土地利用變化對潘家口水庫控制流域徑流影響

王博威，李建柱，馮　平

（天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300072）

1　研究背景

自1990年代中期以來，潘家口水庫入庫徑流量呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，實測資料對比表明1984—2003年實測徑流比1956—1983年平均減少了30.8%［1］。其中下墊面變化、上游用水量的增加等對流域水文過程產(chǎn)生了重要的影響［2-3］。但下墊面變化包括地質(zhì)條件、土壤類型、植被覆蓋、土地利用、防洪水保工程等多種形式，其中單純土地利用變化對徑流量減少到底起多大作用，一直沒有明確的定量指標，而且研究土地利用變化對徑流的影響，已成為國內(nèi)外水文科學研究的熱點問題［4-5］。

土地利用類型的變化會影響植被截留、下滲及蒸散發(fā)等水文過程，進而對流域水量平衡產(chǎn)生影響［6-7］。目前，土地利用變化對徑流影響的研究方法主要為現(xiàn)場試驗法和水文模型法。水文模型法由于具有一定的物理基礎(chǔ)，可以考慮水文響應(yīng)過程流域的空間異質(zhì)性，廣泛用于評價土地利用變化下的水文過程［8］。Baker等［9］對肯尼亞Njoro流域的研究顯示，森林面積的減少會引起地表徑流的增加，蒸散發(fā)和地下徑流的減少。Viola等［10］應(yīng)用LASH模型模擬不同土地利用情景下巴西Grande River流域的徑流變化，結(jié)果表明林地向草地的轉(zhuǎn)化會導致蒸散發(fā)和植被截留的減少，進而促使徑流增加。Nigussie等［11］首先利用SLEUTH模型預測不同土地情景下的城市化程度，并應(yīng)用HEC-1模型進行模擬分析，結(jié)果表明城市化面積加大會導致洪峰流量增加及匯流時間縮短，進而提高洪水發(fā)生的可能性。徐蘇等［12］對長江流域的研究表明草場退化、荒漠化及城鎮(zhèn)用地擴張，均會使徑流系數(shù)增加。國內(nèi)已有學者對灤河流域土地利用變化下的水文過程進行研究，史曉亮等［13］利用灤河流域1980年和2000年土地利用數(shù)據(jù)，從子流域的角度研究地表徑流變化與主要景觀類型變化之間的關(guān)系。曾思棟等［14］基于DTVGM-CASACNP和CA-Markov模型模擬了未來不同情景下灤河流域徑流變化，表明2020—2049年間徑流呈現(xiàn)下降趨勢，相對來看汛期徑流對情景變化更為敏感。

目前土地利用變化對徑流影響的研究，大多分析土地利用變化對流域徑流量的綜合影響［15］，對流域內(nèi)土地利用空間變化引起的水文分量空間變化分析較少。本文基于SWAT模型［16］從水文響應(yīng)單元角度，分析土地利用變化對流域徑流變化及水文分量空間分布的影響。以潘家口水庫控制流域為研究對象，應(yīng)用1970、1980、1995和2010年土地利用數(shù)據(jù)，綜合分析土地利用時空變化特征，結(jié)合SWAT模型研究不同土地利用情景下的徑流變化，定量評估單純土地利用變化對潘家口水庫控制流域徑流變化的影響，以期為研究區(qū)域優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)與水資源規(guī)劃管理提供依據(jù)。

2　研究區(qū)域概況

潘家口水庫位于河北省唐山市與承德地區(qū)的交界處，是“引灤入津”的主體工程，潘家口水庫控制流域面積33 700 km2，占灤河流域總面積的75%（圖1）。潘家口水庫上游主要支流有閃電河、小灤河、伊遜河、興洲河、武烈河、老牛河、柳河、瀑河等。流域地形呈西北高東南低，海拔高度范圍為114～2215 m，平均坡降20.81%。流域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂颍嗄昶骄鶜鉁?.5℃，多年平均降水量531 mm，年內(nèi)分配不均，空間分布呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢［17］。流域的土地利用類型為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用土地，其中林地、草地和耕地占據(jù)主導地位，占流域總面積的94%以上。流域的主要土壤類型為棕壤和褐土。

