東南沿海地區小流域土地利用/覆被變化的水文效應

楊 柳， 陳興偉， 許有鵬， 劉梅冰， 胡春生

(1.南京大學 地理與海洋科學學院， 江蘇 南京210093; 2.福建師范大學 地理科學學院， 福建 福州 350007)

東南沿海地區小流域土地利用/覆被變化的水文效應

楊 柳1,2， 陳興偉2， 許有鵬1， 劉梅冰2， 胡春生1

(1.南京大學 地理與海洋科學學院， 江蘇 南京210093; 2.福建師范大學 地理科學學院， 福建 福州 350007)

資助項目：福建省教育廳項目“流域施肥的時空分配對山美水庫N污染特性的影響”(JB12038); 福建科技廳省屬公益類科研院所青年科研項目(2014R1034-4); 國家自然科學基金重點項目(40730635)

第一作者：楊柳(1986—),女(漢族),湖南省永州市人,博士研究生,研究方向為水文水資源環境。E-mail:palapalayl2006@126.com。

摘要：[目的] 研究我國東南沿海小流域土地利用/覆被變化的水文效應，為該區水土資源合理配置和可持續發展提供科學依據。[方法] 以東南沿海福建省晉江山美水庫集水區為例，運用SWAT水文模型。[結果] (1) 研究區土地利用變化表現為林地轉向園地和建設用地、耕地轉向建設用地的特征。 (2) 固定其他條件，將構建的模型2006年土地利用數據替換為1995年，對比分析發現2000—2010年全流域和典型子流域的年徑流深增加，洪水期平均徑流增加，枯水期徑流基本減少。 (3) 從全流域空間角度看，徑流量均增大，特別是研究區西部地區和東南部地區；同時徑流量變率增大，穩性減小。 (4) 園地、林地、建設用地和水田是驅動區內水文變化的主要因子。[結論] 研究區土地利用與覆被變化導致“洪水量更大，枯水量更小”的徑流變化趨勢。河川徑流的變化受各地類變化的組合疊加效應影響，這種疊加效應還須進一步研究。

關鍵詞：SWAT模型； 日徑流過程模擬； 土地利用/覆被變化； 水文效應； 東南沿海區； 小流域

土地利用/覆被變化(LUCC)對徑流過程影響是當前人們關注的熱點問題。SWAT模型因為其輸入輸出方便，數據獲取相對容易，可模擬長時間序列變化等優勢[1]被廣泛應用于LUCC水文效應研究中。在SWAT日徑流模擬研究中，李慧[2]等在瑪納斯流域得出該模型適用于冰雪融水區的日徑流模擬；李麗嬌[3]、黃清華[4]等日徑流模擬研究表明雨季徑流量年際變化趨勢與降雨量的年際變化一致，豐水年份的模型效率較高，其次為平水年和枯水年；李占玲[5]在黑河運用WASMOD模型與SWAT模型進行日徑流模擬，比較兩種模型的優劣等等。由此可見，目前SWAT在日徑流模擬的分析研究涉及多方面，但還鮮有在日尺度模擬基礎上進行LUCC水文響應的研究。另外，從空間上看，已有日徑流模擬的研究多集中于北方地區的黃河、海河流域以及南方地區長江流域，在東南沿海諸河流域的研究較為少見[6]。而我國東南沿海地區以中小流域為主，多獨流入海，以東南沿海小流域為研究對象，具有一定的典型性[7]。本研究應用SWAT模型，構建山美水庫集水區日徑流分布式水文模型，分析研究區土地利用面積、地類轉移情況，繼而研究LUCC下時間(年徑流、洪水期日徑流和枯水期日徑流)和空間(徑流系數等值線)尺度上的水文響應情況。

1研究區概況

山美水庫集水區地理位置在25°32′—25°9′N，118°3′—118°30′E之間，位于福建晉江東溪中游，集水面積1 023 km2。區內多山地和丘陵，海拔約在40～1 360 m之間。氣候屬亞熱帶海洋性季風氣候，年均溫約為20.9 ℃；年日照時數約為1 800～2 200 h，年降雨量約為1 600 mm[8]。區內降水量年際變化大，少雨年份降水量不及多雨年份1/2。土壤類型有紅壤、赤紅壤、黃壤、水稻土和石質土等，其中硅鋁質紅壤、滲育水稻土、鋁硅質紅壤占78.2%，為區內主要土壤類型。

