济南市锦绣川流域景观变化对河川径流的影响研究

王立红，陈 娟，张 慧

（1.山东师范大学 人口资源与环境学院，山东 济南 250014；2.山东省济南市环境卫生科学研究所，山东 济南 250023）

1 研究区概况

锦绣川流域，是指济南市南部山区的东南部岩溶发育较差的碳酸岩和风化裂隙较为发育的变质岩混合区，也就是隶属于历城区之内的锦绣流域范围，且根据研究需要，特将卧虎山水库包括在研究区范围之中。地理坐标：经度117°07′41″～117°18′45″E，纬度 36°20′55″～36°42′15″N，总面积 108.3963km2。

1.1 气候

研究区气候类型为暖温带大陆性季风气候，主要气候特点是春季气温回升快，多西南风且风力较大；夏季炎热多雨，最热月平均气温28.4℃；秋季天气晴爽，气温迅速下降；冬季寒冷干燥，多东北风，最冷月平均气温-4.2℃。研究区主导风向为东北西南向，常年平均风速2.7m／s，光照、热量较为充足。

1.2 地貌

研究区地处鲁中山地北缘单斜山地丘陵区，地貌类型以低山丘陵为主，地势南高北低，中山、低山、丘陵、山间台地和山前平原呈阶梯状分布。海拔高度在120～890m之间，其中260～510m的山体面积占总面积的60%左右。

1.3 土壤与植被

根据成土母质及土壤特性，研究区内的土壤可分为棕壤与褐土两个土类。棕壤的面积较小，有棕壤性土和棕壤两个亚类，主要分布于研究区的南部边缘的砂石山区。褐土类分布面积较广，分为褐土性土、普通褐土、石灰褐土3个亚类，主要沿锦绣川河道两侧分布。

植被类型有温带针叶林、温带落叶阔叶林、灌草丛、草地和果园等。针叶林为主要的林地类型，主要由松林和侧柏组成，松林主要分布在砂石山区，多为纯林，树种有赤松（Pinus densiflora）、油松（Pinus tabulaeformis）、黑松（Pinus thunbergii）3种，以赤松为多；侧柏（Platycladus orientalis）分布于青石山区，多为侧柏纯林，国营林场有小面积的侧柏与刺槐（Robinia pseudoacacia）、侧柏与黄栌（Continus coggygria）等混交林。阔叶林面积较少，以刺槐居多，另外还有杨树（Populus spp.）和麻栎（Quercus acutissima）、栓皮栎（Quercus Variabilis）等，也多为纯林。灌木主要为荆条（Vitex negundo var.heterophylla）、酸枣（Ziayphus jujuba var.spinosa）、黄栌（Continus coggygria）和胡枝子（Lespedeza bicolour）等。草本植物主要以白羊草（Bothriochloa ischaemum）、黄背草（Themeda triandra）为主。果树有苹果、梨、桃、杏、柿子、核桃、板栗、山楂等品种。

1.4 水文状况

研究区地表水属黄河水系，主要有卧虎山和锦绣川两大地表水库。锦绣川两岸山岭裂隙水源出露而形成径流，所以河道能保持水流不断。研究区河流的地表径流产生量与降水强度、地质结构、地形坡度、地面覆盖度、土壤厚度和蓄水能力都有直接的联系。由于研究区域处于非碳酸盐的不透水和裂隙发育不完全，个别地区地表径流经过植被吸收和土壤储存后，一部分以潜流形式补给地下水，滞后一段时间又出露地表，以河流形式汇入山川河流；另一部分径流则汇集成河被沿途水库拦截蓄存。锦绣川径流汇集到卧虎山水库后，经人为调控补给玉符河，后经过市区汇入黄河。

2 SWAT模型的结果与分析

2.1 SWAT模型的水量平衡方程

SWAT模型的水量平衡方程为：

SWt=SWo+（Rday-Qsurf-Ea-Weep-Qgw）。

其中SWt为土壤最终含水量（mm），SWo为土壤前期含水量（mm），t为时间步长（d），Rday为第i天降雨量（mm），Qsurf为第i天的地表径流（mm），Ea为第i天的蒸发量（mm），Weep为第i天存在于土壤剖面地层的渗透量和侧流量（mm），Qgw为第i天地下水含量（mm）。

