王 維，鞠 琴，王樂揚，吳佳杰，次旦多杰，郝振純

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)全球變化與水循環(huán)國際合作聯(lián)合實驗室，江蘇 南京 210098;3.中國電建集團江西省電力設(shè)計院有限公司，江西 南昌 330096;4.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044;5.西藏水文水資源勘測局林芝水文水資源分局，西藏 林芝 860000)

0 引 言

渭河是黃河第一大支流，全長818 km，控制流域面積約13.48萬km2。渭河流域處于濕潤區(qū)與干旱區(qū)的過渡地區(qū)，大陸性氣候，冬寒少雨，夏熱多雨，年平均降水量500～800 mm之間，時間分配上也極不均勻，年平均降水約65%集中在6月～10月[1]。20世紀以來，隨著氣候變化和人類活動的影響，我國許多流域的下墊面條件發(fā)生了巨大變化，流域徑流的演變規(guī)律也有重大改變[2]。徑流受氣候、下墊面條件和人類活動等眾多因素的耦合作用[3- 4]，但流域自身的一些特性，如土地利用、地表覆蓋等，也與徑流的產(chǎn)生有著十分密切的聯(lián)系[5]。受人類活動、氣候變化等多種因素影響，渭河上游流域土地利用、地表覆蓋等產(chǎn)生顯著變化[6]。所以，分析研究渭河上游流域土地利用變化與徑流的相關(guān)性具有十分重要的意義。已有許多學(xué)者做了相關(guān)的研究，魏紅義等[7]認為氣候因素和人類活動對渭河流域徑流量的影響各占一半，流域徑流量有明顯的減小趨勢；胡宏昌等[8]認為1986年～2000年渭河流域LUCC對年均流量變化的貢獻率約為15%；楊依天等[9]采用土地利用動態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用綜合指數(shù)對土地利用類型進行了分析，并分析了土地利用變化對環(huán)境的影響。

本文運用滑動平均法[10]、轉(zhuǎn)移矩陣分析法[11]、皮爾遜相關(guān)系數(shù)法等分析方法，對渭河上游流域典型水文站(林家村站)徑流在年尺度上的變化特征與土地利用變化規(guī)律進行相關(guān)性分析，以揭示渭河上游流域徑流量年際變化與土地類型變化之間的關(guān)系，為流域未來土地利用規(guī)劃、水資源管理等提供理論參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文引用了地理國情監(jiān)測云平臺上的中國土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年共7 a渭河上游流域的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是在土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過矢量數(shù)據(jù)柵格化生成的1 km柵格數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)把土地利用主要分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用土地6種一級類型。

本文研究渭河上游流域(見圖1)，因此只采用林家村水文站逐日流量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得出年均流量Qy和年連續(xù)最大7、30、90 d流量Q7 d、Q30 d、Q90 d，數(shù)據(jù)序列為1961年～2015年55 a。

圖1 渭河上游流域示意

1.2 研究方法

本文主要采用轉(zhuǎn)移矩陣分析土地利用相互轉(zhuǎn)移變化規(guī)律，采用滑動平均法處理年序列數(shù)據(jù)，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分析土地利用類型與徑流量特征值的相關(guān)性。

1.2.1 轉(zhuǎn)移矩陣法

轉(zhuǎn)移矩陣是目前通用的一種揭示土地利用間變化方向的數(shù)學(xué)方法，能夠十分具體地反映變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型之間轉(zhuǎn)移的方向，矩陣中每個元素表達的意義十分明確，且具有明顯統(tǒng)計關(guān)系。轉(zhuǎn)移矩陣的作用在于它不僅可以反映各個時期土地利用類型結(jié)構(gòu)，而且還可以反映出不同類型土地利用之間的轉(zhuǎn)移變化情況，可以非常直觀的看出土地利用類型轉(zhuǎn)移的來源及構(gòu)成。轉(zhuǎn)移矩陣

(1)

式中，S為面積；i為土地利用的類型數(shù)目；m、n為研究區(qū)初、末的土地利用類型；Smn為研究區(qū)初、末第m類土地轉(zhuǎn)化為第n類的面積。

1.2.2 滑動平均法

滑動平均法是在簡單平均數(shù)法的基礎(chǔ)上，通過順序逐期增減新舊數(shù)據(jù)求算移動平均值，以消除偶然變動因素，找出事物發(fā)展趨勢，并據(jù)此進行預(yù)測的方法。本文采用的5 a滑動平均法的計算公式為

(2)

1.2.3 皮爾遜相關(guān)系數(shù)法

相關(guān)性分析方法包括回歸分析、相關(guān)系數(shù)等。相關(guān)系數(shù)又分為皮爾遜相關(guān)系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)、典型相關(guān)系數(shù)等。本文計算皮爾遜相關(guān)系數(shù)來分析土地利用變化與不同時間尺度凈流量的相關(guān)性。皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算公式為

(3)

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

2.1 統(tǒng)計結(jié)果

2.1.1 各年土地利用情況

土地利用一級類型在研究年限中面積和比例的變化情況見表1，流域土地利用類型圖挑選了1980年、1995年、2005年和2015年4個代表年展示(見圖2～5)。

表1 各年土地利用變化情況

圖2 1980年渭河上游流域土地利用

圖3 1995年渭河上游流域土地利用

圖4 2005年渭河上游流域土地利用

圖5 2015年渭河上游流域土地利用

2.1.2Qy、Q7 d、Q30 d和Q90 d變化情況

原始數(shù)據(jù)波動較大，故采用滑動平均法來分析徑流資料的變化趨勢。將林家村站多年實測流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到徑流特征值，再取相鄰前后5年進行計算滑動平均值，5a滑動平均后的Qy、Q7 d、Q30 d和Q90 d，見圖6～9。

