沙潁河流域水循環(huán)影響要素演變特征分析

韓宇平， 岳影， 穆文彬

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046)

近一個世紀(jì)以來，高頻率的氣候變化和劇烈的人類活動的影響，使水文循環(huán)過程發(fā)生了不同程度的改變[1-4]。土地利用演變特征的研究也逐漸受到全球環(huán)境變化研究者的普遍關(guān)注[5]?；春恿饔虻靥幬覈媳睔夂蜻^渡帶，其干旱、洪澇、旱澇急轉(zhuǎn)事件多發(fā)[6]。沙潁河流域作為淮河流域的最大支流，受氣候變化和人類活動的雙重影響，流域水文循環(huán)過程也發(fā)生著顯著的改變，水旱災(zāi)害日趨嚴(yán)重[7]。本文以沙潁河流域為研究區(qū)，選取與水文循環(huán)過程密切相關(guān)的要素(氣象要素和下墊面)，系統(tǒng)分析年降水量、年均氣溫和年潛在蒸散量的趨勢性、突變性和周期性的變化以及土地利用/覆蓋變化的演變特征。通過對沙潁河流域氣象要素和土地利用/覆蓋變化演變特征的分析，有利于更好地了解沙潁河流域氣象要素的變化特征和掌握土地利用類型的演變規(guī)律，并為相關(guān)部門在應(yīng)對氣候變化和優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)方面提供一定的理論基礎(chǔ)[8]。

1 研究區(qū)概況

沙潁河流域起源于河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣伏牛山地區(qū)，是淮河最大的一條支流，自西向東進(jìn)入安徽省，在安徽省潁上縣沫河口與淮河交匯，河道總長度620 km，流域面積為39 300 km2，約占淮河流域總面積的18%[9]，如圖1所示。該流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫺詺夂?，區(qū)域內(nèi)由于海拔高度不同，溫差變化較大，西部山區(qū)年平均氣溫10.7～12.9 ℃，東部平原區(qū)年平均氣溫為14.5～14.9 ℃；多年平均降水量為650～1 400 mm，6—9月是降雨的集中期，占全年降水量的42%左右[10]。沙潁河流域山丘地區(qū)多年平均蒸發(fā)量為1 170 mm，平原地區(qū)多年平均蒸發(fā)量為1 128 mm[11]。此外，隨著城市化進(jìn)程的加快，不透水面積增加，沙潁河流域的下墊面條件也發(fā)生了改變，如城鎮(zhèn)化率從20世紀(jì)60年代的1.5%增加到2008年的4.6%[12-13]。

圖1 沙潁河流域氣象站點及水系分布

2 資料與研究方法

本研究所采用的氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象共享服務(wù)網(wǎng)[14]，文中選取流域及周邊12個站點1961—2013年的日氣象數(shù)據(jù)，利用泰森多邊形法計算流域尺度的年降水量、年均氣溫和年潛在蒸散量，其中潛在蒸散量由Penman-Monteith[15]法計算得到。

采用5 a滑動平均法分析序列的變化趨勢，并利用Mann-Kendall(M-K)法對該趨勢性進(jìn)行顯著性檢驗。同時，選取M-K法進(jìn)行突變性檢驗。因樣本無需遵從某一特定的正態(tài)分布特征，少數(shù)異常值也對其不產(chǎn)生干擾，計算過程簡單，被廣泛應(yīng)用于水文變量、氣象要素等非正態(tài)分布的趨勢分析中[16-17]。此外，因小波分析能清晰地揭示出隱藏在時間序列中的多種變化周期，充分反映系統(tǒng)在不同時間尺度中的變化趨勢，能對系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢進(jìn)行定向估計，且被廣泛應(yīng)用于氣象和氣候序列的時頻分析中。本文選擇小波函數(shù)對沙潁河流域水文氣象要素進(jìn)行周期性分析[18-19]。

