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    渭河流域土地利用變化對(duì)徑流的影響

    2020-10-12 14:29葛志楠郝潔鞠琴董小濤郝振純
    人民黃河 2020年6期
    關(guān)鍵詞:土地利用

    葛志楠 郝潔 鞠琴 董小濤 郝振純

    摘?要:近年來土地利用變化在人類活動(dòng)影響下越趨明顯,對(duì)其引起的水文循環(huán)變化的研究也受到越來越多的重視。為定量分析渭河流域咸陽站以上流域土地利用變化對(duì)徑流的影響,根據(jù)1965—2015年徑流長系列數(shù)據(jù)分析徑流變化趨勢及突變點(diǎn)?;?986年、2000年和2015年3期土地利用數(shù)據(jù),分析了土地利用面積及動(dòng)態(tài)變化特征,結(jié)合SWAT模型,在1986年和2015年土地利用情景的基礎(chǔ)上,定量分析了土地利用變化對(duì)徑流的影響。結(jié)果表明:20世紀(jì)90年代初期流域徑流發(fā)生突變;SWAT模型在渭河流域適用性良好;林地、草地和耕地為流域主要用地類型,耕地面積減小22%,主要轉(zhuǎn)化為林地和草地,城鎮(zhèn)用地增加顯著;渭河流域土地利用變化對(duì)徑流存在抑制作用,其影響小于10%。

    關(guān)鍵詞:徑流量;土地利用;SWAT模型;渭河流域

    中圖分類號(hào):P341文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.002

    Impact of Land Use Change on Runoff in Weihe River Basin

    GE Zhinan1,2, HAO Jie3, JU Qin1,2, DONG Xiaotao4, HAO Zhenchun1,2

    (1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;

    2.Joint International Research Laboratory of Global Change and Water Cycle, Hohai University, Nanjing 210098, China;

    3.Materials and Structural Engineering Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;

    4.Bureau of Comprehensive Development, Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China)

    Abstract: The trend of land use change caused by human activities has become obvious in recent years, and the research on the changes in the hydrological cycle caused by land use change has received more and more attention. In order to quantitatively analyze the impact of land use change on runoff in the region above the Xianyang station in Weihe River basin, this research analyzed the trend and the abrupt point of runoff using the measured data of long-term sequence from 1965 to 2015. Based on the land use data of 1986, 2000 and 2015, the area and dynamic change characteristics were analyzed respectively. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was applied to quantitatively analyze the impact of land use change on runoff based on the land use scenarios in 1986 and 2015. The results show that the runoff is abrupt in the early 1990s. The SWAT model has suitable application in Weihe River basin. The woodland, grassland and farmland are the main types of land use in the basin, and the farmland area is reduced by 22%, which is mainly converted into woodland and grassland. The area of urbanland is significantly increased. The land use change of Weihe River basin has a restraining effect on runoff and the contribution of which to runoff variation is less than 10%.

    Key words: runoff; land use; SWAT model; Weihe River basin

    1?引?言

    土地利用和土地覆被變化(LUCC)已成為國際水文組織的核心研究領(lǐng)域[1]。人類活動(dòng)是驅(qū)使土地利用變化的主要因素,尤其是城市化進(jìn)程加快導(dǎo)致下墊面條件發(fā)生改變,土地利用方式隨之改變,這對(duì)流域水文產(chǎn)生了重大影響[2]。

    渭河是黃河第一大支流,隨著人類社會(huì)的迅速發(fā)展,水利、水保工程的建設(shè)及其他工程措施使其水資源量明顯減少,渭河流域的下墊面發(fā)生了重大變化。魏紅義等[3]認(rèn)為氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)渭河流域徑流量的影響各占1/2,流域徑流量呈明顯減小趨勢;楊潔等[4]基于3期遙感影像資料,分析了渭河流域土地利用類型、土地利用動(dòng)態(tài)度,認(rèn)為耕地、林地和草地是渭河流域3種主要的土地利用類型,土地利用動(dòng)態(tài)度存在區(qū)域差異。由于渭河流域下墊面條件十分復(fù)雜,氣象站點(diǎn)分布稀疏,因此開展針對(duì)流域尺度的水文過程模擬研究不失為一種有效的方法。黎云云等[5]通過構(gòu)建SWAT模型定量分析得出渭河流域近20 a土地利用變化對(duì)徑流影響小于15%。

