李烁阳, 刘小燕, 杨贵羽, 刘奇真

(1.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018; 2.中国水利水电科学研究院水资源研究所, 北京 100038; 3.内蒙古金华源环境资源工程咨询有限责任公司, 呼和浩特 010018)

流域的水量与能量的平衡一定的程度上受土地利用的影响[1]，土地利用的变化影响或改变了原有流域的水循环过程[2]；在全球气候变化的长时间尺度下，土地利用变化是影响流域水文过程的一个重要因素[3-4]。而河道径流的大幅波动是流域水文过程发生变化最直观的体现[5-6]，据相关研究表明，渭河流域河道径流量呈显著减少趋势，自1980年以来径流减少量达35%[7]。径流量减少是由土地利用变化、气候变化、取用水、水利工程建设等一系列因素综合造成的结果，其中，土地利用变化对径流的影响主要体现在降水再分配的过程[8]，且土地利用的变化也是对水土保持措施，人口城镇化发展的侧面反映，同时通过蒸散发的变化可间接反映出水资源消耗的空间分布。由此，以流域水文过程中的蒸散发、地下水补给量、地表产流量和河道径流量为代表，着重分析土地利用变化引起径流衰减的原因和各水文分量在空间变化的差异性。对流域水资源管理与土地利用规划具有重要的研究意义。

土地利用变化对径流的影响研究的方法主要有：对比分析不同森林植被类型流域的径流变化情况、利用长序列水文要素的统计参数计算土地利用变化对径流的影响、利用遥感与具有物理计算过程的分布式水文模型来研究土地利用变化对区域水资源演变的影响。采用流域对比和数理统计的方式对径流变化进行综合性的概述，由于方法的局限性，较难从空间变化和各水文分量上考虑径流与土地利用变化的响应关系[9-10]。而分布式水文模型根据水量平衡原理，考虑气候空间分布、土质、土壤和地貌类型等各因素空间分布的差异性，可以对流域复杂水文过程中的各水文分量及其空间分布进行详细的刻画。如SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)是1994年由美国农业部(USDA)农业研究中心开发的，是基于水量平衡计算具有较强的物理过程的分布式模型[11-12]，可以在不同土地利用情境下对流域径流及其他水文分量进行有效的模拟[13]，目前SWAT模型广泛的应用于土地利用变化与水资源的研究中且取得较好的模拟效果。

土地利用变化对径流产生影响的同时，流域水文过程也发生着变化。目前，对于径流变化原因的分析主要从土地利用变化与径流变化建立关系分析，而从流域水文过程中各水文分量空间变化差异性的角度揭示土地利用对径流变化原因的分析较少。本文利用SWAT模型，以模型生成的子流域为基本单元，在1980年、2000年和2015年三期土地利用情境下，分析渭河流域土地利用变化对各区域水文分量空间分布差异性及入黄径流量的影响，以揭示土地利用演化过程中对径流的影响程度和土地利用变化对水文过程分量南北变化的差异性。本研究对流域土地利用规划和水资源合理利用有重要的参考意义。

1 流域概况与数据来源

1.1 流域概况

渭河发源于甘肃省定西市鸟鼠山，流经甘肃省天水、陕西省宝鸡、咸阳、渭南等地，于陕西省潼关县汇入黄河，是黄河最大的一级支流，全长约818 km；流域面积约为13.48万km2(图1)。流域支流较多，水系多成不规则的扇形分布。其中南部支流较多，但支流流程短，北部支流相对较少，但有两条最大的支流分别为泾河和北洛河，两个支流的流域面积分别占渭河流域面积的33.7%和20.0%。渭河流域地形地貌较为复杂，呈现出“西高东低、南北高中部低”的地势，北部主要为黄土高原，南部为秦岭山脉的北坡，中部为肥沃的关中平原。渭河流域地处大陆性季风气候区、干旱和半湿润地区的过渡地带，渭河流域年均气温约为9.8℃，夏季炎热多雨，降水约为540 mm，受地形和大气环流等因素的影响，流域降水分布由东南向西北递减，空间差异相对较大[14]。由于其复杂多样的气候特点和土壤地貌类型，也造成了各区域产汇流差异性也较大。

图1 渭河流域地理位置及水文气象站点分布

1.2 数据来源

通过对流域内及其周边气象站的筛选，选取可以涵盖研究区，且分布较均匀的吴旗、平凉、洛川、长武和华家岭等29个站点(图1)1959—2016年逐日数据；包含降水、最高气温、最低气温、相对湿度、风速、日照时数的气象数据来源于中国气象数据共享网(http:∥cdc.cma.gov.cn)。流域内状头、张家山、林家村、咸阳和华县5个水文站(图1)1960—2016年逐月径流资料来源于中国黄河流域水文年鉴。建立SWAT模型所需的栅格数据包含数字高程(DEM)、土地利用和土壤数据HWSD，空间分辨率均为1 km。DEM和HWSD土壤数据库均中国科学院寒区旱区科学数据中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)；1980年、2000年和2015年三期土地利用数据来源于资源环境数据云平台(http:∥www.resdc.cn)。

