東遼河流域未來土地利用變化對水文影響的研究

孫麗娜,梁冬梅

(1.吉林省匯眾益環科技開發公司,長春 130012; 2.吉林省環境科學研究院,長春 130012)

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東遼河流域未來土地利用變化對水文影響的研究

孫麗娜1,2,梁冬梅2

(1.吉林省匯眾益環科技開發公司,長春 130012; 2.吉林省環境科學研究院,長春 130012)

土地利用變化對水文的影響已引起社會的廣泛關注。以東遼河流域為研究對象，以分布式水文模型SWAT和土地利用變化模型CLUE-S為研究工具，通過將SWAT與CLUE-S模型耦合，定量評估了東遼河流域未來2種不同情景模式下的土地利用變化對流域水文過程長期的影響。研究結果表明：2016—2025年情景1的平均徑流量為15.41 m3/s，2016—2025年情景2的平均徑流量為13.8 m3/s，2025年情景2的土地利用變化比情景1的土地利用變化更有利于減少徑流的流失；通過對比分析2000—2025年不同情景模式下土地利用變化的植被覆蓋率變化，2000年植被覆蓋率由77.51%變化到2025年情景1的77.23%和2025年情景2的78.93%，表明植被覆蓋率與徑流的流失量呈反比。因此，研究區未來土地利用變化應按照國家土地利用規劃實行，對東遼河流域水資源規劃及可持續發展具有重要的意義。

SWAT模型; CLUE-S模型; 土地利用變化; 東遼河流域

隨著我國經濟的快速發展，水資源的脆弱性已成為流域水環境污染的主要因素之一。不適當的土地利用方式及土地利用活動直接導致了土壤侵蝕及氮磷營養物隨地表徑流流失，從而對流域水體環境產生影響，致使水資源供需關系發生了變化，進而對流域的生態環境及社會經濟可持續發展等方向產生了巨大的影響。因此，合理分析及改變土地利用變化情況對流域水環境改善及水文影響的研究顯得尤為重要。

近年來，國內外學者在土地利用/土地覆被變化、驅動力方面以及應用分布式水文模型模擬研究區的水文特征等方面的研究較多。農宇等[1]利用多分類Logistic回歸對湖北省嘉魚縣土地利用變化進行模擬；謝花林[2-3]、曾凌云[4]等應用GIS和Logistic回歸模型對土地利用變化及驅動力分析進行了研究；Fox[5]等利用CLUE-S模型對東南亞大陸土地利用變化進行模擬；Santini[6]等利用土地變化模型對意大利的土地變化進行預測；Yu[7]、Neitsch[8]等采用分布式模型研究臺灣地區的徑流量。然而，國內外學者在土地利用變化對水文影響的研究方面比較少，尤其是將SWAT(the Semi-distributed Soil and Water Assessment Tool)模型與CLUE-S(the Conversion of Land Use and its Effects at Small Regional Extent)模型耦合，預測未來不同情景模式下土地利用變化對水文影響方面的研究在國內外已有的文獻中鮮有報道。

本研究以東遼河流域為研究區，由于自然因素及人類活動的影響，東遼河流域內水質及水資源每況愈下，對流域水環境管理造成了很大的威脅。因此，本文在分析多年間東遼河流域土地利用變化趨勢的基礎之上，應用CLUE-S模型模擬研究區未來土地利用變化情景，探討未來土地利用變化對流域水文影響的研究，旨在為東遼河流域的土地利用規劃及水資源可持續利用方面提供指導。

1　研究區概況

東遼河是遼河的主要支流，發源于吉林省東遼縣遼河源鎮，自東向西流經遼源市區、東遼縣大部分鄉鎮后，在東遼縣云頂鎮注入二龍山水庫。后流經梨樹縣、公主嶺市、雙遼市后流入遼寧省境內。地形特點是自東向西將遼河分為山地、丘陵和平原。流域內四季分明，春季干旱多風，夏季溫度多雨，多年平均降雨量為545 mm，主要集中在6—8月，降雨量約占年降水量50%以上；多年平均蒸發量為1 020 mm，屬于東部季風區中溫帶半濕潤大陸氣候。東遼河流域是吉林省重要的商品糧基地，年均產供水量中，農業供水量約占85%。

2　研究方法與數據分析

2.1研究方法

本文首先收集東遼河流域相關資料，校準和驗證SWAT模型在研究區的適用性。然后基于3S技術將2000年和2005年兩期的土地利用圖生成分辨率為250 m×250 m的GRID形式，利用GIS空間分析功能得出研究區土地利用變化的空間與屬性數據，通過CLUE-S模型模擬研究區2005年土地利用圖，校準和驗證CLUE-S模型在研究區的適用性，從而通過建立的未來土地利用圖輸入到SWAT模型中，定量分析東遼河流域未來土地利用變化對水文的影響。

