土地利用變化對渭河流域水文過程的影響

李爍陽, 劉小燕, 楊貴羽, 劉奇真

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018; 2.中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所, 北京 100038; 3.內(nèi)蒙古金華源環(huán)境資源工程咨詢有限責(zé)任公司, 呼和浩特 010018)

流域的水量與能量的平衡一定的程度上受土地利用的影響[1]，土地利用的變化影響或改變了原有流域的水循環(huán)過程[2]；在全球氣候變化的長時間尺度下，土地利用變化是影響流域水文過程的一個重要因素[3-4]。而河道徑流的大幅波動是流域水文過程發(fā)生變化最直觀的體現(xiàn)[5-6]，據(jù)相關(guān)研究表明，渭河流域河道徑流量呈顯著減少趨勢，自1980年以來徑流減少量達35%[7]。徑流量減少是由土地利用變化、氣候變化、取用水、水利工程建設(shè)等一系列因素綜合造成的結(jié)果，其中，土地利用變化對徑流的影響主要體現(xiàn)在降水再分配的過程[8]，且土地利用的變化也是對水土保持措施，人口城鎮(zhèn)化發(fā)展的側(cè)面反映，同時通過蒸散發(fā)的變化可間接反映出水資源消耗的空間分布。由此，以流域水文過程中的蒸散發(fā)、地下水補給量、地表產(chǎn)流量和河道徑流量為代表，著重分析土地利用變化引起徑流衰減的原因和各水文分量在空間變化的差異性。對流域水資源管理與土地利用規(guī)劃具有重要的研究意義。

土地利用變化對徑流的影響研究的方法主要有：對比分析不同森林植被類型流域的徑流變化情況、利用長序列水文要素的統(tǒng)計參數(shù)計算土地利用變化對徑流的影響、利用遙感與具有物理計算過程的分布式水文模型來研究土地利用變化對區(qū)域水資源演變的影響。采用流域?qū)Ρ群蛿?shù)理統(tǒng)計的方式對徑流變化進行綜合性的概述，由于方法的局限性，較難從空間變化和各水文分量上考慮徑流與土地利用變化的響應(yīng)關(guān)系[9-10]。而分布式水文模型根據(jù)水量平衡原理，考慮氣候空間分布、土質(zhì)、土壤和地貌類型等各因素空間分布的差異性，可以對流域復(fù)雜水文過程中的各水文分量及其空間分布進行詳細(xì)的刻畫。如SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)是1994年由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的，是基于水量平衡計算具有較強的物理過程的分布式模型[11-12]，可以在不同土地利用情境下對流域徑流及其他水文分量進行有效的模擬[13]，目前SWAT模型廣泛的應(yīng)用于土地利用變化與水資源的研究中且取得較好的模擬效果。

土地利用變化對徑流產(chǎn)生影響的同時，流域水文過程也發(fā)生著變化。目前，對于徑流變化原因的分析主要從土地利用變化與徑流變化建立關(guān)系分析，而從流域水文過程中各水文分量空間變化差異性的角度揭示土地利用對徑流變化原因的分析較少。本文利用SWAT模型，以模型生成的子流域為基本單元，在1980年、2000年和2015年三期土地利用情境下，分析渭河流域土地利用變化對各區(qū)域水文分量空間分布差異性及入黃徑流量的影響，以揭示土地利用演化過程中對徑流的影響程度和土地利用變化對水文過程分量南北變化的差異性。本研究對流域土地利用規(guī)劃和水資源合理利用有重要的參考意義。

1 流域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 流域概況

渭河發(fā)源于甘肅省定西市鳥鼠山，流經(jīng)甘肅省天水、陜西省寶雞、咸陽、渭南等地，于陜西省潼關(guān)縣匯入黃河，是黃河最大的一級支流，全長約818 km；流域面積約為13.48萬km2(圖1)。流域支流較多，水系多成不規(guī)則的扇形分布。其中南部支流較多，但支流流程短，北部支流相對較少，但有兩條最大的支流分別為涇河和北洛河，兩個支流的流域面積分別占渭河流域面積的33.7%和20.0%。渭河流域地形地貌較為復(fù)雜，呈現(xiàn)出“西高東低、南北高中部低”的地勢，北部主要為黃土高原，南部為秦嶺山脈的北坡，中部為肥沃的關(guān)中平原。渭河流域地處大陸性季風(fēng)氣候區(qū)、干旱和半濕潤地區(qū)的過渡地帶，渭河流域年均氣溫約為9.8℃，夏季炎熱多雨，降水約為540 mm，受地形和大氣環(huán)流等因素的影響，流域降水分布由東南向西北遞減，空間差異相對較大[14]。由于其復(fù)雜多樣的氣候特點和土壤地貌類型，也造成了各區(qū)域產(chǎn)匯流差異性也較大。

