楊麗萍，鄒 進(jìn)

(1.云南省水文水資源局 ，昆明 650106；2.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明 650100)

1 研究背景

變化環(huán)境中的水文循環(huán)研究成為 21 世紀(jì)水科學(xué)研究熱點(diǎn)，短期內(nèi)的土地利用和覆被變化是改變水文循環(huán)的主要因素之一[1]。隨著城鎮(zhèn)化的建設(shè)，人類(lèi)活動(dòng)引起的土地利用變化日益顯著，而土地利用變化通過(guò)改變不同界面[2]的水分交換量影響徑流時(shí)空分布及流域水循環(huán)過(guò)程[3]。水文過(guò)程及特點(diǎn)的變化與土地利用方式之間相互影響，錯(cuò)綜復(fù)雜[4]。研究土地利用變化在流域內(nèi)的水文響應(yīng)過(guò)程，將為流域水土資源的開(kāi)發(fā)利用和管理決策奠定科學(xué)基礎(chǔ)[2]。

目前， 國(guó)內(nèi)外的學(xué)者關(guān)于流域的水文過(guò)程模擬研究多采用分布式水文模型SWAT( soil and water assessment tool)，且土地利用變化對(duì)流域水文過(guò)程的影響研究已逐漸由定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎坑?jì)算[5]，其中以情景模擬較為多見(jiàn)[6]，且主要以模擬地表徑流居多。如：GEBREMICAEL T G 等[7]基于SWAT 模型,對(duì)埃塞俄比亞高原的土地利用變化對(duì)水文響應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明土地利用變化是導(dǎo)致青尼羅河徑流量顯著變化的主要原因。高倩等[8]利用SWAT水文模型設(shè)置了大汶河流域在極端土地利用情景下設(shè)計(jì)模擬流域內(nèi)的徑流響應(yīng)，結(jié)果表明在耕地情境和林地情境下，徑流量減少，而在草地情境下，徑流量增加；金鑫等[9]基于LU-SWAT模型的土地利用/覆被變化對(duì)黑河上游的水文過(guò)程影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明1990-2001年流域的地表徑流、側(cè)向流、蒸散發(fā)量以及總產(chǎn)水量均增加而地下徑流減少的主要原因有可能是林地的減少造成的，而2002-2009年流域地表徑流、側(cè)向流、蒸散發(fā)量以及總產(chǎn)水量減少而地下徑流量增加的主要原因有可能是裸地的大面積減少；孫麗娜[10]等通過(guò)將SWAT與CLUE-S模型耦合,定量評(píng)估了東遼河流域未來(lái)2種不同情景模式下的土地利用變化對(duì)流域水文過(guò)程長(zhǎng)期的影響，結(jié)果表明植被覆蓋率與徑流的流失量呈反比；成向榮[11]等利用SWAT-CUP建立衢江流域模型研究植被覆蓋變化對(duì)流域水文效應(yīng)的影響，結(jié)果表明大面積發(fā)展經(jīng)濟(jì)林會(huì)增加地表徑流,減少地下水補(bǔ)給,植被水源涵養(yǎng)功能減弱。然而，現(xiàn)目前的大部分研究主要是針對(duì)流域內(nèi)的土地利用變化對(duì)年、月、豐、枯等時(shí)間段的徑流影響進(jìn)行分析，而徑流形成過(guò)程中的地表徑流、土壤水、蒸散發(fā)等水文通量對(duì)流域內(nèi)的水文過(guò)程影響研究有所欠缺[12]。

盤(pán)龍江是昆明市的母親河，貫穿整個(gè)昆明主城區(qū)，流域面積為724.84 km2，且昆明市的成熟經(jīng)濟(jì)帶大部分都集中在盤(pán)龍江流域內(nèi)，因此河道的人為干擾程度較高，下墊面的變化對(duì)水文過(guò)程帶來(lái)的影響與人工修建閘壩相比，前者的可控性和可恢復(fù)性更難，需要我們引起格外重視。在前期建立的盤(pán)龍江流域SWAT 模型[13]及流域內(nèi)1994、2000、2008年三期土地利用數(shù)據(jù)的條件下，對(duì)盤(pán)龍江流域的水文過(guò)程進(jìn)行定量分析。通過(guò)研究分析各水文通量對(duì)流域水文過(guò)程的影響，可有效制定城市防洪規(guī)范，改善水環(huán)境，對(duì)優(yōu)化流域內(nèi)土地利用規(guī)劃具有指導(dǎo)意義[14]，為實(shí)現(xiàn)流域水資源科學(xué)管理提供依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

