張程鵬，張鳳娥，2，耿新新，2，王 偉，冀俊杰

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊050061；2.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050061；3.貴州省畢節(jié)市水文水資源局，貴州畢節(jié)551700）

中國(guó)西南巖溶地區(qū)干旱、洪澇災(zāi)害交替頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境脆弱［1］，巖溶旱澇災(zāi)害也是西南地區(qū)石漠化治理的障礙之一［2］。除異常氣象條件之外，巖溶地區(qū)人類活動(dòng)也是造成旱澇災(zāi)害的原因之一。隨著人口經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類開(kāi)墾荒山、植樹(shù)造林、填洼造田，改變了原始的土地利用方式，對(duì)流域水資源的形成、分布、轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了極為深遠(yuǎn)的影響［3］。因此，研究流域土地利用變化的水文響應(yīng)，進(jìn)而分析旱澇災(zāi)害的產(chǎn)生原因，具有一定的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

大部分學(xué)者對(duì)土地利用變化引起的流域徑流變化的研究是基于模型展開(kāi)的。ZHANG［4］等利用MODIS-LAI 校準(zhǔn)的SWAT模型研究了澳大利亞北約翰斯頓河流域土地利用變化對(duì)水平衡的影響，表明在降雨量、坡度和土壤質(zhì)地相同的條件下，常綠林的產(chǎn)流量一般小于草地和城市用地，城市地表徑流大而側(cè)向徑流和地下水較少；LUO［5］等利用FLUS-SWAT模型研究了中國(guó)柘溪河流域城市擴(kuò)張土地利用變化的水文響應(yīng)，表明森林和農(nóng)業(yè)用地的減少將導(dǎo)致地表徑流增加64.86%，地下水流量減少9.05%；ZHOU 等［6］基于了長(zhǎng)江三角洲城市化水文響應(yīng)，表明城市化對(duì)年產(chǎn)水量的影響較小，但對(duì)地表徑流、洪峰流量和洪量的影響顯著；王博威等［7］基于SWAT 模型分析了潘家口水庫(kù)土地徑流量減少的原因，耕地、草地向林地的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致產(chǎn)流量減少，蒸發(fā)量增加；黎云云等［8］研究表明渭河流域土地利用變化導(dǎo)致徑流減少，支流減少程度大于干流；郝振純等［9］研究表明海河流域林地的增加和草地的減少會(huì)降低汛期徑流量以及最大月徑流量。

目前，大多數(shù)研究都聚焦在徑流量變化上，研究土地利用變化引起流域調(diào)蓄能力變化還不夠深入，且對(duì)典型巖溶流域土地利用變化的水文響應(yīng)研究較少。因此，本文基于SWAT 模型從流域整體和子流域角度進(jìn)行分析，評(píng)估典型巖溶流域土地利用變化引起流域流量、產(chǎn)水量、調(diào)蓄能力的變化，以期為決策者提供減輕巖溶旱澇、防治石漠化的技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)（105°5′E～105°16′E，27°15′N～27°22′N）位于貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)（圖1），屬倒天河流域上游部分，區(qū)內(nèi)主要分布村鎮(zhèn)，倒天河下游位于畢節(jié)城區(qū)內(nèi)。倒天河發(fā)源于畢節(jié)市黃泥大婁山脈南麓，屬烏江水系支流白甫河（落腳河）上游。

圖1 研究區(qū)位置及區(qū)內(nèi)水文要素Fig.1 Location of study area and hydrological elements

該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，季風(fēng)氣候比較明顯，降雨量較為充沛。1951-2017年多年平均降水量為1 134 mm，多年平均氣溫為12.6 ℃，多年平均相對(duì)濕度為81.5%。研究區(qū)地勢(shì)西南高，東北低，海拔1 552～2 199 m，流域面積約105 km2，年均徑流量0.43 億m3，多年平均徑流深409.5 mm，汛期為每年6-9月。

2 研究區(qū)數(shù)據(jù)收集與處理

2.1 地理空間數(shù)據(jù)

收集數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字高程模型（DEM 數(shù)據(jù)），土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)（Land use 數(shù)據(jù)），土壤數(shù)據(jù)（Soil 數(shù)據(jù)），詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 地理空間數(shù)據(jù)介紹Tab.1 Data of geospatial

2.2 氣象水文數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)多年日值降水量、日值高低溫、日值相對(duì)濕度、日值太陽(yáng)輻射量、日值風(fēng)速，水文數(shù)據(jù)主要包括多年逐日平均徑流量。氣象站、水文站分布見(jiàn)圖1，詳細(xì)信息介紹見(jiàn)表2。其中，畢節(jié)站不在研究區(qū)內(nèi)，但數(shù)據(jù)缺失時(shí)亦可使用，但效果不佳。SWAT 模型需要保證輸入氣象數(shù)據(jù)的起始日期和結(jié)束日期相同，其中缺測(cè)值可以用-99 代替，因此，綜合氣象和水文數(shù)據(jù)的時(shí)間序列，本文采用1990—2006年的氣象數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)行SWAT模型。

