土地利用變化對盤古河流域徑流的影響

趙 霞, 郝振純

(河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098)

土地利用變化對盤古河流域徑流的影響

趙 霞, 郝振純

(河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098)

[目的] 分析大興安嶺地區(qū)盤古河流域土地利用變化情況,研究流域徑流對不同土地利用情景的響應(yīng),為合理規(guī)劃土地利用提供依據(jù)。[方法] 利用盤古河流域 1987,2000和2011年 3期土地利用數(shù)據(jù)和1988—2012年的水文氣象資料,結(jié)合SWAT(soil and water assessment tool)模型,分析盤古河流域土地利用變化的徑流響應(yīng)。[結(jié)果] 1987—2011年盤古河流域主要土地利用變化為裸地向林地、草地轉(zhuǎn)化,林地面積增加,裸地面積減少;汛期徑流量占年總徑流量的比例隨著林地的增加而減少;林地的增加使得多年平均年徑流量、汛期徑流量和最大月經(jīng)流量均呈減少趨勢。[結(jié)論] SWAT模型能夠較好地模擬盤古河流域的月流量過程;流域徑流隨著林地面積的增加而減少。

土地利用變化; SWAT模型; 徑流變化; 盤古河流域

文獻(xiàn)參數(shù)： 趙霞, 郝振純.土地利用變化對盤古河流域徑流的影響[J].水土保持通報，2017,37(1)：083-087.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.015； Zhao Xia, Hao Zhenchun. Land use change effects on runoff in Pangu River basin[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：083-087.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.015

近年來變化環(huán)境下的水文水資源問題日益成為研究重點(diǎn)[1]，其中土地利用/覆蓋變化作為環(huán)境變化的重要部分，對流域水文循環(huán)有著重大影響。土地利用變化的水文響應(yīng)研究也日益成為熱點(diǎn)問題[2]。

流域水文模型是模擬流域水文過程、研究流域水文規(guī)律的重要理論基礎(chǔ)[3]。SWAT模型作為一種具有很強(qiáng)物理機(jī)制的流域尺度、連續(xù)時段、針對過程的綜合水文模型[4-5]，目前已被廣泛應(yīng)用于流域土地利用/覆被變化的水文響應(yīng)研究。然而近年來，特定流域上土地利用變化的水文響應(yīng)結(jié)論卻很難取得一致。張圣微等[6]通過對拉薩河的研究表明隨著流域林草地面積的增加，年徑流量呈減少趨勢。郝振純等[7]設(shè)置了4種土地利用情景，發(fā)現(xiàn)海河流域典型區(qū)域的徑流量隨著草地面積的減少和林地面積的增加而減少。史曉亮等[8]分析諾敏河流域土地利用變化對徑流的影響后發(fā)現(xiàn)，林草地面積的減少和耕地面積的增加使得多年平均徑流量增加了17.78%。但是部分學(xué)者的研究卻的出完全相反的結(jié)論。郝芳華等[9]通過對洛河上游流域的研究表明，森林的存在使得流域徑流量增加。王根緒等[10]在馬營河流域的研究發(fā)現(xiàn)隨著林草地向耕地的大規(guī)模轉(zhuǎn)化，流域年均徑流量減少了28.12%。因此，針對流域土地利用變化的水文響應(yīng)，有必要進(jìn)行大量實(shí)例研究。

大興安嶺是中國最大的原始林區(qū)，林地面積7.30×106hm2，被譽(yù)為祖國的“綠色寶庫”，是東北華北地區(qū)環(huán)境安全的天然屏障。1987年“五·六”特大森林火災(zāi)燒毀林地1.01×106hm2，使得大興安嶺的森林覆蓋率由原來的76%下降到61.5%，下墊面土地利用/覆被發(fā)生巨大變化，一定程度上影響了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全。因此，大興安嶺地區(qū)土地利用變化的水文響應(yīng)研究十分必要。本研究擬選取大興安嶺地區(qū)盤古河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，結(jié)合3期實(shí)測遙感土地利用數(shù)據(jù)分析流域土地利用變化情況，構(gòu)建SWAT模型研究不同情景下的徑流響應(yīng)，從而為該地區(qū)合理規(guī)劃土地利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

盤古河為黑龍江上游右岸支流，發(fā)源于大興安嶺白卡魯山東麓，位于黑龍江省塔河縣西部，河流全長165 km，寬20～45 m，水深1.2 m，流域面積3 308km2，在23站東北10 km處注入黑龍江。盤古河流域地處中高緯度，大興安嶺東側(cè)，屬于寒溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同季，冬季干燥寒冷且漫長，夏季多雨高溫。流域多年平均氣溫-2.0 ℃左右，無霜期在80 d左右。流域降雨年內(nèi)分配較不均勻，降雨多集中于6—9月，多年平均降雨量約420 mm。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與模型構(gòu)建