盤(pán)龍江流域位于昆明市，年平均溫度14.5 ℃，最熱月(7月)平均氣溫19.7 ℃，最冷月(1月)平均氣溫7.5 ℃，年溫差12～13 ℃。多年平均降水量975.3 mm，其中雨季(5-10月)的降水量占全年的85%～90%，相對(duì)濕度為74%。水面蒸發(fā)量在600～2 000 mm之間，陸面蒸發(fā)量在600～700 mm之間，河谷區(qū)高于山丘區(qū)。多年平均徑流深為305.2 mm，多年平均徑流量0.67 億m3[14]。全流域的土地利用類(lèi)型為林地、草地、水域、建設(shè)用地、裸地和農(nóng)業(yè)用地六類(lèi)，其中林地、農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地占主導(dǎo)地位，占流域面積的96%以上。流域的土壤類(lèi)型通過(guò)分類(lèi)和合并，共分為水稻土、紅壤、亞熱帶山地紅壤、棕壤和城市不透水層五類(lèi)。該研究流域的區(qū)域見(jiàn)圖1。

圖1 研究流域區(qū)域圖

3 研究方法與模型建立

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

盤(pán)龍江流域的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)http:∥cdc.Cma.gov.cn /，主要包括昆明氣象站1956-2010年逐日氣溫(最高、最低、平均)、日降水、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速與平均相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)來(lái)源于水利部水文局，包含松花壩站、敷潤(rùn)橋站2個(gè)水文站1999-2007年的逐月徑流數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源為中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的1994、2000、2008年的土地利用柵格圖，分辨率為25 m。數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS-84，空間分辨率為25 m[14]。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，分辨率為944.6 m。

3.2 研究方法

基于水量平衡原理，SWAT 模型將流域水文循環(huán)過(guò)程分為陸面部分和匯流部分[15]。前者描述了每個(gè)子流域內(nèi)主河道的輸入量; 后者則描述了各河網(wǎng)向流域出口的輸移過(guò)程[16]。模型運(yùn)行后，可對(duì)流域的地表徑流、基流、蒸發(fā)等水文通量進(jìn)行模擬輸出。

為了定量區(qū)分土地利用變化對(duì)盤(pán)龍江流域水文循環(huán)的影響，本文在前期研究的土地利用數(shù)據(jù)年份為2000年的盤(pán)龍江流域SWAT 模型中[13]，對(duì)流域在1999-2007年的氣象條件下進(jìn)行水文循環(huán)模擬。在氣象條件不變的前提下，將模型中2000年的土地利用數(shù)據(jù)分別替換為1994、2008年，進(jìn)行流域的水文循環(huán)模擬過(guò)程，并對(duì)各土地利用情況下各個(gè)子流域的各水文通量[4]值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析盤(pán)龍江流域在1994-2008年土地利用變化對(duì)水文過(guò)程的影響。

3.3 建立SWAT模型

流域的水文過(guò)程在空間上存有差異，為了能細(xì)化出整個(gè)流域的差異性，SWAT模型在進(jìn)行模擬過(guò)程時(shí)，結(jié)合流域的DEM圖和流域閾值將流域劃分成30個(gè)子流域，790個(gè)HRUs(Hydrologic Response Unit，水文響應(yīng)單元)。其中土地利用面積、土壤面積、坡度的最小閾值分別為1%、1%、10%，在此閾值條件下，可確保整個(gè)子流域的面積可以得到100%的模擬。

SWAT模型運(yùn)用過(guò)程中，參數(shù)采用SWAT-CUP中的SUFI-2算法進(jìn)行參數(shù)的率定和驗(yàn)證，最終模擬出1999-2007 年氣象條件下盤(pán)龍江流域水文循環(huán)過(guò)程。結(jié)果顯示[13]：流域出口的敷潤(rùn)橋站，其月徑流模擬率定期1994-2004年的模擬值大于實(shí)測(cè)值，相對(duì)誤差Re=1%，確定性系數(shù)R2=0.75，效率系數(shù)ENS=0.65；驗(yàn)證期2005-2007年的模擬值大于實(shí)測(cè)值，Re=12%，R2=0.68，ENS=0.58[13]。總體來(lái)看，在率定期和驗(yàn)證期R2均達(dá)0.6 以上，ENS大于0.55，Re小于15%，可見(jiàn)SWAT 模型的模擬精度基本滿足盤(pán)龍江流域的水文模擬過(guò)程，可為該流域在后續(xù)的水文循環(huán)研究奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)果與分析

