基于SWAT模型的荊州市不同土地利用類型對雨水入滲量和徑流系數的影響

摘要 以荊州市為研究對象，結合試驗觀測、模型模擬與理論分析，研究不同尺度、區域和降雨條件下土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響。結果表明，2010—2022年荊州市土地利用類型經歷了明顯轉變，耕地面積縮減，建設用地擴張，林地與草地面積穩定，水域略增，其他用地略減，這些變化導致雨水入滲量呈上升趨勢，而徑流系數呈下降趨勢。不同土地利用類型對雨水入滲量和徑流系數的影響各異，林地和建設用地對雨水入滲量產生正面影響，對徑流系數則是負面；耕地對雨水入滲量有負面影響，對徑流系數則正面；草地、水域及其他用地的影響較為有限。土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響隨尺度、區域和降雨條件的不同表現出差異性和復雜性。

關鍵詞 土地利用類型；雨水入滲量；徑流系數；SWAT模型；荊州市

中圖分類號 P333 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）15-0091-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.15.020

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Different Land Use Types on Rainwater Infiltration and Runoff Coefficient in Jingzhou City Based on SWAT Model

LU Rui-zhe， WEI Hong

（School of Economics and Management， Yangtze University， Jingzhou，Hubei 434023）

Abstract Taking Jingzhou City as the research object， combined with experimental observation， model simulation and theoretical analysis，the effect of land use change on rainwater infiltration and runoff coefficient under different scales， regions and rainfall conditions were studied.The results showed that the land use types in Jingzhou City had undergone significant changes from 2010 to 2022，the cultivated land area had decreased， construction land had expanded， forest and grassland had stabilized， waters had slightly increased， and other land use had slightly decreased. These changes led to an upward trend in precipitation infiltration， while the average runoff coefficient showed a downward trend.The effect of different land use types on rainfall infiltration and runoff coefficient varied. Forest land and construction land had a positive impact on infiltration， while they had a negative impact on runoff coefficient;farmland had a negative impact on infiltration and a positive impact on runoff coefficient;the effect of grasslands， waters and other land uses was relatively limited. The effect of land use change on infiltration and runoff coefficients varied and was complex with different scales， regions and rainfall conditions.

Key words Land use type;Rainfall infiltration;Runoff coefficient;SWAT model;Jingzhou City

土地利用類型是水文過程的關鍵影響因素，其變化對雨水入滲量和徑流系數產生顯著效應。城市化進程中建設用地的擴張、農業活動的增加以及林地的變化都直接改變了水分循環的動態，影響水量和水質的分配，這些變化不僅對自然生態系統構成挑戰，也對人類社會經濟活動產生深遠影響。例如，城市擴張通常伴隨著透水面減少，導致雨水入滲量下降，徑流系數上升，增加了洪澇災害的風險［1］。農業用地的增加可能會導致土壤侵蝕和肥料沖刷，影響水體營養平衡，從而加劇水體富營養化。

目前，關于土地利用/覆蓋變化對水文過程影響的研究已有較多報道［1-4］，且主要集中在小尺度流域，缺乏大尺度或全球視角的分析。此外，研究方法多依賴經驗統計模型，而對分布式物理機制模型的應用和發展不足［5］。研究內容往往片面，缺少對水文過程整體的分析和評價。同時，研究視角也較為局限，很少將社會經濟因素和人類活動納入考量［6］。筆者以荊州市為例，利用遙感衛星數據和SWAT模型，模擬不同尺度、區域和降雨條件下的水文過程，計算雨水入滲量和徑流系數，并通過敏感性分析和統計檢驗，揭示荊州市不同土地利用類型對雨水入滲量和徑流系數的影響規律，為流域土地利用規劃、水資源保護和洪澇防治提供科學依據［7］。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

荊州市位于湖北省南部，瀕臨長江中游南岸，是長江經濟帶的重要節點城市。荊州市管轄范圍包括6個縣級市（公安縣、監利市、江陵縣、石首市、洪湖市、松滋市）和2個區（荊州區、沙市區），總面積達到1.4萬km2，總人口860萬。荊州市屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫為16.5 ℃，年降雨量為1 100 mm。地形上，荊州市西部以大別山為主，中部為江漢平原，東部則以洞庭湖為界，形成了由高至低的地勢梯度。水資源方面，荊州市不僅有長江、漢江、沙河等主要河流貫穿，還形成了錯綜復雜的水系網絡。在土地利用類型上，荊州市呈現出耕地、林地、草地、水域及建設用地等多樣化格局（圖1）。

1.2 數據來源

1.2.1 土地利用數據。該研究使用遙感衛星獲取的2010、2016和2022年荊州市土地利用數據，分辨率為30 m。數據涵蓋六大類土地利用類型：耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地［8］。