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

模型所需地形數(shù)據(jù)來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺提供的90 m分辨率的SRTM(shuttle radar topography mission)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件對其進(jìn)行拼接、投影、剪切等一系列預(yù)處理操作，生成模型所需的DEM。土壤數(shù)據(jù)來自于中科院地理所數(shù)據(jù)中心的1∶100萬的土壤矢量數(shù)據(jù)集。土壤屬性數(shù)據(jù)參數(shù)由中國土壤數(shù)據(jù)庫查詢得到，以及采用SPAW軟件[11]計(jì)算獲得。水文資料和雨量資料來源于水文年鑒，包括流域內(nèi)盤古水文站1988—2012年逐日流量資料以及盤古站、23站逐日降雨資料。氣象資料采用流域臨近塔河氣象站1988—2012年逐日流量資料以及盤古站、23站逐日降雨資料。氣象資料采用流域臨近塔河氣象站1988—2012年的氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，包括逐日相對濕度、日照時數(shù)、平均風(fēng)速、最低氣溫和最高氣溫。日太陽輻射量由模型內(nèi)置的天氣發(fā)生器模擬得到。

研究區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)選取1987,2000和2011年3期Landsat TM影像圖，利用ENVI軟件監(jiān)督分類功能進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯，將土地利用類型劃分為6類：林地(FRST)、草地(PAST)、耕地(AGRL)、居民區(qū)(低密度)(URLD)、水體(WATR)、裸地(BARR)，流域土地利用分布見附圖1。

2.2 模型構(gòu)建

SWAT模型在模擬過程中，基于DEM柵格將研究流域空間上離散化成多個子流域單元，各子流域能夠體現(xiàn)出氣溫、降水、蒸發(fā)等氣候因素異性，土壤、土地利用、海拔、坡度等下墊面因子的空間變化以及管理方式的不同。模型基于最小集水面積劃分子流域，本研究最小集水面積取60 km2，將盤古河流域劃分為 31個子流域。HRU的生成采用multiple hydrologic response units方法，將土地利用類型最小面積比重設(shè)為5%，土壤類型最小面積比重設(shè)為10%，坡度最小面積比重設(shè)為10%。潛在蒸散發(fā)選擇彭曼—蒙蒂斯?jié)撛谡羯l(fā)公式計(jì)算，地表徑流模擬采用 SCS 徑流曲線數(shù)法，河道匯流演算采用Variable Storage法。

3 研究結(jié)果

3.1 模型驗(yàn)證及評價

以2000年土地利用數(shù)據(jù)為輸入，利用1988—2012年盤古站月徑流數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)及驗(yàn)證，其中1988—2002年為校準(zhǔn)期，2003—2012年為驗(yàn)證期。由于SWAT模型輸入?yún)?shù)較多，與徑流有關(guān)的25個參數(shù)對模型結(jié)果影響程度不同，本文通過敏感性分析選取對模擬精度影響較為顯著的10個參數(shù)進(jìn)行參數(shù)率定。表1即為敏感性前10的參數(shù)，以及各參數(shù)物理意義、調(diào)參方式和最優(yōu)參數(shù)值。

本文選用決定系數(shù)R2，Nash-Sutcliffe系數(shù)(ENS)[12]來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M效果，具體計(jì)算公式如下：

(1)

模型校準(zhǔn)及驗(yàn)證結(jié)果見圖1，評價指標(biāo)見表2。

表1 參數(shù)敏感性分析結(jié)果及參數(shù)最優(yōu)值

表2 盤古水文站月徑流模擬結(jié)果評價

納什系數(shù)ENS表示模擬值與實(shí)測值之間的擬合度，決定系數(shù)R2表示實(shí)測值與模擬值之間的吻合程度，通常認(rèn)為ENS越大，R2越高，模型模擬結(jié)果越好，通常認(rèn)為R2高于0.65，ENS高于0.60時，模型模擬精度令人滿意[13-14]。由表2可以看出，無論是校準(zhǔn)期還是驗(yàn)證期，ENS和R2都大于0.70，說明SWAT模型適用于盤古河流域盤古站的徑流模擬。

圖1 校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期月徑流模擬值與實(shí)測值對比

3.2 1987—2011年間盤古河流域土地利用變化

根據(jù)對解譯出的盤古河流域1987,2000和2011年3期土地利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)對比分析，得到各土地利用類型的面積、百分比和動態(tài)度(表3)。

