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标题 漳河上游流域土地利用/覆被变化的水文响应
范文 杨纪伟+李宗华+胡浩云+王志国+王锋

摘要：以漳河上游流域为研究区域，基于SWAT（Soil and Water Assessment Tool）分布式水文模型评价流域土地利用/覆被变化的水文响应，在1980和2005年的土地利用数据的情境下，探讨地表径流的变化及其关键的土地利用类型。SWAT模型在漳河上游流域具有良好的适用性，模型可以较好的模拟流域内的地表径流过程；受近年城镇化的发展和退耕还林还草的政策影响，分析流域土地利用/覆被变化情况，1980年-2005年间主要的土地类型变化是耕地比重减少284%，草地和建设用地分别增加13%和112%；相对1980年土地利用状况，2005年土地利用状况下模型模拟地表径流增加133%，其中建设用地对漳河上游流域地表径流的影响最为显著。
关键词：漳河上游流域；SWAT模型；土地利用/覆被变化；地表径流
中图分类号：F301.24；P339文献标识码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0008-03
On hydrological response to land use/cover change in the upstream watershed of Zhanghe River
YANG Ji-wei，LI Zong-hua，HU Hao-yun，WANG Zhi-guo，WANG Feng
（School of Hydroelectric Power Hebei University of Engineering，Handan 056001，China）
Abstract：As the upstream watershed of Zhanghe River as study area，based on the evaluation of the distributed hydrological model SWAT of land use/Cover Changes in hydrological responses，in 1980 and 2005 land use data context，explored the change of the surface runoff and the influence of main land type.The SWAT model has good applicability in the upstream watershed of the Zhanghe River，model can be better simulated the process of surface runoff.By urbanization development and returning cultivated slope lands into forest and grass implications in recent years，analyze watershed land use/cover changes.By urbanization development and returning cultivated slope lands into forest and grass implications in recent years，analyze watershed land use/cover changes.Relative to land use situation in 1980，land use case model in 2005 to simulate the surface runoff increased by 133%.Relative to land use situation in 1980，land use case model in 2005 to simulate the surface runoff increased by 133%.
Key words：the upper reaches of the Zhanghe River Basin；SWAT model；land use/cover change；surface runoff
人类土地利用方式的变化继而导致覆被变化，引起的相应水问题已对流域生态和社会经济发展等多方面产生重要地影响[1]。因此探究土地利用/覆被变化下的水文响应，对于揭示区域生态安全格局及不同尺度的水文循环规律等具有重要的意义[2]。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[3-4]，因此SWAT模型广泛的应用于流域土地利用/覆被变化的水文响应研究[5]。
1研究区域概述
漳河上游流域位于河海流域西南部，属漳卫河水系一级支流，跨晋、冀、豫三省。漳河上游流域包括山西、河北、河南三省四个地级市的22个县（市、区）。漳河上游分清漳河和浊漳河两条支流，在河北涉县合漳村汇合后称漳河。漳河自浊漳河南源源头至漳、卫河汇流处徐万仓，全长460 km，流域总面积19 220 km2。
漳河上游流域属温带大陆性气候，流域内温差较大，全年平均气温74 ℃～103 ℃[6]。年降雨量540 mm，无霜期170～180 d。农作物多为玉米、谷类。漳河上游流域内多山，主要是石山区和土石山区，地势高峻，沟壑纵横。流域内地形是西北部高，东南部地。
2SWAT模型构建
2.1数据来源
SWAT模型需要输入大量的数据信息，其中DEM（数
图1漳河上游流域位置
字高程图）来源中国科学院数据共享网和国家地理信息中心，1980年和2005年1∶25万土地利用数据来源于西部环境与生态科学数据共享中心，并将其转化为SWAT模型识别的土地利用类型代号，确保土地利用分类与SWAT模型一致[7-8]。在模型构建和验证过程中使用2005年土地利用数据。根据获得的1∶100万土壤地图矢量化的土壤类型数据。本研究主要涉及对土壤物理性质数据，各参数值获取参照三省土种志以及采用土壤水特性计算程序SPAW等方法[9]。
图2漳河上游流域土壤类型分布
本流域模型使用18个气象站1975年-2010年的气象数据，气象数据来源于国家气象信息服务中心包括逐日最高和最低气温、日照时数、平均风速和相对湿度。流域内另有95个雨量站提供1975年-2010年的实测逐日降雨量。模型的率定和验证需要的水文数据选用观台水文站的1975年-2010年的月还原径流数据。月还原径流数据考虑工业、农业、生活用水、四大灌区（红旗渠、大跃峰渠、小跃峰渠、跃进渠）取水的影响。
