流域土地利用／覆被變化對水文過程的影響研究進展

史曉亮，李 穎，嚴登華，趙 凱

（1.中國科學院 東北地理與農業生態研究所，長春130102；2.中國水利水電科學研究院 水資源研究所，北京100038；3.中國科學院大學，北京100049）

近年來，由于全球變化和人類活動的影響，地球上的水循環正在發生變化，世界不同國家或地區正在發生嚴重的水資源問題和危機。水問題已經成為限制國家和區域可持續發展的關鍵性因子，水科學問題也成為國際地球科學發展中的一個重要方面［1］。

隨著水問題的日益突出，國際研究計劃以及世界各國的研究重點也在不斷變化。國際有關組織實施了一系列國際水科學計劃，如I HP、WCPR、GWSP等，其目的是從全球、區域和流域不同尺度探討環境變化（全球變化和人類活動影響）下的水循環及與之關聯的資源與環境問題。目前所面臨的水科學問題與人類非理性的開發活動密切相關，有研究表明，這些影響可能超過了氣候變化所造成的影響［2］。而土地利用／覆被變化（LUCC）代表了一種人為的“系統干擾”，最直接體現和反映了人類活動的影響水平，是直接或間接影響水文過程的第二個主要邊界條件［3］。在L UCC計劃結束之后，IGBP和I HDP聯合提出全球土地計劃（GLP），而從L UCC到GLP，土地利用／覆被變化分析一直被作為研究氣候變化和人類干擾之間復雜的相互作用所產生的生態環境效應的突破點［4］。水文循環的生物圈（BAHC）作為IGBP的核心計劃之一，更加注重陸面生態—水文過程與空間格局的變化規律和受人類影響的關鍵問題。因此，變化環境下的水循環研究成為21世紀水科學研究的熱點，在目前乃至未來幾十年，LUCC和水文過程的相互作用研究將持續是全球生態與環境研究的熱點和前沿問題［5－6］。

1 流域土地利用／覆被變化對水文過程的影響特性

人類土地利用方式的改變而產生的土地覆被變化，深刻地改變了地表的性質如粗糙度、反射率、植被冠層葉面積指數和影響水文通量的其它物理性質，從而影響冠層截留、入滲和蒸散發等水文過程；另一方面，地表及其覆蓋的植被決定著太陽輻射在地表的分配，而土地覆被發生變化時則引起能量的重新分配，從而導致潛熱通量的變化（圖1）。因此，流域土地利用／覆被通過影響地表水熱通量，從而改變流域產匯流過程，改變水循環的空間格局，加速水循環要素時空分異的復雜性和不確定性，最終導致水資源供需關系發生變化。因此，土地利用／覆被變化是自然—人為作用共同導致的下墊面變化，也是影響水文過程的重要因素，對流域生態和社會經濟發展等多方面具有顯著影響。

圖1 流域土地利用／覆被變化與地表水熱平衡關系

2 流域土地利用／覆被變化對水文過程影響的研究回顧

隨著對LUCC驅動力及其生態環境效應研究的不斷深入，土地利用／覆被變化對水文過程的影響研究得到了很大的發展。根據國內外研究中的研究方法和內容的不同，其主要發展過程可以概括為3個階段（圖2）。相關研究最初主要集中于小流域森林變化的水文效應，最早開始于1900年瑞士Emmental山區的兩個小流域對比試驗。在此之后，國內外許多學者采用試驗流域或者水文特征參數時間序列法開展了大量小流域森林變化、以及中小尺度土地利用／覆被變化對地表徑流的影響研究。1995年隨著LUCC研究計劃的制定與實施，LUCC的水文效應研究受到更大程度的關注。21世紀以來，隨著基于DEM的分布式水文模型的逐步發展，結合遙感技術在獲取大尺度流域水文過程關鍵變量、水文模型的輸入和率定等方面的優勢，大尺度流域土地利用／覆被變化對各水文參量的影響成為主要研究內容；并且將土地利用變化模型與分布式水文模型相結合預測未來土地利用／覆被格局對水文過程的潛在影響成為近年來的研究重點。

圖2 流域土地利用／覆被變化對水文過程影響的研究回顧

3 流域土地利用／覆被變化對水文過程的影響研究的主要進展

3.1 流域土地利用／覆被變化對徑流的影響

Calder［21］認為，在區域尺度上影響水文過程的主要土地利用變化是植被變化（如造林和毀林）、農業開發活動以及城市化等。由于徑流能夠反映整個流域的生態狀況，也能用于預測未來土地利用／覆被潛在變化對水文水資源的影響［22］。因此目前土地利用／覆被變化對水文過程的影響研究多集中在對徑流的影響方面。

