土地利用变化情景下牧羊河水文响应研究

土地利用变化情景下牧羊河水文响应研究
王杰;黄英;段琪彩;刘新有
【摘要】土地利用方式变化影响水量平衡各要素的分配,进而导致流域水源涵养能力发生变化.本研究选用长江流域金沙江水系下段牧羊河小流域内及周边气象站气象资料,植被、土壤以及地形数据,构建了研究区SWAT水文模型,并分析其在牧羊河适用性后,结合1986-2009年的土地利用以及设置的人类活动增强和生态环境改善的4种土地利用变化情景,用SWAT模型分析了土地利用变化下牧羊河水文响应.结果表明,径流依次按1986、2000、2009、1995年土地利用方式减小,而蒸散依次按2009、1986、2000、1995年土地利用方式减小,土地利用对径流和蒸散的影响在汛期大于非汛期,随着林地面积的增加径流将减小；将现有耕地变为林地或变为草地都有助于减少径流,从流域水源水量涵养角度出发,构建适宜的生态系统将有助于减少径流和蒸散,而增加入渗.这一结果为牧羊河水源涵养林建设提供科学依据.
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2012(033)005
【总页数】6页(P7-12)
【关键词】土地利用;变化情景;水文响应;牧羊河
【作者】王杰;黄英;段琪彩;刘新有
【作者单位】云南省水利水电科学研究院,云南昆明 650228;云南省水利水电科学研究院,云南昆明 650228;云南省水利水电科学研究院,云南昆明 650228;云南省水文水资源局,云南昆明 650228
【正文语种】中文
【中图分类】P338.2
流域土地利用变化与水资源管理是当前水源区随社会经济发展面临的主要挑战［1］，近年来国内外众多研究表明，不同的土地利用方式对区域的地表径流，土壤下渗和蒸散发产生不同的影响，进而影响区域的水量平衡关系［1-3］。

因此研究不同土地利用方式下的水文响应是流域水资源高效管理和生态修复的基础［1］，对水源区水资源的合理利用和生态环境的可持续发展有着重要的意义。

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是20世纪90年代早期Arnold等人开发的面向大中流域、长时间尺度的分布式水文模型，其在SWRRB模型的基础上
结合了CREAMS，GLEAMS、EPIC、ROTO等模型的优点发展而来，是一个具有较强物理机制的分布式水文模型［4-8］。

可以对不同土壤条件、土地利用类型、气候状况和人类活动干扰下做出有效的产流、产沙模拟分析。

适用于面向水资源管理的长时段的水文过程模拟，已在我国不同气候区以及不同流域尺度有较好的应用［2-3，9-11］。

文中用SWAT模型模拟昆明市松花坝水源区牧羊河流域1986—2009年间土地利用方式和4种假定土地利用变化情景下径流和蒸散变化，并与2009年土地利用方式下的径流及蒸散进行对比。

其结果将为未来水源区涵养林规划建设提供思路及建议。

1 研究区概况
作为云南政治、经济、文化中心，昆明市是我国14个严重缺水城市之一，水资源的短缺严重限制了城市社会经济的发展。

松华坝水源区是昆明市重要的水源地，位于昆明市东北面，水源区集水面积629.8 km2。

松华坝水源区属长江上游金沙江
水系，冷水河、牧羊河及其支流和龙潭构成了水源区水系的基本形态。

牧羊河和冷水河以梁王山为分水岭，在寺山和狮子山之间汇合注入松华坝水库。

牧羊河中和水文站集水面积357 km2，牧羊河流域地表水资源占水源区地表水资源的46%，另外保护区内河道两侧与水库周边区域大多被开垦为农田。

当前水源区内坡耕地所占比例较高，农业与林业争夺用地的现象较为严重。

以牧羊河为研究区(图1)。

区内
径流补给主要来自大气降水和地下水。

研究区海拔介于1998～2769 m，区内土
壤类型主要有山原红壤、棕壤、(黄)红棕壤、水稻土等。

研究区属山地季风气候，年平均气温12～26℃，年平均降水量大于1030.5 mm，每年5—10月为雨季，降水量达872.6 mm，11月至次年4月为干季，降水量仅112 mm，降水随海拔高度增加而增加。