表3 1987—2011年盤古河流域土地利用類型面積變化及動態(tài)度

長期以來，林地和草地一直是盤古河流域主導(dǎo)景觀，然而由于1987年5月6日至6月2日大興安嶺地區(qū)的特大森林火災(zāi)，1987年土地利用數(shù)據(jù)中林地面積僅為1 132.85 km2，僅占流域面積的35.33%，裸地面積達(dá)1 305.48 km2，占流域總面積的40.71%。隨著多年的恢復(fù)，2000年土地利用數(shù)據(jù)中林地面積為1 745.96 km2，草地面積為1 275.54 km2，相較于1987年面積分別增加了613.11和534.61 km2，年變化面積分別為47.16和41.12 km2/a，動態(tài)度分別為4.16%和5.55%。2011年土地利用數(shù)據(jù)中林地面積為2 414.52 km2，草地面積為689.41 km2，相較于2000年林地面積增加了668.56 km2，草地面積減少了586.09 km2，年變化面積分別為60.78和-53.29 km2/a，動態(tài)度分別為3.48%和-4.18%。1987—2011年期間，與林地面積增長相對應(yīng)，裸地面積不斷減少，由1987年的1305.48 km2減少到2011年的90.46 km2，同時耕地面積不斷增長，居民區(qū)和水體面積總體呈下降趨勢。

由于盤古河流域出口23站自1986年撤銷流量觀測，本研究采用徑流數(shù)據(jù)為流域內(nèi)盤古站觀測數(shù)據(jù)，因而需進(jìn)一步分析盤古站集水面積上流域土地利用變化情況。盤古站集水面積上各土地利用類型面積及百分比見表4。

表4 1987—2011年盤古站集水面積

由表4可以看出，1987—2011年期間，林地面積由856.90 km2增長到1 056.83 km2，面積增加了近總集水面積的20%；裸地面積由83.65 km2下降為28.75 km2，面積由占集水面積的6.61%下降為2.27%；草地面積則經(jīng)歷了先增加后減少的過程，由1987年的318.64 km2增加到2000年的401.13 km2，再減少到2011年的176.35 km2；水體及居民區(qū)面積變化較小。

3.3 盤古河流域土地利用變化的水文響應(yīng)分析

利用盤古河流域1987,2000和2011年3期土地利用數(shù)據(jù)，采用相同的氣象、土壤數(shù)據(jù)，僅改變土地利用輸入，分別模擬盤古站1988—2012年的徑流過程，得到3期土地利用條件下月徑流過程(圖2)，通過對比分析得到流域土地利用變化對水文過程的影響。

圖2 3期土地利用情景下月徑流模擬值對比

模擬得到的不同土地利用情景下的多年平均徑流深、多年平均汛期徑流深(6—9月)和多年平均最大月徑流深(7月)結(jié)果及變化情況見表5。在1987年土地利用情景下，盤古站多年平均徑流深為217.81 mm，其中多年平均汛期徑流深為155.84 mm，多年平均最大月徑流深為48.49 mm；在2000年土地利用情景下，盤古站多年平均徑流深為216.87 mm，其中多年平均汛期徑流深為153.31 mm，多年平均最大月徑流深為47.50 mm；在2011年土地利用情景下，盤古站多年平均徑流深為215.36 mm，其中多年平均汛期徑流深為151.37 mm，多年平均最大月徑流深為46.07 mm。

表5 3期土地利用情景下模擬的徑流深

3種情景下汛期(6—9月)流量占全年總徑流量的比例都在70%左右，分別為71.55%,70.69%和70.29%，表明隨著林草地面積的增加，占比呈下降趨勢。1987年到2000年，主要土地利用類型變化為由裸地向草地林地轉(zhuǎn)化，多年平均徑流量下降了0.43%，汛期徑流深下降了1.62%，最大月徑流量下降了2.04%；2000—2011年，主要土地利用類型變化為由草地向林地轉(zhuǎn)化，多年平均徑流量下降了0.70%，汛期徑流量下降了1.27%，最大月徑流量下降了3.01%。1987—2011年，盤古站集水面積上林地面積增加了20%，多年平均徑流量下降了1.12%，汛期徑流量下降了2.87%，最大月徑流量下降了4.99%。結(jié)果表明，隨著流域林地面積的增加，流域徑流呈下降趨勢；年徑流量、汛期徑流量和最大月徑流量對土地利用變化的響應(yīng)程度呈增加趨勢。

4 結(jié) 論

為研究土地利用變化對流域徑流的影響，利用1987,2000和2011年3期土地利用數(shù)據(jù)和流域1988—2012年水文氣象資料，建立SWAT模型對徑流進(jìn)行模擬。模型在校準(zhǔn)期納什系數(shù)為0.71，決定系數(shù)為0.71；驗(yàn)證期納什系數(shù)為0.73，決定系數(shù)為0.76，表明SWAT模型適用于盤古河流域的徑流模擬。