圖1　研究區(qū)域及水文氣象站位置圖

3　SWAT模型構(gòu)建及適用性分析

3.1數(shù)據(jù)來源SWAT模型的構(gòu)建需要數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）、土壤數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)及水文氣象數(shù)據(jù)。數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）來源于中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，空間分辨率為30 m；土壤數(shù)據(jù)資料來源于HWSD土壤數(shù)據(jù)庫（http：//www.fao.org），比例為1∶100萬；土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院遙感應(yīng)用研究所提供的1970、1980、1995和2010年數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）多倫、圍場、承德及青龍氣象站（圖1）1959—2011年逐日氣象數(shù)據(jù)，包括平均風速、日照時數(shù)、平均相對濕度、最低和最高氣溫等數(shù)據(jù)；降水和徑流數(shù)據(jù)均來源于《中華人民共和國水文年鑒灤河流域水文資料》，降水數(shù)據(jù)選用選將營子、波羅諾、三道河子等10個雨量站（圖1）1959—2011年逐日數(shù)據(jù)，徑流數(shù)據(jù)選用三道河子（灤河流域）、韓家營（伊遜河流域）、承德（武烈河流域）及下板城（老牛河流域）水文站（圖1）實測月徑流數(shù)據(jù)，其中三道河子站和承德站的徑流數(shù)據(jù)長度為1959—2011年，韓家營站為1959—2003年，下板城站為1968—2011年。

3.2模型構(gòu)建SWAT模型首先根據(jù)地形和最小集水面積（Critical Source Area，CSA）閾值將整個流域劃分成若干個子流域，并根據(jù)土地利用、土壤類型和坡度閾值劃分各子流域的水文響應(yīng)單元（Hydro-logic Response Units，HRUs），然后各水文響應(yīng)單元獨立計算產(chǎn)匯流過程，匯總至河網(wǎng)得到流域的總徑流。文中CSA閾值取400 km2，將研究區(qū)域劃分成34個子流域。劃分水文響應(yīng)單元時將土地利用、土壤類型和坡度閾值均設(shè)置為0，利用SWAT模型自動生成各水文響應(yīng)單元的空間位置信息。

3.3模型適用性分析研究表明［17-18］，灤河流域徑流序列的突變點為1979年，可認為1979年前的徑流受人類活動影響較?。?，19］。因此，為了單純評估土地利用變化對徑流的影響，以1970年土地利用數(shù)據(jù)為下墊面條件，進行模型參數(shù)率定，并選取1959—1960年作為模型預熱期，1961—1975年為率定期，1976—1979年為驗證期。選擇3.1節(jié)4個水文站，設(shè)定迭代次數(shù)為2000次，最終選用的率定參數(shù)及其取值如表1所示。

表1　SWAT模型率定參數(shù)及各流域取值

采用相關(guān)系數(shù)R2、Nash-Sutcliffe系數(shù)Ens評價模型在研究區(qū)域的適用性，得到各水文站率定期和驗證期月徑流實測值和模擬值對比圖（圖2）和適用性評價結(jié)果（表2）。根據(jù)模擬結(jié)果，各水文站率定期和驗證期R2和Ens均高于0.51，其中承德站率定期和下板城站驗證期的R2和Ens均高于0.80，模型適用性較好，可用于模擬研究區(qū)域的水文過程。

表2　模型月徑流模擬結(jié)果評價

4　結(jié)果和分析

4.1土地利用變化分析將土地利用數(shù)據(jù)進行重分類，研究區(qū)域土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地及未利用土地，各時期不同類型土地利用面積比例如圖3所示。林地、草地和耕地是研究區(qū)域主要的土地利用類型，占流域總面積的94%以上，水域、建設(shè)用地及未利用土地所占比例較小。1970—2010年間研究區(qū)域林地面積持續(xù)增加，尤其在1995—2010年間大幅度增長，林地所占比例由40.47%上升至60.64%，成為絕對優(yōu)勢的土地利用類型。草地和耕地面積在1970—1980年間小幅增加，而在1980—2010年持續(xù)減少，草地所占比例由33.42%下降至19.78%，耕地所占比例由21.46%下降至15.23%。這與流域大規(guī)模退耕還林實際情況相符。水域面積1970—1980年間縮小73.2%，而在1980—2010年間變化不大。建設(shè)用地1970—1995年間所占比例穩(wěn)定在0.3%，1995—2010年間由0.35%增加至1.65%，增加4.7倍。

