土地利用变化对流域产水特性的影响研究温海燕

第３１卷第１期２　０　１　

３年１月水　电　能　源　科　学

Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３１Ｎｏ．１

Ｊａｎ．２　０　１　

３文章编号：１０００－７７０９（２０１３）０１－００１２－

０４土地利用变化对流域产水特性的影响研究

温海燕１，

李琼芳２，３，李　鹏４，蔡　涛２，３

（１．河北省唐秦水文水资源勘测局，河北唐山０６３０００；２．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００９８；３．河海大学水文水资源学院，江苏南京２１００９８；４．河南省信阳水文水资源勘测局，河南信阳４６４０００

）摘要：以淮河上游息县水文站以上流域为例，基于研究区域３期（２０世纪８０年代、９０年代、２０００年以后）土地利用数据及地形、气象、水文、土壤、农业管理等数据，应用ＳＷＡＴ模型模拟研究区域产汇流过程，分析土地利用变化对流域产水特性的影响。结果表明：在降水量、坡度和土壤质地相同的情况下，径流模数大小为旱地＞水田＞林地；在坡度和土壤质地相同的情况下，土地利用方式对降水量变化的产水敏感性为旱地＞水田＞林地（径流系数变化率），可见土地利用模式的变化可影响流域的产水特性，耕地向林地的转变将使流域产水减少。关键词：淮河上游；土地利用变化；产水特性；ＳＷＡＴ模型中图分类号：Ｐ３４２．４

文献标志码：Ａ

收稿日期：２０１１－１２－０１，修回日期：２０１２－０７－

０４基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１１７１２２０）；十二五国家科技支撑计划基金资助项目（２０１２ＢＡＢ０３Ｂ００）；水利部公益性科研专项经费基金资助项目（２００９０１０４５，２０１００１０６９，２０１１０１０５２）；教育部长江学者和创新团队发展计划基金资助项目（ＩＲＴ０７１７）；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目（Ｂ０６０４１

）作者简介：温海燕（１９７５－），女，副高级工程师，研究方向为水文水资源，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｂｗｅｎｈａｉｙａｎ＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：李琼芳（１９６６－）

，女，教授，研究方向为水文水资源，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃａｉｔａｏ１９８２＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 近年来，

土地利用变化已成为国际地圈与生物圈计划（ＩＧＢＰ）和全球环境变化人文计划（ＩＨＤＰ）的研究核心，流域土地利用／覆被

（ＬＵＣＣ）变化的水文效应越来越受到关注［１］

。ＬＵＣＣ对水文过程的影响主要表现在水文循环过

程和水量水质变化方面，ＬＵＣＣ改变了水文循环过程中的地表蒸散发、土壤水分状况和地表植被

截留量等，对流域产水量产生影响［

２］

。当前研究土地利用变化对流域产水特性影响的主要方法有水文模型模拟方法及试验流域观测统计分析法两

种［

３～５］

。本文以淮河上游息县水文站以上流域为研究对象，采用美国农业部开发的分布式流域水

文模型ＳＷＡＴ［６］

评价土地利用／管理措施的水文效应［

７］

，分析不同土地利用对流域产水特性的影响、不同土地利用对降水量变化的敏感程度及同一降水量、不同土地利用模式对流域产水特性的影响，以期为淮河上游水土流失防治、生态系统的可持续发展提供理论依据。

１　研究区域概况

淮河上游息县水文站以上流域范围为东经１１３

°１５′～１１４°４６′，北纬３１°３１′～３２°４３′

，面积为１０　

１９０ｋｍ２，其位置示意图见图１。研究区域地图１　息县流域Ｆｉｇ

．１　Ｘｉｘｉａｎ　Ｂａｓｉｎ处我国南北气候过渡带，淮南属亚热带湿润季风气候区，温暖多雨，淮北属暖温带半湿润季风气候

区，相对少雨［８］

。流域多年年平均降水量８００～

１　

４００ｍｍ，多年平均径流深约３７１ｍｍ，多年平均水面蒸发量８００～１　０００ｍｍ。流域内土地利用方式以旱地、林地和水田为主。近年来，由于人口密度增大等原因，淮河上游土地利用方式发生改变，引起水循环的时空变化，导致淮河上游水资源在时空上的重新分配和陆面污染物质输移规律的改变，进而影响河流生态系统健康。