图1 研究区水系及地形
2 数据及模型构建
2.1 气象及径流数据
气象数据用昆明市1951—2009年逐日气温(最高、最低)、降水、风速、相对湿度、日照时数。

其中驱动模型所需的辐射数据，露点温度参照文献方法［20］计算。

另选用松华坝水源区内中和站1997—2009年和白邑站1993—2009年日降水资料。

径流数据选用牧羊河中和站水文站1993—2009年日流量资料。

2.2 地理信息数据
本研究选用90米分辨率SRTM数字高程模型(DEM);土地利用数据选用不同时期
中国科学院资源环境科学数据中心提供的1986、1995、2000年全国土地利用数据，以及由2009年Alos遥感影像解译的牧羊河流域土地利用数据。

在牧羊河流
域分布有9种土地利用类型(图2)。

土壤数据来源于中国科学院资源环境科学提供的1∶100万第二次全国土壤普查数据。

牧羊河流域土壤数据库准备方法参照文献［11］。

2.3 研究区模型构建及模型评价方法
基于研究区气象、地形、土地利用和土壤数据建立牧羊河流域SWAT水文模型。

选择相对误差 Re、相关系数R2、和Nash-Sutcliffe效率系数Ens作为标准，以
评价模型在牧羊河流域的适应性［12，13］。

图2 1986—2009年牧羊河流域土地利用空间图
3 结果与分析
3.1 牧羊河径流模拟与验证
由于牧羊流域全年几乎没有降雪，因此选用除降雪之外的19个模型参数，设置参数值采样间隔为10，每次参数变化值为0.05，用LH-OAT法［13］对构建的SWAT模型做参数敏感性分析，其参数敏感性结果见表1，结果表明与土地利用相关的模型参数，径流系数(CN2)、最大叶冠指数(CANMX)、叶面积指数(BLAI)和
植被摄水补偿系数(ESCO)的敏感性较高，分别位列2、6、8和11位。

然后对敏
感性列前11位的参数用 SUFI2参数率定和检验方法［23，24］用中和站1993—2001年的月径流数据做参数率定，用2002—2009年月径流数据对模型
进行验证，结果见图3。

从图3a中可以看出在参数率定期，除2000年9月模拟的径流值明显偏小实测值外，其他时段模拟与实测偏差不大，总体来说干季的模拟效果好于雨季的模拟效果。

就率定期多年平均的结果来看，模拟的径流偏小实测的径流，偏小为 5.8%，Nash-Sutcliffe 效率系数为 0.77，R2 为 0.83。

2002—2009年验证期结果(图3b)表明:在干季模拟的径流与实测值较接近，而雨季的模拟的径流偏大于实测值。

验
证期多年平均来看，模拟的径流偏大于实测的径流，偏大9.2%，Nash-Sutcliffe 效率系数为 0.79，R2为 0.80。

总体来说牧羊河流域模拟的误差在±10%以内，Nash-Sutcliffe效率系数在模型参数率定期以及验证期均大于0.75，可见SWAT模型在牧羊河流域有较好的适用性。

