土地利用變化對東江流域產流過程影響的定量評估

呂樂婷，張 杰，江 源，鄭德鳳，王曉蕊

(1.遼寧師范大學城市與環境學院，遼寧 大連 116029；2.北京師范大學地理科學學部，北京 100875； 3.北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875)

土地利用變化是短期內影響流域水文循環的主要驅動因素之一。它通過改變下墊面特征進而改變產流過程時空特性，對流域水文循環產生作用[1]。水文過程及特點的變化又會反作用于土地利用方式，兩者之間相互影響，錯綜復雜。開展流域土地利用變化的水文響應研究有利于流域水資源合理開發與管理，可為流域社會經濟可持續發展提供科學的決策支持，已成為當前全球變化和水科學研究的熱點[2]。

目前，國內外學者多采用模型模擬的方法定量分析流域土地利用變化對徑流的影響，分布式水文模型SWAT(soil and water assessmewt tool)在該項研究上的應用尤為廣泛[2-5]，其中以情景模擬較為多見[6]，對于地表徑流的關注度較高。如Zhou等[7]耦合了CLUE-S算法和SWAT模型，對長江三角洲西苕溪流域城市化發展的時空尺度水文響應進行了定量分析，結果發現，城市擴張對年徑流和實際蒸散的影響較為顯著，洪峰流量和洪水總量均有增加；Baker等[5]對肯尼亞Njoro河流域土地利用變化對水資源的影響做了定量評估，認為該區域土地利用變化使地表徑流增加，基流減少；Wagner等[8]也利用不同土地利用情景建立了多個SWAT模型，對印度Mula和Mutha流域的水資源變化進行了模擬，發現該流域城市化使得雨季徑流增加，而農業用地的增加則加劇了旱季水資源的缺乏。國內亦有多位學者基于SWAT模型，對不同流域土地利用變化給水資源帶來的影響進行了評估[9-11]，成果頗豐。然而，相關研究大多是分析流域土地利用情景變化對年、月徑流或洪枯徑流的影響，缺少關于流域實際土地利用變化對地表徑流、蒸散發、土壤水等水文過程影響的研究，在揭示土地利用變化對水文過程的影響機制方面有所欠缺[12]。

東江流域是我國東南沿海水資源承載負荷最重的流域之一，是香港、深圳、東莞等重要城市的飲用水源地，其水資源變化會對區域生態環境和經濟發展產生重大的影響。1978年以來，流域城市化過程顯著，自然植被減少突出，目前有學者已開展了東江流域土地利用變化對年、月徑流的影響研究[13]。東江流域經濟發達，河道的人為干擾程度較高，相對于水庫閘壩的人工干預，流域下墊面的變化對水文過程帶來的影響可控性低，恢復難，需要引起格外重視。筆者利用前期建立的東江流域SWAT模型[14]及多期流域土地利用數據，定量分析了1999—2009年土地利用變化對東江流域水文過程的影響，以期為優化土地利用結構、實現流域水資源科學管理提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

東江為珠江四大水系之一，位于東經113°25′—115°52′，北緯22°26′—25°12′，發源于江西省尋烏縣，地跨江西、廣東兩省，沿途主要流經龍川、河源、惠州、東莞、深圳等地。東江干流全長562 km，流域總面積35 340 km2。東江流域地處亞熱帶季風氣候區，氣溫較高，雨量充沛。流域多年平均氣溫約21℃，年總降雨量1 600～2 200 mm。流域地勢東北高，西南低，上游以低中山、丘陵地貌為主，中游以丘陵和平原為主，下游以平原地貌為主。本研究選擇博羅水文站作為流域出口[15-16]。博羅水文站是東江干流下游的主要控制站，其匯水面積達25 325 km2，占東江流域總面積的71.7%(圖1)。下文中提及東江流域均指東江流域博羅站集水區。

