滦河流域土地利用_覆被变化的水文响应_史晓亮
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考虑到滦河流域内分布许多大中型水库，以及引滦入津等调水工程，而本文旨在研究土地利用 /覆被变 化条件下自然产流过程的响应，为剔除水利工程的影响，本研究采用了 1970—2000 年的月还原径流对模型 进行率定和验证。其中 1970—1972 年作为模型的初始条件形成期，选取 1973—1988 年 5 个水文站的月还原 径流数据进行模型率定，以 1985 年土地利用数据作为输入； 采用率定后的参数，应用 1989—2000 年水文气 象数据进行模型验证，以 2000 年土地利用数据为输入。本文采用常用的决定系数 Ｒ2 、Nash-Sutcliffe 效率系 数 Ens和相对误差 EＲ3 个指标评价模型在研究区的适用性。一般认为，Ｒ2 越高，Ens 越大， | EＲ | 越小，表 明模拟效果越好； 当 Ｒ2 ＞ 0. 6，Ens ＞ 0. 5， | EＲ | ＜ 15% 时，即认为模型在研究区适用［14-16］。
土壤参数 土壤层数、各层厚度、土壤质地、土壤孔隙度、有机质含量 阴离子交换孔隙度、电导率 有机碳含量 Csol 机械组成 饱和导水率、可利用水量、土壤容重 土壤水文组 田间土壤反射率 Ｒsol USLE 方程 K 因子 KUSLE
计算 /获取方法 查阅当地土种志 模型默认值 Csol = 0. 58Msol （ Msol 为有机质含量） 三次样条插值 SPAW 模型计算 根据经验模型计算土壤下渗率，进而查表得到土壤水文分组 Ｒsol = 0. 227exp（ － 1. 826 7 Msol ） KUSLE = fcsand fcl_ st forgc fhisand
收稿日期： 2012-11-09； 网络出版时间： 2013-11-30 网络出版地址： http： / / www. cnki. net / kcms / detail /32. 1309. P. 20131130. 1544. 017. html 基金项目： “十二五” 国家科技支撑计划资助项目（ 2012BAC19B03） ； 国家自然科学基金资助项目（ 51009148） 作者简介： 史晓亮（ 1985—） ，男，陕西宝鸡人，博士，主要从事遥感与地理信息系统在水文学中的应用研究。
目前土地利用 /覆被变化的水文响应研究多集中于径流量，但是多数研究只是从流域整体出发研究土地 利用变化对地表径流等水文分量的影响程度，较少从空间尺度上分析土地利用变化的水文响应。本文选择滦 河流域为研究对象，综合考虑流域 1985—2000 年间土地利用变化特征，结合 SWAT 模型探讨了滦河流域土 地利用 /覆被变化对水文过程的影响； 并在子流域尺度研究分析了地表径流的变化，及其与主要景观类型之 间的响应关系，以期为流域土地利用合理规划与水资源科学管理提供参考。
（ 1. 中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038； 2. 西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054； 3. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102）
摘要： 以滦河流域为研究区，利用 1985 和 2000 年土地利用数据，结合 SWAT 分布式水文模型定量评价了流域土地 利用 / 覆被变化的水文效应，并分析了流域地表径流变化与主要景观类型的响应关系。结果表明： SWAT（ Soil and Water Assessment Tool） 模型可以较好地模拟滦河流域的月流量过程，在研究区具有较好的适用性； 1985—2000 年流 域林地向草地和耕地的转变导致流域年均地表径流和总径流量分别增加了 12. 6% 和 5. 1% ； 并使得流域年均地表径 流变化空间差异显著，整体呈增加趋势，且主要受到林地变化的影响，而在三道河子以上集水区地表径流的变化 则主要受到耕地景观的影响。合理规划土地利用格局，对于流域水资源可持续利用具有重要意义。
