淮河上游土地利用變化對流域蒸散發能力影響研究

周正模，杜付然，江海濤，李瓊芳

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學國際河流研究所，江蘇 南京 210098；3.河南省許昌水文水資源勘測局，河南 許昌 461000；4.河南省水文水資源局，河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著人口的急劇增長和社會經濟的快速發展，我國土地利用模式發生了顯著變化。由土地利用變化引起的水文效應已成為水文等相關領域研究的熱點問題[1,2]，其中，土地利用變化對流域蒸散發能力的影響是研究變化環境下水循環演變的重要方面。近年來，國內一些學者對相關問題做了大量研究：張井勇等[3]研究發現土地利用變化會直接改變地表熱通量，從而影響到地表氣溫變化；蔡琳等[4]利用衛星遙感數據源，以四川南廣河流域為研究對象，驗證了雙源蒸散發模型的可行性，得到不同土地利用類型的蒸散發能力排序；趙建剛[5]利用橫排頭流域土地利用專題地圖和流域資料，通過GIS與Matlab相結合的手段，得到不同土地利用的傅抱璞公式v的排序；歐陽欽從等[6]基于SWAT模型模擬了晉江流域不同土地利用條件下的水文過程，研究表明土地利用變化的水文過程效應與年內降水分布具有密切關系，降水量越小，蒸散發效應越顯著。上述學者大多從年尺度研究了土地利用與蒸散發能力的關系，沒有深入研究土地利用變化對不同典型年(豐水年、平水年和枯水年)的不同時間尺度蒸散發能力空間分布的影響。因此，論文選取土地利用變化顯著的淮河上游息縣流域為研究區域，研究不同典型年的不同時間尺度蒸散發能力的空間分布隨土地利用變化的規律。研究成果可為變化環境下水循環演變研究提供支撐。

1 研究方法

論文選取淮河上游息縣水文控制站以上流域為研究區，選用美國國家地球物理中心分辨率為1 km×1 km全球DEM的基礎高程資料，運用地理信息軟件ArcGIS水文模塊構建研究區的數字水系，并將其離散成空間分辨率為1 km×1 km的網格單元。基于中國科學院提供的研究區分辨率為1 km×1 km的1995年和2000年土地利用遙感資料，運用ArcGIS軟件空間分析得到每個計算網格單元上的土地利用信息，并通過分析比較揭示研究區從1995年到2000年的土地利用變化規律。基于1990-2009年的降雨資料，通過水文頻率分析選取2000年、2008年和2001年分別代表豐水年、平水年、枯水年的三個典型年；基于流域內外附近8個氣象站的3個典型年的日氣象資料(風速、凈輻射、日均氣溫、日照時數、相對濕度等)，利用距離平方倒數法對進行高程修正后的日氣象資料進行空間插值，獲得1km×1km網格的日氣象資料，應用分布式雙源蒸散發模型[6]，計算得到研究區不同典型年在兩種土地利用模式下日尺度的各網格的蒸散發能力，進而計算得到季尺度和年尺度的各網格的蒸散發能力。對比分析不同典型年土地利用變化對不同時間尺度蒸散發能力空間分布的影響，揭示土地利用變化對流域蒸散發能力空間分布的影響。

2 土地利用變化分析

2.1 研究區域概況

論文選取淮河上游息縣水文控制站以上流域作為研究區域，流域范圍：東經113°15′～114°46′，北緯31°31′～32°43′，流域面積10 190 km2。流域水系及氣象站分布見圖1。該區域地處我國半干旱氣候與濕潤氣候過渡帶，多年平均氣溫在15℃左右，降雨和蒸發時空分布不均勻，多年平均降水量1 020 mm，多年平均水面蒸發量850 mm。近幾十年由于人類活動強烈，流域土地利用發生顯著變化。研究區僅有南灣、石山口、息縣三個蒸發站，蒸發站數量過少且分布不均勻，基于三站的實測蒸散發不能很好地反映流域土地利用變化對蒸散發能力空間分布的影響。

2.2 土地利用變化分析

基于1995年和2000年土地利用遙感圖，應用GIS軟件處理分析得到息縣流域兩期原始土地利用空間分布圖后，做如下處理：林地分為有林地、灌木林和疏林地，農業耕作用地分為水田和旱地，高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地合并統稱為草地，河渠、水庫坑塘和灘地合并統稱為水體，最終得到的兩期土地利用空間分布見圖2和圖3。土地利用變化空間分布見圖4，各土地利用類型所占面積比及變化情況見表1。

圖2 息縣流域1995年土地利用分布圖Fig.2 Distribution of land use in Xixian River Basin(1995)

