多種土地利用情景下汾河流域徑流響應(yīng)

王雪純，瞿思敏，石 朋，沈玲怡，林源君

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障，其治理保護工作受到普遍關(guān)注，針對黃河流域開展的一系列生態(tài)與水功能保護和修復(fù)措施得到落實，流域生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)。在2021年提出的“十四五”發(fā)展規(guī)劃中，將黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展要求納入其中。

本研究選取黃河流域中游區(qū)下段汾河流域作為研究區(qū)，運用FLUS模型模擬2040年在2種土地利用情景下研究區(qū)的土地利用情況，構(gòu)建研究區(qū)SWAT模型，模擬多種土地利用情景下的徑流過程，研究土地利用變化對研究區(qū)徑流過程產(chǎn)生的影響，以期為研究區(qū)土地利用規(guī)劃和水資源分配管理提供參考依據(jù)。

1 流域概況

汾河是黃河的第二大支流，全長713 km。汾河流域位于東經(jīng)110.5°～113.5°，北緯35.3°～39.0°，流域面積38 849 km2(見圖1)，占山西省總面積的25%，多年平均降水量507 mm，總體上呈自南向北遞減趨勢[5]。汾河流域地勢北高南低，多丘陵，土地利用方式受地形影響明顯[6]，是山西省重要的工業(yè)集中區(qū)、糧棉主產(chǎn)區(qū)，在山西省經(jīng)濟社會發(fā)展中處于十分重要的地位[7]。

圖1 汾河流域

2 研究方法與數(shù)據(jù)

2.1 FLUS模型

FLUS模型由劉小平等人[8]基于傳統(tǒng)元胞自動機(CA)原理開發(fā)，主要應(yīng)用于未來土地利用情景預(yù)測及土地利用變化情況模擬。首先，F(xiàn)LUS模型利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法(ANN)，輸入基準期土地利用情況及驅(qū)動因子數(shù)據(jù)(自然地形、交通條件、區(qū)位中心、經(jīng)濟政策等因素)，計算出研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型的適宜性概率；其次，設(shè)置臨域因子、自適應(yīng)慣性系數(shù)與轉(zhuǎn)換成本，運算得到元胞轉(zhuǎn)化概率，相較于傳統(tǒng)CA模型從兩期土地利用數(shù)據(jù)之間的變化過程進行采樣，F(xiàn)LUS模型基于一期土地利用數(shù)據(jù)采樣避免了誤差傳遞現(xiàn)象，且更加適用于非線性轉(zhuǎn)化關(guān)系的情況。另外，F(xiàn)LUS模型提出了基于輪盤的自適應(yīng)慣性競爭機制，能夠更好地應(yīng)對土地利用變化的不確定性和復(fù)雜性，提高模型模擬準確性。

模型選用總體精度、Kappa系數(shù)[9]和數(shù)量精度來驗證模擬結(jié)果的精度，總體精度與Kappa系數(shù)越接近1表示模擬精度越高，數(shù)量精度為各土地利用類型正確模擬的像元數(shù)與實際像元數(shù)之比。Kappa系數(shù)計算公式為

kappa=(p0-pe)/(1-pe)

(1)

式中，p0為模擬正確的像元數(shù)占總像元數(shù)的比例；pe為隨機條件下期望的模擬正確的像元比例；1為全部模擬正確的理想狀態(tài)。

小學(xué)階段，語文作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，其工具性、應(yīng)用性強，小學(xué)語文教學(xué)的目的是通過學(xué)習(xí)語文，使學(xué)生掌握語文知識，運用語文知識，掌握聽、說、讀、寫技能，從而熟練運用祖國的語言文字。這里的“讀”，即閱讀，通過閱讀教學(xué)，使學(xué)生掌握有效閱讀的技巧，掌握漢語言使用的方法，領(lǐng)悟漢語言運用的魅力，以至于學(xué)會熟練運用漢語言。那么，小學(xué)語文閱讀教學(xué)的基本策略有哪些呢？

2.2 SWAT模型

SWAT(Soil and water assessment tool)模型[10]是由美國農(nóng)業(yè)部和農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的分布式流域水文模型。本研究選擇Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE)、決定系數(shù)(R2)作為評價指標，一般認為NSE大于0.5，R2大于0.6時，模型適用性較好[11-12]。計算公式[13]如下

(2)

(3)

2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

影響研究區(qū)土地利用方式改變的因素主要包括自然因素和社會因素[14]。綜合考慮數(shù)據(jù)的可獲取性、可量化性和空間差異性，從地形條件、可達性兩方面選取了影響研究區(qū)土地利用變化的8種驅(qū)動因子，各項數(shù)據(jù)見表1。