1.2.2

氣象數據。該研究利用2010—2022年荊州市的日降雨量、日最高/最低氣溫、日相對濕度、日風速和日太陽輻射等氣象數據，作為SWAT模型的關鍵輸入。這些數據由中國氣象局的國家基本氣象站和自動氣象站提供，覆蓋荊州市的8個主要站點。

1.2.3

水文數據。2010—2022年荊州市的月雨水入滲量和月徑流系數等水文數據，既作為SWAT模型的輸出，也用于評價模型的性能。這些數據由長江水利委員會的水文站和水資源站提供，涵蓋了荊州市的3個關鍵流域。

1.2.4

其他數據。荊州市2010—2022年的人口、經濟和社會統計數據，分析土地利用變化的驅動因素；數字高程模型（DEM）數據，用于劃分流域和水文響應單元（HRU）；土壤類型、質地和深度數據，以及植被類型、覆蓋度和生長周期數據，這些均用于設置SWAT模型參數。這些數據均來源于國家地球系統科學數據中心的國家基礎地理信息數據庫。

1.3 模擬方法

1.3.1

SWAT模型簡介。SWAT（soil and water assessment tool）模型是由美國農業部農業研究局（USDA-ARS）在20世紀90年代開發的一種基于物理過程的分布式水文模型。該模型主要應用于評估土地利用類型、土地管理措施和氣候變化對流域水文、沉積物、養分和農藥等水環境要素的影響［9］。SWAT模型通過綜合考慮地形地貌、土壤特性、植被覆蓋、氣象條件和人類活動等因素，模擬水量、水質、植被生長和土壤侵蝕等流域過程，為水資源規劃和管理提供科學支持。

SWAT模型的基本原理是將流域劃分為若干個子流域，每個子流域內再劃分為若干個水文響應單元（HRU），每個HRU具有相同的土地利用類型、土壤類型和坡度范圍［10］。SWAT模型在每個HRU內模擬水量平衡方程和水質平衡方程，然后將各個HRU的結果匯總到子流域和流域尺度。SWAT模型的水量和水質平衡方程如下［11］：

SWt=SW0+ti=1（Ri-Qsurf，i-Ei-Wseep，i-Qgw，i）（1）

Mt=M0+ti=1（Min，i-Mout，i-Mdecay，i）（2）

式中：SWt為第t天土壤含水量（mm）；SW0為初始土壤含水量（mm）；Ri為第i天降雨量（mm）；Qsurf，i為第i天地表徑流量（mm）；Ei為第i天蒸散發量（mm）；Wseep，i為第i天土壤下滲量（mm）；Qgw，i為第i天地下徑流量（mm）。Mt為第t天污染物質量（kg）；M0為初始污染物質量（kg）；Min，i為第i天污染物輸入量（kg）；Mout，i為第i天污染物輸出量（kg）；Mdecay，i為第i天污染物衰減量（kg）。

SWAT模型的主要輸入數據包括DEM數據、土地利用數據、土壤數據、氣象數據、管理措施ysfffodBNYI/ESxtXYjWiA==數據等。SWAT模型的主要輸出數據包括各個HRU、子流域和流域尺度的水量、水質、植被生長和土壤侵蝕等指標［12］。SWAT模型的主要參數包括潛在蒸散發系數、曲線數、下滲率、污染物濃度等［13］。SWAT模型的主要校準方法包括敏感性分析、參數優化和統計檢驗等。該研究利用ArcGIS插件ArcSWAT來運行SWAT模型，ArcSWAT是一種基于ArcGIS的開源軟件，能夠有效地進行流域劃分、HRU生成、數據輸入、模型運行和結果輸出等操作［14］。

1.3.2

數據處理。該研究采用ArcSWAT軟件對數據進行處理，具體步驟如下：

（1）流域劃分。利用ArcSWAT的流域劃分工具，根據荊州市的DEM數據，將該市流域細分為50個子流域，每個子流域平均面積約200 km2。

（2）HRU劃分。結合荊州市的土地利用和土壤數據，通過ArcSWAT的HRU劃分功能，進一步將每個子流域劃分為多個HRU。劃分標準設定如下：土地利用類型閾值為10%，土壤類型閾值為15%，坡度閾值為5%。這意味著只有當某一類別在子流域內的占比超過相應閾值時，才會形成一個獨立的HRU。最終，共劃分出1 498個HRU，每個HRU具有一致的土地利用類型、土壤類型和坡度特征［15］。

（3）參數設置。采用荊州市的植被和土壤數據，在ArcSWAT中為每個HRU設定了相應的參數。主要包括植被參數（如覆蓋度、生物量、根深）、土壤參數（如質地、深度、水容量）和水文參數（如曲線數、基流遞減因子、河道水力傳導率）［15］。其中，部分參數基于實測數據或文獻資料確定［16-18］，而另一部分則通過模型與觀測數據的擬合進行率定和驗證。表1展示了該研究所設置的部分水文參數及其取值范圍。

