汾河上游土地利用变化对径流的影响研究

张国栋 张照玺 余韵 张志华

摘 要：为研究土地利用变化对流域径流的影响，以汾河上游为研究区，利用1951—2016年的水文气象资料，结合不同土地利用类型的时空变化特征，进行SWAT模型的构建，设置1978年、1998年和2016年3种土地利用情景，模拟土地利用变化与径流的关系。结果表明：模型在研究区具有很好的适用性，可以精确地模拟汛期月径流量及全年径流量，年平均径流量呈下降趋势;1978—2016年研究区林草面积占比显著提高，农用地面积占比呈下降趋势;土地利用变化使汛期径流量、最大月径流量减小以及汛期径流系数减小。

关键词：土地利用变化;植被覆盖;SWAT;汾河上游

中图分类号：P333;F301.34;TV121 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.006

Effects of Land Use Change on Runoff in the Typical Areas in Upper Fenhe River Basin

ZHANG Guodong1， ZHANG Zhaoxi1， YU Yun2， ZHANG Zhihua3

（1.Henan Yellow River Hydrological Survey and Design Insitute， Zhengzhou 450001， China;

2.China Machinery International Engineering Design & Research Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China;

3.Kaifeng Water Development and Construction Co.， Ltd.， Kaifeng 475000， China）

Abstract：In order to research the reaction of the runoff of Fenhe River Basin towards the change of land use， the upper Fenhe River Basin were regarded as the research area and the data of hydrometeorology from 1951 to 2016 were combined to analyze the characteristics of temporal and spatial changes of different land use. Moreover， three scenarios of land use were set in combination of SWAT （Soil and Water Assessment Tool） model and influence to the runoff by the change of land use types was evaluated. The result shows that this model can better simulate monthly flow process of the whole year as well as in flood seasons. The runoff has experienced a gradual decrease for many years. The transformation in time and space among different types of land use presents the reversibility and major changes include an increase in forest， a decrease in grassland and a little increase in agricultural land. The increase of forest and the decrease of grassland will cause a decrease of runoff in flood season and the maximum monthly peak discharge. The coefficient in flood season is decreased with the increase of forest area. Therefore， it is very important to properly plan land use pattern so as to control watershed hydrological events.

Key words： land use change; land cover; SWAT; Upper Fenhe River Basin

土地利用/覆被變化 （LUCC） 是人类活动改造自然的结果，也是引起全球陆面过程变化的主要因素之一[1-2]。自1970年以来，国内外大批学者先后开展了LUCC对水文水资源的影响研究。研究方法由传统的试验流域法、统计分析方法转向水文模型方法，研究方向由只关注LUCC驱动的水文水资源现象转向揭示其对水文水资源影响的过程与机理。LUCC改变了植被的林冠截留量、蒸散发强度和土壤入渗能力等，进而影响流域水文情势和产汇流过程，使流域洪涝灾害发生的频率和强度发生改变[3-5]。

黄土高原水土流失严重。近几十年来政府实施了一系列生态恢复与重建工程，这些工程多以植被建设为核心[6-7]。植被恢复是水土保持的重要组成部分，是黄河流域生态环境建设的核心，也是根本上扭转黄河流域生态环境问题的主要途径之一[8-11]。通过生态恢复来改善环境涉及两方面内容：①通过增加有效的植被覆盖从而减少地表径流;②增加土壤含水量，有效提高生产力。一系列的植被恢复与重建措施导致下垫面发生了剧烈的变化，使产汇流过程发生了极大的变化[12-13]。

汾河是黄河中游第二大支流，对黄河中下游的水文情势有着重要影响[14-16]。本研究重点分析汾河上游（兰村以上）下垫面条件的时空变化，构建SWAT模型，探讨汾河上游下垫面变化与径流的相互作用关系，以期阐明汾河上游土地利用与径流的相互作用机制。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

汾河流域面积为39 826 km2，属于温带大陆性季风气候区，月平均气温为4～13 ℃，最大水面蒸发量为1 120 mm，多年平均降水量为503 mm，60%的降雨发生在7—9月。土地利用类型主要为森林和草地，20世纪80年代以来，随着城市化进程的加快，城镇建设用地逐年扩大。汾河上游流域面积为7 705 km2，主河道平均比降为6.7%，流域形状系数为0.398。随着退耕还林工程的实施，下垫面条件发生了巨大变化，对径流和水资源产生了很大的影响。此外，汾河上游流域无采煤活动，引水量小，无大型水利枢纽工程[17-18]。

