鄭一寧，張 蕾，張寶軍，杜玲改

(1.河北農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設(shè)學院，河北省保定市靈雨寺街289號 071000；2.唐山市環(huán)境規(guī)劃科學研究院(唐山市生態(tài)環(huán)境宣傳教育中心)，唐山市路北區(qū)匯金中心 063000)

隨著1995年國際地圈-生物圈計劃(IGBP)和全球環(huán)境變化中的人文領(lǐng)域計劃(IHDP)確立“LUCC”研究計劃，土地與水文響應關(guān)系逐漸成為全球變化研究的前沿和熱點問題[1,2]。土地利用變化的水文響應研究以往采用實驗流域或者特征變量時間序列法，但這兩種方法均存在局限性[3]。近年來，隨著3S技術(shù)發(fā)展，基于物理基礎(chǔ)的分布式水文模型的開發(fā)和應用越來越成熟，其中以美國研發(fā)的SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)研究及應用較為廣泛[4]。SWAT模型可根據(jù)土地利用/覆蓋類型、土壤類型和表面坡度進一步劃分多種水文響應單位(HRU)，能夠從空間上模擬土地利用變化的水文響應過程，并且基于水文響應單元尺度的研究能夠更加適應水文邊界的不規(guī)則性以及下墊面空間分布的不均勻性，為更加準確地分析土地利用變化與水文響應關(guān)系提供科學依據(jù)[5,6]。Bosch等對全球94個流域試驗得到林地的減少促進流量增加，而未利用地的植樹造林的行為可以使徑流總量減少[7]。

位于白洋淀上游的王快水庫流域，近20年來徑流量呈現(xiàn)減少趨勢，除了降雨、氣溫等氣候變化因素以外，人類活動如植樹造林、退耕還林等導致的土地利用/覆被變化直接影響著該地區(qū)產(chǎn)匯流形成以及徑流的時空分布，進而影響水文過程，是水文水資源變化的重要影響因素。因此，文中以位于白洋淀上游的王快水庫流域為研究區(qū)，基于ArcGIS10.3分析王快水庫流域1980年、2005年、2010年土地利用變化特征；應用SWAT模型建立王快水庫流域水文模擬模型，對流域徑流進行模擬；基于相關(guān)性分析方法，分析土地利用與徑流的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為王快水庫流域水資源合理規(guī)劃、土地資源合理配置提供科學的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

王快水庫位于海河流域大清河水系南支沙河上游，河北省保定市曲陽縣黨城鄉(xiāng)鄭家莊村西，距曲陽縣城23.6km，距京廣鐵路新樂大橋50.6km。工程主體地理坐標為：東經(jīng)114°15′、北緯38°45′，流域總面積3757km2(見圖1)。王快水庫流域氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫚敫珊荡箨懶约撅L氣候，四季分明。冬季漫長而嚴寒，春季干旱而多風，夏季溫和而濕潤，秋季涼爽而多雨。年平均氣溫為12.6℃，多年平均降水量635mm，年平均風速2.1m/s，年平均相對濕度52%，年蒸發(fā)量在1200～1300mm之間[8]。流域地形主要以山地為主，地勢復雜多變，流域內(nèi)重巒疊嶂，連綿起伏，地勢由西北向東南降低，海拔高度在200～2200m之間。徑流年內(nèi)分布極不均衡，6～9月份徑流量占全年的70%～80%，主要洪水多發(fā)生在7月下旬至8月上旬[9]。

圖1 王快水庫流域位置示意圖Fig.1 The location of Wangkuai reservoir watershed

2 研究方法

2.1 土地利用變化

文中采用土地利用動態(tài)度和轉(zhuǎn)移矩陣來分析該流域單一和綜合土地利用的時空變化情況。

土地利用動態(tài)度分析是通過選取動態(tài)度、凈變化率、狀態(tài)、方向和趨勢等指標[10]，計算得到該研究區(qū)某一土地利用類型變化趨勢以及整體土地利用類型時空變化趨勢。計算公式下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：K為研究區(qū)土地利用類型在研究時期內(nèi)的動態(tài)度；Nc，Tc，Ps為不同土地利用類型在研究時期內(nèi)的轉(zhuǎn)移凈變化速率、轉(zhuǎn)移總變化率以及轉(zhuǎn)移狀態(tài)；Ua，Ub為某一土地利用類型在研究時期內(nèi)初始面積和末期面積；T為研究時長；ΔUin，ΔUcut為研究時期內(nèi)其它土地利用類型變?yōu)樵撏恋乩妙愋涂偯娣e以及該土地利用類型轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的面積。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是利用同一地區(qū)不同時段的土地利用/覆蓋要素的位置、形態(tài)、面積屬性，借助GIS空間屬性分析，求得二維矩陣，見表1。A1～Am表示T1時點土地利用類型，A1～An列表示T2時點土地利用類型。Pij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)表示T1～T2期間土地類型Ai轉(zhuǎn)換為土地類型Aj的面積；對角線Pii表示T1～T2期間種土地利用型保持不變的面積[11]。

