMCⅡ）狀態(tài)，結(jié)合土壤類型和土地利用狀況，得到CN，根據(jù)式（2）計(jì)算出最大滯留量S，輸入降雨量P，然后根據(jù)式（1）計(jì)算出年徑流深，最后分析土地利用變化對(duì)年徑流深的影響。具體操作流程如圖4所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 徐州市區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)及其變化

在GIS軟件環(huán)境的支持下，根據(jù)在數(shù)據(jù)處理階段得到的徐州市區(qū)土地利用分類圖，統(tǒng)計(jì)出4個(gè)時(shí)期各土地利用類型的面積（表3）。利用ArcGIS中的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的功能，分別對(duì)1983-1993、1993-2003、2003-2013年的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用轉(zhuǎn)移計(jì)算（表4至表6）。

徐州正處于城市化上升期，土地利用結(jié)構(gòu)受城市化影響顯著。由表3可以看出，1983年土地利用類型以耕地為主，其中耕地占71.23%，林地占 11.39%，建設(shè)用地占10.17%，草地占4.53%，水體占2.47%，未利用地占0.25%。1993年、2003年土地利用類型仍以耕地為主，但所占比重在下降，建設(shè)用地所占比重在上升。到2013年，土地利用類型以耕地和建設(shè)用地為主，其中耕地占61.86%，建設(shè)用地占24.69%，林地占5.69%，水體占4.70%，草地占2.21%，未利用地占0.85%。根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣的結(jié)果，1983-2013年，徐州城鎮(zhèn)建設(shè)用地從311.06 km2增加到755.51 km2，擴(kuò)展了1倍多，建設(shè)用地的擴(kuò)張大多數(shù)是由耕地轉(zhuǎn)移的，也有部分是由林地轉(zhuǎn)移的。耕地從1983年的2 178.85 km2到2013年的1 892.46 km2，減少了286.39 km2，主要是隨著城市化的進(jìn)行，人們的生產(chǎn)、生活、娛樂等活動(dòng)使之對(duì)建設(shè)用地的需求不斷增加，而耕地則是主要的轉(zhuǎn)換介質(zhì)，故而耕地面積不斷減少，轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地。其他用地在1983-2013年間也由于城市化的發(fā)展發(fā)生了不同的變化。

2.2 土地利用變化對(duì)徑流的影響

利用GIS軟件結(jié)合SCS水文模型，在前期土壤濕潤(rùn)程度為平均狀況，降雨量為803 mm時(shí)，分別生成4個(gè)時(shí)期的徑流深圖層（圖5），根據(jù)影像特征統(tǒng)計(jì)年徑流量的模擬結(jié)果（表7），根據(jù)土地利用變化圖和徑流深圖層統(tǒng)計(jì)出了土地利用變化引起年徑流深的轉(zhuǎn)移情況（表8）。

圖5顯示，在1983-2013年期間地表徑流深度發(fā)生了較大的變化。在土壤前期濕潤(rùn)程度、降雨量一定的情況下，地表徑流深只受最大滯留量S的影響，根據(jù)式（2），CN越大，S越小，降雨量轉(zhuǎn)化成徑流量（徑流深度）也就越大。因此，土地利用類型變化是引起地表徑流深變化的原因。

表7顯示在土壤前期濕潤(rùn)程度為平均狀態(tài)，降雨量為803 mm情況下，1983年研究區(qū)的年徑流深為654 mm，年徑流總量為200.0億m3，年徑流系數(shù)為0.81；在2013年年徑流深為696 mm，年徑流總量為212.9億m3，年徑流系數(shù)為0.87。30年間由于土地利用類型的變化使得年徑流深增加了42 mm，年徑流量增加了12.9億m3，徑流系數(shù)增加了0.06，說明該研究區(qū)的下墊面產(chǎn)流能力增強(qiáng)了。

通過分析土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、年徑流深圖層和土地利用變化引起年徑流深的轉(zhuǎn)移矩陣（表8），可知產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是徐州市區(qū)在不同時(shí)期土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化：

1）城市化對(duì)年徑流量的影響。城市建設(shè)用地在這30年期間從311.06 km2增加到了755.51 km2，擴(kuò)展了1倍多，主要是由CN較小、產(chǎn)流能力低的耕地、草地、林地轉(zhuǎn)化來的。通過年徑流量的轉(zhuǎn)移矩陣發(fā)現(xiàn)由于城市化進(jìn)程加快，作用在城市建設(shè)用地下墊面上的年徑流深增加了351.36 mm。