1.3.3 敏感性分析和不確定性分析。

1.3.3.1 敏感性分析。敏感性分析旨在評估模型輸出對輸入或參數變化的響應程度，從而識別對模型輸出影響較大的因素。該研究采用蒙特卡羅法（MCS）和拉丁超立方抽樣法（LHS）進行敏感性分析。MCS通過大量隨機模擬來生成參數組合，進而計算參數與輸出之間的相關性，以評估參數的敏感度。LHS作為MCS的改進版，通過均勻抽樣提高了抽樣的效率和代表性。利用SWAT-CUP軟件中的SUFI-2算法，生成了1 000個參數組合，并運行了SWAT模型。敏感性指標包括Pearson相關系數（R）和Spearman秩相關系數（Rs），用于衡量參數與輸出之間的線性和非線性相關性［19］。

1.3.3.2 不確定性分析。不確定性分析用于評估模型輸出的可信度和可靠度。該研究采用SWAT-CUP軟件中的SUFI-2算法，該算法結合了MCS和LHS方法，通過迭代縮小參數和輸出空間，最終確定參數的最優值和輸出的置信區間。該研究采用P-factor、R-factor和納什效率系數（NSE）作為不確定性評估指標。P-factor表示觀測數據落在模擬數據置信區間內的比例，R-factor表示模擬數據置信區間寬度與觀測數據變異程度的比例，NSE則反映模擬數據與觀測數據的擬合程度［20］。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化特征分析

從各年份不同土地利用類型的面積及其占比（表2）可以看出，近13年來荊州市土地利用類型發生明顯變化，主要表現為耕地面積減少，建設用地面積增加，林地和草地面積變化不大，水域面積略有增加，其他用地面積略有減少。這些變化反映了荊州市城市化和工業化的快速發展以及農業結構和生態環境的調整。

2.2 不同土地利用類型對雨水入滲量和徑流系數的影響分析

2.2.1 SWAT模型的敏感性分析和不確定性分析。

2.2.1.1 敏感性分析。從表3可以看出，各個參數對雨水入滲量和徑流系數的敏感性程度不同，其中曲線數（CN2）是最敏感的參數，其次是土壤蒸發補償因子（ESCO）和土壤有效水容量（SOL_AWC），基流遞減因子（ALPHA_BF）和河道水力傳導率（CH_K2）相對較不敏感。這些結果與楊曉楠［21］的研究結果相一致，說明SWAT模型在荊州市流域的敏感性分析是合理的。

2.2.1.2 不確定性分析。從表4可以看出，SWAT模型在校準期和驗證期的P-factor均大于0.8，R-factor均小于1，NSE均大于0.8，說明SWAT模型對雨水入滲量和徑流系數的模擬具有較高的可信度和可靠度，模擬數據與觀測數據的擬合程度較好［22］。該研究的不確定性分析結果與李凱等［23］的研究結果相近，說明SWAT模型在荊州市流域的不確定性分析是有效的。

2.2.2

土地利用類型的水文影響。該研究利用SWAT模型對荊州市不同年份（2010、2016和2022年）雨水入滲量和徑流系數進行模擬，分析土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響。從圖2和表5可以看出，近13年來荊州市雨水入滲量呈現上升趨勢，從2010年的327 mm增加至2022年的338 mm，增加了3.4%。同時，徑流系數總體呈現下降趨勢，從2010年的0.34降至2022年的0.33，下降了2.9%。這表明近13年荊州市的土壤對降水的吸收能力得到了增強，而排泄能力有所減弱，改善了流域內的水資源供需平衡，并可能降低了洪澇災害的發生頻率。

不同土地利用類型對雨水入滲量和徑流系數的影響存在差異。林地和建設用地對雨水入滲量產生正向影響，對徑流系數則有負向影響；耕地對雨水入滲量有負向影響，對徑流系數有正向作用；草地、水域和其他用地的影響相對較小。該結果與現有文獻的研究結果相符［24-25］，表明不同土地利用類型具有其獨特的水文特性和功能。例如，林地由于其較高的植被覆蓋度、生物量和根深，能夠提高土壤孔隙度和保水能力，從而促進雨水入滲并降低徑流系數。建設用地由于人工硬化程度較高、不透水面積廣泛且配備有完善的排水設施，減少了土壤蒸散發損失，加快了地表徑流速度，降低了河道阻力，從而同樣增加了雨水入滲量并降低了徑流系數。耕地的植被覆蓋度、生物量和根深相對較低，導致土壤孔隙度和保水能力下降，因此減少了雨水入滲量并增加了徑流系數。草地、水域和其他用地由于土地利用變化幅度較小，植被覆蓋度和生物量中等，能夠維持相對穩定的土壤孔隙度和保水能力，對雨水入滲量和徑流系數的影響較小。這表明荊州市近13年土地利用變化主要表現為耕地向建設用地的轉變，這一轉變促進了雨水入滲量的增加和徑流系數的減少，對流域水文過程產生了積極影響。