表1 FLUS模型輸入數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)。

1 km分辨率的高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，坡度和坡向由DEM計算得到。

選取涵蓋汾河流域且分布較均勻的太原、榆社、介休、臨汾等14個氣象站點1957年～2010年逐日數(shù)據(jù)，來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn)。

汾河流域出口河津水文站1988年～2000年逐日徑流資料來源于中國黃河流域水文年鑒。

3 結(jié)果與分析

3.1 FLUS模型驗證及未來土地利用模擬

根據(jù)數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)標準，將汾河流域土地利用方式劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六大一級地類。輸入汾河流域2010年土地利用數(shù)據(jù)，加載表1中的8個驅(qū)動力因子并進行歸一化處理進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，得到各用地類型在各像元上的適宜性概率，導(dǎo)入自適應(yīng)慣性機制的元胞自動機，模擬研究區(qū)2015年土地利用情況。計算得模擬總體精度為0.977，Kappa系數(shù)為0.967。耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地的數(shù)量精度分別為98.21%、97.01%、99.52%、93.75%、90.42%、80.00%。FLUS模型可用于模擬汾河流域2040年土地利用情景。

本研究設(shè)定汾河流域兩種未來土地利用發(fā)展情景，即自然發(fā)展情景、耕地保護情景。在自然發(fā)展情景下，假定2015年～2040年間研究區(qū)土地利用變化不受強目的性政策因素等干擾，變化趨勢維持2010年～2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(見表2)，利用Markov模型以5年遞推得2040年自然發(fā)展情景下各土地利用類型面積。在耕地保護情景下，參考《全國國土規(guī)劃綱要(2016—2030年)》[15]和《山西省國土空間規(guī)劃(2020—2035年)》，以穩(wěn)糧保供為目標，全面落實耕地保護策略，擬定2040年耕地保護情景下各土地利用類型面積，結(jié)果見表3。

表2 汾河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3 2010年、2015年、2040年不同土地利用情景各地類面積 km2

在自然發(fā)展情景下，研究區(qū)耕地與建設(shè)用地的面積分別有較大幅度的減少與增加，至2040年，研究區(qū)耕地面積將下降2.6%，而建設(shè)用地面積則上升32%。在缺乏土地規(guī)劃與耕地保護政策的情況下，研究區(qū)占用耕地現(xiàn)象較嚴重，如不對耕地加以保護，將影響當?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)值穩(wěn)定和經(jīng)濟快速發(fā)展。

3.2 流域土地利用變化分析

計算研究區(qū)1990年、2000年、2005年、2010年、2015年和2040年土地利用面積(見表4)，由FLUS模型模擬得2040年土地利用分布(見圖2)。

圖2 不同時期汾河流域土地利用

由表4可知，耕地、林地、草地是汾河流域主要土地利用類型，三者總面積自1990年以來一直占據(jù)研究區(qū)總面積的94%以上，其中，耕地所占比例最大，平均達40%，林地和草地面積分別占28%和26%。可見，汾河流域以農(nóng)用地為主要土地利用形式。

表4 各類土地利用面積及比例統(tǒng)計

從歷年各類用地面積變化可見，汾河流域地類變化的主要特征為耕地減少，建設(shè)用地增加。1990年～2015年，耕地面積減少428 km2，而建設(shè)用地面積增加426 km2。林地面積總體呈減少趨勢，減幅為57 km2，草地面積增加50 km2。水域和未利用地面積變化幅度較小。

若按2010年～2015年研究區(qū)土地利用變化趨勢自然發(fā)展，至2040年，耕地面積將縮減至15 103 km2，占比下降1.14%，建設(shè)用地面積將增加至2 459 km2，占比增加1.59%。占用耕地現(xiàn)象長期存在將對汾河流域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)值和可持續(xù)發(fā)展造成大量損失。因此，需合理規(guī)劃土地利用方式，保障用地安全高效可持續(xù)發(fā)展；故，模擬耕地保護情景下2040年研究區(qū)土地利用情況，限制耕地向其他地類轉(zhuǎn)移，堅守耕地紅線，目標耕地面積和建設(shè)用地面積分別為15 370 km2和2 060 km2，與自然發(fā)展情景比較，耕地、林地、草地、水域面積分別增加267、46、54、32 km2，建設(shè)用地面積減少399 km2，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動更好開展。