2）耕地對(duì)年徑流量的影響。耕地是城市化進(jìn)程中轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地最大的地類，從1983-2013年，耕地面積由2 178.85 km2 減少到了1 892.46 km2。由于耕地的CN較小、產(chǎn)流能力較低，轉(zhuǎn)化為CN較高、產(chǎn)流能力較強(qiáng)的城市建設(shè)用地、水體和未利用地，就必然會(huì)導(dǎo)致年徑流深的增加。通過分析發(fā)現(xiàn)耕地面積的減少使得研究區(qū)年徑流深增加了245.35 mm，而耕地也有部分轉(zhuǎn)化為CN較小、產(chǎn)流較小的地類，如草地、林地，年徑流深減小了424.42 mm。

3）草地、林地對(duì)年徑流量的影響。從1983-2013年，草地、林地的面積在不斷地減少。草地和林地較其他用地的CN都低，由草地、林地等轉(zhuǎn)化為其他CN較高的用地類型，必然會(huì)導(dǎo)致年徑流深的增加，通過分析發(fā)現(xiàn)草地面積的減少使得研究區(qū)年徑流深增加了411.82 mm，林地面積的減少使得年徑流深增加了421.78 mm。

4）水體、未利用地對(duì)年徑流量的影響。根據(jù)式（1），水域區(qū)降雨直接轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇韽搅鳎珻N較高，水域面積的變化對(duì)地表匯流有很大影響。由于徐州市泉山區(qū)近些年淡水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，部分CN較低的地類轉(zhuǎn)為水域。水域變化使得研究區(qū)年徑流深增加了191.58 mm。另一方面徐州地處礦區(qū)，多年大面積煤礦塌陷增加了CN較高的未利用地的面積，未利用地增加使得研究區(qū)年徑流深增加了658.57 mm。

由此可見，土地利用與地表徑流存在著密切而又復(fù)雜的關(guān)系，由于城市化進(jìn)程的加快，土地利用類型發(fā)生變化從而直接引起了研究區(qū)的水文響應(yīng)。

3 結(jié)語

1）1983-2013年期間，城鎮(zhèn)建設(shè)用地發(fā)生了大幅度的增加，水體、未利用地面積也在增加，耕地面積大幅度減少，草地、林地面積較少。CN較低的地類在減少，CN較高的地類在增加，所以這一時(shí)期地表徑流深是增加的，30年間年徑流深增加了42 mm，年徑流量增加了12.9億m3，徑流系數(shù)增加了0.06。

2）本研究只考查了土壤前期濕潤(rùn)程度為平均狀態(tài)，降雨量為803 mm時(shí)，人類活動(dòng)作用下的土地利用變化對(duì)地表徑流的影響。而水文效應(yīng)的產(chǎn)生應(yīng)是自然環(huán)境和人類活動(dòng)綜合作用的結(jié)果，地形、土壤等自然因素對(duì)徑流的影響，還需要應(yīng)用水文模型進(jìn)行更為深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭 昳，程曉莉，張全發(fā)，等.陜西佛坪土地利用對(duì)徑流變化的影響分析[J].人民長(zhǎng)江，2009，40（24）：26-28.

[2] IM S， PARK S， JANG T. Application of SCS curve number method for irrigated paddy field[J]. KSCE Journal of Civil Engineering，2007，11（1）：51-56.

[3] LIU X， LI J. Application of SCS model in estimation of runoff from small watershed in Loess Plateau of China[J]. Chinese Geographical Science，2008，18（3）：235-241.

[4] 袁 藝，史培軍.土地利用對(duì)流域降雨—徑流關(guān)系的影響——SCS模型在深圳市的應(yīng)用[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，37（1）：131-136.

[5] 陶艷成，華 璀，盧 遠(yuǎn)，等.欽江流域土地利用變化對(duì)徑流的影響[J].中國(guó)水土保持，2013（6）：34-38.

[6] 沈澤昊，張全發(fā)，岳 超，等.南水北調(diào)中線水源區(qū)土地利用/土地覆被的空間格局[J].地理學(xué)報(bào)，2006，61（6）：633-644.

[7] 袁作新.流域水文模型[M].北京：水利電力出版社，1990.

[8] 高 揚(yáng)，朱 波，繆馳遠(yuǎn)，等.SCS模型在紫色土坡地降雨徑流量估算中的運(yùn)用[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2006，22（11）：396-400.

[9] 程 江，楊 凱，劉蘭嵐，等.上海中心城區(qū)土地利用變化對(duì)區(qū)域降雨徑流的影響研究[J].自然資源學(xué)報(bào)，2010，25（6）：914-925.

[10] 李常斌，秦將為，李金標(biāo).計(jì)算CN值及其在黃土高原典型流域降雨—徑流模擬中的應(yīng)用[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2008，22（8）：67-70.

[11] 高蘊(yùn)玨，許有鵬.SCS遙感水文模型在曹娥江流域應(yīng)用研究[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1992，28（1）：150-159.

[12] BENNETT H H.Soil Conservation[M].New York：McGraw-Hill， 1939.