    渭河流域咸陽站以上部分位于北緯33.7°—36.2°、東經(jīng)104.0°—108.7°之間,流域面積為46 827 km2;多年平均降水量為566.6 mm,降水量年內(nèi)差異較大,其中6—9月占60%,冬季降雨較少,春旱、伏旱頻繁;流域徑流年內(nèi)分配極不均勻,主要集中在汛期,占全年的50%以上[6]。根據(jù)渭河干流上游林家村水文控制站和中游咸陽水文控制站,將流域劃分為2個(gè)子流域,分別為渭河干流上游、干流中游,如圖1所示。

    筆者運(yùn)用SWAT模型對(duì)渭河咸陽站以上流域進(jìn)行模擬,對(duì)流域進(jìn)行分區(qū),通過對(duì)1965—2015年的徑流序列進(jìn)行趨勢和突變分析,確定1979—1989年為模擬期,模擬了11 a間的徑流情況。對(duì)比1986年和2015年土地利用資料,分析土地利用變化情況,將兩期土地利用資料代入模型模擬2006—2015年的月徑流量,定量分析土地利用變化對(duì)渭河流域徑流的影響。

    2?數(shù)據(jù)來源及分析

    2.1?水文氣象數(shù)據(jù)

    徑流資料來源于黃河流域水文年鑒,收集了林家村、咸陽水文站1965—2015年的年徑流資料、1979—1989年的逐月徑流資料。氣象資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng),下載了1960—2015年寶雞、佛坪、西安、武功、長武、岷縣、平?jīng)?、西吉、華家?guī)X、臨洮、天水等11個(gè)氣象站(見圖1)的日降水量、平均氣壓、風(fēng)速、日最高和最低氣溫、日照時(shí)長、相對(duì)濕度和太陽輻射等數(shù)據(jù)。

    2.2?地理空間數(shù)據(jù)

    構(gòu)建SWAT模型所需的空間數(shù)據(jù)包括數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)(DEM)、土地利用數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)分辨率為30 m。通過地理空間數(shù)據(jù)云下載的3期Landsat TM遙感影像解譯得到1986年、2000年、2015年土地利用情況,如圖2所示,包含林地、草地、耕地、水域、城鎮(zhèn)用地和裸地等6種類型。

    土壤數(shù)據(jù)來自HWSD全球土壤數(shù)據(jù)庫1∶100萬中國土壤數(shù)據(jù)集,以渭河流域?yàn)檫吔鐚?duì)土壤圖進(jìn)行裁剪得到,如圖3所示。土壤類型主要包括石灰性始成土、淋溶性鈣土、堆墊旱耕人為土、肥熟旱耕人為土、普通灰色森林土等33種。

    2.3?徑流量年際變化

    1965—2015年林家村站和咸陽站徑流量年際變化如圖4所示??梢钥闯?,渭河流域咸陽站徑流量年際波動(dòng)較大,年徑流量最大值可達(dá)77.22億m3,最小值為5.28億m3,多年平均徑流量為34.46億m3,變化率為-0.60億m3/a;林家村站徑流量年際變化與咸陽站基本同步,波動(dòng)較大,年徑流量最大值達(dá)47.62億m3,最小值為0.84億m3,多年平均徑流量為15.32億m3,變化率為-0.59億m3/a。兩站流量變化速率基本相同,流域徑流量總體呈下降趨勢。將時(shí)間序列按年代劃分為5個(gè)時(shí)段,分別為1965—1969年、1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年和2000—2015年。兩站的年徑流量均在20世紀(jì)90年代下降最為顯著,且在2000年之后呈略微上升趨勢。

    2.4?年際變化趨勢

    2.4.1?Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法

    Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法(以下簡稱M-K法)適用于平穩(wěn)的獨(dú)立隨機(jī)同分布序列[7]。

    給定置信水平,=0.05和=0.01分別是趨勢顯著和極顯著的分界點(diǎn)。當(dāng)統(tǒng)計(jì)量Z 滿足|Z|≥Z1-2時(shí),序列有明顯變化趨勢,Z為正表明有上升趨勢,Z為負(fù)表明有下降趨勢[8];當(dāng)統(tǒng)計(jì)量UF<0時(shí),序列有上升趨勢,UF<0時(shí),序列有下降趨勢,當(dāng)UF超過顯著性水平臨界線時(shí),上升或下降趨勢顯著;若UF和UB曲線出現(xiàn)交點(diǎn)且位于置信度區(qū)間內(nèi),則該交點(diǎn)是可能突變點(diǎn)[8]。