圖6 年均流量Qy變化趨勢

圖7 年連續(xù)最大7 d流量Q7 d變化趨勢

圖8 年連續(xù)最大30 d流量Q30 d變化趨勢

圖9 年連續(xù)最大90 d流量Q90 d變化趨勢

由圖6～9可以看出，滑動平均法較好地平滑了流量數(shù)據(jù)，在一定程度上消除了某些偶然因素對于徑流量的影響。經(jīng)過滑動平均后，Q7 d在1996年達到最小值696.14 m3/s，Qy、Q30 d和Q90 d均在1997年達到最小值，分別為9.65、1 397.58 m3/s 和2 314.42 m3/s。林家村站的Qy、Q7 d、Q30 d、Q90 d在1995年以前呈下降趨勢，在1995年后呈升高趨勢，整體趨勢相對明顯。在5a滑動平均值的基礎(chǔ)上，結(jié)合1980年、1990年、1995年、2000年、2005年和2010年6年的土地利用數(shù)據(jù)，與對應(yīng)年份的徑流特征值進行相關(guān)性分析，計算對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 各年土地利用變化情況分析

各土地利用類型面積變化見圖10。從表1和圖10中可以看出，耕地和林地面積從1980年至2015年總體呈先增加后減少趨勢，耕地面積最大為1995年的14 183 km2，最小為2015年的13 718 m2，最大變幅465 km2，相對減少了3.28 %；林地面積最大為1995年的3 503 km2，最小為2000年的3 436 m2，最大變幅67 km2，相對減少了1.95 %。草地和水域面積從1980年至2015年總體呈先減少后增加趨勢，

圖10 1980年～2015年渭河上游流域各類土地利用面積變化

表3 1995年至2015年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

草域面積最大為1980年的12 498 km2，最小為1995年的12 184 km2，最大變幅314 km2，相對減少了2.51%；水域面積最大為1980年的183 km2，最小為1990年的154 m2，最大變幅29 km2。城鄉(xiāng)工礦業(yè)居民用地呈增加趨勢，總體共增加了159 km2?？梢钥闯?，無論其他土地利用類型面積如何變化，人類對居住地的拓展是不會改變的。未利用土地變化趨勢不明顯且總面積較小，無具體分析意義。

2.2.2 土地利用空間轉(zhuǎn)移情況分析

由于各流量特征值在1995年以前呈下降趨勢，在1995年后呈升高趨勢，因此以1995年為分界線，統(tǒng)計分析1980年～1995和1995年～2015的2個轉(zhuǎn)移矩陣，見表2、3。矩陣中數(shù)字amn表示第m行對應(yīng)的土地利用轉(zhuǎn)移到第n列對應(yīng)的土地利用類型的數(shù)量，km2。如表2中的數(shù)據(jù)矩陣，其第1行第2列的數(shù)為376，表示1980年的耕地面積中有376 km2的在1995年轉(zhuǎn)化為了林地。結(jié)合1980年～1995年和1995年～2015的兩個土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣發(fā)現(xiàn)：1995年后，耕地轉(zhuǎn)化草地和林地面積增大，這也響應(yīng)了生態(tài)修復(fù)的倡導(dǎo)[12]；其他土地類型轉(zhuǎn)化城鄉(xiāng)工礦業(yè)居民面積增大，表示渭河上游流域城市化進程加快。

表2 1980年至1995年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

2.3 土地利用類型與流量特征值的相關(guān)性分析

流域徑流量變化的主要影響因素為流域氣變化和下墊面情況等[13]，而氣候包括了降雨、氣溫等要素，下墊面情況包括了土地利用類型等，同時也受人類活動的影響，故難以具體得出土地利用類型對徑流量的影響情況，但分析兩者的相關(guān)性還是可行的[14]。下面用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法計算各種土地利用類型與Qy、Q7 d、Q30 d和Q90 d的相關(guān)系數(shù)，見表4。

表4 土地利用類型相關(guān)系數(shù)計算

再將各土地利用類型與徑流特征值Qy、Q7 d、Q30 d和Q90 d的相關(guān)系數(shù)取平均值，以代表各土地利用類型與流域徑流量的相關(guān)系數(shù)，如下圖11所示。

由于未利用土地面積占比較小，故不做分析。從表4、圖11可以看出，耕地、林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地與徑流量呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均值分別為-0.377、-0.416、-0.219，草地和水域與徑流量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.571、0.099；且相關(guān)系數(shù)絕對值越接近1表示數(shù)據(jù)間的相關(guān)性越大，可以得出土地利用類型與徑流量相關(guān)性大小順序為：草地>林地>耕地>城鄉(xiāng)工礦業(yè)居民>水域。

圖11 相關(guān)系數(shù)均值

3 結(jié) 論

(1)1980年～2015年，渭河上游

流域耕地和林地面積呈先增加后減少趨勢；草地和水域面積呈先減少后增加趨勢；城鄉(xiāng)工礦業(yè)居民用地呈增加趨勢，其中耕地和草地相對于其他土地利用一級類型，變幅較大。

(2)年均流量Qy和年連續(xù)最大7、30、90 d流量Q7 d、Q30 d、Q90 d在研究年限中，均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，最小值都在1995年附近。

(3)在不考慮少量的未利用土地時，在渭河上游流域，土地利用情況與流域徑流量存在一定相關(guān)關(guān)系，且草地與流域徑流量的相關(guān)性最強。未來將進一步研究不同土地利用類型下流域產(chǎn)匯流原理，分析不同土地利用類型引起徑流量變化的具體原因。