2.2SWAT模型的构建
首先在SWAT模型中载入流域的DEM图，基于最小的积水面积阈值对整个流域进行划分，划分成了111个子流域，并生成流域河网，随后在河网上标记流域的出水口[10-12]，以观台水文站作为流域的出水口。
在径流模型率定期，采用SWAT模型提供的LH-OAT灵敏度分析方法进行参数敏感性分析[13]。得到9个参数对漳河上游流域径流模拟结果精度影响较大的并对其进行参数的率定分析，结果见表1。
表1参数敏感性分析
参数名称排序敏感值
Cn2（SCS径流曲线数）10.710
Esco（土壤蒸发补偿因子）20.641
Gwqmn（浅层蓄水层补偿深度）30.278
Canmx（最大冠层蓄水量）40.266
Sol_Z（土壤低部的埋深）50.229
Alpha_Bf（基流回退系数）60.214
Sol_Awc（土壤可利用水）70.157
Sol_K（饱和渗透系数）80.139
本文考虑到流域内分布着许多大中型水库，以及取水工程包括四大灌区，故为排除其对自由产流过程的影响，本文采用1975年-2010年的月天然径流值和模拟值进行对比，选取1975年为模型预热期，选取1976年-1986年作为模型的率定期进行流域天然数据和模拟数据的校核，以1987年-2010年作为模型的验证期。本文选取相对误差Re、Nash-Suttcliffe系数Ens和相对系数R2三个指标来评价SWAT模型的适应性[14]。模拟评价结果见表2。当R2>06、Ens>05、|Re|<15%时认为模型在研究区域适用。
表2模拟评价结果
项目
年流量均值/亿m3
天然模拟
|Re|R2Ens
率定期12.3413.408.60.720.76
验证期11.6312.8210.30.680.73
从表2可以看出，率定期内模拟期年流量均值比天然期多106亿m3，相对误差为86 %，相对系数072，Nash-Suttcliffe系数Ens为076，三个参数指标均符合要求，证明率定期模拟值和天然数据拟合较好。验证期内模拟期年流量均值较天然期多119亿m3，相对误差为103 %，相对系数068，Nash-Suttcliffe系数Ens为073，表明参数率定后的模型结果较好，可以用于漳河上游流域土地利用/覆被变化的水文响应的分析。
3结果及分析
3.11980年-2005年间漳河上游流域土地利用变化
漳河上游流域1980年和2005年土地利用面积变化情况见表3。通过统计和比较1980年和2005年两期土地利用/覆被空间数据，从而获得漳河上游流域主要的土地利用类型为林地、草地、耕地，其中耕地所占的比重较大。受近年城镇化的发展和退耕还林还草的政策影响，1980年-2005年间耕地面积由7 3712 km2减少到6 87273 km2，共计减少49847 km2，占流域总面积比重284 %。与之相对应林地、草地分别增加658 km2、229 km2，且建设用地增加占流域总面积比重为112 %，变化比较明显。
表3漳河上游流域1980年和2005年土地利用面积变化
土地利用类型
1980年2005年
面积/km2比重（%）面积/km2比重（%）
数量变化/km2比重变化（%）
林地4 168.0723.734 233.8724.10 65.800.37
草地5 680.0032.345 909.0033.64229.001.30
耕地7 371.2041.976 872.7339.13-498.47-2.84
建设用地146.930.84343.801.96196.871.12
水域128.470.73161.730.9233.260.19
未利用地70.330.4043.870.25-26.46-0.15
3.2漳河上游流域土地利用/覆被变化的水文响应
在固定气候与土壤因素不变的情况下，利用以校核验证的SWAT模型，基于1980年和2005年两期土地利用/覆被空间数据模拟1975年-2010年的水文过程，得到在两期不同土地利用/覆被情景下的多年地表径流过程（图3），从而分析该流域土地利用/覆被变化的水文响应。
图31980年与2005年土地利用/覆被情景下的多年径流量
1980年土地利用状况模拟年均地表径流量较2005年增加了133%。分析原因可知，漳河上游流在1980年-2005年间主要的土地利用类型转变是耕地转化成建设用地和草地，其中建设用地的下垫面多为不透水层，增加了汇流量，导致径流大幅度增加，同时增加的草地主要来自耕地，草地覆盖条件下产流能力大于耕地，故此流域产流能力变大，流域地表径流增加。
3.3土地利用变化对地表径流的影响关系
由于气候变化因素等其他输入条件相对固定不变，且流域内主要土地类型的转换是耕地向草地和建设用地转变，因此在1980年和2005年两期土地利用条件下，分别计算各个子流域中建设用地、耕地和草地3种主要土地类型比重变化情况，分析不同土地利用类型对流域地表径流变化的影响程度[15]。三大主要土地利用类型的变化对地表径流比重影响可以建立方程。
ΔQ=CAΔP+CBΔU+CC ΔG（1）
式中：ΔQ为两期土地利用情况下各个子流域地表径流变化比重；CA、CB和CC分别代表改变单位比重耕地、建设用地和草地的径流响应程度。分别把各个子流域的耕地、建设用地和草地变化比重带入到ΔP、ΔU和ΔG中，计算得到ΔP=-032、ΔU=261和ΔG=-002。即在漳河上游流域建设用地对径流的促进作用很明显。对于草地而言，其产流能力大于耕地，但对地表径流影响不大。
4结论
（1）漳河上游流域SWAT模型在率定期效果较好，达到了模拟的精度要求。虽然模型验证期模拟效果有所下降，但是也满足模型精度的要求，总体来说SWAT模型在漳河上游流域有良好的适用性。
（2）漳河上游流域主要转化的土地类型包括耕地、草地和建设用地。1980年-2005年间耕地的急剧减少，草地和建设用地的不同程度的增加，林地增加程度有限。其中增加的草地和建设用地主要来自耕地。
（3）在两期土地利用状况下，相对1980年土地利用情景，2005年土地利用状况下模型模拟地表径流增加133%。在漳河上游流域土地利用/覆被的影响主要受耕地、草地和建设用地变化的影响，其中建设用地的影响占主导地位。加之建设用地增加占流域总面积变化比重较明显，证实近年城镇化的发展对流域地表径流影响显著。
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更新时间：2024/12/23 7:07:01