表2 氣象水文數(shù)據(jù)介紹Tab.2 Data of meteorological and hydrological

2.3 搭建屬性數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)屬性庫(kù)主要包括Land Use屬性庫(kù)、Soil屬性庫(kù)、坡度。

（1）Land Use 屬性庫(kù)。原始Land Use 數(shù)據(jù)自帶二級(jí)分類數(shù)據(jù)，按模型要求重分類后添加對(duì)應(yīng)屬性，見(jiàn)表3。

表3 土地利用屬性數(shù)據(jù)Tab.3 Attribute data of Land Use

（2）Soil 屬性庫(kù)。模型需要手動(dòng)添加Soil 屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)原始數(shù)據(jù)自帶的屬性表，利用SPAW 軟件的SWC 模塊計(jì)算新的Soil屬性數(shù)據(jù)，搭建了適用的土壤庫(kù)。

（3）坡度。研究區(qū)坡度按照自然間斷點(diǎn)分級(jí)法（Jenks）分為3級(jí)，即0～8.6，8.6～18.2，18.2～72。

3 模型原理及搭建

3.1 SWAT模型基本原理

SWAT 模型由美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)的工程師J G Arnold開(kāi)發(fā)［11］。其原理為水量平衡方程［12］，具體如下：

式中：?SW、P、Q、ET、DP、QR分別表示土壤含水量、降水、地表徑流、實(shí)際蒸散發(fā)、深層下滲和淺層回歸流。

基于ArcGIS平臺(tái)的ArcSWAT按照輸入的DEM 數(shù)據(jù)自動(dòng)提取河網(wǎng)，生成子流域，再按照不同的LandUse 數(shù)據(jù)、Soil 數(shù)據(jù)、坡地將子流域劃分為HRU（水文響應(yīng)單元），本文劃分閾值為5%、10%、10%，通過(guò)輸入降水量、溫度、太陽(yáng)輻射量、相對(duì)濕度、風(fēng)速等信息，計(jì)算每個(gè)HRU的產(chǎn)匯流情況。

3.2 模型的校準(zhǔn)與率定

通過(guò)SWAT-CUP 軟件［13，14］不斷改變相關(guān)參數(shù)，使得模型輸出的河道流量水文信息與實(shí)測(cè)的流量數(shù)據(jù)不斷擬合，以期得到最佳擬合效果時(shí)的最佳參數(shù)和最佳參數(shù)范圍。本文選取R2（相關(guān)系數(shù)）和NSE（Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，納什效率系數(shù)）兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)擬合效果，其計(jì)算方式為：

式中：Q表示流量，m3/s；m和s分別表示觀測(cè)值和模擬值；i表示觀測(cè)或模擬的次數(shù)。

目標(biāo)函數(shù)的值越接近1，表示模擬值與實(shí)際值差別越小，模擬效果越好。目標(biāo)函數(shù)置信區(qū)間見(jiàn)表4。

表4 目標(biāo)函數(shù)置信區(qū)間Tab.4 Confidence interval of objective function

3.3 模擬的結(jié)果與評(píng)價(jià)

為模擬真實(shí)土地利用情況，1990-1997年使用1995年土地利用，1998-2002年使用2000年土地利用，2003-2006年使用2005年土地利用。以月步長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)模型，將1991-1992年作為預(yù)熱期，1993-1997年作為校準(zhǔn)期，1998-2002年作為驗(yàn)證期，2003-2006年作為驗(yàn)證期。

（1）流域劃分結(jié)果。模型劃定的研究區(qū)面積為104.970 km2，研究區(qū)被分為55 個(gè)子流域，其中出水口在12 號(hào)子流域，1995年土地利用下HRU 個(gè)數(shù)為454，2000年土地利用下HRU個(gè)數(shù)為456，2005年土地利用下HRU個(gè)數(shù)為431。

（2）參數(shù)率定結(jié)果。根據(jù)大量文獻(xiàn)及學(xué)者建議，初步選取12 個(gè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定，在1 000 次模擬后，選擇較敏感的8 個(gè)參數(shù)作為選定參數(shù)，利用SWAT-CUP 軟件進(jìn)行調(diào)參，經(jīng)每輪1 000 次模擬，5 輪迭代后，得到p-factor和r-factor合理的值（p＞0.75，r＜1），得到最佳參數(shù)范圍和最佳參數(shù)。