1.2 SWAT模型基础数据库建立

1.2.1 空间数据

（1）SWAT模型利用ArcGIS基于DEM数据将流域划分为不同的子流域。利用DEM数据建立河网与子流域的拓扑关系。

（2）土地利用数据是模型建立的必要数据，由土地利用类型以及土地类型索引表组成。土地利用类型使用土地覆盖/植被类型的二级分类。土地利用类型及重分类见表1。

1.2.2 土壤数据

SWAT模型土壤数据库包括：土壤类型图、索引表以及物理属性表。土壤中水、气的运动情况由土壤物理属性决定。

1.2.3 水文气象数据

水文数据和降水数据来自水利部水文局编制的水文年鉴。径流数据：静乐站（1956—2012年）、兰村站（1951—2016年）的径流数据，静乐站（1954—2016年）的洪水数据;降水数据：静乐、宋家崖、岔上等8个雨量站的日降雨量数据和时段降雨量数据（1955—2016年）;气象数据：汾河流域11个气象站点1955—2016年的气象日数据，来自中国气象数据网（http：//data.cma.gov.cn/site/index.html）。人 民 黄 河 2020年第10期

1.3 研究方法

1.3.1 遥感图像信息提取

采用遥感图像处理软件ERDAS 9.2，基于非监督分类方法，提取3个时期 （1978 年、1998年和2016年）各土地利用类型的面积。分类精度评价采用总体分类精度和总体Kappa系数来反映，然后利用分类精度来分析土地利用类型的空间分布。

1.3.2 研究区SWAT模型构建

（1）SWAT模型。SWAT分布式水文模型由美国农业部 （USDA）开发 [19-20]，具有明确的物理意义，基于GIS/RS技术，可以模拟土地利用变化对流域水文过程的影响[21]。SWAT模型水量平衡公式如下：

Wt=W0+∑ti=1（Pi-Rsi-Ei-Rseepi-Rgi）（1）

式中：Wt为时段末土壤含水量，mm;W0为时段前期土壤含水量，mm;t为时间步长，d;Pi为第i天降水量，mm;Rsi为第i天地表径流量，mm;Ei为第i天蒸散发量，mm;Rseepi为第i天渗透量和侧流量，mm;Rgi为第i天地下径流量，mm。

（2）模型数据输入。SWAT模型包括DEM数据、土壤数据库、气象数据库、土地利用数据库和水文数据库。土壤数据库由土壤物理属性和空间分布构成，土壤机械组成利用三次样条插值法将国际制变换为美国制。土地利用（流域1978年、1998年和2016年3期土地利用类型）数据基于遥感影像解译获得。气象数据为1955—2016年流域内及周边气象站点的日数据。水文数据为汾河上游兰村水文站1955—2016年洪水要素摘录表中逐日径流数据。

（3）模型校准及验证。由于SWAT模型自带的参数敏感性分析、模型校准和验证功能相对薄弱，因此进行模型校准和验证时选用SWAT-CUP。将1978年作为预热期，1979—1998年为校准期，1999—2016年为验证期，参数敏感性分析和校准原则为自上而下。

（4）模型适应性评价。选取决定系数R2、Nash-Sutcliffe 确定性系数Ns以及相对误差Re来衡量模拟值与实测值之间的拟合度，以此评价SWAT模型在汾河上游的适用性。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化情况

利用非监督分类法获得研究区不同时期土地利用类型分布情况，如图1所示。检验后1978年、1998年和2016年分类精度分别为81.65%、79.16%和83.37%，Kappa系数分别为0.776 1、0.748 4和0.781 1。基于NDVI最大值和最小值，利用ArcGIS 10.2对分类结果进行处理，将不同时期（1978年、1998年和2016年）分类精度分别提高到90.54%、89.17%和90.21%。

1978—2016年草地与林地面积增加，建筑用地与水域面积呈现小幅度增加趋势，農用地面积减少，林地面积、草地面积、水域面积与建筑用地面积分别增加了116.84%、80.59%、3.54%和11.50%，农用地面积减少了16.46%，见表2。

2.2 径流量变化情况

1955—2016年汾河上游年径流量呈减小趋势（见图2），年际变化幅度较大，多年平均径流量为1.09亿m3，1964年年径流量最大（3.03亿m3），1975年年径流量最小（0.39亿m3）。1998年以来，汾河上游年径流量变化维持在较小区间内。

