淮河上游土地利用變化對(duì)流域產(chǎn)水能力的影響研究

□李斌成 李瓊芳 江海濤 王鴻杰 石海波 賓予蓮 杜付然 徐 鵬 陳 靜

（1.河南省水文水資源局；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院；3.河南省水利廳；4.江蘇省水文水資源勘測(cè)局）

1 引言

土地利用變化（LUCC）作為人類活動(dòng)的重要體現(xiàn)，對(duì)水文循環(huán)過程的影響非常顯著。土地利用變化對(duì)流域產(chǎn)水能力的影響已成為變化環(huán)境下水循環(huán)演變研究的重要問題。近年來，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)此做了相關(guān)研究：劉賢趙等針對(duì)不同土地利用類型采用了不同的產(chǎn)流計(jì)算方法，得到了特定年汛期降雨條件下產(chǎn)水量的變化情況；徐艷會(huì)利用SWIM模型分析了林地植被覆蓋率變化和林地類型轉(zhuǎn)變這兩種土地利用變化方式所帶來的黃前流域產(chǎn)水量變化情況；溫海燕等基于SWAT模型模擬分析了息縣流域各土地利用類型的徑流模數(shù)及對(duì)降水量變化的產(chǎn)水敏感性情況；李遠(yuǎn)平等基于SWAT模型從年尺度和汛期尺度分析了淠河流域在不同典型年兩種土地利用模式下多年平均徑流的變化。綜上可見，國(guó)內(nèi)在該內(nèi)容的研究上運(yùn)用的方法多種多樣，但基本從流域總產(chǎn)流方面進(jìn)行考量，很少考慮流域產(chǎn)水能力的空間變化情況。因此，文章選取淮河上游息縣流域作為研究對(duì)象，基于改進(jìn)的分布式新安江模型從徑流模數(shù)角度分析豐水年土地利用變化在不同時(shí)間尺度對(duì)流域產(chǎn)水能力空間分布的影響。研究成果在保障水土資源可持續(xù)利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要實(shí)用價(jià)值。

2 研究方法

論文選用美國(guó)國(guó)家地球物理中心的基礎(chǔ)高程資料，運(yùn)用ArcGIS水文模塊構(gòu)建數(shù)字水系，并將其離散成分辨率為1 km×1 km的網(wǎng)格單元。基于中國(guó)科學(xué)院提供的分辨率為1 km×1 km的1990 s和2000 s土地利用遙感資料，運(yùn)用ArcGIS軟件分析得到每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格單元上的土地利用信息，并通過比較揭示研究區(qū)從1990 s到2000 s的土地利用變化情況。基于1991-2009年的降雨資料，通過水文頻率分析選取2000年作為豐水年的典型年；采用距離平方倒數(shù)法對(duì)進(jìn)行高程修正后的日氣象資料以及日水文資料進(jìn)行空間插值，應(yīng)用彭曼法耦合植物生長(zhǎng)模型計(jì)算流域潛在蒸散發(fā)改進(jìn)的分布式新安江模型，計(jì)算得到研究區(qū)在豐水年兩種土地利用模式下日尺度的網(wǎng)格徑流深，進(jìn)而計(jì)算得到年尺度和汛期尺度的網(wǎng)格徑流模數(shù)，對(duì)比分析土地利用變化對(duì)豐水年不同時(shí)間尺度流域產(chǎn)水能力空間分布的影響。

3 土地利用變化分析

3.1 研究區(qū)域概況

文章選取淮河上游息縣水文控制站以上流域作為研究區(qū)域，流域范圍：東經(jīng)113°15’～114°46’，北緯31°31’～32°43’，流域面積10 190 km2。該區(qū)域地處我國(guó)半干旱氣候與濕潤(rùn)氣候過渡帶，多年平均氣溫在15℃左右，降雨和蒸發(fā)時(shí)空分布不均勻，汛期為5-10月，多年平均降水量1 020 mm，多年平均水面蒸發(fā)量850 mm。研究區(qū)僅有南灣、石山口、息縣三個(gè)蒸發(fā)站，蒸發(fā)站數(shù)量過少且分布不均勻。近幾十年由于人類活動(dòng)強(qiáng)烈，流域土地利用發(fā)生了顯著變化。

3.2 土地利用變化分析

基于1990 s和2000 s兩期土地利用遙感圖，應(yīng)用GIS軟件加工處理分別得到息縣流域兩期土地利用的空間分布情況，詳情見參考文獻(xiàn)。對(duì)比兩期土地利用空間分布計(jì)算得到土地利用變化的空間分布情況，見圖1。