2.2 SWAT模型的模拟结果与分析

SWAT模型模拟后，即可输出模拟结果文本文件，数据直观性和统计参数不能满足模型评价要求。本文在Excel下编制了模拟结果评价参数和过程线自动生成宏，SWAT运算结束即可得到当次模拟效果，提高了模型率定的效率。研究区水文气象资料系列长度为2000～2004年5年资料。由于实测资料的限制，本文仅采用对研究区域进行了径流模拟，模拟过程中对风速、相对湿度进行了模拟的基础上，对径流产生过程进行了模拟［1］。

在图1中，可以看出，2月～5月的风速值是一年中相对较大数值，8月，9月的风速一般是一年中相对较小的。但是2002年是个特例，月平均风速的最高值出现在6月为2.4m／s，10月的数值也是5年最高的。对湿度而言，与降雨量有较大的相关性，湿度较大的月份多出现在7、8月份，2、3月份是一年中湿度相对较低的月份，详细情况见图2。

图1 锦绣川流域2000年～2004年月平均风速数据点图

图2 锦绣川流域2000年～2004年月平均相对湿度数据点图

研究区域的蒸发量与径流量情况见图3和图4，7月是一年中蒸发和径流量最大的月份，而12月到次年3月都是蒸发与径流相对较小的月份。地表径流的产生量与降水强度、地质结构、地形坡度、地表覆盖物、土壤厚度和蓄水能力的影响较大。地质结构和地形坡度因素是研究区域特有的，在一年四季中不会有变化，但降水情况、地表覆盖物却是在变化的，济南夏秋季节多雨湿润，春冬季节少雨干燥，使得径流多产生在夏秋季节，以7月份最为突出。济南所处的地理位置，决定济南的植被多为落叶阔叶林、针叶林和灌木林植被，从每年5月到10月，是落叶阔叶林生长较为茂盛的时期，此时期的森林林冠截流功能也较好，但是由于降水较多，强度较大，还是形成了较其他时期较为明显的径流过程［2］。

图3 锦绣川流域2000年～2004年月蒸发量数据点图

图4 锦绣川流域2000年～2004年月径流量数据点图

本研究还对锦绣川流域的年径流量进行了统计，统计数据详见图5。将模拟数据与实测数据进行对比，借助于EXCEL强大的数据分析功能对数据进行分析，得到线性回归决定系数R2=0.9449，Nash-sutcliffe模拟效率系数 Ens=0.8712［3］。结果证明：SWAT模型在济南市南部山区的应用是成功的，年时间尺度的模拟比月时间尺度的模拟精度要高的多，并且在较小流域的模拟精度要比较大流域模拟的精度要高的多。

图5 锦绣川流域多年径流量统计图

3 地表景观变化对水文过程的影响

3.1 地表景观变化的水文效应

地表景观变化对水文（地表水和地下水）过程的影响主要表现在对水分循环和对水质水量的改变作用上。地表景观变化改变了地表蒸发、土壤水分状况及地表植被的截留量等，进而对流域的水量平衡产生影响。降雨初期，除小部分降雨直接落到水体上外，大部分落到流域表面的降雨，在满足了植物截留、填洼和下渗之后，才能产生地表径流。地表覆盖主要影响水分在流域中的再分配和运行过程，改变流域水文循环、水平衡和水文特征值［4］。

3.2 研究区景观的情景设计

根据济南市南部山区锦绣川流域景观特征状况及土地利用与覆被变化，对锦绣川流域设计情景模型。

（1）情景1。未来采取积极的土地资源和水资源管理监督（全面禁伐，退耕还林，等），土地朝良性方向发展，大面积耕地恢复林地状态，覆盖度良好，地表土地基本被林地和高密度草地覆盖。

（2）情景2。土地覆盖为最佳状态，根据70年代土地覆盖状况分析结果，在流域范围内，除了少数居民地和水域以外，适合森林生长的土地都被林地所覆盖，适合草地生长的土地都被高中密度草地覆盖，土地沙化面积很少，此时，流域范围内的高中密度草地覆盖率可以达到80%以上。