（3）模型評(píng)價(jià)。流量模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。校準(zhǔn)期（1993-1997年）R2=0.95，NSE=0.95，p-facto=0.78，r-factor=0.42，實(shí)測(cè)平均流量1.568，模擬平均流量1.564，誤差0.3%；驗(yàn)證期（1998-2002年）R2=0.95，NSE=0.95，實(shí)測(cè)平均流量1.373，模擬平均流量1.447，誤差5.3%；驗(yàn)證期（2003-2006年）R2=0.90，NSE=0.77，實(shí)測(cè)平均流量1.067，模擬平均流量1.226，誤差14.9%。對(duì)比公式（2），（3）和表4，表明模擬結(jié)果良好，參數(shù)率定后的SWAT 可以用來(lái)評(píng)價(jià)該研究區(qū)水文情況。

4 土地利用變化的水文響應(yīng)

研究區(qū)主要分布零散的村鎮(zhèn)，土地利用類型主要有3種：耕地、林地、草地。為研究土地利用變化對(duì)該流域的水文響應(yīng)，保持1990-2006年氣象輸入條件不變，設(shè)置5種情形。

表5 敏感參數(shù)率定結(jié)果Tab.5 Calibration results of sensitive parameters

圖2 流量模擬結(jié)果Fig.2 Flow simulation results

表6 不同土地利用情景Tab.6 Land use scenarios

4.1 研究區(qū)土地利用變化

由土地利用變化分布圖（圖3）、土地利用類型占比圖（圖4）以及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表7、表8）分析得出，在20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，研究區(qū)的土地利用變化趨勢(shì)為：

（1）耕地面積逐漸增加，林地面積逐漸增加，草地面積逐漸減??；

（2）1995年到2000年，土地利用類型變化不大；2000年到2005年，土地利用類型變化劇烈，主要表現(xiàn)為草地轉(zhuǎn)化為耕地和林地。

4.2 不同情景下研究區(qū)流量變化分析

將5 種情景下的土地利用數(shù)據(jù)代入模型，得到研究區(qū)流量數(shù)據(jù)，因不同情景下流量差異不大，做出了不同情景流量差值圖（圖5），可以更加直觀的比較不同情景的流量差異。不同情景流量差值圖表明：

（1）不同情景下的流量差異主要體現(xiàn)在雨季（汛期），旱季（非汛期）差異不明顯；

（2）雨季差值為正、旱季差值為負(fù)，表明研究區(qū)調(diào)蓄能力減弱；雨季差值為負(fù)、旱季差值為正，表明研究區(qū)調(diào)蓄能力增強(qiáng)；

（3）情景2-情景1 反映了1995-2000年土地利用變化的水文響應(yīng)，情景3-情景2 反映了2000-2005年土地利用變化的水文響應(yīng)，兩種土地利用變化均導(dǎo)致流域流量增加，調(diào)蓄能力減弱，并且后者比前者的影響更加明顯；表明研究區(qū)土地利用類型由草地轉(zhuǎn)為耕地會(huì)導(dǎo)致流域流量增加，調(diào)蓄能力減弱；

（4）情景4-情景3、情景5-情景3 反映了在2005年土地利用的基礎(chǔ)上按照國(guó)家政策退耕還草、還林后流域流量變化，情景5-情景4 反映了耕地還草、還林兩種方式之間的差異；表明退耕還草、還林均會(huì)導(dǎo)致流域流量減小，調(diào)蓄能力增強(qiáng)，且還草與還林兩種方式導(dǎo)致流量變化幾乎一致。

圖3 1995-2000土地利用分布圖及土地利用變化圖Fig.3 Land use distribution map and land use change map from 1995 to 2000

圖4 不同時(shí)期土地利用類型占比Fig.4 Proportion of Land use types in different periods

表7 1995-2000年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2Tab.7 Land use transfer matrix from 1995 to 2000

表8 2000-2005年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2Tab.8 Land use transfer matrix from 2000 to 2005

4.3 土地利用變化下子流域產(chǎn)水量分析

流域產(chǎn)水量的計(jì)算方法為：

式中：WYLD表示子流域產(chǎn)水量；SURQ表示地表徑流向河道輸水量；LATQ表示側(cè)向補(bǔ)給量；GWQ表示地下水向河道輸水量；TLOSS表示徑流向河道傳輸中的傳輸損耗；PA表示抽水損耗。上述變量單位均為mm。

產(chǎn)水量表征一個(gè)流域匯水、輸水、產(chǎn)水能力的重要指標(biāo)，通過(guò)分析不同土地利用下子流域產(chǎn)水量變化特征，分析土地利用類型變化對(duì)流域產(chǎn)水能力的影響。