第1 期
史晓亮，等： 滦河流域土地利用 /覆被变化的水文响应
23
和日照时数的模拟方法估算得到。 由于流域内 83 个雨量站实测降雨数据序列较短（ 1970—1988 年） ，在一定程度上限制了该流域长时间尺
度的分布式水文模拟。本文结合 7 个气象站点逐日降雨资料，利用反距离加权平均法，估算得到各雨量站 1989—2010 年的逐日降雨量。
2 数据来源与研究方法
图 1 研究区位置及水文气象站点分布
Fig. 1 Location of study area with hydrological
2. 1 数据来源
and meteorological stations
本研究所用 DEM 为美国地质调查局的 SＲTM 数据，分辨率为 90 m。土地利用数据来源于中国土地利用 /
表 2 滦河流域 SWAT 模型率定参数及取值 Table 2 SWAT calibration parameters and fitted values in Luanhe Ｒiver basin
参数 CN2 ESCO ALPHA_BF ＲEVAPMN CH_K2 SOL_AWC SOL_K
描述 SCS 径流曲线数 / % 土壤蒸发补偿系数 基流 Alpha 系数 浅层地下水再蒸发系数 主河道河床有效的水力传导度 土壤可利用有效水量 /% 土壤饱和导水率 /%
本文通过敏感性分析得到影响滦河流域径流模拟精度的 7 个重要参数并对其进行率定。在参数率定过程 中遵循先上游后下游，先调整水量平衡，再调整过程的原则［16］。首先采用瑞士联邦水生物科学与技术研究 院开发的 SWAT-CUP 中的 SUFI-2（ Sequential Uncertainty Fitting Version 2） 优化算法进行自动校准［17］，进而结 合手动校准进行相关参数的率定，率定参数及其最终取值如表 2 所示。
覆被数据集，采用的是 1985 和 2000 年的 1∶ 10 万数据，经验证数据精度达到 90% 以上，满足模型构建的精
度要求。为保证本研究土地利用分类系统与 SWAT 模型一致，对获取的土地利用数据进行重分类，将其转换
为 SWAT 模型能够识别的土地利用类型代码。
土壤类型分布数据根据 1∶ 100 万土壤图矢量化获得。属性数据包括物理属性和化学属性数据库，由于本
站外，其他水文站 Ｒ2 和 Ens均大于 0. 8，反映了模型对径流趋势的模拟能力较好。韩家营、承德和下板城 3 个主要支流水文站的月径流模拟结果小于实测值，而三道河子与滦县水文站的模拟结果略微偏高，但各站的 相对误差均不超过 ± 5% 。由于 1988 年之后缺少雨量站降雨资料，本研究采用了基于气象站资料的降雨插补 值，但是由于在部分年份无法有效描述流域降雨的高值信息，导致验证期各站模拟值均小于实测值，且 Ｒ2 和 Ens有所降低，但结果均达到了模拟精度的要求。模拟结果表明应用 SWAT 模型进行滦河流域的径流模拟 是可行的，适用于研究区土地利用 /覆被变化的水文响应研究。
关键词： 土地利用 /覆被变化； 分布式水文模型； 径流； 滦河流域
中图分类号： F301. 24； P339
文献标志码： A
文章编号： 1001-6791（ 2014） 01-0021-07
人类土地利用方式改变而产生的土地覆被变化，通过改变地表蒸发、截留、填洼及下渗等水文过程而导 致产汇流过程发生变化，进而影响到以土地为下垫面的水文循环和水资源循环过程［1］，由此引起的相关水 问题已对区域 / 流域生态和社会经济发展等多方面产生了显著影响。研究土地利用 / 覆被变化（ LUCC） 的水文 响应，对于揭示区域及全球尺度水文循环规律、生态安全格局等具有重要意义［2］，因而成为目前乃至未来 几十年全球生态与环境研究的热点和前沿问题［3］。