对1955—2016年汾河上游年径流量进行M-K检验发现：除1959年外，UFk均为负值，表明汾河上游年径流量呈减小趋势。1955—1971年UFk值维持在90%置信区间，表明年径流量呈减小趋势;1972—1985年UFk值变化剧烈，表明年径流量波动剧烈;1986—2000年UFk值稳定在95%置信区间内，表明径流量呈现进一步减小趋势。2001—2016年UFk值超出了95%的置信区间，表明年径流减少愈加剧烈。UFk与UBk两条线相交于1997年，表明年径流量突变点为1997年（见图3）。

2.3 SWAT模型参数率定及验证

本研究利用SWAT-CUP对模型13个参数进行敏感性分析，见表3。

依据上述分析结果，并结合实际情况，选取8个参数并进行参数率定。采用SWAT-CUP程序对SWAT模型参数进行率定，结果见表4。

2.4 模型评价分析

模拟汾河上游汛期及全年径流过程，评价指标为确定性系数、相对误差和决定系数。模拟结果表明，模型在汾河上游可以取得较好的效果，可用于模拟土地利用变化对径流的影响（见表5）。

2.5 土地利用变化对径流的影响

校准期和验证期以1978年土地利用资料为基础，然后分别以1978年、1998年和2016年的土地利用数据为情景输入，统一模型气候和土壤参数，计算得到不同情景下的径流深（见表6）。

多年平均径流深总体呈下降趋势。对比1978年、1998年和2016年不同土地利用类型的模拟结果，1978年情景下具有最大的多年平均径流量，2016年情景下具有最小的多年平均径流量。

从汛期径流量占比（见表6）来看，全年70%以上的径流量集中在汛期，1978年情景下具有最高的汛期径流量占比，这是1978年林草地面积占比相对较小、农用地占比相对较大造成的。随着退耕还林工程的实施，2016年林草面积占比增大、农用地面积占比减小，造成2016年情景下径流量减小。

径流系数是流域产流过程的关键指标。近30 a来，林草面积呈现大幅度增加趋势（见表7）。径流系数受多种因素影响，主要体现在汇水面积的土地利用情况与降水强度的关系。从林草面积占比与汛期径流系数的相互关系来看，林草面积占比与汛期径流系数成负相关关系。随着林草面积的增加，汛期径流系数相应减小，表明退耕还林工程初见成效，起到了很好的蓄水保墒作用。

对1978年、1998年和2016年3种情景下的最大月径流深进行模拟统计分析，见表8。结果表明，3种情景下最大月径流深呈减小趋势。不同时期土地利用变化（1978年林草面积占比最小，1998年和2016年林草面积呈显著上升趋势，农用地面积占比下降）分析表明，林草面积占比的增加导致月最大径流深减小。

下垫面条件的差异会导致相同降雨条件下土壤入渗的不同，从而影响水文循环过程，进一步影响土壤水分的时空分布。植被可以改变流域产汇流过程，同时植物根系可以增加土壤中大孔隙的比例，蓄水保墒，使土壤含水量增加。随着不同时期植被状况的改善，流域径流量明显减少，土壤蓄水能力增强。

3 结 论

通过设置1978年、1998年和2016年3种不同土地利用情景，构建SWAT模型。模型取得了较好的模拟结果，可以应用于汾河上游的径流模拟。汾河上游土地利用呈现出剧烈的时空变化，1978—2016年林地面积、草地面积、水域面积和建筑用地面积分别增加了116.84%、80.59%、3.54%和11.50%，农用地面积减少了16.46%。1955—2016年，汾河上游径流量呈显著下降趋势。林草面积占比的增大以及农用地占比的减小导致径流量呈减小趋势，林草面积的增加导致汛期径流系数减小。

土地利用结构对流域的产汇流过程能够产生深刻的影响，尤其对汛期的影响不容忽视。由于土地利用变化影响汾河流域水资源和生态系统健康，因此应考虑土地利用变化所发挥的作用。事实上，在评估气候变化时，应该考虑气候变化对未来土地利用变化的影响。然而，气候变化与土地利用变化的复合效应是复杂的，超出了本文的研究范围。在未来的研究中，将考虑基于元胞自动机和马尔可夫链预测土地利用变化，结合区域未来气候情景，对未来可能的土地利用和气候变化进行定量预测。

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