2數據來源與研究方法

2.1　數據來源

模型輸入數據包括空間數據和水文氣象數據。空間數據有土壤、DEM和土地利用數據。其中土壤資料來源于福建省1∶50萬數字化土壤數據；DEM來自國際科學數據中心的SRTM數據(分辨率為30 m×30 m)；土地利用數據通過對研究區2006年和1995年TM遙感影像進行目視解譯獲得。水文數據采用2000—2010年研究區的逐日入庫流量進行模型率定和驗證，氣象數據采用永春和德化2個氣象站2000—2010年的逐日最高、最低氣溫，風速，相對濕度以及16個雨量站的逐日降水數據。

2.2　研究方法

2.2.1SWAT模型SWAT(soil and water assessment tool)模型是美國農業部農業研究所(USDA-ARS)[9]開發的運行以日為時間步長，可進行連續長時段模擬計算的分布式流域水文模型，目前已經在不同地區得到廣泛應用，本研究選用該模型對研究區的日徑流過程進行模擬。模型用2000—2005年的逐日入庫流量進行率定，2006—2010年日流量數據進行驗證，尋求晉江東溪流域山美水庫集水區徑流模型的最優參數，構建該地區日尺度徑流模擬的SWAT模型[6]。地表徑流計算選用徑流曲線數方法(SCS runoff curve number)，河道匯流過程采用馬斯京根法(Muskingum)進行演算。子流域劃分基于數字高程模型，采用“burn-in”算法。水文響應單元劃分采用優勢地面覆蓋/優勢土壤類型方法，閾值設為5/10。此外，為評價模型的模擬精度，選用Nash—Suttcliffe效率系數[10](Ens)和確定性系數(R2)進行表征。

2.2.2土地利用數據解譯與變化分析首先對研究區1995年和2006年同時段TM影像進行幾何校正，再結合研究區實際與模型的需要，將土地利用類型劃分為8類，包括水田(RICE)、旱地(WWHT)、林地(FRST)、園地(ORCD)、草地(RNGE)、未利用地(SWRN)、水域(WATR)和建設用地(URMD)。為提高解譯精度，通過兩種方法進行驗證：一是在研究區中選取52個典型樣點，野外利用手持GPS定位，實地確定目標位置的土地利用類型，通過反復修正建立起適合研究區的解譯標志。二是按行政單位將整個永春縣2006年LUCC情況解譯，與權威部門土地利用各地類面積數據進行比對，調整解譯標志，修正解譯結果。解譯完成后用ArcGIS 9.3對數據進行拓撲檢查，用Arcview空間分析模塊分析研究區1995—2006年土地利用變化情況。

2.2.3日徑流時空響應分析構建研究區SWAT日徑流模型，固定其它條件，僅將土地利用數據替換為1995年數據，得出水文響應的模型用以探討土地利用/覆被變化后年徑流和日徑流響應情況。日徑流變化主要從洪水徑流變化和枯水徑流變化兩方面進行分析，其中，洪水徑流變化選用最大1 d和連續5 d最大的徑流深進行研究，選取后者主要是由于本流域洪水過程一般在5 d之內，而枯水徑流變化通過常用的最小1 d和連續7 d最小的徑流深進行分析。同時考慮到整個流域LUCC的疊加效應和復雜性，可能會對分析結果造成影響，為進一步研究土地利用/覆被變化強烈區域的水文效應，研究在37個子流域中遴選出林地轉化園地的面積最大子流域(第26號子流域，記為S26)作為典型子流域，進一步分析研究區典型日徑流變化。

空間響應部分的分析，首先計算出37個子流域各地類面積凈變化量與年徑流深變化量，再運用ArcGIS 9.3地統計分析模塊，采用普通克里格方法，對研究區兩期土地利用下的37個子流域徑流系數進行插值，得出全流域的徑流系數等值線，結果須通過該方法的精度評價檢驗。

3結果與分析

3.1　土地利用/覆被變化

研究區林地面積最大，占總面積的65%以上；園地和水田為主要地類，分別占8%以上，其余地類面積較小(表1)。由表1可知，1995—2006年，各地類變化程度表現為林地>園地>建設用地>旱地>水田>未利用地>水域>草地，其中林地減少面積占總減少面積的92.31%，而園地增加面積則占總增加面積的73.43%。此外，建設用地的增加是另外一個重要特征，其增加面積占總增加面積的13.83%。