圖1 東江流域概況

1.2 數據來源

氣象數據包括降雨、氣溫、太陽輻射、風速、相對濕度，來源于中國氣象科學數據共享服務網http://cdc.cma.gov.cn/。水文數據來源于中國水文年鑒，包括東江干流4個水文站點(龍川站、河源站、嶺下站和博羅站)的長序列徑流數據。本文所采用的1990年、2000年和2009年3期東江流域土地利用圖來源于任斐鵬等[17]的研究成果。這3期土地利用圖由TM/ETM數據解譯而得，分類方法參照了中國科學院資源環境數據中心的土地分類系統，首先對TM/ETM數據進行了幾何校正、去云等預處理，并進行大氣校正和輻射定標，統一分辨率至30 m，然后采用人機交互目視解譯的方式，選用最大似然法對目標影像進行監督分類，最終得到流域3期土地利用圖。分類結果的檢驗采用隨機采樣方法，依據廣東、江西兩省土地利用專題圖件及流域實地采樣進行人機交互驗證，驗證結果皆達到了最低允許判別精度(Kappa不小于0.70)的要求[18]。

圖2 博羅站月徑流率定期(1953—1963年)和驗證期(1964—1974年)模擬結果

2 研究方法與模型建立

2.1 研究方法

SWAT模型基于水量平衡方程原理，將流域水文循環分為陸地階段和匯流階段兩部分。陸地階段描述了子流域內水流、泥沙、營養物等向主河道匯入的過程；匯流階段則描述了流域河網中水流、泥沙等的輸移過程[19]。模型可輸出子流域蒸散發量、地表徑流量、土壤滲漏量以及地下徑流量。

為了定量區分土地利用變化對東江流域水文循環的影響，本文基于前期研究所建立的東江流域SWAT模型(模型中土地利用數據年份為1990年)[14]，模擬了1990—2010年氣象條件下，東江流域水文循環過程。在相同的氣象條件下，分別將模型中土地利用數據替換為2000年、2009年，模擬當土地利用發生變化時流域的水文循環過程。在此基礎上，以子流域為統計尺度，對3種土地利用情況下各水文通量[7]的月均值、年均值及變化情況進行了統計，分析1990—2009年土地利用變化對東江流域水文過程的影響。

2.2 SWAT模型的建立與參數化

為了進一步細化流域水文過程在空間上的差異，基于前期建立的東江流域SWAT模型[14]，將東江流域劃分為46個子流域，468個水文響應單元，并利用流域內4個水文站點在人類活動影響極小時期(1953—1974年，其中1956年數據缺失)徑流數據用于模型的率定和驗證，盡量還原天然狀態下流域降雨-產流過程。在水文參數的率定方面，本文亦進行了改進。由于徑流曲線數、土壤層有效持水量等參數與土地利用及土壤類型密切相關，因此在率定時將不同土地利用及土壤類型的參數分開率定。同時為了簡化計算，選擇了土地利用比例最大的林地、果園、草地以及占土壤類型比例最大的赤紅壤、紅壤、水稻土，對其徑流曲線數、土壤層有效持水量這2個參數分開率定[20]。參數的率定與驗證皆利用SWAT-CUP提供的SUFI-2算法進行[21-24]。結果顯示：流域出口博羅站月徑流模擬率定期確定性系數R2為0.89，Nash-Sutcliffe效率系數ENS為0.87；驗證期R2為0.88，ENS為0.87(圖2)。可見，東江流域SWAT模型徑流模擬精度高，水文參數概化效果較好[25-26]，可基本準確地描述流域的水文過程，并可用于后續土地利用對于水循環影響的研究。

3 結果與分析

3.1 1990—2009年東江土地利用變化分析

東江流域林地分布廣泛，森林林冠可攔截降水，林下枯落物、腐殖質和土壤層能積蓄降水，減少土壤侵蝕，對水土保持十分有利。耕地、園地多分布于山谷及中下游平原區域，城鎮用地主要分布于三角洲及沿海地區。將3期土地利用數據作為SWAT模型的輸入數據，并根據模型提供的土地利用類型數據庫對其進行重新分類。如，研究區原土地利用數據中林地分為高密度林地、中密度林地和低密度林地，而SWAT模型數據庫林地則分為常綠林、混交林及落葉林。東江流域林地多為常綠闊葉林，因此將高、中、低密度林地合并為同一種類型，對應模型中的常綠林類。原土地利用數據中灘涂重新分類為模型中“濕地(wetlands-non-sorested)”。最終，研究區土地利用類型被重新分類為農田、園地、林地等8類(圖3)。土地利用類型、面積、所占比例及變化趨勢見表1，土地利用轉移矩陣見表2。