3.3 SWAT模型參數(shù)率定與適用性分析

基于DEM提取河網(wǎng)及流域信息，選擇河津水文站作為流域出口，流域集水面積為38 849 km2，將汾河流域劃分為51個子流域，疊加土地利用、土壤數(shù)據(jù)等柵格數(shù)據(jù)，設(shè)置面積閾值為土壤類型10%、土地利用10%、坡度類型10%，生成374個水文響應(yīng)單元。選取五寨、榆社、太原、介休、臨汾5個氣象站點1957年～2010年的氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建天氣發(fā)生器[16]，輸入降水、氣溫、相對濕度、風速、太陽輻射數(shù)據(jù)，完成SWAT模型構(gòu)建。選用SWAT-CUP軟件采用SUFI-2算法[17]進行自動參數(shù)率定與參數(shù)敏感性分析，結(jié)果如表5所示。

表5 參數(shù)敏感性分析及率定結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)完整性，分析河津水文站徑流實測數(shù)據(jù)，將1988年～1994年設(shè)為率定期，1995年～2000年設(shè)為驗證期，所得模擬效果如圖3所示。

圖3 河津站月徑流模擬值與實測值擬合曲線

河津站月徑流量模擬值與實測值的變化趨勢相對一致，率定期NES=0.84，R2=0.90，驗證期NES=0.72，R2=0.78，NES均大于0.5且R2均大于0.6，說明SWAT模型能夠較真實地反應(yīng)汾河流域月徑流變化過程。

3.4 多土地利用情景下徑流過程對比

在保持氣象數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)等因子不變的前提下，將歷史與未來土地利用數(shù)據(jù)輸入已率定的SWAT模型進行徑流過程模擬，得到多種土地利用情景下研究區(qū)年均徑流量，結(jié)果見表6。

由表6可知，隨著土地利用方式變化，流域年徑流量呈明顯增加趨勢，2015年土地利用方式下的徑流量較1990年增加4.07%，同期土地利用變化的主要趨勢為耕地大幅減少，建設(shè)用地大幅增加，說明建設(shè)用地相對于耕地可以增加徑流量，此結(jié)果與巨鑫慧等人[18]所得結(jié)論一致。因建設(shè)用地為不透水地類，產(chǎn)流能力較強，其面積增大導(dǎo)致研究區(qū)徑流量增加。2040年自然發(fā)展情景下的流域年均徑流量比耕地保護情景下增加1.11 m3/s，在開展汾河流域土地利用規(guī)劃時需充分考慮其對流域徑流過程產(chǎn)生的影響。

表6 汾河流域各土地利用情景下年徑流量

將一年分為春季(3月～5月)、夏季(6月～8月)、秋季(9月～11月)和冬季(12月～次年2月)分別計算得季均徑流量(見表7)以及變化趨勢(見圖4)，再進一步分析土地利用變化對徑流的影響程度與季節(jié)的關(guān)系。

表7 汾河流域各土地利用情景下季徑流量 m3/s

圖4 汾河流域各土地利用情景下季徑流量變化

從徑流量的增加幅度來看，研究區(qū)夏季、秋季徑流量增加幅度大于春季、冬季，汛期季徑流量增長高于旱期；從而說明，建設(shè)用地對徑流量的增大作用在汛期體現(xiàn)得更為明顯。

4 結(jié) 論

(1)本研究構(gòu)建了汾河流域FLUS土地利用預(yù)測模型。模型的總體精度與Kappa精度均高于0.95，主體地類模擬的數(shù)量精度均達90%以上，說明FLUS模型在汾河流域具有很好的適用性。

(2)本研究建立了汾河流域SWAT徑流模型，率定期和驗證期的NSE分別為0.84和0.72，決定系數(shù)R2分別為0.90和0.78，說明SWAT模型在汾河流域有很好的適用性。

(3)汾河流域主要土地利用類型是耕地、林地、草地，耕地減少、建設(shè)用地增加是汾河流域歷年土地利用變化的主要特征。

(4)土地利用方式改變會對流域徑流過程產(chǎn)生影響，隨著研究區(qū)耕地減少，建設(shè)用地增加，流域年均徑流量增大。這說明建設(shè)用地作為不透水區(qū)域，產(chǎn)流能力較耕地強，增加了流域徑流量。

(5)土地利用變化對徑流量的影響受豐、枯季節(jié)影響，夏季、秋季徑流增長量大于春季、冬季，建設(shè)用地對徑流量的增大作用在汛期更加明顯。

(6)2040年汾河流域在耕地保護情景下較自然發(fā)展情景下耕地、林地、草地、水域各增加267、46、54、32 km2，建設(shè)用地減少399 km2；耕地保護情景下的流域年均徑流量比自然發(fā)展情景下減少1.11 m3/s。

山西省汾河流域的土地利用規(guī)劃工作，應(yīng)在綜合考慮流域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展與水資源合理配置調(diào)度的基礎(chǔ)上展開，并推動土地資源高質(zhì)量配置和高效率利用，從而實現(xiàn)經(jīng)濟社會與水生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。