2.1.1SWAT模型SWAT模型是由Arnold等[9]于1994年吸取了CREAMS，GLEAMS，EPIC等模型的優點為美國農業部(USDA)農業研究中心(ARS)開發的一個具有很強物理機制、長時段的流域分布式水文模型。該模型是以日為時間步長，通過按不同的土地利用、土壤類型和高程江流域劃分為若干水文響應單元(HRUs)，可以在多種土壤、土地利用和管理條件下的復雜流域，利用3S技術的空間信息，模擬、預報復雜流域的多種不同的水文物理過程，很大程度上提高了模型模擬精度[10-11]。SWAT模型作為一種具有代表性的分布式水文模型，近幾年來得到迅速的發展，主要用于對各種管理措施及氣候條件下水資源供給的模擬及預測等。此外，該模型也廣泛用于土地利用變化下的水文響應研究，該研究對水資源規劃、管理及維持具有重要的意義。

2.1.2CLUE-S模型CLUE-S模型是由荷蘭瓦赫寧根大學Verburg等[12]科學家在其較早的CLUE模型基礎上為小尺度研究區開發的。該模型綜合分析了研究區土地利用空間分布概率、研究區初期土地利用現狀圖、土地利用變化規律，在對研究區土地利用變化的經驗理解基礎之上，通過定量分析土地利用變化與社會、經濟、技術及自然環境等驅動因子之間的關系來模擬多種土地利用變化，進行不同情景模式下的土地利用變化模擬，進而對未來土地利用變化進行預測[13]。

2.2數據收集

2.2.1SWAT模型數據

(1)空間數據源。主要包括DEM、研究區1∶10萬2000年和2005的土地利用圖、1∶100萬的2000年土壤類型分布圖。

(2)屬性數據。主要包括集水域內1989—2009年間流域內4個雨量站日降雨數據、日徑流數據、日最高最低氣溫數據和相對濕度等氣象資料。

2.2.2CLUE-S模型數據根據研究區2000年、2005年的土地利用圖，在GIS軟件支持下分別將土地利用現狀圖作柵格化處理，柵格大小為250 m×250 m，結合研究區土地利用特點，將上述柵格圖重新分為7大類：水田、旱地、林地、草地、水域、城鎮、其他。利用GIS空間分析模塊分別生成居民點、道路、河流的距離分析圖層。

3　結果與分析

3.1SWAT模型參數的率定和驗證

應用SWAT模型建立研究區數據庫，選取2000—2007年的實測月平均流量、泥沙對SWAT模型進行參數率定，2008—2009年的實測資料對模型進行驗證。選用確定性系數(R2)、Ens[14]來評價水文模型的適用性，模型參數率定和驗證的精度統計見表1，圖1給出流域率定期及驗證期徑流和泥沙的模擬過程與實測過程。結果表明，R2>0.5，Ens>0.5，SWAT模型模擬精度較高，在東遼河流域具有較好的適用性，可用于分析東遼河流域土地利用變化對水文過程的影響研究。

表1　率定期、驗證期各指標的R2與Ens值

圖1　率定期、驗證期徑流、泥沙實測值與模擬值的對比

3.2CLUE-S模型參數的率定和驗證

根據研究區2000年的土地利用圖，通過CLUE-S模型模擬出2005年土地利用圖(圖2)。通過2005年土地利用圖的實測圖與2005年模擬圖對比分析可知CLUE-S模型模擬的精度。該模型采用Kappa指數評價模型的模擬精度[15]，公式為：

Kappa=(Pa-Pc)/(Pb-Pc)

(1)

式中：Pa為正確模擬的比例；Pc為隨機情況下期望的正確模擬比例；Pb為理想分類情況下正確模擬比例；Kappa值越接近1，模型模擬精度越高。由圖2可知，模型模擬的正確柵格數為136 297，占總柵格數的85.26%。本文將土地利用類型劃分為7類，所以Pc為1/7，由此可知Kappa指數為0.828 0。結果表明，CLUE-S模型可用于預測東遼河流域未來土地利用變化情況。

圖2　東遼河流域2000年、2005年(實測、模擬)土地利用類型

3.3未來情景設置

本文基于東遼河流域土地利用變化發展的歷史趨勢及未來土地利用總體規劃，基于CLUE-S模型構建了兩種土地利用變化情景，并預測東遼河流域2025年不同情境模式下的土地利用變化情況。

(1)歷史趨勢發展情景。根據研究區2000—2005年土地利用變化轉移概率矩陣和2005年土地利用類型所占面積百分比，利用統計分析法預測東遼河流域2025年按歷史趨勢發展的土地利用圖。

(2)土地利用總體規劃情景。研究區各類土地利用面積發展趨勢將根據《吉林省土地利用總體規劃》(2006—2020年)變化。基于2005年研究區土地利用數據，結合前面CLUE-S模型參數設置，分別對2025年2種情景下的土地利用圖進行模擬，結果見圖3。研究區2000—2025年的各土地利用類型面積變化見圖4。