(a) 1990年 (b) 2000年 (c) 2010年

土地利用類型面積/km2面積所占比例/%變化面積/km21990年2000年2000年1990年2000年2009年1990—2000年2000—2009年1990—2009年1990—2009年變化率/%農 田2163.912220.482108.018.658.888.4356.57-112.47-55.91-2.58園 地874.661135.311351.963.504.545.40260.65216.65477.3054.57林 地20537.1820033.2719796.2882.1080.0879.13-503.91-236.99-740.90-3.61草 地694.14251.39195.392.771.000.78-442.75-56.00-498.75-71.85高密度城鎮17.5876.48230.810.070.310.9258.90154.33213.231212.91低密度城鎮123.58591.35634.800.492.362.54467.7743.45511.22412.94水 域511.76648.82647.622.052.592.59137.05-1.20135.8626.55濕 地93.0958.8451.030.370.240.20-34.25-7.81-42.06-45.18

表2 1990—2009年土地利用轉移矩陣

3.1.1 土地利用類型變化分析

由表1可見:①林地為東江流域的主要土地利用類型，其面積占比分別為82.10%(1990年)、80.08%(2000年)和79.13%(2009年)，1990—2009年林地共減少了740.90 km2，變化率為-3.61%。其中后10年變化量較前10年降低了約50%。②農田占流域總面積約8.65%(3個時期均值)，1990—2009年呈現先增加后減少的變化趨勢，整體減少了55.91 km2，變化率為-2.58%。③園地占流域總面積平均約4.48%，1990—2009年呈持續增長，共增加了477.30 km2，增長率為54.57%，后10年較前10年增長量稍有降低。④城鎮用地占流域總面積約2.23%，1990—2009年高密度城鎮用地共增長了213.23 km2，增長率1212.91%，是流域內變化幅度最大，增長最為迅速的土地利用類型；低密度城鎮用地共增長了511.22 km2，是流域內增長量最大的土地利用類型，增長率412.94%；后10年較前10年，高密度城鎮用地增長量大幅增加，而低密度城鎮用地增長量大幅度降低。⑤草地、濕地面積皆有所減少，水域面積有所增加。總體而言，1990—2009年東江流域林地、草地面積減少量最高，園地、城鎮用地、水域皆有所增加。盡管林地面積占比有所降低，但仍為流域土地利用主體。

3.1.2 土地利用轉移矩陣分析

由表2可見：①減少的林地主要轉化成為農田、園地和低密度城鎮用地；此外，林地向其他用地類型如草地、高密度城鎮用地等也發生了不同程度轉化；②減少的農田主要轉向了園地及林地，增加的園地主要源于林地和農田；③增加的高、低密度城鎮用地主要源于農田、園地及林地，并且兩個時段內低密度城鎮用地向高密度城鎮用地發生了一定的轉換。

3.2 土地利用變化對年徑流各水文通量的影響

本文所統計的水文通量包括地表徑流、側向流、基流、潛在蒸發、實際蒸發以及徑流總量。徑流總量為地表徑流、側向流以及基流之和。東江流域土地利用變化對水文通量的影響見圖4。