表1 SWAT参数意义及敏感性值注:带*号的模型参数与土地利用方式有关参数物理意义排序敏感度平均值ALPHA_BF 基流系数19 0.00021 1.27 CN2* 径流曲线系数 2 0.93 GWQMN 浅层地下水径流系数 3 0.91 SOL_AWC 土壤有效持水力 4 0.76 ESCO 土壤蒸发补偿系数 5 0.69 CANMX* 最大叶冠指数 6 0.52 REVAPMN 浅层地下水再蒸发系数 7 0.44 BLAI* 叶面积指数 8 0.36 SOL_K 土壤饱和导水力9 0.24 CH_K2 主河道河床有效水力传导度 10 0.13 EPCO* 植物摄水补偿系数 11 0.11 CH_N2 支流渠道曼宁系数 12 0.0075 SOL_Z 土层厚度 13 0.0050 SLOPE 平均坡度 14 0.0047 GW_DELAY 浅层地下水延迟系数 15 0.0036 BIOMIX 生物混合效率 16 0.0031 SOL_ALB 土壤地表反射率 17 0.0013 SURLAG 土壤地表反射率 18 0.0007 SLSUBBSN 平均坡长
图3 牧羊河径流模拟
图4 1986-2009年牧羊河土地利用对比
3.2 不同土地利用方式下水文响应
1986—2009年土地利用类型及变化表明(图4)，牧羊河流域主要土地利用类型为林地和农田。

林地面积占50%以上，1986—1995年间林地面积增加，从1986年的186.93 km2增加到1995 年的209.77 km2，增加了6.4%，1995 年以后，林地面积减少，到2009年，林地面积减少到184.25 km2，相对1995年林地面积减少了7.15%。

近23年来草地面积变化表现出，1986—1995 年间草地面积减少了 6.89 km2，1995—2000年草地变化不大，而2000—2009年草地减少了46.77 km2。

水体面积受降水以及人类活动综合影响，其面积在12～16 km2波动。

居民用地近23年变化不大。

农田面积变化表现为，从1995年以后，明显增加，到2009年农田增加到128.16 km2，相对 2000 年增加了 59.04 km2。

牧羊河流域不同时期土地利用方式变化结果与区内人类活动程度密切相关。

水源区农田以种植水稻等粮食作物为主，随着生活的需求不断提高，2000年以来，高收益、
高投入的蔬菜和花卉种植面积大量增加，至2005年底，种植面积达3800 hm2，且大部分位于牧羊河沿岸。

同时研究区内坡耕地所占比例较高，农业与林业争夺发展用地的现象较为严重。

部分地区仍以薪柴为燃料，森林资源受到一定破坏。

以1993—1999年气象数据为基准期，用率定好的SWAT模型模拟1986、1995、2000、2009年不同土地利用方式下牧羊河径流和实际蒸散变化，结果见图5、6。

图5a表明1995年土地利用方式下牧羊河年径流深为293.07 mm，是四个不同
时期土地利用方式下径流深最小值，而1986年土地利用方式下牧羊河径流深最大，达到298.88 mm。

近23年来4种土地利用方式下汛期径流深变幅为5.46 mm，而非汛期径流深变化幅度为0.43 mm。

总体来说在汛期径流随着林地面积的增加
而减少，如1995年林地面积最大，其汛期径流最小，这是因为林地发达的根系增强了土壤的透水性能，林地凋落物也可以吸收超过自身重量几倍的水分，从而减少地表径流的产生［3］。

从图5b中可以看出在1995年的土地利用方式下，牧羊
河径流比1986年和2000年土地利用方式径流分别减少了5.81 mm和4.42 mm。

近23年以来4种不同土地利用方式下的实际蒸散表明(图6)，4种不同土地利用
方式下实际蒸散的变幅为18.53 mm，雨季和干季实际蒸散变幅分别为20.78
mm和0.37 mm。

另外1995年土地利用方式下，牧羊河实际蒸散比1986，2000和2009年土地利用方式下实际蒸散分别减少了3.81 mm，2.92 mm 和18.53 mm。

总体来说，4 种不同土地利用方式下的实际蒸散按2009年＞1986
年＞2000年＞1995年依次减少。

可见就目前现有4种土地利用方式下，1995年径流最小，且其蒸散最小，因此仅就从水量方面来说，1995年土地利用方式下水源涵养效果最好，这是因为该土地利用方式下，林草面积覆盖较大，增加降水的截留能力的同时，林地的根系层和枯枝落叶层具有较好的贮水性能［4，5，9］，因此导致年径流减少。