選取沙潁河流域1980年、2000年、2014年3期土地利用的Landsat TM遙感影像，像元大小均為30 m×30 m。在進(jìn)行土地利用類型分類之前，首先在ArcGIS10.5軟件平臺上，對3個時期的遙感圖像進(jìn)行投影、矢量轉(zhuǎn)柵格、剪切、拼接和重分類；并將研究區(qū)土地利用類型歸結(jié)為6類，分別為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地以及未利用土地；為了更具體地了解沙潁河流域1980—2014年來土地利用類型的內(nèi)部變化情況，本文基于GIS數(shù)據(jù)處理平臺，疊加各時期土地利用現(xiàn)狀圖，得出沙潁河流域1980—2014年不同時期土地利用類型轉(zhuǎn)移分布圖，統(tǒng)計分析不同時期土地利用轉(zhuǎn)移狀況，從而對沙潁河流域土地利用類型演變規(guī)律進(jìn)行分析[20-23]。

3 結(jié)果分析

3.1 氣象要素演變特征分析

3.1.1 趨勢性分析

1961—2013年沙潁河流域各氣象要素的年際變化趨勢如圖2所示。由圖2(a)可知，沙潁河流域的年降水量呈不顯著的減—增—減的變化趨勢，分別在20世紀(jì)80年代中后期和90年代后期發(fā)生轉(zhuǎn)折。在顯著性水平α=0.05下，統(tǒng)計量|Z|=0.072 8，小于Z0.05=0.225 0(Z0.05表示在α=0.05下對應(yīng)的Z值統(tǒng)計量)，說明流域年降水量整體變化趨勢不顯著。由圖2(b)可知，沙潁河流域的年均氣溫變化整體呈現(xiàn)出減—增的變化趨勢(|Z|=3.290 0>Z0.05=0.225 0)，其中在20世紀(jì)60年代至80年代末期該年平均氣溫略有減少，自90年代初快速增加。從圖2(c)可看出，沙潁河流域的年潛在蒸散量表現(xiàn)為減少態(tài)勢，且變化趨勢非常顯著(|Z|=2.260 0>Z0.05=0.225 0)，在90年代中期發(fā)生轉(zhuǎn)折。

圖2 1961—2013年沙潁河流域氣象要素變化趨勢

3.1.2 突變性分析

沙潁河流域氣象要素的M-K檢驗結(jié)果如圖3所示，其中,UF為M-K突變檢驗中按時間正序計算出的統(tǒng)計量序列,UB為按時間逆序計算出的統(tǒng)計量序列。由圖3可知，沙潁河流域的年降水量的UF和UB曲線存在多個交點，根據(jù)兩曲線的交點及變化趨勢，可判斷出突變發(fā)生在1982年左右，但變化趨勢不顯著；年均氣溫的突變年份為2001年，并從2008年開始變化非常顯著；年潛在蒸散量的突變發(fā)生在1972年左右，且變化非常顯著。

圖3 1961—2013年沙潁河流域氣象要素的M-K突變檢驗結(jié)果

3.1.3 周期性分析

為進(jìn)一步探究流域各氣象要素在時間尺度下的變化特征，采用Morlet小波分析法計算各氣象要素的小波方差圖，如圖4所示，圖中的極值可以充分表示年降水量、年平均氣溫和年潛在蒸散量的主周期。由圖4可知，年降水量的峰值從大到小依次對應(yīng)的時間尺度為29、18、10 a，分別對應(yīng)第1、第2和第3主周期，并在29 a左右的周期震蕩最強(qiáng)；年平均氣溫和年潛在蒸散量的峰值從大到小依次對應(yīng)的時間尺度均為28、15、7 a，分別對應(yīng)第1、第2和第3主周期，且均在28 a左右的周期震蕩最強(qiáng)。

圖4 1961—2013年沙潁河流域氣象要素的小波方差

3.2 土地利用類型演變特征分析

3.2.1 不同時期土地利用類型對比分析

沙潁河流域3期土地利用情況見表1，現(xiàn)分析沙潁河流域1980年、2000年以及2014年3期的土地利用類型。由表1可知：6類土地利用類型占比順序為耕地>城鄉(xiāng)、工礦、居民用地>林地>草地>水域>未利用土地。與1980年相比，2000年的土地利用面積減小的有耕地、草地、水域和未利用土地，面積增加的有林地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，其中，草地面積減小252.44 km2，耕地面積減小187 km2，居民用地面積增加386.34 km2，其原因在于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的增長，增加了對建設(shè)用地的需求，導(dǎo)致大量耕地和草地向其轉(zhuǎn)化。與2000年相比較，2014年的土地利用類型中面積減小的有耕地、林地、草地以及未利用土地，耕地減少幅度最大，為1 406.02 km2，水域和城鄉(xiāng)+工礦+居民用地面積分別增加80.12 km2和1 658.05 km2。原因在于自1996年開始，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化率大幅度提高，加之毀林開荒現(xiàn)象仍存在，致使耕地、林地等面積減少，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積持續(xù)增加。