3.1.1 植被變化對徑流的影響 在土地利用／覆被變化的水文響應研究中，森林的水文效應倍受關注。上世紀80年代左右，劉昌明［9］針對森林對年徑流量的影響做了初步分析，黃秉維［23］也強調不要過分夸大森林的作用，應正確認識森林效應。針對“森林植被的存在能否減少流域年徑流量和削減洪峰”等問題，國內外出現了不同甚至相反的觀點。

一般認為，在面積較小的集水區和流域，森林植被的存在，植被蓋度的增加會減少徑流量，并認為其原因在于流域面積較小時，森林蒸騰大量水分起到主要作用［24］。但也有研究在大尺度流域得到類似的結論［25］，Jackson等［26］基于南半球600多個觀測點的數據研究認為，為固碳而栽種樹木后，10 a之內徑流量將大幅度減少，甚至導致溪流干涸。Cao等［14］、陳瑩等［18］、李佳等［19］、王盛萍等［27］也得出了類似的結論。其它許多研究在不同的流域，利用不同的研究方法同樣得到了植被減少將導致徑流量增加的結論［28－30］，這也從反面證明了森林覆蓋率增加會減少年徑流量的觀點。

但也有研究認為，森林植被的存在會增加年徑流量［31］。郝芳華等［13］在黃河下游支流洛河上游盧氏水文站以上流域的研究表明，森林的存在增加了徑流量。王根緒等［32］的研究等表明，1967年以來，馬營河流域上游林草地大規模轉為耕地，使流域年均徑流量減少了28.12%。

一般認為森林通過喬、灌、草以及枯枝落葉層的截持含蓄、大量蒸騰、土壤滲透和延緩融雪等過程，調節洪水發生過程，削減洪峰流量。但這一作用又與降雨強度與歷時、森林類型、林分結構、土壤前期含水量等多種因素有關，隨著降水強度的增加和時間的延長，森林的削洪作用也將逐漸減弱［33］，連續性的大雨超過400 mm，森林與洪水的關系不復存在［34］。因此，森林的削洪作用有一定限度。

由此可見，由于區域氣候和地理特征的差異性，以及研究尺度與方法的不同，特定流域上森林植被變化對水文過程的影響較為復雜，難以取得一致性的結論。某一自然條件和不同尺度上得出的結論不具可比性，也不能簡單地進行外推。

3.1.2 城市化對徑流的影響 城市化作為最典型的土地利用變化過程之一，隨著其進程的不斷加快，城市周邊其它土地利用類型逐漸被開發為城鎮用地，導致城市地區不透水層面積增加，下墊面的滲透性、滯水性和熱力狀況隨之發生變化，使得截留、填洼、下滲和蒸發量減少，從而導致地表徑流和洪峰流量增加，徑流系數增大，顯著影響區域水循環過程［35］。葛怡等［36］、鄭璟等［37］利用SCS模型研究發現，上海和深圳地區城市化的發展會增加徑流系數，徑流量趨于增大。UNESCO的研究報告認為城市化過程引起的水文效應中最突出的表現為下滲減少和洪峰流量增大［8］。

3.1.3 水土保持措施對徑流的影響 水土保持措施主要包括以植樹造林、種草為主的植被措施、坡面工程措施（包括梯田、反坡梯田、水平階及魚鱗坑）、耕作措施和溝道工程措施等［38］，這些措施通過改變流域下墊面條件，從而影響區域的水文過程。一般來說，植樹造林和種草等植被措施具有減少年徑流量、增加枯水徑流和削減洪水的作用［34］，黃河水利委員會綏德水土保持試驗站的實測資料表明，當林地蓋度為30%，50%，70%時，地表徑流將分別減少53%，86%，94%；而在同樣的蓋度條件下，草地分別減少地表徑流45%，75%，89%［39］。此外，林草地的空間分布格局也會影響水文效應，草地—林地—坡耕地和林地—草地—坡耕地（由坡頂至坡底）的分布結構，由于在徑流的形成區進行了控制，可以相對有效地減少徑流量，增強水保效果［40］。各種坡面工程措施具有類似的水保作用，其中以梯田最為典型。梯田通過改變局地的下墊面條件，不僅具有減少入河徑流總量的作用，同時也可以減緩河道泥沙的淤積，在一定的降雨條件下減水減沙作用突出。山西水保所1957—1966年在王家溝流域的觀測結果表明，水平梯田10 a平均減水減蝕效益達到92.4%［41］。總的來說，實施植樹種草和梯田等水土保持措施后，下墊面條件發生了變化，增加入滲、蒸散（發）量，對流域年徑流量會有不同程度的減少［42］。但不同地理位置、不同氣象條件也可能使不同地區水土保持的水文作用有所差異［34］。