图5 不同土地利用方式下牧羊河径流对比
图6 不同土地利用方式下牧羊河实际蒸散对比
尽管1986和2000年林地面积大于2009年林地面积，但是在2009年土地利用方式下，其实际蒸散量大于其他两年，这可能是因为2009年耕地面积、水域面积和居民面积大共同所致。

由于研究区地处亚热带气候区，复种指数较高，耕地利用率高，因此在与水田相关的土地利用模型参数设置时选中多年生作物生长模式，从而接近当地耕作状况，而对于林地，由于研究区主要以针叶林为主，因此在于林地相关的土地利用模型参数设置时以内嵌的松树默认参数为主。

因此尽管就同一生态系统而言，林地的蒸散大于亚热带农田，但是就整个流域而言，其蒸散大小是由整个生态系统综合而决定的。

3.3 未来土地利用变化情景下水文响应
结合松花坝水源区保护规划，在2009年土地利用现状的基础上设计了4种情景(表3)，模拟各情景下牧羊河径流及蒸散变化，以期为水源区水源涵养建设提供科学依据。

图7表明，在S1情景下(将现有耕地全变为林地)，地表径流和实际蒸散分别减少了23和33.04 mm;在S2情景下(将现有耕地全变为草地)下，地表径流和实际蒸散分别减少2.48和56.3 mm;就S1和S2两种情景来看，支出项分别减少56.04 mm和58.78 mm，可见两种情景下水量的涵养功能均得到增强。

S3和 S4情境下径流分别增加了4.47和6.57 mm，也就是将现有15度以下林地变为耕地后，对径流的调节能力减弱，水土流失的风险加大。

可见仅从水源区水量涵养的角度考虑，水量支出较少，而入渗多的土地利用应该是值得推广的方式。

尽管退耕还林相对退耕还草对地表径流起到较好的调节作用，但相应林冠的叶面积大于草地的叶面积，因此造成林地蒸散大于草地蒸散，而退耕还草由于地表径流较大，容易造成水土和养分流失［3］，所以探讨构建适宜的生态系统在减少水量支出的同时，要考虑土壤养分的固定能力，从而确定更为优化的水
源涵养生态系统。

表2 牧羊河流域土地利用变化情景设置情景情景描述说明情景1将现有耕地全变为林地退耕还林效果情景2 将现有耕地全变为草地退耕还草效果情景3 坡度小于15°林地变为草地人类活动情景4 坡度小于15°林地变为水田人类活动
图7 土地利用变化情景下牧羊河径流与蒸散变化
4 结语
本文以近23年来昆明市松华坝水源区牧羊河土地利用变化为依据，并在2009年土地利用基础上设置了生态环境改善和人类活动加强的4种土地利用变化情景，基于SWAT模型研究了不同土地利用方式下牧羊河流域水文响应，得出:
a)林地和耕地是牧羊河流域的主要土地利用类型。

近23年来，牧羊河流域耕地面积呈增加趋势，草地面积呈减少趋势，水体与居民地变幅不大，林地在1995年以后呈减少趋势。

b)近23年来土地利用方式变化对汛期的径流影响大于非汛期，总体来说汛期径流随着林地面积的增加而减少;同时土地利用方式对于雨季蒸散影响较大，而对于干季蒸散影响较小。

1995年耕地和居民占地面积最小，而林草占地面积最大，在该土地利用方式下径流小，蒸散小，从水量涵养的角度来说，是土地利用最佳的组合方式。

c)土地变化情境下水文响应研究表明，尽管林地面积的增加相对草地面积增加对径流有削减作用，对流域的水土保持起到一定的缓解作用，但林地的蒸散大于草地的蒸散。

因此仅就水量涵养而言在牧羊河构建适宜的生态系统，在削减径流的同时也要减少蒸散的支出，从而对水量的涵养起到增强的作用。

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