圖1 渭河流域地理位置及水文氣象站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

通過對流域內(nèi)及其周邊氣象站的篩選，選取可以涵蓋研究區(qū)，且分布較均勻的吳旗、平?jīng)觥⒙宕?、長武和華家?guī)X等29個站點(圖1)1959—2016年逐日數(shù)據(jù)；包含降水、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)。流域內(nèi)狀頭、張家山、林家村、咸陽和華縣5個水文站(圖1)1960—2016年逐月徑流資料來源于中國黃河流域水文年鑒。建立SWAT模型所需的柵格數(shù)據(jù)包含數(shù)字高程(DEM)、土地利用和土壤數(shù)據(jù)HWSD，空間分辨率均為1 km。DEM和HWSD土壤數(shù)據(jù)庫均中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)；1980年、2000年和2015年三期土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.resdc.cn)。

1.3 流域徑流變化情況

渭河流域徑流主要監(jiān)測水文站有狀頭站、張家山站、林家村站、咸陽站和華縣站，其站點位置及控制范圍見圖1。1960—2016年渭河流域徑流量減少趨勢，狀頭站、張家山站、林家村站、咸陽站和華縣站1960—2016年控制的不同尺度子流域徑流均呈現(xiàn)出顯著減少趨勢。1960—2016年各水文站徑流減少趨勢見圖2，徑流平均減少率分別為9.3，7.3，4.6，2.4，0.9億m3/10 a。

1960—2016年渭河流域總徑流量約71.28億m3，其中北部涇河張家山站和北洛河狀頭站徑流量占21.6%和11.13%，渭河上游林家村站徑流占總徑流26.14%，各站徑流量占總徑流量比例見表1。

表1 5個站的徑流分別占總徑流的情況

2 建立SWAT模型與模型適用性分析

2.1 SWAT模型構(gòu)建

SWAT模型計算的基本單元是水文響應(yīng)單元(HRU)，根據(jù)水量平衡方程，計算各水文分量(降水、實際蒸發(fā)、土壤含水量、地表徑流、地下水補給量、回流等)在各HRU中的相互轉(zhuǎn)化運移，經(jīng)水系匯流到流域出口以實現(xiàn)流域水文過程的模擬。建模過程中，首先利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)，將渭河流域劃分為121個子流域；然后根據(jù)土地利用、土壤類型和流域坡度等柵格數(shù)據(jù)疊加生成了850個具有唯一子流域編號、土地利用類型、土壤類型和坡度的最小計算單元(HRU)。

2.2 模型適用性分析

根據(jù)相關(guān)研究[7,15]表明，渭河流域徑流變化的突變點出現(xiàn)在1970年和1991年左右，在1970年以前徑流的變化相對較平穩(wěn)且相對處于豐水期[7]，可以認(rèn)為1970年之前徑流過程受人類活動影響較少。據(jù)Kannan等[16]認(rèn)為在進行SWAT模型率定驗證時應(yīng)選擇徑流較平穩(wěn)的時期。因此，選擇1960—1965年為參數(shù)率定期，1966—1970年為模型驗證期。采用“先支流再干流、先上游再下游”的方式對渭河流域狀頭、張家山、林家村、咸陽和華縣水文站逐月徑流進行參數(shù)率定和模型模擬驗證。利用Nash-Suttcliffe效率系數(shù)[17](ENS)、決定性系數(shù)[16](R2)和相對誤差[18](Re)，對模型的適用性進行評價。水文站模擬效果圖和模擬適用性分析見圖3和表2所示。根據(jù)模擬效果可知，各站的ENS和R2均在0.5以上，個別站達0.8以上，各站模擬相對誤差在25%以下，大多數(shù)站點的相對誤差均在15%以下，模擬效果達到要求[19]。SWAT模型在渭河流域具有較好的適用性且能夠反映不同區(qū)域流域產(chǎn)匯流的差異性，可以用于模擬土地利用變化的研究。