將1970、1980、1995和2010年土地利用數(shù)據(jù)進行順次空間疊加分析，得到各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移量（表3）和空間變化（圖4）。

圖2　各水文站月徑流實測值和模擬值對比

圖3　研究區(qū)域各時期土地利用面積比例

圖4　研究區(qū)域土地利用空間變化

1970—1980年間，土地利用變化主要體現(xiàn)為水域向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)化，導致水域面積大幅減小，其他土地利用類型面積均有增加。1980—1995年間，土地利用變化主要體現(xiàn)為林地、草地和耕地之間的相互轉(zhuǎn)化。林地向草地及耕地的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在灤河子流域北部、武烈河子流域和伊遜河子流域。草地向林地及耕地的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在灤河子流域西部及老牛河子流域等研究區(qū)域下部。耕地向林地及草地的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在伊遜河子流域。1995—2010年間，土地利用變化主要體現(xiàn)為林地、草地和耕地之間的相互轉(zhuǎn)化以及各土地利用類型向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。林地向草地及耕地的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在灤河子流域北部和研究區(qū)域下部。草地向林地的轉(zhuǎn)化遍布整個研究區(qū)域，其中主要在灤河子流域北部、武烈河子流域和伊遜河子流域，草地向耕地的轉(zhuǎn)化發(fā)生在研究區(qū)域下部。耕地向草地的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在灤河子流域北部，耕地向林地的轉(zhuǎn)化遍布整個研究區(qū)域。各土地利用類型向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在灤河子流域北部和研究區(qū)域下部。

表3　研究區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣?。▎挝唬簁m2）

4.2土地利用變化對流域水文過程空間上的影響本文從水文響應(yīng)單元的角度分析土地利用變化對流域水文過程空間上的影響。由于缺少潘家口入庫實測徑流數(shù)據(jù)，本文選用灤河、伊遜河、武烈河及老牛河4個子流域，這4個子流域占研究區(qū)域面積的82.12%，能夠較好地反映土地利用變化對潘家口水庫控制流域水文過程的影響。保持氣候輸入和土壤輸入不變，利用率定驗證后的SWAT模型參數(shù)分別模擬1970、1980、1995和2010年4期土地利用情景下各流域1959—2011年的徑流過程，得到1970—1980年、1980—1995年及1995—2010年3個時段各水文響應(yīng)單元多年平均產(chǎn)流量和多年平均蒸發(fā)量的空間分布變化（圖5）。結(jié)合土地利用空間變化（圖4）可以看出：1970—1980年間水域向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)化使得產(chǎn)流量增加50 mm左右，蒸發(fā)量減少700～1020 mm；1980—1995年間伊遜河子流域內(nèi)耕地向草地的轉(zhuǎn)化使得產(chǎn)流量減少10～50 mm，蒸發(fā)量減少10 mm以內(nèi)；武烈河子流域內(nèi)林地向草地的轉(zhuǎn)化使得產(chǎn)流量增加10 mm以內(nèi)、蒸發(fā)量減少10 mm以內(nèi)；1995—2010年間研究區(qū)域內(nèi)草地向林地的轉(zhuǎn)化使得產(chǎn)流量減少10 mm以內(nèi)、蒸發(fā)量增加10 mm以內(nèi)；武烈河子流域建設(shè)用地擴張使得產(chǎn)流量增加50～100 mm，蒸發(fā)量減少10 mm以內(nèi)；灤河子流域內(nèi)其他類型變化同樣使得產(chǎn)流量減少10～50 mm，蒸發(fā)量增加10 mm以內(nèi)。

4.3土地利用變化對流域徑流的影響統(tǒng)計4期土地利用情景下各子流域的多年平均徑流量及其變化率（表4）。各子流域多年平均徑流量總體上呈現(xiàn)下降的趨勢，灤河、伊遜河、武烈河及老牛河4個子流域2010年情景下多年平均徑流量較1970年情景下分別減少0.79%、3.92%、17.44%及3.28%，平均減少了6.36%。分析原因在于各子流域內(nèi)耕地及草地向林地轉(zhuǎn)化，使得流域產(chǎn)流減少。其中武烈河子流域多年平均徑流量減少17.44%，可見其徑流量對土地利用變化最為敏感。