圖3 息縣流域2000年土地利用分布圖Fig.3 Distribution of land use in Xixian River Basin(2000)

圖4 息縣流域從1995年到2000年土地利用變化空間分布圖Fig.4 Distribution of land use change in Xixian River Basin from 1995 to 2000

綜合圖2和表1分析，研究區1995年主要土地利用類型為水田、旱地和林地，共占總流域面積的99%以上，其中林地以有林地為主，約占總林地面積的64%。旱地主要分布在流域北部，林地主要分布在流域南部，水田主要分布在流域東部和西部。不難發現，研究區1995年3種主要土地利用方式占比均衡，占比最大的林地和占比最小的旱地相差約流域面積的11%。

表1 息縣流域1995年和2000年土地利用及變化情況 %

綜合圖3和表1分析，研究區2000年主要土地利用類型依然為水田、旱地和林地，接近總流域面積的90%，其中，林地仍以有林地為主，約占總林地面積的66%。旱地主要分布在流域西部、北部以及中部和東部的部分區域，林地依然主要分布在流域南部，水田主要分布在流域中部和東部的部分區域。不難發現，研究區2000年3種主要土地利用方式面積占比相差較大，占比最小的水田不足占比最大的旱地的43%。

綜合圖4和表1分析，研究區從1995年至2000年，各土地利用類型所占面積比重發生了顯著變化，發生土地利用變化的區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域。其中，水田變為旱地是最主要的土地利用變化方式，約占總流域面積的16.8%。此外，林地變為農田區域約占總流域面積的6.5%，其中有一半區域為有林地變為旱地。另外，旱地變為水田約占1.4%，有林地、疏林地和灌木林相互轉化約占3.8%，農田變為林地約占2.5%，草地、水體和城鎮用地都有一定幅度增長，具體空間變化情況見圖4。

綜合上述分析，研究區從1995年到2000年，主要土地利用類型未發生明顯變化，均為水田、旱地和林地，但各類型所占比重變化顯著，發生土地利用變化的區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。其中，土地利用變化超過半數為水田變為旱地：從1995年占比均衡(27.10%)到2000年占據主導地位(45.23%)。此外，各類型的林地均有不同幅度的減少，草地、水體和城鎮用地均有不同幅度的增加。

3 土地利用變化條件下流域蒸散發能力空間分布變化計算

3.1 分布式雙源蒸散發模型簡介

3.1.1 簡易植物生長模型EPIC[9]

葉面積指數(LAI)是植物葉片總面積與植物占地面積的比值，該值隨植物生長不斷變化。該模型基于熱量單元理論，假定植物成熟需要一定的熱量積累且該值可量化。根據植物生長期及最低生長溫度計算總積溫，然后以生長期內的日平均氣溫作為輸入項，采用LAI發展曲線分3個時段動態計算植物的LAI年內變化過程。

3.1.2 雙源蒸散發模型[10]

雙源蒸散發模型同時考慮土壤蒸發和植物散發，將植被冠層和土壤表層作為兩個相互獨立又相互作用的水汽源，從而分別對土壤表層和植被冠層進行能量的平衡計算。

本文以彭曼模型為基礎，來計算流域的總蒸散發能力，包括土壤蒸發能力、植被蒸騰能力和植被冠層截留蒸發，詳細計算公式見參考文獻[10]。

3.1.3 植物生長模型與雙源蒸散發模型集成

雙源蒸散發模型參數的計算均需要LAI。集成雙源蒸散發模型與植物生長模型，由植物生長模型計算逐日動態LAI并將其作為雙源蒸散發模型重要輸入項計算流域蒸散發能力。分布式雙源蒸散發模型的建立基于1 km×1 km網格，具有物理概念，能顯式反映氣候特征、植被葉面積指數等因子的時空差異性和土壤特性以及流域地形的空間差異性對流域蒸散發的影響。閆方秀等[8]的研究結果表明，蒸散發能力計算值與蒸發皿觀測值年內逐日波動趨勢基本一致，驗證了雙源蒸散發模型的合理性及其在淮河流域的適用性。

3.2 土地利用變化條件下的季尺度蒸散發能力空間分布變化

利用分布式雙源蒸散發模型，分別計算研究區3個典型年兩種土地利用模式下日尺度的各網格蒸散發能力，進而計算得到研究區3個典型年兩種土地利用模式下四個季節各網格的蒸散發能力，并以此為基礎，導出土地利用變化條件下季尺度流域蒸散發能力空間分布的變化，見圖5-圖7。