土地利用 /覆被变化的水文响应研究以往大多采用试验流域或特征变量时间序列法，但这两种方法均存 在局限性［4-5］。而水文模型，尤其是基于物理基础的分布式水文模型，可以灵活地调整土地利用 / 覆被变化情 景，模拟分析不同土地利用 /覆被情景下的水文响应，因此，分布式水文模型已成为研究土地利用 /覆被变化 水文响应的重要方法［6-7］。SWAT（ Soil and Water Assessment Tool） 是由美国农业部农业研究服务中心（ USDAAＲS） 开发的面向大中流域、长时间尺度的分布式水文模型［8］，目前已被广泛应用于流域土地利用 / 覆被变化 的水文响应研究。Ghaffari 等［9］在伊朗 Zanjanrood 流域的研究认为牧草地向雨养农业和裸地的转变将导致地 表径流的增加； Nie 等［10］在 San Pedro 流域研究表明城市化是导致流域地表径流增加的主要原因。刘玉明 等［11］研究表明妫水河流域城镇用地的增加和草地的减少导致径流量增加，在汛期增加尤为明显。
文主要针对径流量模拟，不涉及水质问题，所以主要确定土壤物理属性数据。各参数通过查阅河北省土种 志，以及采用美国农业部开发的土壤水特性计算程序 SPAW 等方式获取［12］。表 1 列出了各种参数的获取与
计算方法。
表 1 SWAT 模型土壤物理参数计算方法 Table 1 Computing method of soil physical parameters in SWAT
取值范围 － 20 ～ 20
0. 01 ～ 1 0 ～1 0 ～ 500
0. 01 ～ 150 － 40 ～ 40 － 80 ～ 80
三道河子 12 0. 4 0. 035 285. 4 1. 0 4. 5
－ 57
韩家营 3. 2 0. 87 0. 080
210 1. 7 16
－ 69
承德 3 0. 97 0. 025
282. 2 1. 5 4
－ 55
下板城 8. 7 0. 87 0. 017
100. 20 2. 6 39
－ 59
滦县 6 － 0. 057 － 3. 9 1. 8
－ 12
3 结果与分析
3. 1 SWAT 模型在滦河流域径流模拟中的适用性分析 表 3 为各水文站径流模拟的评价结果，可以看出，率定期各水文站均达到模拟精度的要求，l. com 通信作者： 杨志勇，E-mail： yangzy@ iwhr. com
22
水科学进展
第 25 卷
1 研究区概况
滦河发源于河北省张家口地区的巴彦古尔图山北麓， 流经河北省、内蒙古自治区以及辽宁省的 25 个 市 县 区 后，于河北省乐亭县兜网铺注入渤海湾。滦河全长 888 km，流域面积 44 750 km2 ，主要支流有伊逊河、武烈河、 老牛河、瀑河、青龙河等（ 图 1） 。
DOI:10.14042/ki.32.1309.2014.01.005
第 25 卷 第 1 期 2014 年 1 月
水科学进展 ADVANCES IN WATEＲ SCIENCE
Vol． 25，No． 1 Jan． ，2014
滦河流域土地利用 /覆被变化的水文响应
史晓亮1，2 ，杨志勇1 ，严登华1 ，李 颖3 ，袁 喆1
水文数据选取三道河子（ 滦河） 、韩家营（ 伊逊河） 、承德（ 武烈河） 、下板城（ 老牛河） 和滦县（ 滦河） 5 个 水文站 1970—2000 年的月还原径流数据用于模型率定和验证（ 图 1） 。 2. 2 模型模拟与检验
SWAT 模型对子流域的划分基于最小集水面积阈值，本文中最小集水面积取 150 km2 ，将滦河流域划分 为 174 个子流域。本研究地表径流估算采用 SCS 径流曲线数法，潜在蒸散发选择 Penman-Monteith 法，河道 汇流演算采用变动存储系数法。
滦河流域位于华北平原东北部，属典型的温带大陆 性气候，年均气温 5 ～ 12℃ ，夏季炎热多雨，春秋干旱少 雨，冬季寒冷干燥，多年平均降雨量为 400 ～ 700 mm，且 年内分配不均，6 ～ 9 月份降水量占全年降水量的 67% ～ 76% 。流域多年平均径流量为 46. 94 亿 m3 ，年内分配集 中，年际丰枯变化悬殊。流域主要土地覆被类型为林地， 占总面积的 40% 左右，其次为草地和耕地。主要土壤类 型为棕壤和褐土。