2.2.3 土地利用類型影響的差異性和復雜性。

2.2.3.1

不同尺度下土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響。該研究計算了荊州市整體流域、各子流域以及HRU級別的平均雨水入滲量和徑流系數，進而分析在不同尺度下土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響。從圖3可以看出，不同尺度下雨水入滲量和徑流系數的分布呈現出明顯的差異性。在HRU尺度上，數據分布最為離散，反映了土地利用變化的細微差異；在子流域尺度上，分布的離散度有所減少；在整個流域尺度上，分布則相對集中。這表明隨著觀察尺度的擴大，土地利用變化對水文過程的影響逐漸減弱，整體水文過程更多受到其他因素的共同作用。這一發現與劉家威等［26］的研究結果相吻合，證實了SWAT模型能夠有效地捕捉荊州市不同尺度下土地利用變化對水文過程影響的差異性。

2.2.3.2

不同區域下土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響。該研究計算并分析了荊州市西部、中部和東部3個主要區域的平均雨水入滲量和徑流系數，探究在不同區域下土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響。由表6可見，不同區域的雨水入滲量和徑流系數隨時間呈現出不同的變化趨勢。西部區域的雨水入滲量和徑流系數最高；中部區域的雨水入滲量和徑流系數居中；東部區域的雨水入滲量和徑流系數最低。這一差異表明土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響因區域而異，即不同區域的土地利用類型和結構對水文過程產生了不同的影響。這一發現與劉蘊瑤等［27］的研究成果相一致，進一步證實了SWAT模型能夠有效捕捉荊州市不同區域土地利用變化對水文過程的復雜影響。

2.2.3.3

不同降雨條件下土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響。該研究計算并分析了荊州市在干旱期（10月—次年3月）、濕潤期（4月—9月）和全年條件下的平均雨水入滲量和徑流系數，探討不同降雨條件下土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響。由表7可見，在干旱期，雨水入滲量和徑流系數最高；在濕潤期，情況相反，雨水入滲量和徑流系數最低；全年數據則位于兩者之間。這一差異表明土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響隨降雨條件的變化而異，即不同季節或年份的降雨模式對水文過程產生了不同的影響。該結果與楊智勇等［28］的研究結果一致，進一步證實了SWAT模型能夠有效捕捉荊州市在不同降雨條件下土地利用變化對水文過程的復雜影響。

3 結論與討論

該研究以荊州市為案例，綜合運用試驗觀測、模型模擬和理論分析方法，系統地探討了不同尺度、區域和降雨條件下土地利用變化對雨水入滲量和徑流系數的影響，得出以下結論：①土地利用變化趨勢。近13年荊州市土地利用類型發生明顯變化，耕地面積減少，建設用地面積增加，林地和草地面積變化不大，水域面積略有增加，其他用地面積略有減少。這些變化導致雨水入滲量呈上升趨勢，而徑流系數呈下降趨勢。②土地利用類型的水文影響。不同土地利用類型對雨水入滲量和徑流系數的影響各異。林地和建設用地對雨水入滲量有正向影響，對徑流系數有負向影響；耕地對雨水入滲量有負向影響，對徑流系數有正向影響；草地、水域和其他用地的影響相對較小。③影響的差異性和復雜性。土地利用變化對水文過程的影響隨尺度、區域和降雨條件的不同而表現出差異性和復雜性。細節層面更能體現土地利用變化的影響，而整體層面則受到其他因素的影響。不同區域的土地利用類型和結構對水文過程有不同的影響，不同季節或年份的降雨量和強度也對水文過程產生不同的影響。

基于以上結論，提出以下建議：①流域土地利用規劃。合理規劃流域土地利用，優化土地利用結構，增加林地和草地面積，減少耕地和建設用地面積，提高土壤對降水的吸收能力，降低徑流系數，改善水資源供需平衡，減少洪澇災害發生頻率。②水文監測與模擬。加強流域水文監測和模擬，定期更新土地利用和氣象數據，及時評估土地利用變化對水文過程的影響，為流域管理和決策提供科學依據。③差異性和復雜性考量。考慮不同尺度、區域、降雨條件下土地利用變化的差異性和復雜性，制定針對性措施，如在西部區域增加防洪設施，在東部區域增加水質凈化設施，在干旱期增加水資源保障設施，在濕潤期增加排澇應急設施等。④流域治理合作。加強流域內各方面的協調合作，建立信息共享和溝通機制，增強責任意識和參與意識，形成良好的流域治理氛圍。

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