圖5　多年平均產(chǎn)流及多年平均蒸發(fā)變化空間分布

表4　不同情景下各子流域模擬多年平均徑流量及變化率

圖6　不同情景下典型水文年徑流量模擬

4.4土地利用變化對典型水文年徑流的影響以徑流量對土地利用變化最為敏感的承德站（武烈河子流域）為例，根據(jù)流域雨量站降雨數(shù)據(jù)頻率分析，25%、50%和75%頻率的降水量分別為573.01、503.41和436.58 mm，因此選取1998年、1970年和1988年作為典型的豐水、平水和枯水年。不同情景下典型水文年徑流量模擬結(jié)果（圖6）表明，典型水文年徑流量變化與武烈河子流域多年平均徑流量變化趨勢相同，1970—1980年土地利用變化下各典型水文年多年平均徑流量小幅增加0.10%左右、1980—1995年及1995—2010年土地利用變化下各典型水文年多年平均徑流量減小，2010年土地利用情景下豐水、平水和枯水年模擬徑流量較1970年情景下分別減少5.02%、20.47%和20.55%。土地利用變化對武烈河子流域典型水文年徑流的影響程度：枯水年＞平水年＞豐水年。

4.5土地利用變化對流域水文要素變化的影響以水文響應(yīng)單元為研究對象，分析不同土地利用下流域主要水文要素的變化，根據(jù)1970—1980年、1980—1995年及1995—2010年3個時段產(chǎn)流和蒸發(fā)的空間分布變化，可以得到土地利用變化對多年均產(chǎn)流量及蒸發(fā)量的影響（表5）。

草地、耕地向林地轉(zhuǎn)移使得產(chǎn)流量分別平均減少6.19和31.12 mm，蒸發(fā)量分別平均增加0.79和0.94 mm，使得各子流域多年平均徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢。其他土地利用類型向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化使得產(chǎn)流增加量超過50 mm。各土地利用類型的產(chǎn)流量大?。航ㄔO(shè)用地＞未利用土地＞耕地＞草地＞林地；蒸發(fā)量大小：水域＞林地＞耕地＞草地＞未利用土地＞建設(shè)用地。

表5　多年平均產(chǎn)流量及蒸發(fā)量變化?。▎挝唬簃m）

5　結(jié)論

（1）構(gòu)建潘家口水庫控制流域的SWAT模型，為了單純評估土地利用變化對徑流的影響，以灤河流域1970年土地利用數(shù)據(jù)為下墊面條件，通過三道河子、韓家營、承德及下板城水文站的實測月徑流資料對模型進行率定和驗證，結(jié)果表明模型能較好地模擬研究區(qū)域的水文過程。

（2）對1970、1980、1995和2010年土地利用數(shù)據(jù)進行分析，林地、草地和耕地是主要的土地利用類型，占總面積的94%以上。土地利用變化存在時空差異，1970—1980年間主要為水域向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)化，1980—1995年間主要為林地、草地和耕地之間的相互轉(zhuǎn)化，1995—2010年間主要為林地、草地和耕地之間的相互轉(zhuǎn)化以及各土地利用類型向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。

（3）4期土地利用情景下，土地利用變化空間差異導致主要水文要素空間變化的差異性。土地利用變化對武烈河子流域典型水文年徑流的影響程度：枯水年＞平水年＞豐水年。各土地利用類型的產(chǎn)流量大?。航ㄔO(shè)用地＞未利用土地＞耕地＞草地＞林地；蒸發(fā)量大?。核颍玖值兀靖兀静莸兀疚蠢猛恋兀窘ㄔO(shè)用地。

（4）盡管在流域降雨量變化趨勢不明顯的情況下［17］，灤河潘家口水庫控制流域徑流量呈現(xiàn)顯著下降的趨勢［1］，但單純土地利用變化對流域徑流變化的影響并不是太大，其影響僅使徑流量平均減少6.36%。其中武烈河子流域影響較為顯著，使徑流量減少17.44%，灤河子流域影響較小，使徑流量減少0.79%。影響潘家口水庫入庫徑流變化的主要因素應(yīng)該是上游中小水庫、塘壩等工程的修建，及工農(nóng)業(yè)和城市用水量的大幅度增加等［20］。這一結(jié)論為區(qū)域優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)與水資源規(guī)劃管理提供了依據(jù)。

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