4.1 1994-2008 年盤(pán)龍江流域土地利用變化分析

盤(pán)龍江流域地處滇中地區(qū)，貫穿昆明市區(qū)后流入滇池。而該流域內(nèi)的原生植被在長(zhǎng)期的歷史發(fā)展過(guò)程中，為了滿足人類(lèi)日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)和生活需要，人為的對(duì)它進(jìn)行了一系列的毀林開(kāi)荒、陡坡開(kāi)墾等干擾行為，嚴(yán)重破壞了流域內(nèi)植被的生態(tài)環(huán)境。雖然后期對(duì)流域?qū)嵤┝酥矘?shù)造林、封山造林、退耕還林等措施，植被覆蓋面積比例由少變多，但它對(duì)于蓄水保土性能、生態(tài)發(fā)展、水源涵養(yǎng)能力還是出現(xiàn)了下降[14]。

根據(jù)研究區(qū)域土地利用的整體情況，流域內(nèi)的土地利用類(lèi)型被分類(lèi)為林地、草地、水域、建設(shè)用地、裸地、農(nóng)業(yè)用地6 類(lèi)(圖2)。不同時(shí)期土地利用變化情況見(jiàn)表1，1994-2008年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表2。

表1 不同時(shí)期土地利用變化情況

表2 1994-2008年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

圖2 盤(pán)龍江流域土地利用圖(1994、2000、2008年)

4.1.1 土地利用類(lèi)型變化分析

由表1 可見(jiàn): ①在1994-2008年間，盤(pán)龍江流域的土地利用類(lèi)型的主體為林地。林地面積占流域總面積平均71.46%，在15年間整體呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，整體僅減少2.73 km2，變化率為-0.54%，整體變化小。②農(nóng)業(yè)用地占流域總面積平均約19.65% ，1994-2008 年呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢(shì)，整體減少了68.53 km2，變化率為-34.21%，是流域內(nèi)變化幅度最大的土地利用類(lèi)型。③建設(shè)用地占流域總面積平均約6.60%， 1994-2008年呈現(xiàn)逐年遞增的變化趨勢(shì)，整體增加了52.23 km2，增長(zhǎng)率206.04%。特別是2000-2008年較1994-2000年增長(zhǎng)了約144.5%。④草地占流域總面積平均約1.0%，1994-2008年呈持續(xù)增長(zhǎng)，共增加了10 km2，增長(zhǎng)率為781.25%，是流域內(nèi)變化率最大的土地利用類(lèi)型。⑤裸地、水域面積整體有所增加?？傮w而言，1994-2008 年盤(pán)龍江流域的土地利用變化情況為：林地面積占比雖然整體有所降低，但仍為流域土地利用類(lèi)型的主體；建設(shè)用地增加量最大，農(nóng)業(yè)用地減少量最多，而草地、水域、裸地皆有所增加。

4.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

由表2 可見(jiàn): ①增加的城鎮(zhèn)用地主要源于林地和農(nóng)業(yè)用地的轉(zhuǎn)化，分別轉(zhuǎn)化了23.17和32.73 km2；②減少的農(nóng)業(yè)用地向林地、城鎮(zhèn)用地、草地、裸地等發(fā)生了不同程度轉(zhuǎn)化，其中以林地和城鎮(zhèn)用地為主，分別為106.47和23.17 km2；③ 減少的林地主要向農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地進(jìn)行轉(zhuǎn)化,分別轉(zhuǎn)化了66.72和32.73 km2；④農(nóng)業(yè)用地和林地在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)農(nóng)業(yè)用地向林地發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)換。

4.2 土地利用變化對(duì)流域年徑流的影響

本文關(guān)于土地利用變化對(duì)流域年徑流的影響主要是通過(guò)統(tǒng)計(jì)的各個(gè)水文通量[4]來(lái)分析完成的。其中地表徑流、側(cè)向流以及基流之和等于徑流總量。盤(pán)龍江流域土地利用變化對(duì)年徑流的地表徑流、側(cè)向流、基流等各個(gè)水文通量的影響見(jiàn)圖3。

圖3 盤(pán)龍江流域土地利用變化對(duì)水文通量的影響

由圖3可知，盤(pán)龍江流域快速城市化過(guò)程中的土地利用變化對(duì)該流域的水文通量有著顯著的影響：城市化的快速發(fā)展可造成基流、側(cè)向流的減少及蒸散發(fā)、地表徑流的增加。在1994-2008年區(qū)間，不同土地利用條件對(duì)盤(pán)龍江各水文要素的影響變化如下：