表1　研究區不同土地利用類型面積及其變化

為獲取研究區土地利用變化除數量以外的隱含信息，通過轉移矩陣和累計百分比分析研究區各地類空間轉移情況，發現研究區最顯著的轉變為林地向園地的轉化，其次是耕地、園地和林地之間的相互轉化，而第3層次地類相互轉化的變化率在3%～1%之間，變化率合計達15.055%，共有7種地類之間的相互轉化；第4層次的地類相互轉化有27種之多，但轉化量很小，變化面積總和不超過整個變化面積的5%。

3.2　徑流模擬

SWAT模型對山美水庫集水區流域日尺度的徑流過程模擬效果良好，其中在率定期內Ens和R2分別為0.85和0.86；驗證期內Ens和R2分別為0.86和0.87。從整個徑流模擬期內的流量過程線來看，模擬效率評價結果也較好，Ens和R2均達到了0.85，模擬與實測流量過程線吻合良好，區內徑流對于降水的響應強烈(圖1)。分析表明，基于SWAT構建的日尺度徑流模型在研究區的適應性較好，為進一步分析土地利用/覆被變化水文響應奠定了堅實基礎。

3.3　土地利用/覆被變化的水文時空響應

3.3.1時間響應分析研究區土地利用變化的水文響應從時間尺度(表2)來看，年徑流深增加，日徑流變化中，最大1 d和連續5 d最大徑流均明顯增加，增幅達3%以上，即洪水期的日徑流增加；同時值得注意的是最小1d枯水徑流出現了最大幅度的增加，變化率達到8.18%，只有連續7 d最小徑流變化量表現為減小，但變化率非常小，僅為0.21%，幾乎可忽略不計。

可見，全流域尺度下，洪水期和枯水期日徑流深均出現了較大幅度的增加。典型子流域的分析表明，S26洪水徑流平均增加5.54%，枯水徑流平均減少12.84%，呈現出“洪水量更大，枯水量更小”的兩極化變化趨勢，與全流域尺度下的日徑流變化存在一定的差異。這種差異是由于全流域各地類之間的相互轉化較子流域的變化更復雜，水文響應中正負效應相互抵消情況嚴重。另外，降水中心的空間變化對徑流的影響[11]也是不容忽視的因素。

圖1　研究區日徑流實測值與模擬值

研究區域項目年徑流深洪水期(4—10月)最大1d連續5d最大枯水期(11月至翌年3月)最小1d連續7d最小全流域1995年1436.8150.57295.980.739.542006年1470.0852.23301.690.799.52變化量33.271.665.710.06-0.02變化率/%2.323.294.228.18-0.21典型子流域 (S26)1995年1104.9484.2035.180.060.072006年1133.9989.7136.770.050.06變化量29.055.511.60-0.01-0.01變化率/%2.636.554.53-12.22-13.45

當研究區地表植被郁閉度降低，地表覆被和冠層最大截流量減少，地表植被最大截流量的減少，使得降水轉為徑流的量增加，年徑流深增加，日徑流深在洪水期增加，枯水期基本減少。

事實上，在其他流域的研究[12-14]得出相似結論，建設用地增加導致不透水面積增加，造成入滲減少，洪峰流量增大，徑流系數增大。葉寶瑩[15]以泥鰍河和科洛河流域為例的分析得出，林地、耕地面積的減少導致地表徑流增加。有關梭磨河[16]的研究也表明地表覆被和冠層最大截流量的增加，導致徑流深減少，洪水期和枯水期徑流深均減少，且枯水期減少幅度小。

3.3.2空間響應分析選用普通克里格[17]插值，并通過該方法的4個參數對插值結果進行精度評價。評價結果(表3)顯示，插值結果符合研究區徑流系數的克里格最優參數模型標準。且研究結果與林文嬌[18]在山美庫區以上集水區的插值數值上相近；等值線布局的不同，與研究時段和插值方法不同有關。研究區空間上，土地利用變化下的水文響應結果如圖2所示。

根據圖2可知，兩期土地利用下徑流系數的差異體現為2006年土地利用覆被下徑流系數大于1995年，表明2006年土地利用/覆被變化后，山美水庫集水區降水量中有更多水量變成徑流，而其余耗損于植物截留、填洼、入滲和蒸發的水量相應減少，這恰好驗證了研究區林地減少、建設用地增加的現狀。此外，從等值線分布來看，2006年徑流系數等值線比1995年等值線更密集，特別是西部地區和東南部地區，這說明研究區土地利用/覆被變化后，徑流系數變率增大、穩定性下降。