圖3　不同情況下2025年土地利用變化

3.4東遼河流域未來土地利用變化對水文的影響研究

為了定量分析未來土地利用變化對徑流等水文要素的長期影響，本文將采取固定的水文資料及氣候因子的方法，即運用1990—2009年東遼河流域的水文資料、1990—2009年20 a的氣象站資料，運用SWAT已經驗證好的模型參數，將CLUE-S模型模擬的未來不同情景下的土地利用圖輸入SWAT模型，對2025年情景1及2025年情景2的不同情景模式下的土地利用變化下的水文響應進行研究。模擬結果見圖5。由實測數據我們可知2000—2009年的平均徑流量為20.98 m3/s，由圖5模擬結果可知，2016—2025年情景1的平均徑流量為15.41 m3/s，2000—2009年的平均徑流量減少了5.57 m3/s；2016—2025年情景2的平均徑流量為13.8 m3/s，比2000—2009年的平均徑流量減少了7.18 m3/s。由此可知，相同的氣象條件(均用1990—2009年的氣象資料)不同的土地利用圖所導致的東遼河流域的地表徑流變化也較大，情景2的土地利用變化比情景1的土地利用變化更有利于減少徑流的流失。由圖4可知，2000—2025年情景1、2025年情景2的土地利用面積變化較大，植被覆蓋率由2000年的77.51%變化到2025年情景1的77.23%和2025年情景2的78.93%。由此可知，植被覆蓋可以很好地減少地表徑流。因此，未來研究區的土地利用變化應按照國家的土地利用規劃實行，使東遼河流域的土地利用演化趨于合理，從而有利于東遼河流域水資源規劃及可持續發展。

圖4　研究區2000-2025年不同情景模式下各土地利用類型面積變化

圖5　不同情境模式下徑流對比分析

4　結 論

將分布式水文模型SWAT應用于東遼河流域，選取2000—2007年的實測月平均流量、泥沙對SWAT模型進行參數率定，2008—2009年的實測資料對模型進行驗證，選用確定性系數R2和Ens評價模型的適用性，研究結果表明R2和Ens均大于0.5，證明SWAT模型模擬精度較高，適用于研究區水文模擬研究。

依據研究區2000年土地利用圖，通過CLUE-S模型模擬出2005年土地利用圖與2005年實測圖對比分析可知，CLUE-S模型模擬的精度適用于研究區土地利用模擬研究。基于東遼河流域土地利用變化發展的歷史趨勢及未來土地利用總體規劃，借助CLUE-S模型構建了東遼河流域2025年不同情境模式下的土地利用變化情況。

通過將SWAT與CLUE-S模型耦合，預測了研究區2025年不同情境模式下土地利用變化對水文的響應。2016—2025年情景1的平均徑流量為15.41 m3/s，2016—2025年情景2的平均徑流量為13.8 m3/s，2025年情景2的土地利用變化比情景1的土地利用變化更有利于減少徑流的流失；通過對比分析2000年到2025年不同情景模式下土地利用變化的植被覆蓋率變化，2000年植被覆蓋率由77.51%變化到2025年情景1的77.23%和2025年情景2的78.93%，表明植被覆蓋率與徑流的流失量呈反比。研究區未來土地利用變化按照國家土地利用規劃實行，對東遼河流域水資源規劃及可持續發展具有重要的意義。

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Effect of Future Land Use Change on Hydrology in Dongliaohe Basin

SUN Lina1,2,LIANG Dongmei2

(1.Jilin Huizhongyihuan Technology Development Company,Changchun 130012, China; 2.Jilin Research Academy of Environment Sciences,Changchun 130012,China)

The influence of land use change on hydrology has obtained the extensive concern of society.Dongliaohe Basin was chosen as the case study area.Used distributed watershed hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool)and CLUE-S model,we modeled the hydrological response to different land-use change scenarios through coupling the models for SWAT and CLUE-S.The result shows that the runoff in scenario 1 from 2016 to 2025 will be 15.41 m3/s and the runoff in scenario 2 from 2016 to 2025 will be 13.80 m3/s,the result shows that the land use change in scenario 2 will be better for runoff reduction; through comparisons of land use change of vegetation coverage from 2000 to 2025,the vegetation coverage will change from 77.51% to 77.23% from 2000 to the scenario 1 of 2025,and the vegetation coverage will change from 77.51% to 78.93% from 2000 to the scenario 2 of 2025,which shows that the vegetation coverage has the negative relationship with runoff.Therefore,the future land use change in the study area should be in accordance with the national land use planning,the Dongliaohe Basin resources planning and sustainable development have the vital significance.

SWAT model; CLUE-S model; land use change; Dongliaohe Basin

2015-08-28

2015-09-24

吉林省財政廳項目“東遼河流域土地利用變化對非點源污染的影響研究”

孫麗娜(1985—),女,吉林延吉人,博士,研究方向為水文學及水資源。E-mail:sunlina_1985@126.com

F301.2; P333

A

1005-3409(2016)05-0164-05