    2.4.2?Pettitt突變檢驗(yàn)法

    Pettitt法是一種對(duì)存在變化趨勢的序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)的非參數(shù)方法,該檢驗(yàn)使用Mann-Whitney統(tǒng)計(jì)量Ut,N來檢驗(yàn)要素的均值變化,從而確定突變時(shí)間[9]。顯著性水平可表示為p=2exp(-6Ut,N|max/N3+N2),當(dāng)Ut,N達(dá)到最大值且p≤0.05時(shí),認(rèn)為該點(diǎn)是顯著變異點(diǎn)[10]。

    2.4.3?年際變化趨勢分析

    采用M-K法分別對(duì)林家村站和咸陽站的徑流序列進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)和突變點(diǎn)檢驗(yàn)。林家村站Z=-3.19,咸陽站Z=-5.46,|Z|≥2.58,均通過了=0.01的顯著性檢驗(yàn),表明徑流量呈極顯著減小趨勢。由UF和UB曲線(圖5)來看,林家村站徑流的突變點(diǎn)在1989年,而咸陽站徑流的可能突變點(diǎn)在20世紀(jì)80年代初期。

    采用Pettitt法進(jìn)一步對(duì)兩站徑流序列進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn),結(jié)果如圖6所示。林家村站在1994年統(tǒng)計(jì)量Ut,N達(dá)到最大值739,顯著性水平p=6.02×10-11;咸陽站在1993年統(tǒng)計(jì)量Ut,N達(dá)到最大值499,顯著性水平p=3.19×10-5,兩站最大統(tǒng)計(jì)量均超過了顯著性水平值,且都滿足p≤0.05的標(biāo)準(zhǔn),即林家村站徑流突變點(diǎn)為1994年,咸陽站徑流突變點(diǎn)為1993年。

    綜合分析渭河流域徑流量變化趨勢及突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果,將渭河流域徑流突變點(diǎn)定位在20世紀(jì)90年代初,所以選取1979—1989年作為SWAT模型模擬期。

    3?SWAT模型構(gòu)建及模擬效果評(píng)價(jià)

    3.1?SWAT模型簡介及構(gòu)建

    SWAT模型是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)開發(fā)的分布式水文模型[11],具有很強(qiáng)的物理機(jī)制,能夠利用遙感和地理等空間信息,模擬分析土地利用、多種土地管理措施對(duì)流域水文、泥沙的影響[12]。

    在模擬過程中,首先根據(jù)地形SWAT模型,通過輸入的DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算生成流域的面積、坡度、平均高程、地表徑流流量及流向等信息,根據(jù)提取的流域信息自動(dòng)生成河網(wǎng)。筆者參考前人研究成果[13],結(jié)合實(shí)際情況,將集水面積閾值設(shè)為70 000 hm2,即生成的子流域面積大于70 000 hm2,渭河流域共模擬生成54個(gè)子流域,最終生成流域的面積為45 828.5 km2,而渭河流域?qū)嶋H面積為46 827 km2,誤差僅為2.1%。

    水文響應(yīng)單元(HRU)是SWAT模型計(jì)算的最小單元,在模型劃分HRU時(shí),需設(shè)置土地利用、土壤面積及坡度等級(jí)閾值,模型將根據(jù)設(shè)定的閾值,對(duì)子流域土地利用、土壤面積和坡度等級(jí)中大于設(shè)定閾值的類型創(chuàng)建HRU。筆者根據(jù)渭河流域?qū)嶋H情況,設(shè)置土地利用閾值為10%,土壤面積閾值為15%,坡度等級(jí)閾值為10%,將渭河流域最終劃分為459個(gè)HRU。

    3.2?模擬效果評(píng)價(jià)

    采用SWAT-CUP軟件進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)選及率定,選取21個(gè)敏感性參數(shù)。加載1986年土地利用數(shù)據(jù),結(jié)合流域兩個(gè)分區(qū)出口控制站林家村站和咸陽站1979—1989年逐月實(shí)測徑流量(1979年資料用于模型預(yù)熱),分別對(duì)林家村站和咸陽站1980—1984年和1985—1989年的月徑流量進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)Ens、相對(duì)誤差Re和判定系數(shù)R2來評(píng)價(jià)模型的適用性。通常,Ens大于0.70、R2大于0.70、Re小于20%,即可認(rèn)為模型模擬效果較好。

    模型評(píng)價(jià)結(jié)果見表1,可以看出,林家村站率定期和驗(yàn)證期的判定系數(shù)分別為0.906和0.808,Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別達(dá)到0.903和0.766,徑流量相對(duì)誤差分別為-4.9%和-2.0%;咸陽站率定期和驗(yàn)證期的判定系數(shù)分別為0.897和0.750,Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別達(dá)到0.890和0.743,徑流量相對(duì)誤差分別為-4.6%和0.5%。兩站率定期和驗(yàn)證期的判定系數(shù)和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)均大于0.7,表明模擬值接近觀測值,且擬合度較高,模型表現(xiàn)良好。