3.3 土地利用變化條件下的年尺度蒸散發能力空間分布變化

基于研究區3個典型年兩種土地利用模式下日尺度的各網格蒸散發能力，計算得到各網格的年尺度流域蒸散發能力，見圖8-圖10(a、b)，進而得到土地利用變化條件下年尺度流域蒸散發能力空間分布的變化，見圖8-圖10(c)。

圖5 土地利用變化引起的豐水年不同季節蒸散發能力空間分布變化(單位：mm)Fig.5 Spatial distribution of changes of seasonal evapotranspiration caused by land use change in wet year

圖6 土地利用變化引起的平水年不同季節蒸散發能力空間分布變化(單位：mm)Fig.6 Spatial distribution of changes of seasonal evapotranspiration caused by land use change in normal flow year

圖7 土地利用變化引起的枯水年不同季節蒸散發能力空間分布變化(單位：mm)Fig.7 Spatial distribution of changes of seasonal evapotranspiration caused by land use change in dry year

圖8 息縣流域典型豐水年(2000年)年尺度蒸散發能力空間分布(單位：mm)Fig.8 Spatial distribution of changes of yearly evapotranspiration caused by land use change in wet year

圖9 息縣流域典型平水年(2008年)年尺度蒸散發能力空間分布(單位：mm)Fig.9 Spatial distribution of changes of yearly evapotranspiration caused by land use change in normal flow year

圖10 息縣流域典型枯水年(2001年)年尺度蒸散發能力空間分布(單位：mm)Fig.10 Spatial distribution of changes of yearly evapotranspiration caused by land use change in dry year

4 土地利用變化對流域蒸散發能力影響分析

4.1 季尺度影響分析

綜合比較分析圖5-7，可以發現，土地利用變化對季尺度流域蒸散發能力的影響在不同典型年呈現相似規律：夏季發生蒸散發能力變化的面積最大，而其他三個季節差別不大；發生蒸散發能力變化的大部分網格的季尺度蒸散發能力均呈現不同程度的減小，且減小幅度依夏季、春季、秋季、冬季遞減。具體分析如下：春季、秋季和冬季的蒸散發能力變化區域約占總流域面積的12%，夏季約占總流域面積的30%，對比發現土地利用變化區域和夏季蒸散發能力變化區域完全吻合，其他季節與夏季相差的區域為水田變為旱地部分；春季約有總流域面積7%區域的蒸散發能力發生小幅度減小，在-2 mm內，這部分區域主要為林地變為農田，約有4%區域的蒸散發能力發生小幅度增大，在2 mm內，這部分區域主要為農田變為林地，蒸散發能力變化幅度在-227～233 mm內；夏季約有總流域面積17%區域的蒸散發能力發生小幅度減小，在-2 mm內，這部分主要為水田變為旱地，約有6%的蒸散發能力發生小幅度增大，在5 mm內，這部分主要為農田變為林地和疏林地變為灌木林，約有6%區域的蒸散發能力有較大幅度減小，約為-5 mm，這部分主要為林地變為農田，蒸散發能力變化幅度在-309～315 mm內；秋季約有總流域面積7%區域的蒸散發能力發生小幅度減小，在-2 mm內，約有4%區域的蒸散發能力發生小幅度增大，在2 mm內，蒸散發能力變化幅度在-177～177 mm內；冬季略有差異，但大部分區域的蒸散發能力均有減小，蒸散發能力變化幅度在-132～88 mm內。不難發現，水田變旱地區域的蒸散發能力變化體現在夏季，結合農作物生長規律分析原因，水田主要農作物為水稻，其生長耗水期基本在夏季，在其他季節與旱地作物無明顯差別，因此，流域蒸散發能力的變化區域在夏季明顯遠大于其他季節。

在土地利用變化條件下，三種典型年的季尺度流域蒸散發能力變化在宏觀表現上基本一致，但在具體表現上會略有不同。以冬季為例，2000年和2008年的冬季均約有總流域面積11%區域的蒸散發能力有-1 mm以內的小幅度減小，而2001年除約有總流域面積2%區域的蒸散發能力發生-1 mm內的小幅度減小外，還約有5%區域的蒸散發能力有約為-8 mm的較大幅度減小，約有3%區域的蒸散發能力有約為8 mm的較大幅度增大；2000年和2008年的整體蒸散發能力變化幅度為-45～52 mm，而2001年的變化幅度為-132～88 mm。由圖可知，2000年春夏兩季變化幅度相對較大，2008年秋冬兩季變化幅度相對較大，2001年夏秋兩季變化幅度相對較大。