(1)地表徑流在1994-2008年區(qū)間的不同土地利用條件下，由149.36 mm 增加至163.05 mm，共增加了13.69 mm，變化率為9.17%。地表徑流的增加主要是由農(nóng)業(yè)用地、林地面積被城鎮(zhèn)用地占用減少而造成的，使得不透水面積的增加極大的減少了地表入滲，從而造成地表徑流增加。此外，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的徑流系數(shù)大也是造成地表徑流增加的原因之一。

(2)側(cè)向流在1994-2008年區(qū)間的不同土地利用條件下，由102.22 mm 減少至95.14 mm，共減少了7.08 mm，變化率為-6.93 %。側(cè)向流的總量減少與城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)張有關(guān)，建設(shè)用地增加導(dǎo)致土壤水不斷減少的情況下，從土壤剖面滲流至地下水層的水分也會(huì)大量減少，并最終導(dǎo)致側(cè)向流的減少。

(3)基流在1994-2008年區(qū)間的不同土地利用條件下，由142.04 mm減少至137.79 mm，共減少了4.25 mm，變化率為-2.99%?；鞯臏p少主要是由于農(nóng)業(yè)用地、林地面積被城鎮(zhèn)用地占用減少而造成的，不透水面積的增加極大的減少了地表水入滲，使得基流失去水分補(bǔ)給的主要來(lái)源，造成基流量下降。

(4)實(shí)際蒸發(fā)和潛在蒸發(fā)在1994-2008年區(qū)間的不同土地利用條件下，分別由548.29、1 269.56 mm增加至550.80、1 271.76 mm，分別增加了2.51和2.20 mm，對(duì)應(yīng)的變化率為0.46%和0.17%。蒸發(fā)總量的增加以建設(shè)用地、裸地、水域面積的增加而造成。雖然城鎮(zhèn)建設(shè)導(dǎo)致土壤水分供給條件受限，使蒸發(fā)量有所減少，但是裸地和水域造成的蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于城鎮(zhèn)用地增加造成的減少量，因此水域面積和裸地面積的增加導(dǎo)致流域內(nèi)蒸發(fā)總量的增加。

(5)徑流總量為地表徑流、側(cè)向流以及基流之和。在1994-2008年區(qū)間的不同土地利用條件下，徑流總量由393.62 mm 增加至395.98 mm，共增加了2.36 mm，變化率為0.60 %。徑流總量的增加主要是由于城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)大造成的地表徑流增加量遠(yuǎn)大于下滲補(bǔ)給限制的側(cè)向流和基流減少量，從而說(shuō)明地表徑流是徑流總量的主要來(lái)源。

綜上所述，土地利用變化對(duì)各水文通量影響最大和最小的分別是地表徑流和潛在蒸發(fā)量，這與呂樂(lè)婷[4]、成向榮[11]等關(guān)于土地利用變化對(duì)徑流影響的研究結(jié)果相類(lèi)似。結(jié)合流域內(nèi)土地利用變化情況和各個(gè)水文通量的變化情況進(jìn)行分析，認(rèn)為林地和農(nóng)業(yè)用地的減少、城鎮(zhèn)用地的快速增加有可能是造成地表徑流增加的主要原因；建設(shè)用地、裸地、水域面積的增加有可能是造成潛在蒸發(fā)和實(shí)際蒸發(fā)增加的原因；而草地及建設(shè)用地面積的增加有可能引起基流和側(cè)向流的減少。

4.3 土地利用變化對(duì)月徑流的影響

為研究土地利用變化對(duì)流域月徑流的影響，分別對(duì)1994、2000、2008年土地利用狀態(tài)下的各水文通量月均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 盤(pán)龍江流域土地利用變化對(duì)水文通量影響的年內(nèi)分布狀況