    徑流過程模擬結(jié)果與實(shí)測徑流過程對(duì)比,如圖7所示??梢钥闯觯琒WAT模型在林家村站和咸陽站的模擬效果整體良好,能夠基本反映渭河流域的徑流過程。徑流與降水也有較好的一致性,當(dāng)降水量較大時(shí),流量明顯較大。無論是率定期還是驗(yàn)證期,實(shí)測值和模擬值的擬合程度均較高,表明SWAT模型在渭河流域有一定的適用性。

    4?土地利用變化特征及其對(duì)徑流的影響

    4.1?土地利用面積變化

    對(duì)解譯衛(wèi)星影像得到的1986年、2000年、2015年土地利用資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到3期各土地利用類型的面積占比和變化率,如圖8所示。

    由圖8可以看出,林地、草地和耕地是渭河流域3種主要用地類型,面積之和占流域總面積的93%以上。1986—2000年,3種主要類型變化極小,水域面積呈現(xiàn)不明顯減小趨勢,城鎮(zhèn)用地面積增加約5.5%。2000—2015年,各用地類型面積變化顯著,林地面積增幅超過20%,草地也呈增加趨勢,耕地面積顯著減小約22.2%,城鎮(zhèn)用地增幅達(dá)到125%,呈極顯著增加趨勢,水域和裸地面積減小趨勢明顯??傮w上,2000—2015年較1986—2000年顯著變化。圖8?土地利用類型面積比例及變化率

    4.2?土地利用動(dòng)態(tài)變化

    渭河流域土地利用動(dòng)態(tài)及土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況可以通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來反映。解譯得到的3期土地利用資料中,1986年和2000年土地利用情況變化及轉(zhuǎn)化趨勢極不顯著。筆者利用1986年和2015年資料,采用ArcGIS軟件將2期土地利用資料進(jìn)行疊加分析,提取重疊部分相互轉(zhuǎn)化信息,生成流域1986—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,見表2。

    由表2可以看出,1986—2015年,渭河流域土地利用類型轉(zhuǎn)化存在可逆性,其中72.5%的林地維持不變,剩下的主要向草地轉(zhuǎn)化;草地面積分別向林地和耕地轉(zhuǎn)化20.7%和27.1%;耕地維持52.1%的面積,約35.5%和7.9%的面積分別向草地和城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)化;水域面積轉(zhuǎn)化幅度較大,僅有28%的面積保持不變,主要轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地和耕地;裸地面積大幅減小,其中93.3%的面積轉(zhuǎn)化為耕地、草地和城鎮(zhèn)用地。渭河流域3種主要用地類型之間相互轉(zhuǎn)化趨勢比較明顯,城鎮(zhèn)用地增加面積主要來源于耕地。

    4.3?土地利用變化對(duì)徑流的影響

    結(jié)合渭河流域3期土地利用變化情況發(fā)現(xiàn),林地、草地和耕地面積在2000年之前變化不大,進(jìn)入2000年后,耕地面積開始呈現(xiàn)減小趨勢,反映了渭河流域水土保持工作的初步成效[14],耕地逐漸轉(zhuǎn)化為草地和林地,響應(yīng)了生態(tài)修復(fù)的倡導(dǎo)[15]。2000年后,城市化進(jìn)程加快,渭河流域城鎮(zhèn)用地劇增。

    徑流變化是由氣候因素和人類活動(dòng)共同導(dǎo)致的,氣候因素包括降雨、氣溫等,人類活動(dòng)包括土地利用、水利工程建設(shè)等。為了定量分析土地利用對(duì)徑流的影響,筆者固定基準(zhǔn)期1979—1989年的氣象資料及模型參數(shù),在原模型的基礎(chǔ)上,采用2015年土地利用數(shù)據(jù)替換1986年數(shù)據(jù),運(yùn)行模型得到在2015年土地利用情景下的1980—1989年月徑流量,與1986年土地利用情景下的模擬月徑流量對(duì)比,林家村站徑流量減小約1.5%,咸陽站減小約8.3%,均小于10%,說明土地利用變化對(duì)徑流影響不顯著。