（3）情景3。根据当前土地利用与土地覆被状况设定，目的是对照其它4种土地覆盖变化后的研究区域径流量状况（以此情景为标准进行分析变化情况）。

（4）情景4。土地退化较快，土地利用以低覆盖度林地和裸地为主。

（5）情景5。研究区域土地覆盖一直朝恶性方向发展，林地急剧减少，土地沙化严重，地表无任何植被覆盖，均为沙地和裸地。

根据以上建立的5种景观情景模式，用2000～2004年水文数据模拟了5年平均径流量，其大小排序为情景1＜情景2＜情景3＜情景4＜情景5，这表明随着地表草地和林地面积增加，锦绣川流域年径流量减少，情景1径流深变化为259mm，比情景3减少了85mm；情景2的径流深比情景3的径流深减少了61mm；情景4的径流深比情景3的径流深增加了84mm，增加为428mm；情景5的径流深为最大的，此种情况下，地表裸露且无植被覆盖，这将使研究区域年均径流量增加40%左右，模拟数值为486mm。

研究表明：在相同的气候条件下，随着森林和草地的数量的减少，研究区域的地表径流量将有增大的趋势。而裸岩的增加和耕地的增加也会使得相同气候条件下的径流量增加。流域草地消减洪峰，涵养水源的功能最强，其次是林地。而当人们为了生存需要毁去草地和森林使其成为耕地后，草地和森林所具有的这些功能一去不返，水土流失，山体滑坡，泥石流等现象随之而生。

根据实地调查和农业调查资料发现，本区森林面积不断减少，林地植被的生长周期较长，许多陡坡地不宜林木和农作物生长。而草类植被的适应强、生长周期短，见效快；同时草本植被的蓄水固土、调节气候、涵养水源的能力很强，草本植被株丛低矮密集，茎叶繁茂，能够形成紧贴地面，覆盖严实的草被，既可遮挡降雨，避免暴雨直接冲刷地面，又可增加地面粗糙度，有效地分散、延缓和减少径流，挡截泥土，而且草本植物根系紧密，可疏松土壤，加大入渗，蓄积降水，团结土壤，抵抗径流侵蚀，因此，锦绣川流域在生态恢复过程中种草是十分必要的［2］。

4 结语

本文在汲取国内外成功经验的基础上，选取SWAT模型对济南市南部山区锦绣川流域进行了5年水文数值模拟研究，借助地理信息系统技术，分析了锦绣川流域的气候、水文、土壤、土地利用等资料，结合实测数据，应用SWAT模型对锦绣川流域径流过程进行模拟和分析。研究表明，SWAT模型能够较好的模拟锦绣川流域的产水量，对锦绣川流域的生态环境研究提供了依据。

结果表明：随着森林和草地的数量的减少，研究区域的地表径流量将有增大的趋势。流域草地和林地具有消减洪峰，涵养水源的功能。地表植被覆盖对径流量的影响受气候背景和植被类型等多种因素制约。相同气候条件下，不同结构类型的景观类型对地表径流所产生的影响不尽相同，因此对不同地区生态恢复的具体措施，应按照当地的水热条件、地形土壤、海拔等各种自然、生态因子和社会经济状况来科学地规划农业结构中粮、林、草的合理布局以及生态恢复过程中林地与草地的布局。

［1］张蕾娜，李秀彬，王兆锋，等.一种可用于表征土地利用变化水文效应的水纹模型探讨——SWAT模型在云州水库流域的应用研究［J］.水文，2004，24（3）：4～8.

［2］济南市环保局.济南市南部山区水源涵养生态功能区规划［R］.济南：济南市环保局，2003.

［3］杨桂莲，郝芳华，刘昌明，等.基于SWAT模型的基流估算及评价——以洛河流域为例［J］.地理科学进展，2003，22（5）：45～46.

［4］程根伟，余新晓，赵玉涛.山地森林生态系统水文循环与数学模拟［M］.北京：科学出版社，2004.