1987—2000年期間，盤古河流域主要土地利用變化為裸地面積減少，林地、草地面積增加，年變化量分別為-88.07，47.16和41.12 km2/a。2000—2011年期間，盤古河流域主要土地利用變化為草地面積減少，林地面積增加，年變化量分別為-53.29，60.78 km2/a。多年主要土地利用變化為裸地向草地、林地轉(zhuǎn)化。

針對1987，2000和2011年3期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行的徑流模擬結(jié)果說明：當(dāng)流域林地面積增加時，盤古站年徑流量、汛期徑流量及最大月徑流量均呈下降趨勢且響應(yīng)程度增加，同時汛期流量占全年總徑流量的比例呈下降趨勢。

[1] 王茂運(yùn),謝朝勇.變化環(huán)境下的水資源安全問題探討[J].中國水運(yùn),2013(4):210-211.

[2] 李麗娟,姜德娟,楊俊偉,等.陜西大理河流域土地利用/覆被變化的水文效應(yīng)[J].地理研究,2010,29(7):1233-1243.

[3] 王中根,鄭紅星,劉昌明,等.黃河典型流域分布式水文模型及應(yīng)用研究[J].中國科學(xué)(E輯):技術(shù)科學(xué),2004,34(S1):49-59.

[4] Srinivasan R, Arnold J G, Jones C A. Hydrologic modelling of the United States with the soil and water assessment tool[J]. International Journal of Water Resources Development, 1998,14(3):315-325.

[5] Arnold J G, Allen P M. Estimating hydrologic budgets for three Illinois watersheds[J]. Journal of Hydrology, 1996,176(1):57-77.

[6] 張圣微,雷玉平,姚琴,等.土地覆被和氣候變化對拉薩河流域徑流量的影響[J].水資源保護(hù),2010,26(2):39-44.

[7] 郝振純,蘇振寬.土地利用變化對海河流域典型區(qū)域的徑流影響[J].水科學(xué)進(jìn)展,2015,26(4):491-499.

[8] 史曉亮,李穎,趙凱,等.諾敏河流域土地利用與覆被變化及其對水文過程的影響[J].水土保持通報,2013,33(1):23-28.

[9] 郝芳華,陳利群,劉昌明,等.土地利用變化對產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響分析[J].水土保持學(xué)報,2004,18(3):5-8.

[10] 王根緒,張鈺,劉桂民,等.馬營河流域1967—2000年土地利用變化對河流徑流的影響[J]. 中國科學(xué)(D輯):地球科學(xué),2005,35(7):671-681.

[11] Saxton K E, Rawls W J. Soil water characteristic estimates by texture and organic matter for hydrologic solutions[J]. Soil Scence Society of America Journal, 2006,70(5):1569-1578.

[12] Moriasi D N, Arnold J G, Van Liew M W, et al. Model evaluation guidelines for system atic-quantification of accuracy in watershed simulations[J]. Transactions of the ASABE, 2007,50(3):885-900.

[13] 龐靖鵬,劉昌明,徐宗學(xué).密云水庫流域土地利用變化對產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響[J].北京師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,46(3):290-299.

[14] 張利平,曾思棟,王任超,等.氣候變化對灤河流域水文循環(huán)的影響及模擬[J].資源科學(xué),2011,33(5):966-974.

Land Use Change Effects on Runoff in Pangu River Basin

ZHAO Xia, HAO Zhenchun

(StateKeyLaboratoryofHydrology&WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China)

[Objective] The objective of the study is to analyze the land use change in Pangu River basin in Daxinganling region and explore the responses of runoff to different land use scenarios and provide the basis for the rational land use planning. [Methods] Using the land use data of 1987, 2000, 2011 and the hydro meteorology data from 1988 to 2012, combining the soil and water assessment tool model, we analyzed response of runoff to land use changes. [Results] The land use changes during period from 1987 to 2011 included a transformation from barren land to forest and grassland, an increase in forest land and a decrease in barren land. The percentage of runoff in flooding season decreases with increasing forest area. The increase in forest area reduced the long-time average annual runoff, the runoff in flooding season and the maximum monthly peak discharge. [Conclusion] The SWAT model could well simulate monthly flow process of the Pangu River basin and the runoff decreased with increasing forest area.

land use change; SWAT model; runoff changes; Pangu River basin

2016-06-21

2016-07-03

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“多尺度水文水資源預(yù)報預(yù)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究”(2016YFC0402704); 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(1069-514031112)

趙霞(1992—),女(漢族),江蘇省洪澤縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗奈锢硪?guī)律模擬及水文預(yù)報。E-mail:541978989@qq.com。

A

1000-288X(2017)01-0083-05

TV121+.2