    考慮到前瞻性,筆者另取2006—2015年作為模型模擬期,固定2006—2015年氣象數(shù)據(jù),采用基準(zhǔn)期1979—1989年徑流模擬的模型參數(shù),分別加載1986年和2015年土地利用數(shù)據(jù)模擬2006—2015年的月徑流深,將模擬值分別記為Q1986和Q2015,將2006—2015年實(shí)測徑流深記為Qobs,以咸陽站為例,模擬結(jié)果如圖9所示。

    從圖9可以看出,模擬徑流與實(shí)測徑流的漲落趨勢具有較好的一致性,且徑流深與降水量的變化趨勢也是一致的,說明所采用的模型參數(shù)在渭河流域具有一定的代表性。除2013年汛期外,其余時(shí)段的汛期模擬徑流深均大于實(shí)測徑流深,基流均小于實(shí)測值。此外還可以看到,Q1986和Q2015基本重合,在圖中差異不夠顯著,在洪峰處有細(xì)微差異。為了更精確地定量分析土地利用對(duì)徑流變化的影響,定義ΔQ為

    ΔQ=Q2015-Q1986 (1)

    式中:ΔQ為徑流值變化中由土地利用變化導(dǎo)致的那一部分。

    對(duì)ΔQ進(jìn)行分析即可了解土地利用變化對(duì)流域徑流所產(chǎn)生的影響,其變化過程如圖10所示??梢钥闯?,ΔQ大部分為負(fù)值,說明渭河流域土地利用變化對(duì)徑流主要起抑制作用。林家村站年均徑流深變化量為-6.59 mm,咸陽站年均徑流深變化量為-8.48 mm,比較兩站ΔQ發(fā)現(xiàn),土地利用變化對(duì)流域中游徑流的影響比對(duì)上游徑流的影響更顯著,且波動(dòng)也較大。與降水量進(jìn)行比較,能夠粗略看出,降水少時(shí),ΔQ基本為負(fù)值且絕對(duì)值較大;降水多時(shí),ΔQ增加,甚至在某些年份能達(dá)到正值,說明降水量大時(shí)能夠減小土地利用變化對(duì)徑流的抑制作用,甚至能導(dǎo)致徑流量增加。分析其原因,可能是渭河流域面積較大,耕地、林地和草地作為主要土地利用類型,面積總和沒有發(fā)生顯著變化,土地持水能力加強(qiáng),使得徑流量有所減小。同時(shí),流域內(nèi)林地和草地的增加,可能增加了蓄滿產(chǎn)流的面積,從而使得在降水多時(shí),徑流量增加明顯。

    分析ΔQ的年內(nèi)變化,如圖11所示??梢钥闯?,10月份土地利用變化對(duì)徑流的抑制作用最大,在汛期,ΔQ和降水量有較好的相關(guān)性,變化具有一致性,在7月和8月,由于降水量大,徑流量會(huì)有不顯著增加趨勢,而在非汛期,ΔQ和降水量變化趨勢不一致,相關(guān)性較差。分析其原因,非汛期降水量小,且植被處于生長期,蓄水能力在汛期前隨時(shí)間有所增強(qiáng),導(dǎo)致徑流減小趨勢更顯著。

    5?結(jié)?論

    (1)渭河流域1965—2015年徑流量年際變化波動(dòng)較大,總體呈極顯著下降趨勢;20世紀(jì)90年代減小趨勢最顯著,2000年后徑流量有不明顯增加趨勢;徑流量突變點(diǎn)為90年代初。

    (2)選取1979—1989年為模擬期,采用SWAT模型對(duì)渭河流域林家村和咸陽兩個(gè)水文站的月徑流量進(jìn)行模擬,結(jié)果表明,Nash-Sutcliffe效率系數(shù)Ens、判定系數(shù)R2和相對(duì)誤差Re均能夠滿足標(biāo)準(zhǔn),模型表現(xiàn)良好,說明SWAT模型在渭河流域具有良好的適用性。

    (3)渭河流域主要用地類型為林地、草地和耕地,面積之和超過全流域面積的93%,耕地面積減小明顯,主要轉(zhuǎn)化為林地和草地,城鎮(zhèn)用地呈顯著增長趨勢,水域和裸地維持大幅減小趨勢;2000—2015年變化較1986—2000年顯著。

    (4)渭河流域土地利用變化對(duì)徑流主要起抑制作用,使徑流量有一定的減小,減小量小于10%;土地利用變化對(duì)中游徑流的影響比對(duì)上游徑流的影響更顯著,且波動(dòng)也較大;汛期降水量大時(shí),能減小土地利用變化對(duì)徑流的抑制作用。

    參考文獻(xiàn):

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    【責(zé)任編輯?張?帥】

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