流域的水文气象站点分布见图 1。气象数据采用流域内及周边的多伦、围场、丰宁、承德、遵化、青龙 和乐亭 7 个气象站 1970—2010 年的逐日最高和最低气温、相对湿度、平均风速和日照时数，数据来源于中 国气象科学数据共享服务网（ http： / / cdc. cma. gov. cn） 。日太阳辐射量根据童成立等［13］建立的基于站点位置
土壤参数 土壤层数、各层厚度、土壤质地、土壤孔隙度、有机质含量 阴离子交换孔隙度、电导率 有机碳含量 Csol 机械组成 饱和导水率、可利用水量、土壤容重 土壤水文组 田间土壤反射率 Ｒsol USLE 方程 K 因子 KUSLE
计算 /获取方法 查阅当地土种志 模型默认值 Csol = 0. 58Msol （ Msol 为有机质含量） 三次样条插值 SPAW 模型计算 根据经验模型计算土壤下渗率，进而查表得到土壤水文分组 Ｒsol = 0. 227exp（ － 1. 826 7 Msol ） KUSLE = fcsand fcl_ st forgc fhisand
收稿日期： 2012-11-09； 网络出版时间： 2013-11-30 网络出版地址： http： / / www. cnki. net / kcms / detail /32. 1309. P. 20131130. 1544. 017. html 基金项目： “十二五” 国家科技支撑计划资助项目（ 2012BAC19B03） ； 国家自然科学基金资助项目（ 51009148） 作者简介： 史晓亮（ 1985—） ，男，陕西宝鸡人，博士，主要从事遥感与地理信息系统在水文学中的应用研究。
目前土地利用 /覆被变化的水文响应研究多集中于径流量，但是多数研究只是从流域整体出发研究土地 利用变化对地表径流等水文分量的影响程度，较少从空间尺度上分析土地利用变化的水文响应。本文选择滦 河流域为研究对象，综合考虑流域 1985—2000 年间土地利用变化特征，结合 SWAT 模型探讨了滦河流域土 地利用 /覆被变化对水文过程的影响； 并在子流域尺度研究分析了地表径流的变化，及其与主要景观类型之 间的响应关系，以期为流域土地利用合理规划与水资源科学管理提供参考。
（ 1. 中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038； 2. 西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054； 3. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102）
摘要： 以滦河流域为研究区，利用 1985 和 2000 年土地利用数据，结合 SWAT 分布式水文模型定量评价了流域土地 利用 / 覆被变化的水文效应，并分析了流域地表径流变化与主要景观类型的响应关系。结果表明： SWAT（ Soil and Water Assessment Tool） 模型可以较好地模拟滦河流域的月流量过程，在研究区具有较好的适用性； 1985—2000 年流 域林地向草地和耕地的转变导致流域年均地表径流和总径流量分别增加了 12. 6% 和 5. 1% ； 并使得流域年均地表径 流变化空间差异显著，整体呈增加趋势，且主要受到林地变化的影响，而在三道河子以上集水区地表径流的变化 则主要受到耕地景观的影响。合理规划土地利用格局，对于流域水资源可持续利用具有重要意义。
第1 期
史晓亮，等： 滦河流域土地利用 /覆被变化的水文响应
23
和日照时数的模拟方法估算得到。 由于流域内 83 个雨量站实测降雨数据序列较短（ 1970—1988 年） ，在一定程度上限制了该流域长时间尺
度的分布式水文模拟。本文结合 7 个气象站点逐日降雨资料，利用反距离加权平均法，估算得到各雨量站 1989—2010 年的逐日降雨量。
2 数据来源与研究方法
图 1 研究区位置及水文气象站点分布