表1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.1 Land use transfer matrix

2.2 SWAT模型構(gòu)建

構(gòu)建SWAT模型時需建立空間數(shù)據(jù)庫(數(shù)字高程圖，土地利用圖，土壤利用圖)以及屬性數(shù)據(jù)庫(土壤數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù))[12]。

空間數(shù)據(jù)庫包括數(shù)字高程圖、土地利用圖、土壤利用圖等。其中地形數(shù)字高程圖(DEM)來源于STRM數(shù)據(jù)集(http://strm.csi.cgiar.org/)，空間分辨率為30m。土壤數(shù)據(jù)來源于1∶100萬土壤數(shù)據(jù)中國土壤數(shù)據(jù)庫(HWDS)，數(shù)據(jù)分辨率為1km。土地利用圖來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺(http://www.geodata.cn)，土地利用類型總共劃分為農(nóng)業(yè)用地、林地、草地、人工表面、水域5大類。

屬性數(shù)據(jù)庫包括土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)等。土壤數(shù)據(jù)通過SPAW軟件計算得出，包括有效田間持水率、土壤濕密度、土壤飽和導水率。氣象數(shù)據(jù)包括最高與最低氣溫、平均風速、20-20時降水量、相對濕度、日照時數(shù)，來源于保定和阜平氣象站1990-2010年的數(shù)據(jù)。

基于構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫，借助GIS軟件，進行子流域和水文響應單元的劃分，本研究區(qū)共劃分出23個子流域，81個HRU。將氣象資料輸入后，寫入數(shù)據(jù)到模型中，即可運行模型。影響SWAT模型精確度的參數(shù)較多，采用SWAT-CUP中SUFI-2算法進行參數(shù)敏感性分析，將模型校準期設(shè)定為1990-1996年，驗證期為1997-2009年，根據(jù)納什效率系數(shù)Ens和相關(guān)系數(shù)R2，評價模型在本流域的適用性和模擬精度[13]。通常認為R2≥0.65，Ens≥0.5，模型適用于該流域水文模擬。

2.3 相關(guān)分析

基于土地利用變化情況結(jié)果和徑流的模擬結(jié)果，應用SPSS軟件的相關(guān)分析揭示不同土地利用與徑流量變化的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 王快水庫流域土地利用變化

利用ArcGIS10.3軟件對王快水庫流域1980年、2005年、2010年3期土地利用數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如圖2所示。土地類型主要包括農(nóng)業(yè)用地、林地、草地、人工表面、水域5大類。草地和林地是王快水庫流域主要土地利用類型，在1980年、2005年、2010年，草地面積分別為2355.76km2，2359.27km2，419.01km2，所占比例為62.69%，62.79%，11.15%；林地面積分別為1202.21km2，1099.67km2，3077.97km2，所占比例為29.33%，29.27%，81.91%。

圖2 王快水庫流域1980年、2005年、2010年土地利用圖Fig.2 Land use of Wangkuai reservoir watershed in 1980, 2005 and 2010

從表2、表3和表4可以看出，1980～2005年，各土地利用類型均無明顯變化。2005～2010年，林地和草地面積變化顯著。林地面積大幅度增加，總變化量為1978.31km2，PS值為0.95，接近于1，呈主導增加狀態(tài)，凈變化率(NC)為179.90%，轉(zhuǎn)移總變化率(TC)為189.17%，主要是由草地、農(nóng)業(yè)用地、水域的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入量分別為1889.99km2，114.17km2，23.55km2；草地大幅度減少，總變化量為-2028.96km2，PS為-0.91，呈主導縮減狀態(tài)，凈變化率(NC)為-82.24%，轉(zhuǎn)移總變化率(TC)為89.76%，主要是向林地、農(nóng)業(yè)用地、人工表面轉(zhuǎn)出，轉(zhuǎn)出量分別為1889.99km2，85.36km2，48.64km2；2005年后人工表面出現(xiàn)突增趨勢，凈變化率(NC)為2083.93%，轉(zhuǎn)移總變化率(TC)4326.23%，總變化量為63.72km2，主要位于流域東北部，此處為采礦場，由草地、農(nóng)業(yè)用地以及林地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入量為48.64km2，10.68km2，3.95km2。綜合表4和圖2，2005～2010年草地轉(zhuǎn)化為林地主要發(fā)生在流域的東北部地區(qū)以及東南部地區(qū)，草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)用地主要發(fā)生在流域的東南地區(qū)，位于水庫附近。

表2 土地利用動態(tài)指數(shù)

表3 1980～2005年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2005-2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 基于SWAT模型的王快水庫流域徑流模擬

