區域土地利用/土地覆被變化的水文水資源效應分析

劉鵬 李寧 郝錦錦

【摘要】區域內部土地利用/土地覆被變化對水循環過程影響顯著，其所衍生的資源問題和環境問題必然會影響流域生態、區域經濟乃至社會經濟的發展。本文主要利用SWAT模型對黃河流域不同土地利用/土地覆被變化的水文水資源效應進行模擬分析，以期為水資源的合理調控和區域內森林植被建設提供理論依據。

【關鍵詞】土地利用；土地覆被；水文水資源；SWAT模型

榆林市位于毛烏素沙漠和黃土高原的過渡區，是陜西省最北部的一個地級市，黃河沿東界南下涉境270多公里。隨著城市化和工業化進程的加快以及人民生活水平的提升，該區水資源短缺問題日益突出，加上現代氣候變化顯著，直接影響流域內水分平衡分量，而區域內部土地利用/土地覆被變化也對流域的產、匯、流過程產生了顯著影響，這些都衍生了一系列資源問題和生態問題，比如區域內地下水位下降、土地沙化加重、植被退化等，對流域生態和區域經濟發展都有不良影響，也不利于下游地區的水土保持與荒漠化防治。為此，深入研究區域內土地利用/土地覆被變化的水文水資源效應非常有必要，這對于構建合理的土地利用/覆被結構與格局、建立健全生態管理機制以及實現水資源的合理調控具有重要實踐價值。

一、研究方法與數據處理

在土地利用/土地覆被變化水文效應研究中，分布式文模型方法的應用較為廣泛，其中，較為成熟的模型之一是SWAT模型，該模型具有適用性強、數據易得、可長時間連續模擬、精度高等特點，主要以水量平衡為基本原理，能夠模擬和預測土地利用/土地覆被變化、氣候變化對水、沙、降雨、化學物質——徑流過程的長期影響，在水資源綜合管理和土地利用水文水資源效應研究領域應用比較廣泛。模型中采用的水量平衡方程為：

式中，

SWt——土壤最終含水量即水量平衡計算結束時的土壤含水量（mm）；

SW0——土壤初始含水量即水量平衡計算開始時的土壤含水量（mm）；

t——計算時段（d）；

Rday——第i天降雨量（mm）；

Qsurf——第i天地表徑流深（mm）；

Eα——第i天蒸發量（mm）；

Wseep——第i天土壤底層滲漏量（mm）；

Qgw——第i天地下水側滲量（mm）。

SWAT模型需要輸入的數據包括流域的數字高程模型（DEM）、坡度和坡向數、土地利用/覆被類型空間分布數據、土壤類型空間分布數據，所以，應基于地理信息系統建立流域DEM，構建土壤類型數據庫、土地利用/覆被數據庫，根據實際月氣象資料定義一個天氣發生器連續記錄降水、溫度與太陽輻射等參數，并采集降水數據和入流數據等。

SWAT模型涉及參數眾多，僅關于陸面水循環模擬中徑流分量的參數就包含26項，然而不同參數對模型的影響和貢獻也有差別，為進一步提高模型率定效率，增強模型確定性，有必要對模型參數進行敏感性分析。最新版本SWAT提供了自動參數敏感性分析模塊，使用LHS法和OAT法相結合方式確定參數敏感性，也就是先采用LHS法選出適當的變量隨機抽樣組合，然后利用OAT法直接對參數敏感度進行確定。以T檢驗和P值檢驗值為敏感性評價指標，T值越大、P值與0越接近，說明參數的敏感性越強。采用SSQ方程，選擇水文站不同階段實測日徑流進行參數率定。

二、流域不同土地利用/土地覆被變化的水文情境模擬

1.情境設置

為討論土地利用/土地覆被變化對流域徑流量的影響過程，本文在分析流域內多年土地利用/土地覆被變化、景觀特征狀況的基礎上，同時考慮空間尺度以及社會特點等，設置不同土地利用土地覆被變化情景。主要構建以下幾種情景：①2002-2012年的土地利用/土地覆被現狀，用于與其他情景進行對比；②假設區域內生態環境逐漸惡化，林地逐漸變為草地，覆蓋草地退化為裸地；③假設當地通過采取生態修復和保護措施，通過一系列修復工程，地表全部被林地和高密度草地覆蓋；④假設地表符合退耕政策，耕地、林地、草地并存；⑤假設地表土地進一步退化，地表為低密度草地和裸地；⑥假設地表為率定驗證期狀況。

2.流域不同土地利用結構的水文響應

根據情景②-情景⑥，分別模擬2002-2012年均流量。結果見表1。由表可知，隨著地表林地和草地面積的增加，流域年平均流量逐漸減小，情境②流量最大，在該情景下，河流流域年均流量增大了，當地表全部被林地和草地覆蓋時，年均流量相較于模擬期減小了，退耕還林期間和土地進一步退化時，年均流量都有所增大，但增幅較小。

表1 5種情境模擬結果

情景 年均流量（m3·s-1） 年均流量變化量（m3·s-1） 年均流量變化率（%）

② 43.70 7.98 19.78

③ 33.81 -2.62 -7.22

④ 37.72 1.11 3.01

⑤ 39.84 3.02 8.24

⑥ 36.66 0 0

總的來說，隨著地表林地和草地覆蓋率增加，汛期、非汛期徑流量逐漸減小，且非汛期徑流量減小幅度更小，這主要是因為非汛期降水量較小，溫度較低，使得植被生產率較低，蒸發量會隨之減小，所以土地覆被變化對徑流量影響不顯著。在不同土地利用情景下我們可發現，區域流域總徑流會發生響應的變化，所以區域內生態環境優劣與流域徑流量有直接聯系，這就要求我們加強生態環境管理和建設，盡量增加林地面積，以達到穩定、增加區域內流域徑流的目的。

3.氣候變化下的水文響應

當今，氣候變化及其所帶來的影響已成為一個世界性問題，它對水文水資源變化有著重要影響。首先，降水與徑流有著密切關系，降水變化將直接導致流域水文總量變化；其次，溫度變化會對流域內的空氣濕度帶來影響，并影響冰川積雪的融化過程，進而對整個流域的水文情勢帶來影響。所以在研究土地利用/土地覆被變化的水文水資源效應過程中，還應設置相應的氣候變化情景，保證模擬結果的準確性和可操作性。可設計以下兩個情景：①以現狀值為基礎，假設降水變化為20%、10%、-20%、-10%、不變；②以現狀值為基礎，假設溫度增加1℃、2℃、-1℃、-2℃、不變。

三、結語

總之，區域內部土地利用/土地覆被變化對水循環過程影響顯著，其所衍生的資源問題和環境問題必然會影響流域生態、區域經濟乃至社會經濟的發展，也不利于下游地區的水土保持與荒漠化防治。本文主要利用SWAT模型對黃河流域不同土地利用/土地覆被變化的水文水資源效應進行模擬分析，結果表明，土地利用/土地覆被變化對水文水資源影響顯著。未來，我們還應開展更深入的研究，以為構建合理的土地利用/覆被結構與格局、建立健全生態補償機制以及實現水資源的合理調控提供理論依據。

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