(a) 年均變化量

(b) 變化率

1990—2009年，在流域土地利用的變化驅動下，東江流域地表徑流由320.42 mm增加至328.68 mm，共增加了8.26 mm，變化率為2.58%。側向流由447.84 mm減少至438.18 mm，共減少了9.96 mm，變化率為-2.16 %。基流由201.33 mm減少至196.47 mm，共減少了4.86 mm，變化率為-2.41%。實際蒸發由676.2 mm增加至682.6 mm，共增加了6.40 mm，變化率為0.95%。潛在蒸發由1 163 mm增加至1 167.4 mm，共增加了4.40 mm，變化率0.38%。徑流總量由966.72 mm減少至960.34 mm，共減少了6.38 mm，變化率為-0.66 %。可見，地表徑流對土地利用變化的響應最為敏感，其次為基流與側向流，對土地利用變化最不敏感的是潛在蒸發量，這與Zhou等[7]在西苕溪的研究結果相類似。2000年以后各水文通量的變化程度明顯小于20世紀90年代，說明流域土地利用變化有減慢的趨勢，這與東江流域的現實情況相符[27]。結合流域同時段土地利用變化情況，認為城鎮面積和水域面積的增加造成了流域潛在蒸發和實際蒸發皆有所增加；而地表徑流的增加可能由林地的減少引起，基流和側向流的減少可能由園地及城鎮面積的增加引起。

3.3 土地利用變化對月徑流各水文通量的影響

為了探索土地利用變化對各水文通量影響的年內分配情況，對2009年土地利用狀態下各水文通量的月均值及相對于1990年的變化情況進行了統計，結果如圖5所示。

(a) 月均變化量

(b) 變化率

在土地利用變化的影響下，地表徑流全年呈增大趨勢，在雨季增幅較大，而旱季增幅較小；其中6月最大，11月最小；從變化比例上來說，8月增幅最大，11月增幅最小。側向流全年呈減少趨勢，在雨季減幅較大，而旱季減幅較小；其中7月減少量最大，2月最小；從變化比例上來說，7、8月側向流減幅最大，2月最小。基流全年呈減少趨勢，在后雨季及10月減幅較大；其中8月減少量最大，1月、2月最小；從變化比例上來說，12月基流降幅最大，3月最小。實際蒸發量全年呈增大趨勢，在雨季增幅較小，而旱季增幅較大；其中10月增加量最大，6月最小；從變化比例上來說，11月增幅最大，6月最小。潛在蒸發全年呈增大趨勢，在旱季增幅較大，而雨季增幅稍小；其中10月最大，6月最小；從變化比例上來說，1月增幅最大，6月增幅最小。徑流總量為地表徑流、側向流與基流之和，土地利用變化使4月、6月徑流增加，其余月份均減少。從變化比例上來說，旱季平均減少1.42%，雨季平均減少0.37%。總體而言，地表徑流、側向流對土地利用變化的響應在雨季更為敏感。實際蒸發、潛在蒸發與徑流總量對土地利用變化的響應在旱季更為敏感。基流對土地利用變化的響應在雨季、旱季幾乎相同，區別不顯著。

4 結 論

a. 流域出口博羅站月徑流模擬率定期R2為0.89，ENS為0.87；驗證期R2為0.88，ENS為0.87。東江流域SWAT模型徑流模擬精度較高。

b. 1990—2009年，東江流域林地、草地面積減少，而園地、城鎮用地、水域皆有所增加。在土地利用變化的影響下，東江流域單位面積側向流降低了9.66 mm、基流降低了4.86 mm，地表徑流增加了8.26 mm、實際蒸發增加了6.40 mm、潛在蒸發增加了4.40 mm；徑流總量共減少了6.38 mm。

c. 不同水文通量對土地利用變化的響應有所不同。地表徑流對土地利用變化的響應最為敏感，1990—2009年共增加了2.58%，其次為基流與側向流，分別減少了2.41%與2.16%。對土地利用變化最不敏感的是潛在蒸發量，1990—2009年共增加了0.38%。

d. 各水文通量對土地利用變化的響應在不同季節有所不同。地表徑流、側向流對土地利用變化的響應在雨季更為敏感。實際蒸發、潛在蒸發與徑流總量對土地利用變化的響應在旱季更為敏感。基流對土地利用變化的響應在雨季、旱季幾乎相同，區別不顯著。

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