3.1.4 農業開發活動對徑流的影響 隨著社會的不斷發展和人口的急劇增長，人類對于糧食的需求日益增加，導致農業用地不斷被開墾，并且土地利用的開發強度持續增加，但是耕作措施會使土壤結皮和壓實，從而使得土壤入滲速率減小，土壤容重增加［43］。Costa等［25］、Githui等［15］的研究表明，農業用地的增加，降低了入滲和蒸發，從而增加了年徑流量。而在我國東北黑土區，由自然土壤—植被系統轉化為人工農田生態系統，黑土儲水量將減少17.6～30.8%［44］。總體來說，農業開發活動具有增加徑流量和洪峰流量的作用。

3.2 研究方法

目前研究流域土地利用／覆被變化對水文過程影響的方法可歸結為三類：試驗流域法、水文特征參數時間序列法和流域水文模型模擬法。

土地利用／覆被變化對水文過程的影響研究，早期大都采用試驗流域法。該方法有利于揭示植被—土壤—大氣相互作用的機理，比較容易獲得試驗結果。但這一方法僅適用于較小的流域，也不可能找到地理和氣象條件完全一致的兩個小流域，研究結果難以外推到其它流域，可對比性較差［45］。而水文特征參數時間序列法通過選擇較長時間段上能夠反映L UCC水文響應的特征參數，從特征參數的變化趨勢上評價LUCC的水文效應［46］。由于表征水文響應的特征參數計算簡單，因此，該方法成為研究LUCC對水文過程影響的一種簡單有效的方法，并得到了廣泛的應用［27，47－49］，但此方法僅適于下墊面條件比較均勻的流域，并且水文特征參數的變化受氣候和LUCC等多種因素的綜合影響，統計時間尺度也會影響評價結果的準確性。

1970年Onstad等［7］最早嘗試利用水文模型研究土地利用的水文響應，LUCC的水文效應研究也由傳統的統計分析方法轉向具有一定物理基礎的水文模型方法。至今已有許多水文模型用于LUCC的水文效應研究，包括集總式水文模型，如 HBV、SCS、HSPF、CHARM等，半分布式／分布式水文模型，如TOPMODEL、VIC、SHE、SWAT等。由于基于物理基礎的分布式模型能夠考慮降水等因子和下墊面的空間異質性，并且可以靈活地設置土地利用變化情景，從而有效地模擬不同土地利用情景下的水文響應［34，50］，因而成為土地利用／覆被變化水文效應研究的重要工具［30，50］。

目前，分布式水文模型主要有兩種建模思路和計算方法。第一種是應用數值分析來建立相鄰網格單元之間的時空關系，如各種版本的SHE模型、I HDM模型等。該類模型均以1969年Freeze和Harlan發表的“一個具有物理基礎數值模擬的水文響應模型的藍圖”作為描述徑流過程的基本框架［51］，以質量、能量和動量方程描述自然系統，并考慮各變量參數的空間差異性，參數原則上具有明確的物理意義，可通過實測資料估計，但其結構復雜，計算繁瑣，當前很難適用于較大的流域［52］。第二種建模思路是在每一個網格單元（或子流域）上應用傳統的概念性模型來推求凈雨，再進行匯流演算，最后求得出口斷面流量，如SWAT模型等。該類模型結構與計算過程比較簡單，適用于較大的流域。此外還有一類模型基于DEM推求地形空間變化信息，利用地形信息模擬水文響應，最后用統計方法求算流域總出口斷面流量。如1979年Beven和Kir kby［53］提出的以變源產流為基礎的TOPMODEL模型。這類模型的優勢在于可以反映流域下墊面中影響水文響應的關鍵因子（地形等）的空間變異性，但卻不需要像全分布式模型那樣引入大量參數，減小了參數率定帶來的不確定性［54］。

關于模型數據和參數問題，由于水文循環過程的高度非線性和復雜性，導致分布式水文模型需要大量的觀測數據或水文過程參數，不僅包括氣象、DEM、土壤、植被等自然環境要素數據，而且需要復雜的人工取用水、水庫徑流調節、農業灌溉等人類活動數據，從而使得某些區域／流域建模所需的與水文過程尺度相匹配的觀測數據很難滿足分布式水文模擬的需求。Seyfried和 Wilcox［55］就曾認為，物理基礎模型的缺點之一是較集總式模型需要更多的輸入資料，從而導致參數化和檢驗的工作量大大加大。