２　土地利用变化对径流特性的影响

第３１卷第１期温海燕等：土地利用变化对流域产水特性的影响研究

２．１　研究方法

为分析土地利用方式变化对流域产水的影响，运用Ａｒｃｖｉｅｗ　ＧＩＳ软件截得研究区域３期（２０世纪８０年代、９０年代、２０００年以后）土地利用方式图（图２），为对应不同时期土地利用组成（表１），将研究时段划分为１９８０～１９８９、１９９０～１９９９、２０００～２００８年３个时段。基于空间分辨率为３０″×３０″的ＤＥＭ资料，运用Ａｒｃｖｉｅｗ　ＧＩＳ软件构建流域数字水系，通过设定流域集水面积阈值，将整个流域划分为８７个子流域，通过加载研究区域尺度为１∶２００　０００土壤类型图及土地利用图，将整个流域划分为２７６个水文响应单元（每个水文响应单元为单一的土地利用方式和土壤类型）

。

图２　研究区域３期土地利用图

Ｆｉｇ．２　Ｌａｎｄ－ｕｓｅ　ｍａｐ　ｆｏｒ　ｓｔｕｄｙ　ａｒｅａ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ　ｐｅｒｉｏｄｓ

表１　３期土地利用组成

Ｔａｂ．１　Ｌａｎｄ－ｕｓｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ　ｐｅｒｉｏｄｓ％　

土地利用类型８０年代９０年代２０００年以后水体０．９０　０．７８　１．３２

城乡用地０．６３　０．５１　０．８８

林地３８．５５　４０．６９　３８．０６

水田１７．０２　２７．２３　１７．１５

旱地４１．８５　３０．３８　４１．８１

草地０．５７　０．０６　０．５４

滩地０．４０　０．３４　０．２２ＳＷＡＴ模型径流模拟采用ＳＣＳ曲线计算每个水文响应单元上的产水量［９］。利用流域附近８个气象站１９８０～２００８年资料内插得到流域内气象资料，运用Ｐ－Ｍ法［１０］耦合植物生长模型（ＥＰＩＣ）［１１］计算流域潜在蒸散发。根据流域１９８０～２００８年６３个雨量站日降水资料，运用ＳＷＡＴ模型模拟流域３个时期内的产水过程，选用息县水文站１９８０～２００８年日流量资料对产水模拟的参数进行率定和检验，其中１９８０～１９８６、１９９０～１９９６、２０００～２００６年为率定期，１９８７～１９８９、１９９７～１９９９、２００７～２００８年为检验期。

基于以上径流模拟结果，计算每个水文响应单元的径流模数，点绘旱地、林地、水田三种主要土地利用方式的降雨—径流模数相关图，定量分析不同土地利用对流域产水特性的影响。绘制流域内不同土地利用方式（旱地、林地、水田）降水量产水敏感性分析表；点绘３期土地利用模式下降雨—年径流深相关图，定量分析不同土地利用组合模式对流域产水特性的影响。

２．２　土地利用变化的径流影响模拟

基于３期土地利用数据模拟淮河息县站以上流域１９８０～２００８年日流量过程，选用息县水文站１９８０～２００８年实测日流量资料对产水模型进行了参数率定和检验，其中参数率定期（１９８０～１９８６、１９９０～１９９６、２０００～２００６年）和参数验证期（１９８７～１９８９、１９９７～１９９９、２００７～２００８年）模拟的年产沙量相对误差均在１０％以内、Ｎａｓｈ－Ｓｕｔ－ｔｃｌｉｆｆｅ系数Ｅｎｓ均达到０．７以上，满足模型模拟的精度要求。具体模拟结果见文献［１２］。

在３个时段内选取降水量相近的３个代表年（１９８４、１９９６、２００３年）的年径流模数来呈现流域产水特性空间分布，见图３（图中数字均为子流域编号）。由图可看出，流域产水量空间分布总体呈南大北小，这主要受流域降水空间分布不均的影响，淮河上游位于我国湿润气候与半干旱气候过渡带，流域降雨量空间分布为南大北小，降水量大的子流域产水相对较大，降水量小的区域产水相对较小。

２．３　土地利用变化对径流特性的影响２．３．１　不同土地利用对产水特性的影响

为定量分析不同土地利用方式对流域产水量的影响，基于研究区域３个时段的产水模拟，点绘了研究区域内旱地、林地、水田的降雨—径流模数相关图，见图４。由图可看出，林地对降雨的截留量大、渗透性高，原因在于生物量的增加、林冠更加粗糙造成蒸腾率升高，发达的根系能吸取深层

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