Fig. 1 Location of study area with hydrological
2. 1 数据来源
and meteorological stations
本研究所用 DEM 为美国地质调查局的 SＲTM 数据，分辨率为 90 m。土地利用数据来源于中国土地利用 /
表 2 滦河流域 SWAT 模型率定参数及取值 Table 2 SWAT calibration parameters and fitted values in Luanhe Ｒiver basin
参数 CN2 ESCO ALPHA_BF ＲEVAPMN CH_K2 SOL_AWC SOL_K
描述 SCS 径流曲线数 / % 土壤蒸发补偿系数 基流 Alpha 系数 浅层地下水再蒸发系数 主河道河床有效的水力传导度 土壤可利用有效水量 /% 土壤饱和导水率 /%
本文通过敏感性分析得到影响滦河流域径流模拟精度的 7 个重要参数并对其进行率定。在参数率定过程 中遵循先上游后下游，先调整水量平衡，再调整过程的原则［16］。首先采用瑞士联邦水生物科学与技术研究 院开发的 SWAT-CUP 中的 SUFI-2（ Sequential Uncertainty Fitting Version 2） 优化算法进行自动校准［17］，进而结 合手动校准进行相关参数的率定，率定参数及其最终取值如表 2 所示。
覆被数据集，采用的是 1985 和 2000 年的 1∶ 10 万数据，经验证数据精度达到 90% 以上，满足模型构建的精
度要求。为保证本研究土地利用分类系统与 SWAT 模型一致，对获取的土地利用数据进行重分类，将其转换
为 SWAT 模型能够识别的土地利用类型代码。
土壤类型分布数据根据 1∶ 100 万土壤图矢量化获得。属性数据包括物理属性和化学属性数据库，由于本
站外，其他水文站 Ｒ2 和 Ens均大于 0. 8，反映了模型对径流趋势的模拟能力较好。韩家营、承德和下板城 3 个主要支流水文站的月径流模拟结果小于实测值，而三道河子与滦县水文站的模拟结果略微偏高，但各站的 相对误差均不超过 ± 5% 。由于 1988 年之后缺少雨量站降雨资料，本研究采用了基于气象站资料的降雨插补 值，但是由于在部分年份无法有效描述流域降雨的高值信息，导致验证期各站模拟值均小于实测值，且 Ｒ2 和 Ens有所降低，但结果均达到了模拟精度的要求。模拟结果表明应用 SWAT 模型进行滦河流域的径流模拟 是可行的，适用于研究区土地利用 /覆被变化的水文响应研究。
关键词： 土地利用 /覆被变化； 分布式水文模型； 径流； 滦河流域
中图分类号： F301. 24； P339
文献标志码： A
文章编号： 1001-6791（ 2014） 01-0021-07
人类土地利用方式改变而产生的土地覆被变化，通过改变地表蒸发、截留、填洼及下渗等水文过程而导 致产汇流过程发生变化，进而影响到以土地为下垫面的水文循环和水资源循环过程［1］，由此引起的相关水 问题已对区域 / 流域生态和社会经济发展等多方面产生了显著影响。研究土地利用 / 覆被变化（ LUCC） 的水文 响应，对于揭示区域及全球尺度水文循环规律、生态安全格局等具有重要意义［2］，因而成为目前乃至未来 几十年全球生态与环境研究的热点和前沿问题［3］。
土地利用 /覆被变化的水文响应研究以往大多采用试验流域或特征变量时间序列法，但这两种方法均存 在局限性［4-5］。而水文模型，尤其是基于物理基础的分布式水文模型，可以灵活地调整土地利用 / 覆被变化情 景，模拟分析不同土地利用 /覆被情景下的水文响应，因此，分布式水文模型已成为研究土地利用 /覆被变化 水文响应的重要方法［6-7］。SWAT（ Soil and Water Assessment Tool） 是由美国农业部农业研究服务中心（ USDAAＲS） 开发的面向大中流域、长时间尺度的分布式水文模型［8］，目前已被广泛应用于流域土地利用 / 覆被变化 的水文响应研究。Ghaffari 等［9］在伊朗 Zanjanrood 流域的研究认为牧草地向雨养农业和裸地的转变将导致地 表径流的增加； Nie 等［10］在 San Pedro 流域研究表明城市化是导致流域地表径流增加的主要原因。刘玉明 等［11］研究表明妫水河流域城镇用地的增加和草地的减少导致径流量增加，在汛期增加尤为明显。