圖2 1960-2016年渭河流域各水文站徑流演變規(guī)律

圖3 渭河流域各水文站月徑流模擬效果校驗

表2 SWAT模型模擬效果評價

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化與情景設(shè)定

3.1.1 土地利用變化 根據(jù)渭河流域1980年、2000年、2015年三期土地利用空間分布，流域內(nèi)土地利用類型以耕地、草地和林地為主，三者之和占總面積的95%以上，其中耕地面積占總面積的40%以上，草地占35%以上，林地占15%以上。對比1980年、2000年、2015年三期土地利用變化(表3)；耕地呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，2015年耕地面積較1980年減少約1961 km2；草地和林地呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，增加出現(xiàn)在2000—2015年，林地增加量遠(yuǎn)大于前20 a減少量。居民地和工業(yè)用地面積呈現(xiàn)增加趨勢且隨著年代推移增加的面積越大，2015年比1980年居民地增加1139 km2，工業(yè)用地增加了206 km2。土地利用變化的形態(tài)直觀的反映了區(qū)域城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的發(fā)展和我國實施退耕還林還草措施和90年代以來生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與保護的國家策略。

表3 1980年以來渭河流域土地利用變化特征 km2

在空間上，為了凸顯土地利用變化區(qū)域，將三期土地利用變化圖在GIS中進行疊加，可以直觀的顯示出土地利用在空間上的變化(圖4)。根據(jù)GIS疊加計算結(jié)果顯示，1980—2000年變化區(qū)域面積占流域總面積的1.47%，2000—2015年變化區(qū)域面積占2.42%，1980—2015年變化區(qū)域面積占3.56%。

圖4 土地利用類型空間變化

3.1.2 情景設(shè)定 本文以1980年、2000年和2015年為代表，分析近35 a土地利用變化對徑流及各區(qū)域水文過程的影響的差異性。然而近35 a土地利用變化是各土地類型互相轉(zhuǎn)化的綜合反映，以SWAT模型生成的子流域為基本單元較難分離出某一土地利用類型轉(zhuǎn)化對徑流及其他水文分量的影響。由此設(shè)立3種單一的土地利用情景(表4)，分析土地利用類型互相轉(zhuǎn)化對不同區(qū)域水文分量變化差異性的影響。為未來土地利用規(guī)劃及流域水土資源配置提供一定的借鑒。

表4 不同土地利用情景設(shè)置

3.2 近35 a土地利用變化對徑流的影響情況

流域出口斷面徑流發(fā)生變化同時流域水文過程也發(fā)生著變化，本文以土地利用變化為研究變量，分析土地利用變化對水文過程影響的空間差異性。著重分析蒸散發(fā)(ET)、地下水補給量(PREC)和地表產(chǎn)流量(SURQ)；蒸散發(fā)是流域水資源消耗的主要因素之一；由于土地利用變化對地表的產(chǎn)流機制具有一定的影響，SURQ地表產(chǎn)流量是由降水引起的地表產(chǎn)生徑流并匯入河道的水量。土地利用、植被類型的變化對產(chǎn)匯流過程中的植被的截留、地表產(chǎn)水系數(shù)等具有一定的影響，地表水流停留時間和降水入滲發(fā)生變化，進而對水分穿過根區(qū)底部到達淺水面有一定的影響，PREC地下水補給量是指根區(qū)底部的滲透水量，即水分離開根區(qū)底部到達淺層含水層的水量。

3.2.1 近35 a土地利用變化對水文分量及入黃徑流量影響 在1980年、2000年和2015年土地利用情境下的各水文分量見圖5，相對于L2和L1情景，在L3情境下全流域蒸散發(fā)分別增加0.39 mm和0.57 mm；地表產(chǎn)流量減少了0.2 mm和0.66 mm；地下水補給量分別增加了0.01 mm和0.03 mm。同時，比較2000年和1980年下墊面的變化也呈現(xiàn)出相似的特征。近35 a流域蒸散發(fā)和地下水補給的增加，地表產(chǎn)流量的減少，這與近些年城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展水平的推進、退耕還林還草、植樹造林和一些水土保持措施息息相關(guān)。

圖5 近35 a土地利用變化對流域入黃徑流及其他水文分量的影響

結(jié)合土地利用變化和水文分量變化分析，由于土地利用的變化量較小，水文分量變化并不明顯。在水文分量發(fā)生變化背景下，分析可以綜合體現(xiàn)水文分量發(fā)生變化的渭河流域徑流量(入黃流量)。結(jié)果見圖5,2015年土地利用情景相比于2000年、1980年情景，徑流分別減少了0.51億m3,0.76億m3。