理論上，分布式水文模型的參數可以通過實測或者其它方式獲取。但在實際建模過程中，大量參數并不能由實測物理量確定，這就需要利用實測流量等數據率定網格或者子流域尺度上的有效參數值，由之得出合理的流域尺度上的模擬結果［54］。但是參數率定過程復雜，并且水文模擬和預測的參數估計都是點估計，結合擬合程度檢驗模型，并不能夠降低不確定性的區間預測［56］。因此近年來水文模擬中的不確定性問題越來越受到重視，主要研究方法有SUFI-2（sequential uncertainty fitting）、GLUE（Generalized Likelihood Uncertainty Esti mation）、Ba RE（Bayesian Recursive Esti mation）、ParaSol（parameter sol ution）等。在參數優選方面，啟發式算法和進化算法，如基因算法（GA）、SCE-UA等有效的全局參數率定方法已經取代了局部尋優的方法，而今后的發展趨勢是采用多目標全局優化技術［56］，從而降低參數估計的不確定性。

由于LUCC水文效應的各種研究方法均存在局限性，近年來出現了多種綜合方法，如水文模型與統計學方法相結合的方法、模型耦合法以及模型對比法等。

3.3 模擬尺度

Bloschl和Sivapalan［57］將水文尺度劃分為過程尺度、觀測尺度和模擬尺度。隨著水文模型在LUCC與水文過程的相互作用研究中的廣泛應用，研究并確定合適的模擬尺度就顯得愈加重要。理論上，模擬尺度應盡量與過程尺度吻合，但是受到模擬水平的限制，實際很難達到，需要通過尺度轉換彌補這種缺陷［58］。

分布式水文模擬方法是尺度轉換的途徑之一［59］。分布式水文模型通過將流域離散化，尋找一種臨界單元考慮其內部的地形、土壤和降雨空間分布的一致性，在這些離散單元中建立陸面過程與水文響應的關系。但是通常這些單元的分辨率大于輸入數據的空間分辨率，使得每個計算單元中的參數值會存在一定程度的集總，而參數的集總對模擬結果有一定影響［60］。

Fitz Hugh等［60］研究認為，徑流模擬結果對子流域劃分數目的敏感性較小。郝芳華等［61］、張雪松等［62］、Jha 等［63］、Muleta 等［64］得 到 了 類 似 的 結 論。但是上述研究大多是在年和月尺度得出的結果，而Ku mar等［65］認為子流域劃分數量會顯著影響日水文過程模擬結果。因此可以認為，在年和月尺度上，不同流域離散化水平下的徑流模擬精度無明顯差別，然而日徑流模擬結果受到子流域劃分層次的影響。

盡管許多研究認為，子流域劃分水平對徑流的影響較小，但同時也存在合理的子流域劃分水平，當超出此水平時可能會使模擬精度降低［66］，或產生過多面積較小且狹長的子流域，導致模型對水文過程的不真實模擬［67］。Ro manowicz等［66］認為SWAT模型中合理的最小集水面積為模型推薦值的60%，也有研究認為應該為流域面積的4%［68］。

在不同的研究尺度下，分布式水文模擬尺度均會對模擬結果產生不同程度的影響，從而導致土地利用／覆被變化對水文過程影響結果的差異。需要針對具體的區域特征確定合理的子流域劃分水平，減小分布式水文模擬的不確定性，從而準確評價土地利用／覆被變化對水文過程的影響。

4 存在不足及研究展望

土地利用／覆被變化對水文過程的影響研究已取得較大進展，但仍存在許多不足有待解決：① 由于有地域特性差異，以及研究方法的不同而導致流域LUCC對水文過程的影響存在差異，研究結果不具有可比性。需要在相同的研究尺度和方法下開展大量典型區域的實例研究，正確評價土地利用／覆被變化對水文過程的影響；② 目前主要通過水文站實測流量來率定和驗證分布式水文模型的有效性，但參數等效性問題在分布式水文模型中仍然沒有得到很好地解決。如何結合遙感技術為分布式水文模型提供可信度較高的水文過程關鍵變量的空間反演結果還需進一步研究；③需根據研究區域的特點和研究目的，選取合適的研究方法，而多種方法的集成和耦合仍有待深入；④ 土地利用／覆被變化對水文過程的影響研究較多，但水文過程的生態效應研究相對較少。

在今后土地利用／覆被變化對水文過程的影響研究中，有必要從空間格局上研究LUCC對流域水文過程的影響機制，而不是僅僅關注土地利用類型變化的影響結果。并且在全球洪澇和干旱等極端天氣頻發的背景下，有必要加強土地利用變化對極值水文事件的影響，以及生態環境效應方面的研究；在研究方法上，基于物理機制的分布式水文模型與GIS和RS技術更加緊密地結合應用，提高對遙感數據的利用以及與GIS功能的耦合程度將會是重要的研究方向。

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