文主要针对径流量模拟，不涉及水质问题，所以主要确定土壤物理属性数据。各参数通过查阅河北省土种 志，以及采用美国农业部开发的土壤水特性计算程序 SPAW 等方式获取［12］。表 1 列出了各种参数的获取与
计算方法。
表 1 SWAT 模型土壤物理参数计算方法 Table 1 Computing method of soil physical parameters in SWAT
取值范围 － 20 ～ 20
0. 01 ～ 1 0 ～1 0 ～ 500
0. 01 ～ 150 － 40 ～ 40 － 80 ～ 80
三道河子 12 0. 4 0. 035 285. 4 1. 0 4. 5
－ 57
韩家营 3. 2 0. 87 0. 080
210 1. 7 16
－ 69
承德 3 0. 97 0. 025
282. 2 1. 5 4
－ 55
下板城 8. 7 0. 87 0. 017
100. 20 2. 6 39
－ 59
滦县 6 － 0. 057 － 3. 9 1. 8
－ 12
3 结果与分析
3. 1 SWAT 模型在滦河流域径流模拟中的适用性分析 表 3 为各水文站径流模拟的评价结果，可以看出，率定期各水文站均达到模拟精度的要求，l. com 通信作者： 杨志勇，E-mail： yangzy@ iwhr. com
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水科学进展
第 25 卷
1 研究区概况
滦河发源于河北省张家口地区的巴彦古尔图山北麓， 流经河北省、内蒙古自治区以及辽宁省的 25 个 市 县 区 后，于河北省乐亭县兜网铺注入渤海湾。滦河全长 888 km，流域面积 44 750 km2 ，主要支流有伊逊河、武烈河、 老牛河、瀑河、青龙河等（ 图 1） 。
DOI:10.14042/ki.32.1309.2014.01.005
第 25 卷 第 1 期 2014 年 1 月
水科学进展 ADVANCES IN WATEＲ SCIENCE
Vol． 25，No． 1 Jan． ，2014
滦河流域土地利用 /覆被变化的水文响应
史晓亮1，2 ，杨志勇1 ，严登华1 ，李 颖3 ，袁 喆1
水文数据选取三道河子（ 滦河） 、韩家营（ 伊逊河） 、承德（ 武烈河） 、下板城（ 老牛河） 和滦县（ 滦河） 5 个 水文站 1970—2000 年的月还原径流数据用于模型率定和验证（ 图 1） 。 2. 2 模型模拟与检验
SWAT 模型对子流域的划分基于最小集水面积阈值，本文中最小集水面积取 150 km2 ，将滦河流域划分 为 174 个子流域。本研究地表径流估算采用 SCS 径流曲线数法，潜在蒸散发选择 Penman-Monteith 法，河道 汇流演算采用变动存储系数法。
滦河流域位于华北平原东北部，属典型的温带大陆 性气候，年均气温 5 ～ 12℃ ，夏季炎热多雨，春秋干旱少 雨，冬季寒冷干燥，多年平均降雨量为 400 ～ 700 mm，且 年内分配不均，6 ～ 9 月份降水量占全年降水量的 67% ～ 76% 。流域多年平均径流量为 46. 94 亿 m3 ，年内分配集 中，年际丰枯变化悬殊。流域主要土地覆被类型为林地， 占总面积的 40% 左右，其次为草地和耕地。主要土壤类 型为棕壤和褐土。
流域的水文气象站点分布见图 1。气象数据采用流域内及周边的多伦、围场、丰宁、承德、遵化、青龙 和乐亭 7 个气象站 1970—2010 年的逐日最高和最低气温、相对湿度、平均风速和日照时数，数据来源于中 国气象科学数据共享服务网（ http： / / cdc. cma. gov. cn） 。日太阳辐射量根据童成立等［13］建立的基于站点位置