在1995-2000年土地利用類型變化中，重點(diǎn)研究27、40、46號(hào)子流域產(chǎn)水量變化；在2000-2005年土地利用類型變化中，重點(diǎn)研究19、22、50、51號(hào)子流域產(chǎn)水量變化。子流域產(chǎn)水量差值圖表明。

（1）1995-2000年土地利用變化下（圖6）40、46 號(hào)（林地→耕地）子流域產(chǎn)水量差異較大，27 號(hào)（草地→林地）子流域產(chǎn)水量差異較小；

（2）2000-2005年土地利用變化下（圖7）19 號(hào)（草地→耕地）子流域產(chǎn)水量差異最大、22 號(hào)（草地→耕地）子流域產(chǎn)水量差異較大，50、51號(hào)（草地→林地）子流域產(chǎn)水量差異較?。?/p>

（3）林地向耕地、草地向耕地的土地利用類型轉(zhuǎn)化引起子流域產(chǎn)水量的變化明顯，草地向林地的轉(zhuǎn)化引起子流域產(chǎn)水量的變化不明顯；

圖5 不同土地利用情景下流量差值圖Fig.5 Flow difference under different Land use scenarios

圖6 1995-2000年土地利用變化下子流域產(chǎn)水量差值圖Fig.6 Water yield difference of subbasin under Land use changes from 1995 to 2000

圖7 2000-2005年土地利用變化下子流域產(chǎn)水量差值圖Fig.7 Water yield difference of subbasin under Land use changes from 2000 to 2005

（4）上述土地利用變化方式下均表現(xiàn)為雨季差值為正、旱季差值為負(fù)，表明子流域相較于土地利用方式變化前調(diào)蓄能力減弱；林地向耕地、草地向耕地、草地向林地的土地利用轉(zhuǎn)化均會(huì)導(dǎo)致研究區(qū)調(diào)蓄能力變?nèi)?，草地向耕地的土地利用轉(zhuǎn)化對(duì)調(diào)蓄能力的改變尤為明顯。

5 結(jié)論與建議

為了研究土地利用方式變化在典型巖溶流域產(chǎn)生的水文響應(yīng)，構(gòu)建了倒天河流域的SWAT模型，并利用該模型探討了不同土地利用下流域流量的變化規(guī)律和子流域產(chǎn)水量的變化規(guī)律及其調(diào)蓄能力分析，其具體結(jié)論如下。

（1）參數(shù)率定后的SWAT 模型在校準(zhǔn)期（1993-1997年）R2=0.95、NSE=0.95；驗(yàn)證期（1998-2002年）R2=0.95、NSE=0.95；驗(yàn)證期（2003-2006年）R2=0.90、NSE=0.77。構(gòu)建的SWAT 模型在模擬倒天河流域月流量過(guò)程中模擬效果良好，模型適用于該研究區(qū)；

（2）3期土地利用數(shù)據(jù)表明：研究區(qū)耕地和林地面積逐漸增加，草地面積逐漸減小，土地利用類型變化主要為由草地轉(zhuǎn)化為耕地和林地；

（3）研究區(qū)5 種情景下土地利用變化引起流域流量變化結(jié)果表明：草地轉(zhuǎn)化為耕地會(huì)導(dǎo)致流域流量增加，流域調(diào)蓄能力減弱；

（4）不同土地利用方式下子流域產(chǎn)水量結(jié)果表明：林地向耕地、草地向耕地的土地利用類型轉(zhuǎn)化引起子流域產(chǎn)水量的變化明顯，草地向林地的轉(zhuǎn)化引起子流域產(chǎn)水量的變化不明顯；上述三種土地利用方式的轉(zhuǎn)化均會(huì)減弱子流域的調(diào)蓄能力，其中，草地向耕地的轉(zhuǎn)化對(duì)調(diào)蓄能力的減弱尤為明顯。

綜上所述，本項(xiàng)工作研究了巖溶流域土地利用變化引起流域產(chǎn)流量、調(diào)蓄能力變化的規(guī)律，明確了巖溶區(qū)土地利用變化產(chǎn)生的水文響應(yīng)，推動(dòng)了巖溶區(qū)土地利用變化研究進(jìn)展。據(jù)此可以說(shuō)明“退耕還林還草”措施可以提高巖溶流域調(diào)蓄能力，從而降低下游洪澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；還有利于提高巖溶流域林、草覆蓋率，進(jìn)而減少石漠化的發(fā)生。

盡管如此，本項(xiàng)工作還有不足，未對(duì)巖溶流域調(diào)蓄能力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，沒(méi)考慮氣候變化對(duì)水文響應(yīng)的影響。因此，將氣候變化和土地利用變化對(duì)流域調(diào)蓄能力的定量研究是今后應(yīng)突破的重點(diǎn)。 □