表3　普通克里格插值結果精度評價

圖2　研究區徑流系數等值線圖

3.3.3徑流變化影響因子分析徑流的變化從來都不是單一地類影響所致。因各地類變化并不相互獨立，單個變量包含信息較片面，而相關分析只能區分出各地類對研究區徑流變化的正負效應，不能確定其影響程度。所以，為進一步識別研究區徑流量變化的主要影響因子，對各地類變化做主成分分析，結合主成分載荷矩陣，確定各地類變化對區內徑流變化的影響程度，進而識別出主要影響因子。

主成分分析結果表明，4個主成分可以解釋81.97%的地類變化信息，第1到第4主成分的貢獻率依次為31.02%，21.20%，16.89和12.86%。由載荷矩陣(表4)可知，園地、林地、建設用地和水田是影響區內水文變化的主要因素，草地雖然與主成分具有較高的相關系數，但其總面積很小，因此影響也相對較小。

表4　主成分載荷矩陣

4結 論

(1) LUCC分析得出，在全流域園地、建設用地增加，林地減少，并以林地轉為園地為主，即研究區的地表覆被和冠層最大截留量減少。這樣的變化導致時間水文響應上，年徑流深無論全流域或子流域均增加；全流域在日尺度的洪水期和枯水期日徑流深一致增加；對典型子流域(S26)的研究發現，洪水期日徑流深增加，而枯水期研究區土壤下滲量增加，導致徑流深減少，枯水徑流減少。體現子流域洪水與枯水徑流深變化的不一致性，呈現出“洪水量更大，枯水量更小”的特點。

(2) 空間水文響應分析得出，同一地點2006年土地利用下的徑流系數大于1995年土地利用下的徑流系數，且前者較后者等值線更為密集。這與研究區研究期內林地減少，建設用地的增加密不可分，表明降水量中耗損的水量減少，形成的徑流更多；研究區土地利用/覆被變化后，徑流系數變率大，不似從前穩定。

(3) 研究期內，研究區徑流時空變化的主要影響因子為園地、林地、建設用地和水田的變化。土地利用/覆被變化與流域徑流量的關系，絕非某一種土地利用類型的變化能闡述清楚，而是由各種地類變化的組合疊加效應作用于河川徑流。這種疊加效應還須進一步研究并加以揭示。

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Hydrological Responses to Land Use and Cover Change in a Small Watershed of Southeast China Coast Area

YANG Liu1,2, CHEN Xingwei2, XU Youpeng2, HU Chunsheng1

(1.GeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing,Jiangsu210093,China; 2.SchoolofGeographicSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou,Fujian350007,China)

Abstract：[Objective] Studying the hydrological responses to land use and cover change of Southeast China coast in a small watershed, in order to provide references for the rational allocation and sustainable development of water and soil resources. [Methods] The confluence catchment of Jinjiang Shanmei Reservoir in Fujian Province of China, a place located at the southeast coast of China, was selected to illustrate the effects of land use and cover change(LUCC) on hydrological processes by SWAT model. [Results] (1) From 1995 to 2006, the forest land was mainly converted to garden land and construction land, while farm land was mainly transformed to construction land; (2) In the model, if other conditions were fixed, only data of land use in 2006 was replaced with the corresponding input variable in 1995, the runoff could be outputted as contrast: from 2000 to 2010, the annual runoffs in the whole watershed and also in the tributary drainage area consequently increased; and the averaged runoff during flooding increased, while the runoff during rainless period decreased; (3) The runoff volume in the whole watershed increased with an increased variation as contrast with the previous corresponding value; (4) Garden land, forest land, construction land and paddy field were the main driving factors that caused the regional hydrological changes. [Conclusion] Land use and cover change in the study area were found to result in a runoff trend that are “the flood volume is larger, the runoff yield is smaller”. The changes of river runoff was resulted from the combined effects of all types of land use change. This combination effects need to be further studied.

Keywords:SWAT model; daily runoff process simulation; land use and cover change; hydrological responses; Southeast China coastal area; small watershed

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0070-06

中圖分類號：

收稿日期：2014-01-21修回日期：2014-04-12