3.2.2 近35 a土地利用變化對水文分量空間差異性的影響 以SWAT模型劃分的121個子流域和流域水資源的5個分區(qū)(北洛河流域、涇河流域、渭河上游、渭河中游和渭河下游)為基本單元，分析近35 a由土地利用變化引起流域水文分量的空間變化(圖6)。(1) 蒸散發(fā)空間變化2015年土地利用與1980年相比蒸散發(fā)空間變化集中表現(xiàn)為渭河中游和下游區(qū)域蒸散發(fā)變化相對較大，分別增長2.295 mm和1.719 mm；而北洛河流域卻呈現(xiàn)出蒸散發(fā)減少的態(tài)勢，較1980年蒸散發(fā)減少了0.063 mm。(2) 地下水補給量空間變化在土地利用變化過程中，渭河流域北部和西部(即北洛河流域、涇河流域和渭河上游)地下水補給量呈現(xiàn)出減少的趨勢，而流域中游和下游呈現(xiàn)出增加趨勢。2015年土地利用相比于1980年，渭河中游和下游地下水補給量分別增加了0.466 mm和0.213 mm，北洛河流域、涇河流域和渭河上游分別減少了0.076 mm，0.044 mm和0.0126 mm。(3) 地表產(chǎn)流量空間變化2015年土地利用情境下相對于1980年全流域地表產(chǎn)流量均呈減少趨勢，渭河中游和下游地表產(chǎn)流減少量較大，渭河中游地表產(chǎn)流量減少最大，減少了2.867 mm；渭河下游地表產(chǎn)流減少量次之，減少量為1.959 mm，北洛河流域、涇河流域和渭河上游地表產(chǎn)流量變化較小，其變化量小于0.01 mm。

圖6 土地利用變化對水文分量空間變化的影響

3.3 單一土地利用下的徑流響應(yīng)

3.3.1 單一土地利用轉(zhuǎn)化對渭河流域徑流量影響 單一土地利用變化情境下的水文分量(蒸散發(fā)、地下水補給量和地表產(chǎn)流量)。比較L6情景與L4，L5可見，對整個流域平均水平而言，流域耕地轉(zhuǎn)化為草地和林地，蒸散發(fā)增加了20.17 mm和45.83 mm，地下水補給量增加了4.14 mm和4.97 mm，地表產(chǎn)流量減少了24.59 mm和49.81 mm；林草地具有較好水源涵養(yǎng)能力，可以增加地下水補給量，但減少地表產(chǎn)流量，對地表產(chǎn)流有較強的調(diào)蓄作用。

結(jié)合在單一土地利用變化條件下整體的流域水文分量情況，模擬入黃徑流量的變化(圖7)，以分析單一的土地利用變化對流域河道徑流的影響。由全部耕地(L1)情景轉(zhuǎn)化為全部草地(L2)情景和全部林地(L3)情景入黃流量分別減少了27.31，60.95億m3，由全部草地(L2)情景轉(zhuǎn)化為全部林地(L3)情景入黃流量減少33.64億m3。

圖7 單一土地利用變化對流域水文分量影響

通過以上對流域水文分量及入黃徑流量的分析，各水文分量在土地利用轉(zhuǎn)化過程中，具有一定的關(guān)聯(lián)性，對于流域的土地利用規(guī)劃不應(yīng)該單一的強調(diào)某一分量的最大極值化，而應(yīng)對流域土地利用進行綜合規(guī)劃以實現(xiàn)蒸散發(fā)、地下水補給量、地表產(chǎn)流量和徑流量等分量最優(yōu)化情景。

3.3.2 在空間變化差異性上土地利用轉(zhuǎn)化對水文分量的影響 渭河流域地處大陸性季風(fēng)氣候區(qū)、干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)的過渡地帶，西高東低，土壤、地貌類型復(fù)雜多變，由南向北為秦嶺北坡、關(guān)中盆地以及黃土高原，相應(yīng)的氣候條件(流域降水分布由東南向西北遞減)、土壤、地貌類型南北差異性較大[20-21]，引起的南北產(chǎn)匯流類型具有一定的差異[20,22]；即使相同的土地利用類型轉(zhuǎn)化也會造成水文分量在空間上變化的不同。由此，對單一土地利用變化情景下水文分量的空間變化進行分析(圖8)，旨在分析水文分量對土地利用類型轉(zhuǎn)化的空間響應(yīng)關(guān)系。