3.2.1 SWAT模型校準與驗證

應用SWAT-CUP通過對參數(shù)進行篩選調(diào)整，最終確定了12個對王快水庫流域徑流模擬結(jié)果影響較大的參數(shù)及取值，結(jié)果見表5。將率定后的參數(shù)帶回到模型中，模擬驗證期徑流結(jié)果，如圖3所示。結(jié)果表明，驗證期的相關(guān)系數(shù)R2=0.79，納什系數(shù)Ens=0.78，二者均大于0.75，表明模擬的徑流變化與實測結(jié)果較為吻合，SWAT模型在王快水庫流域有較好的適用性，可以模擬該流域徑流。

表5 王快水庫流域參數(shù)敏感性分析Tab.5 SWAT calibration parameters and fitted values in Wangkuai reservoir watershed

圖3 SWAT模型校準與驗證結(jié)果Fig.3 The calibration and verification results of SWAT model

3.2.2 基于SWAT模型的徑流模擬

基于SWAT模型模擬三期土地利用情況下1990～2009年徑流變化情況，結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，王快水庫流域1980年、2005年、2010年三期土地利用下，年徑流量隨時間的變化趨勢一致。從年徑流變化來看，1980年、2005年土地利用情況下，年徑流量變化很小，多年平均徑流變化量為-0.029億m3，其中1996年年徑流變化量最大為-0.15億m3；而2010年土地利用情況下，相對于2005年土地利用情況，多年平均徑流變化量為-0.51億m3，1996年年徑流變化量最大為-2.08億m3。

圖4 不同土地利用情況下年徑流量變化Fig.4 The variation of annual streamflow to different land uses

圖5 不同土地利用情況下徑流空間分布Fig.5 Spatial distribution of annual streamflow in different land uses scenarios

1980年、2005年、2010年三期土地利用情景下多年平均徑流量空間分布情況及變化如圖5和圖6所示。1980年、2005年、2010年土地利用情景下，年均徑流量空間分布基本一致，子流域17，23的年徑流量較高，子流域4，9，10，20的年徑流量較小，其中子流域23的年徑流量最大(分別為0.57億m3，0.57億m3，0.43億m3)。從地區(qū)分布來看，中部以及東部地區(qū)年徑流量較大，西北部地區(qū)年徑流較小。

空間變化上，在1980年、2005年土地利用情景下，各子流域年徑流變化差異很小。而2005年、2010年土地利用情景下，年徑流量變化幅值較大，年徑流減少量為0.0001億m3～0.15億m3。其中子流域2年均徑流變化量為0.15億m3，其余子流域的變化值均為負值，并且子流域1，17，23變化幅度較大，年均變化量為-0.13億m3，-0.11億m3，-0.14億m3。

圖6 不同土地利用情況下徑流時間變化Fig.6 Temporal change of annual streamflow in different land uses scenarios

3.3 土地利用變化與徑流關(guān)系分析

以子流域為基本單元，基于2005年和2010年土地利用圖，采用SPSS軟件分析土地利用變化與徑流的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，林地面積變化與徑流量變化呈顯著負相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.85；草地面積變化與徑流量變化呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.82；農(nóng)業(yè)用地面積變化與徑流量變化無相關(guān)性。在2005年后，大面積草地向林地轉(zhuǎn)變，林地根冠截留作用較強，枯葉層具有吸收雨水、調(diào)節(jié)和過濾地表徑流的作用，可以阻留和減緩水分流速，延長水分下滲時間，同時增加地表粗糙度，避免雨水直接打擊土壤[14,15]，同時林地土壤層滲透能力較強，增加了土壤下滲量，這些是造成地表徑流減少的主要原因。

4 結(jié)論

(1)基于1980年、2005年、2010年王快水庫流域土地利用數(shù)據(jù)分析，得出林地和草地是王快水庫流域的主要土地利用類型，二者之和占流域總面積的90%以上。2005～2010年林地面積增加了2029.24km2，主要來源于草地(1889.99km2)和農(nóng)業(yè)用地(114.17km2)的轉(zhuǎn)入。

(2)根據(jù)王快水庫流域DEM、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)以及降雨氣溫等氣象數(shù)據(jù)建立空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，劃分23個子流域和81個水文響應單元。應用SWAT-CUP軟件進行參數(shù)率定，識別出12個敏感性參數(shù)。模型驗證期R2和Ens的值為0.79和0.78，說明SWAT模型模擬結(jié)果與實測值基本吻合，在王快水庫流域具有較好的適用性。經(jīng)模擬，在1980年和2005年土地利用情景下，多年平均徑流量減少了0.029億m3；在2010年土地利用情景下，與2005年土地利用情景相比，多年平均徑流量減少了0.51億m3。

(3)基于相關(guān)性分析，識別土地利用變化與徑流變化的關(guān)系。結(jié)果表明：林地面積變化與徑流變化呈顯著負相關(guān)，草地面積變化與徑流變化呈顯著正相關(guān)。本流域草地大面積轉(zhuǎn)成林地，林地斑塊所占景觀面積越來越大，形狀趨向單一化，是王快水庫流域徑流減少的主要原因。