受土地利用變化的影響，盤(pán)龍江流域的地表徑流全年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增幅具有明顯的季節(jié)性，即雨季增幅比旱季明顯，其中6月和2月的增幅分別為年內(nèi)最大和最小，對(duì)應(yīng)的值分別為5.28和0.03 mm; 而從變化率上來(lái)說(shuō)，5月和8月的變化率分別為最大和最小，對(duì)應(yīng)的值分別為26.05%和3.75%。側(cè)向流全年呈減少趨勢(shì)，在4-9月份減幅較大，而其余月份減幅較小，其中7 月和12月的減少量分別為年內(nèi)最大和最小，對(duì)應(yīng)的值分別為-1.23和0.03 mm；而從變化率上來(lái)說(shuō)，3月和11月的變化率分別為最大和最小，對(duì)應(yīng)的值分別為-37.09%和-1.48%?；魅瓿蕼p少趨勢(shì)，在旱季減幅相對(duì)較明顯，其中10月和8月的減少量分別為年內(nèi)最大和最小，對(duì)應(yīng)的值分別為-2.69和-0.02 mm; 而從變化率上來(lái)說(shuō)，10月和8月的變化率分別為最大和最小，對(duì)應(yīng)的值分別為-18.13%%和-0.15%。實(shí)際蒸發(fā)量全年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在旱季增幅較大，雨季增幅較小，其中12月和7、9月的增幅分別為年內(nèi)最大和最小，對(duì)應(yīng)的值分別為1.03和0.02 mm；而從變化率上來(lái)說(shuō)，12月和5月的變化率分別為最大和最小，對(duì)應(yīng)的值分別為1.68%和0.09%。潛在蒸發(fā)全年呈增大趨勢(shì)，且與季節(jié)密切相關(guān)，即旱季增幅大于雨季，其中3月和8月的增幅分別為年內(nèi)最大和最小，對(duì)應(yīng)的值分別為1.03和0.18 mm;而從變化率上來(lái)說(shuō)，3月和8月的變化率分別為最大和最小，對(duì)應(yīng)的值分別為0.67%和0.02%。徑流總量全年中，5-8月徑流量均增加，變化量為7.01 mm，而其余月份均減少,對(duì)應(yīng)的變化量為4.65 mm。而變化率上來(lái)說(shuō)，旱季和雨季的平均變化率分別為-3.70%和1.22%。由此可知，各水文通量對(duì)土地利用變化的響應(yīng)程度相比較而言，地表徑流、側(cè)向流在雨季更為敏感，實(shí)際蒸發(fā)、潛在蒸發(fā)與徑流總量在旱季更為敏感，基流在雨季、旱季幾乎相同。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)在1994-2008年間，盤(pán)龍江流域的土地利用類(lèi)型除了林地、農(nóng)業(yè)用地面積發(fā)生減少外，其余的土地利用類(lèi)型均發(fā)生了不同程度的增加。在土地利用變化的影響下，盤(pán)龍江流域的單位面積地表徑流、實(shí)際蒸發(fā)和潛在蒸發(fā)分別增加了13.69、2.51、2.20 mm；側(cè)向流、基流分別減少7.08、4.25 mm；因此徑流總量共增加2.36 mm。

(2)流域內(nèi)的土地利用變化對(duì)各水文通量的影響程度不同。受土地利用變化的影響，地表徑流的響應(yīng)度最高，1994-2008年共增加了9.17%；其次是基流與側(cè)向流，分別減少了6.93%與2.99%；最低的是潛在蒸發(fā)量，增加了0.17%。

(3)在不同的季節(jié)，流域內(nèi)的土地利用變化對(duì)各水文通量的影響亦有所差異。在雨季，土地利用變化對(duì)流域產(chǎn)流過(guò)程中有較高敏感度的水文通量是地表徑流、側(cè)向流；而實(shí)際蒸發(fā)、潛在蒸發(fā)與徑流總量則在旱季比較敏感；基流在雨季、旱季幾乎相同。

土地利用變化對(duì)盤(pán)龍江流域的水文產(chǎn)流過(guò)程造成的顯著影響，進(jìn)一步可影響到流域內(nèi)的自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，其影響機(jī)制對(duì)于協(xié)調(diào)和解決土地利用、水資源管理、城市發(fā)展之間的矛盾有著重要意義。本次研究由于缺乏更多的實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)導(dǎo)致模型率定和校驗(yàn)方面存在一些不足，但本文的研究方法和結(jié)論對(duì)于城市化發(fā)展過(guò)程中土地利用變化的水文效應(yīng)的理解和一些相關(guān)問(wèn)題的解決仍具有一定的意義。在今后的研究中，除了從時(shí)間序列上提高模型的模擬精度，還應(yīng)加入?yún)^(qū)域氣候變化、城市化過(guò)程中的生產(chǎn)生活用水、水利工程建設(shè)及管網(wǎng)布置等因素，從廣度上全面反映土地利用變化對(duì)整個(gè)流域水文的影響。