進一步比較蒸發(fā)和地下水補給量可更加明晰的剖析由土地利用變化導(dǎo)致流域徑流量變化的原因。由耕地轉(zhuǎn)化為林地或草地，蒸散發(fā)(流域水平衡分項中的消耗量)呈現(xiàn)林地>草地>耕地。然而在區(qū)域降水量東南多西部少的背景下，對于北部降水量較小、土壤含水量較低的黃土區(qū)域，隨著植被類型的變化，降水一方面被林草地植被截留消耗，另一方面蓄存于土壤非飽和帶被蒸發(fā)和植物消耗，而導(dǎo)致地表徑流量下降。對于中南部，降水量較為豐富，土壤含水量相對較高，在林草地對降水產(chǎn)流的滯留作用下，降水在地表滯留時間較長，地下水補給量較多；同時林草地植被蓋度遠(yuǎn)大于耕地，隨著植被蓋度的增加蒸發(fā)量也呈現(xiàn)增加；在二者的共同作用下，區(qū)域的徑流量必然減少?？傮w上，流域北部(降水較少區(qū)域)由土地利用變化引起徑流減少的原因主要為蒸發(fā)與植物消耗，而中南部為降水滯留時間延長地下水補給量增加。

圖8 單一土地利用變化對水文分量空間變化的影響

就地下水補給量(PREC)的空間變化而言，其空間變化特征為北部為減少態(tài)勢，而中南部(關(guān)中平原與秦嶺北坡)為增加態(tài)勢。其原因在于地表產(chǎn)流量林地<草地<耕地，在流域北部地區(qū)降水量較少，雖然降水產(chǎn)流會被林草地滯留，但林地草地對水資源的消耗本身較大，降水多用于植物自身生長而吸收，進而較少水量可以穿過根區(qū)，因此北部地下水補給量(PREC)變少。

在渭河流域降水東南多西北少的空間分布背景下，當(dāng)耕地轉(zhuǎn)化為草地、林地或草地轉(zhuǎn)化為林地時，流域蒸散發(fā)、地下水補給量和地表產(chǎn)流量的變化幅度均呈現(xiàn)出：干流區(qū)域大于支流區(qū)域、中下游區(qū)域大于上游區(qū)域的變化特點；雖然南北相同土地利用變化，但是水文分量對土地利用變化呈現(xiàn)出來響應(yīng)的敏感程度不同，中下游水文分量變化對土地利用變化更為敏感。

4 結(jié) 論

(1) 建立渭河流域的SWAT模型，以華縣、咸陽、林家村、張家山和狀頭5個水文站的月徑流量對模型進行參數(shù)率定和適用性分析；結(jié)果顯示：評價各站模擬效果的NS，R2和Re均滿足模擬要求，構(gòu)建的渭河流域SWAT模型可很好的反映不同區(qū)域產(chǎn)匯流的差異性且具有較好的模擬效果，可以用于模擬土地利用變化的研究。

(2) 渭河流域主要土地利用類型為耕地、草地和林地，占總面積的95%以上。耕地呈先增加后減少的趨勢，草地和林地均呈先減少后增加的趨勢。2015年土地利用情況與1980年相比耕地約減少1961 km2，草地減少43 km2，林地增加517 km2。利用ArcGIS疊加三期土地利用分析，變化區(qū)域面積占比不足流域總面積的5%。

(3) 在氣候條件不變的情況下，定量分析水文分量與土地利用變化的響應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)由土地利用變化引起的流域蒸散發(fā)和地下水補給量呈增加趨勢，地表產(chǎn)流量減少趨勢。以流域水文過程中水文分量變化角度，全面的揭示了渭河流域徑流變化的原因及各區(qū)域水文分量變化的差異性。

(4) 由耕地轉(zhuǎn)化為草地、林地，蒸散發(fā)增加了20.17 mm和45.83 mm，地下水補給量增加了4.14 mm和4.97 mm，地表產(chǎn)流量減少了24.59 mm和49.59 mm；在轉(zhuǎn)化過程中蒸散發(fā)的增加是產(chǎn)流減少的主要原因。在空間響應(yīng)上，流域中下游水文分量對土地利用變化空間響應(yīng)敏感程度高于支流和上游；流域北部(降水較少區(qū)域)由土地利用變化引起徑流減少的原因主要為蒸發(fā)與植物消耗，中南部徑流減少的原因主要為林草地增加降水滯留時間增加地下水補給量。