土地利用变化及流域尺度大小对水文类型分区的影响

自然资源学报

JOURNAL OF NATURAL RESOURCES

第29卷第7期2014年7月

V ol.29No.7Jul.,2014

土地利用变化及流域尺度大小对

水文类型分区的影响

魏兆珍，李建柱，冯平*

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072）

摘要：以海河流域为研究对象，根据1956—2005年的年降雨量和水面蒸发资料以及DEM 、土地利用和土壤的遥感资料，采用地理信息系统和多元统计分析的方法，划分一定单元流域，对海河流域进行水文类型分区划分，并讨论了土地利用转移变化及单元流域尺度大小对水文类型分区的影响。结果表明，不同土地利用情况下水文类型分区的结果是不同的，土地利用的变化会直接或间接影响流域水文类型分区的空间分布，土地利用变化越大，水文类型分区的转移变化也越大。单元流域尺度较小时，水文类型分区分布较为离散，反之，单元流域尺度较大时，水文类型分区的分布则较为连续。当单元流域平均面积变化小于150km 2时，分区分布虽然有一定的变化，但总体来看分区结果相对比较稳定，当单元流域平均面积变化较大，并达到250km 2以上时，分区结果会发生较大变化。关

键词：水文类型分区；土地利用转移变化；单元流域尺度；分区结果

中图分类号：P333.9

文献标志码：A

文章编号：1000-3037(2014)07-1116-11

DOI ：10.11849/zrzyxb.2014.07.003

由于影响产汇流特征的下垫面条件和气候条件的空间差异性，导致了流域水文特性也存在着一定的空间分布规律，因此可以通过划分水文分区，探求流域产汇流的空间分布规律。水文分区的划分原则是将流域划分成不同的区域，使得区域内下垫面和气候条件相似性最大且差异性最小，而在不同区域之间下垫面和气候条件相似性最小且差异性最大[1-3]。

然而流域的下垫面是不断变化的，尤其是土地利用，在人类活动的影响下极易发生变化或者转移，因此作为影响流域水文特征的下垫面要素[4]以及划分水文类型分区的一个重要分区指标[3]，土地利用的空间转移变化必将影响到水文类型分区的特征属性及空间分布。由于土地利用、土壤等下垫面特征的空间不均匀性和流域气候的空间变异性，因此单元流域作为水文类型分区的分区单元，尺度大小不同，单元流域内的分区指标特征值也会发生变化[5]，进而会影响水文类型分区的分区结果。因此以海河流域为研究对象，根据流域下垫面的遥感资料以及气候特征的空间分布，采用地理信息系统及主成分分析和聚类分析方法，对海河流域进行水文类型分区划分[6-7]，分析海河流域1970—1980年及1980—2000年间土地利用的空间转移变化及其对流域水文类型分区的影响，并进一步研究单元流域尺度大小对分区结果的影响。

收稿日期：2013-03-06；修订日期：2013-11-06。

基金项目：国家自然科学基金（51279123，51179117）；国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51021004）。第一作者简介：魏兆珍（1986-），女，山东泰安人，博士研究生，主要从事水文学与水资源问题的研究。E-mail:weizhaozhen@

*通信作者，E-mail:fengping@

7期魏兆珍等：土地利用变化及流域尺度大小对水文类型分区的影响

1基础数据及水文类型分区方法

1.1基础数据及来源

海河流域下垫面遥感资料包括DEM 、土地利用（1970、1980、2000年）以及土壤砂含量[图1(a)至图1(c)]，其中DEM 、土地利用栅格数据分辨率为250m×250m ，土壤砂含量遥感数据的分辨率为1000m×1000m 。DEM 和土地利用遥感数据由中国科学院遥感应用研究所提供，土地利用整体分类精度在85%以上，土壤砂含量遥感数据由中国水利水电科学研究院提供，所有遥感数据均统一采用正轴等面积割圆锥投影坐标系统。