研究區(qū)從1990 s至2000 s，主要的土地利用類型未發(fā)生改變，均為旱地、水田和林地，但各土地利用類型所占面積比發(fā)生了顯著變化，發(fā)生土地利用變化的區(qū)域約占總流域面積的30%，主要分布在流域的西部、中部和東部的部分區(qū)域。其中，水田變?yōu)楹档厥亲钪饕耐恋乩米兓绞剑s占總流域面積的16.80%。此外，林地變?yōu)檗r(nóng)田區(qū)域約占總流域面積的6.50%，其中有一半?yún)^(qū)域?yàn)橛辛值刈優(yōu)楹档亍Ａ硗猓档刈優(yōu)樗锛s占1.40%，有林地、疏林地和灌木林相互轉(zhuǎn)化約占3.80%，農(nóng)田變?yōu)榱值丶s占2.50%，草地、水體和城鎮(zhèn)用地都有一定幅度增長(zhǎng)，具體空間變化情況見圖1。

圖1 息縣流域從1995年到2000年土地利用變化空間分布圖

4 流域產(chǎn)水能力模擬與分析

4.1 徑流模數(shù)空間分布計(jì)算

的研究結(jié)果表明，土地利用變化對(duì)息縣流域非汛期的蒸散發(fā)能力空間分布的影響并不明顯，因此，文章只考慮汛期尺度和年尺度的徑流模數(shù)空間分布變化。息縣流域兩種土地利用模式下豐水年的汛期尺度和年尺度的徑流模數(shù)空間分布情況分別見圖2。結(jié)合土地利用空間變化情況，選取徑流模數(shù)空間變化代表區(qū)域（見圖2（1）所示）進(jìn)行徑流模數(shù)統(tǒng)計(jì)，徑流模數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

4.2 土地利用變化對(duì)流域產(chǎn)水能力影響分析

圖2 息縣流域2000年（豐水年）兩種土地利用模式徑流模數(shù)空間分布圖

表1 息縣流域豐水年代表區(qū)域徑流模數(shù)統(tǒng)計(jì)表 單位：L/s·km2

綜合圖表，在相同的降雨條件下，當(dāng)息縣流域土地利用模式從1990 s到2000 s，絕大部分汛期徑流模數(shù)發(fā)生變化的區(qū)域均表現(xiàn)為徑流模數(shù)增大，即土地利用變化使得息縣流域汛期產(chǎn)水能力增強(qiáng)。結(jié)合土地利用變化圖可見：林地變?yōu)檗r(nóng)田的部分區(qū)域（如②區(qū)），林地變?yōu)椴莸貐^(qū)域（如①區(qū)），水田變?yōu)楹档氐牟糠謪^(qū)域（如⑤⑥⑦區(qū)），以及水體和城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張區(qū)域（如圖中③④區(qū)），徑流模數(shù)均有不同程度地增加。其中，林地、水體和城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張區(qū)的汛期徑流模數(shù)變化幅度很大，均在35%以上；相比之下，林地變?yōu)檗r(nóng)田的部分區(qū)域和水田變?yōu)楹档氐牟糠謪^(qū)域的汛期徑流模數(shù)變化幅度較小，均在3%以內(nèi)。由于水體、草地和城鎮(zhèn)用地的面積占比很小，可能會(huì)存在不確定因素導(dǎo)致徑流模數(shù)變化不具有代表性，故文章重點(diǎn)對(duì)比分析息縣流域的主要土地利用類型。綜合圖表易得，在相同的降雨條件下，主要土地利用類型的徑流模數(shù)排序依次為：旱地＞水田＞林地。

綜合圖表，以及汛期尺度的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)流域年尺度的徑流模數(shù)空間變化趨勢(shì)與汛期尺度的基本一致，根據(jù)徑流模數(shù)計(jì)算公式，可得流域年產(chǎn)流量主要集中在汛期。在相同降水條件下，2000 s汛期產(chǎn)水量占全年產(chǎn)水量的比例比1990 s的略大，表明息縣流域土地利用模式的變化使得流域產(chǎn)水量年內(nèi)變化幅度增大。

5 結(jié)論

文章基于ArcGIS技術(shù)和考慮雙源蒸散發(fā)的分布式新安江模型，分析了息縣流域豐水年土地利用變化對(duì)年尺度和汛期尺度流域產(chǎn)水能力的影響，得到以下主要結(jié)論：土地利用變化對(duì)年尺度和汛期尺度流域徑流模數(shù)空間分布的影響表現(xiàn)一致，絕大部分發(fā)生徑流模數(shù)變化的區(qū)域均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；在相同的降雨條件下，主要土地利用類型的徑流模數(shù)從大到小依次為旱地、水田和林地；對(duì)比汛期徑流模數(shù)和年徑流模數(shù)，推算出全年產(chǎn)水量主要集中在汛期，且土地利用變化使得集中性更加顯著。這就意味著，研究區(qū)土地利用變化使得流域水源涵養(yǎng)能力削弱，汛期洪澇風(fēng)險(xiǎn)加大。

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