表1 沙潁河流域土地利用面積 km2

3.2.2 不同時期土地利用類型轉(zhuǎn)化分析

沙潁河流域1980—2014年每種土地利用類型之間均互有轉(zhuǎn)化。流域1980—2000年和2000—2014年土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣分別見表2和表3。

表2 1980—2000年沙潁河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3 2000—2014年沙潁河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

由表2和表3可知：沙潁河流域參與轉(zhuǎn)移的土地利用面積分別為755.27 km2和8 124.39 km2，占流域總面積的1.92%和20.67%。

1980—2000年和2000—2014年兩個時期的土地利用轉(zhuǎn)移時空分布如圖5所示。由圖5可知:1980—2000年，沙潁河流域的土地利用變化主要發(fā)生在上游地區(qū)；2000—2014年變化較劇烈，土地利用的轉(zhuǎn)變幾乎覆蓋整個流域，尤其是在沙潁河流域河南段。

圖5 沙潁河流域土地利用轉(zhuǎn)移的時間和空間分布

由圖5(a)可知:沙潁河流域1980—2000年的土地利用類型轉(zhuǎn)化較平緩，參與轉(zhuǎn)化的面積僅有1.92%，耕地有377.09 km2的面積轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地；草地轉(zhuǎn)化為耕地和林地的面積分別為116.23 km2和138.55 km2；其他類型雖互有轉(zhuǎn)化，但轉(zhuǎn)化面積較小。

由圖5(b)可知:沙潁河流域2000—2014年的土地利用類型之間轉(zhuǎn)化過程較頻繁，參與轉(zhuǎn)化的面積占20.67%，具體見表3。由表3知：耕地向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)化劇烈，轉(zhuǎn)化面積高達(dá)3 526.04 km2，同時，耕地也轉(zhuǎn)化為林地、草地和水域，轉(zhuǎn)化面積分別為353.15、271.85、311.10 km2；林地大部分轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化面積為519 km2，少部分轉(zhuǎn)化為草地，轉(zhuǎn)化面積為120.56 km2；草地轉(zhuǎn)化為耕地的比例約占轉(zhuǎn)化總面積的56.67%(轉(zhuǎn)化面積308.35 km2)，草地轉(zhuǎn)化為林地的面積為161.52 km2；水域和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地主要向耕地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積分別為235.95 km2和1 990.53 km2。

4 結(jié)語

采用趨勢分析、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗和小波分析法，系統(tǒng)分析了沙潁河流域水循環(huán)過程重要驅(qū)動因子(氣象要素和土地利用)的演變特征，同時，根據(jù)沙潁河流域1980年、2000年和2014年3期土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，得出不同土地利用類型的演變規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)氣象要素。沙潁河流域的年降水量呈不顯著的減—增—減的變化態(tài)勢，降水序列發(fā)生突變的時間為1982年，第1主周期為29 a；年均氣溫在1961—2013年呈顯著減—增的變化趨勢，突變始于2001年，并以28 a左右的周期震蕩最強(qiáng)；年潛在蒸散量在1970年左右開始突變，年際變化表現(xiàn)為顯著減少的態(tài)勢，其變化周期仍以28 a為主。

2)土地利用要素。耕地、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和林地是沙潁河流域1980—2014年間主要的土地利用類型，占比約94%。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人口的持續(xù)增加，土地利用類型轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在耕地與城鄉(xiāng)、工礦、居民用地之間，出現(xiàn)耕地面積逐期減少，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地逐期增加的現(xiàn)象，尤其是2000年以后土地轉(zhuǎn)化更為劇烈。