分析原因，典型年的選取依據為年降雨量，雖然不同典型間的年降雨量相差很大，但日平均氣溫、日平均風速、凈輻射等氣象條件總體卻相差甚微，加之各季節情況不一，因此典型年對季尺度蒸散發能力變化的影響無明顯規律。

4.2 年尺度影響分析

綜合比較分析圖8-10，可以發現，土地利用變化對年尺度流域蒸散發能力的影響在不同典型年表現基本一致：蒸散發能力發生變化的絕大多數網格年蒸散發能力均有不同程度的減小。結合土地利用變化，具體分析如下：水田變為旱地區域，蒸散發能力有小幅度減小，在-5 mm內，表明水田的蒸散發能力略大于旱地，這主要是因為旱地和水田上的農作物在植被冠層截留蒸發和植被蒸騰上差別不大，但水田在水稻灌溉期，其土壤蒸發部分是以水面蒸發來計算的，因此，綜合來看，水田的蒸散發能力會略大于旱地；林地變為農田區域，蒸散發能力也有一定幅度的減小，約-10 mm，表明林地的蒸散發能力大于農田，這是因為林地的植被冠層截留蒸發和植被蒸騰相比于農田，都會相對較大；水田變為疏林地和疏林地變為灌木林區域，蒸散發能力有小幅度增大，在8 mm內，表明灌木林的蒸散發能力略大于疏林地，這是因為疏林地的葉面積指數明顯小于灌木林，導致冠層截留蒸發和植被蒸騰都相對較小；灌木林變為有林地區域蒸散發能力基本無變化，表明灌木林與有林地的蒸散發能力相當；旱地變為灌木林/有林地區域，蒸散發能力有一定幅度的增大，約11 mm；有林地變為草地以及城鎮用地、水體擴張區域，蒸散發能力均有大幅度增大，表明草地、城鎮用地和水體的蒸散發能力遠大于其他的土地利用類型。綜合上述分析，得到主要土地利用類型的蒸散發能力排序：有林地/灌木林>疏林地>水田>旱地。

在土地利用變化條件下，三種典型年的年尺度流域蒸散發能力變化在宏觀表現上基本一致，但在具體表現上會略有不同，主要表現在蒸散發能力的變化幅度上。豐水年兩種土地利用模式的流域蒸散發能力幅度均為496～670 mm，土地利用變化條件下蒸散發能力變化幅度為-644～660 mm；平水年兩種土地利用模式的蒸散發能力幅度均為530～697 mm，土地利用變化條件下蒸散發能力變化幅度為-661～690 mm；枯水年兩種土地利用模式的蒸散發能力幅度均為587～749 mm，土地利用變化條件下蒸散發能力變化幅度為-725～745 mm。比較發現，在相同土地利用模式下平水年的流域整體蒸散發能力略大于豐水年、略小于枯水年，在土地利用變化條件下平水年的年蒸散發能力變化幅度略大于豐水年、略小于枯水年。換言之，由于氣象條件差異，帶來年降雨量增大的情況下，流域年蒸散發會有一定程度地相對減小。

5 結 論

論文基于ArcGIS技術和集成植物生長模型的分布式雙源蒸散發模型，分析了息縣流域從1995年到2000年的土地利用變化情況，研究了土地利用變化對季尺度和年尺度流域蒸散發能力的影響，得到以下主要結論：

(1)息縣流域的土地利用類型主要為水田、旱地和林地。其中，林地包括有林地、疏林地和灌木林。其他土地利用類型還有水體、草地和城鄉用地等。

(2)從1995年至2000年，息縣流域土地利用模式變化顯著。土地利用變化面積約占總流域面積的30%，其中主要變化為：約總流域面積的17%由水田變為旱地部分，約總流域面積的7%由林地轉變為旱地(3%)和水田(1%)。

(3)土地利用變化對年尺度流域蒸散發能力的影響在各代表年表現一致：絕大部分變化區域的蒸散發能力呈現減小趨勢，其中，豐水年的變化幅度最小，而枯水年的變化幅度最大。對比分析得到不同土地利用類型蒸散發能力排序：有林地/灌木林>疏林地>水田>旱地。

(4)土地利用變化對季尺度流域蒸散發能力影響主要表現在夏季。而在其他季節，不同代表年的季尺度蒸散發能力變化情況不盡相同，沒有明顯規律。

論文得出的結論符合枯水年份(特別是夏季缺水年份)農業耕地應盡量以旱地為主的實際情況。基于此研究成果，可進一步研究土地利用變化對流域產水產沙以及水資源總量的影響，為變化環境下水循環演變研究提供支撐。

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