利用1956—2005年海河流域1488个雨量站年降雨量及130个蒸发测站水面蒸发量的实测数据，根据雨量站及蒸发测站的经纬度坐标值，利用ArcGIS ，以插入点的形式生成海河流域雨量站和蒸发站点图，并将流域各站点多年平均降雨量和多年平均蒸发量载入属性表中，采用普通Kriging 插值法生成多年平均降雨量栅格图[8][图1(d)]及反距离权重法生成多年平均水面蒸发量栅格图[图1(e)]，普通Kriging

插值法生成多年平均降雨量的平

图1海河流域遥感资料及气候特征分布

Fig.1The remote sensing data and climate characteristics of Haihe River basin

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自然资源学报

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均标准误差为0.05mm，均方差为0.0007，反距离权重法生成多年平均水面蒸发量的平均标准误差为6.955mm，然后对多年平均降雨量栅格图和多年平均水面蒸发量栅格图进行运算得到海河流域干旱指数空间分布图[图1(f)]。

1.2水文类型分区方法

根据流域下垫面的遥感资料以及气候特征的空间分布图，采用地理信息系统及主成分分析和聚类分析的方法，以单元流域为划分单元，得出海河流域水文类型分区图。海河流域水文类型分区划分分为以下三个步骤：

（1）利用海河流域DEM，将海河流域划分为1399个单元流域，单元流域平均面积为220km2，与流域内平均每个雨量站的控制面积214km2相近，这样可以尽量降低单元流域内气候要素的误差，使分区结果更加精准。

（2）根据海河流域下垫面遥感资料及气候条件的空间分布，对影响流域水文特性的下垫面条件和气候条件进行了分析并得到8个分区指标特征值空间分布图：平均坡度、最大高程差和坡度<1%面积比例，耕地、林地和草地的面积比例，平均土壤砂含量，平均干旱指数。

（3）将上述8个具有一定相关关系的因子进行主成分分析得到5个相互独立且不含重叠信息的主成分，并以此作为聚类分析的变量，采用K-means聚类方法，综合考虑实际研究需要及最小类内方差准则，将海河流域内1399个单元流域划分为7个水文类型分区。2土地利用变化对水文类型分区的影响

2.1海河流域土地利用空间转移变化

利用海河流域1970、1980及2000年的土地利用类型图的矢量数据，在ArcGIS中Spatial analyst模块支持下，进行地图代数运算，生成1970—1980、1980—2000年海河流域土地利用转移变化图[9]。土地利用转移变化图的每个基本单元都包含了土地利用的空间特征、属性及其变化过程，从图2中可以看出每个时期的土地利用状态及其时空演变规律。

由1970和1980年的土地利用数据合成1970—1980年土地利用转移变化图谱[图2 (a)]，共生成34类图谱单元，其中有28类图谱单元中发生了土地利用类型的变化（总面积47684km2），将其按面积大小进行排序并计算其累积百分率，其中9类图谱单元覆盖了变化面积的90%以上。从主要变化类型列表（表1）中可知，土地利用变化以草地向耕地转化和建筑用地向耕地转化为主。

由1980和2000年的土地利用数据合成1980—2000年土地利用转移变化图谱[图2 (b)]，共生成35类图谱单元，其中有29类图谱单元中发生了土地利用类型的变化（总面积6596km2），将其按面积大小进行排序并计算其累积百分率，其中11类图谱单元覆盖了变化面积的90%以上。从主要变化类型列表（表2）中可知，土地利用变化以耕地向建筑用地转化为主，且转移变化面积比例达47.53%。

2.2土地利用变化对水文类型分区的影响

利用1970、1980及2000年海河流域土地利用图分别提取1399个单元流域内耕地、草地和林地面积比例，保持单元流域内其他分区指标（平均坡度、最大高程差、坡度< 1%面积比例、平均土壤砂含量、平均干旱指数）不变，采用主成分分析和K-means聚类