1.3 流域径流变化情况

渭河流域径流主要监测水文站有状头站、张家山站、林家村站、咸阳站和华县站，其站点位置及控制范围见图1。1960—2016年渭河流域径流量减少趋势，状头站、张家山站、林家村站、咸阳站和华县站1960—2016年控制的不同尺度子流域径流均呈现出显著减少趋势。1960—2016年各水文站径流减少趋势见图2，径流平均减少率分别为9.3，7.3，4.6，2.4，0.9亿m3/10 a。

1960—2016年渭河流域总径流量约71.28亿m3，其中北部泾河张家山站和北洛河状头站径流量占21.6%和11.13%，渭河上游林家村站径流占总径流26.14%，各站径流量占总径流量比例见表1。

表1 5个站的径流分别占总径流的情况

2 建立SWAT模型与模型适用性分析

2.1 SWAT模型构建

SWAT模型计算的基本单元是水文响应单元(HRU)，根据水量平衡方程，计算各水文分量(降水、实际蒸发、土壤含水量、地表径流、地下水补给量、回流等)在各HRU中的相互转化运移，经水系汇流到流域出口以实现流域水文过程的模拟。建模过程中，首先利用数字高程数据(DEM)，将渭河流域划分为121个子流域；然后根据土地利用、土壤类型和流域坡度等栅格数据叠加生成了850个具有唯一子流域编号、土地利用类型、土壤类型和坡度的最小计算单元(HRU)。

2.2 模型适用性分析

根据相关研究[7,15]表明，渭河流域径流变化的突变点出现在1970年和1991年左右，在1970年以前径流的变化相对较平稳且相对处于丰水期[7]，可以认为1970年之前径流过程受人类活动影响较少。据Kannan等[16]认为在进行SWAT模型率定验证时应选择径流较平稳的时期。因此，选择1960—1965年为参数率定期，1966—1970年为模型验证期。采用“先支流再干流、先上游再下游”的方式对渭河流域状头、张家山、林家村、咸阳和华县水文站逐月径流进行参数率定和模型模拟验证。利用Nash-Suttcliffe效率系数[17](ENS)、决定性系数[16](R2)和相对误差[18](Re)，对模型的适用性进行评价。水文站模拟效果图和模拟适用性分析见图3和表2所示。根据模拟效果可知，各站的ENS和R2均在0.5以上，个别站达0.8以上，各站模拟相对误差在25%以下，大多数站点的相对误差均在15%以下，模拟效果达到要求[19]。SWAT模型在渭河流域具有较好的适用性且能够反映不同区域流域产汇流的差异性，可以用于模拟土地利用变化的研究。

图2 1960-2016年渭河流域各水文站径流演变规律

图3 渭河流域各水文站月径流模拟效果校验

表2 SWAT模型模拟效果评价

3 结果与分析

3.1 土地利用变化与情景设定

3.1.1 土地利用变化 根据渭河流域1980年、2000年、2015年三期土地利用空间分布，流域内土地利用类型以耕地、草地和林地为主，三者之和占总面积的95%以上，其中耕地面积占总面积的40%以上，草地占35%以上，林地占15%以上。对比1980年、2000年、2015年三期土地利用变化(表3)；耕地呈现出先增加后减少的趋势，2015年耕地面积较1980年减少约1961 km2；草地和林地呈现出先减少后增加的趋势，增加出现在2000—2015年，林地增加量远大于前20 a减少量。居民地和工业用地面积呈现增加趋势且随着年代推移增加的面积越大，2015年比1980年居民地增加1139 km2，工业用地增加了206 km2。土地利用变化的形态直观的反映了区域城镇化、工业化的发展和我国实施退耕还林还草措施和90年代以来生态环境恢复与保护的国家策略。

表3 1980年以来渭河流域土地利用变化特征 km2

在空间上，为了凸显土地利用变化区域，将三期土地利用变化图在GIS中进行叠加，可以直观的显示出土地利用在空间上的变化(图4)。根据GIS叠加计算结果显示，1980—2000年变化区域面积占流域总面积的1.47%，2000—2015年变化区域面积占2.42%，1980—2015年变化区域面积占3.56%。

图4 土地利用类型空间变化

3.1.2 情景设定 本文以1980年、2000年和2015年为代表，分析近35 a土地利用变化对径流及各区域水文过程的影响的差异性。然而近35 a土地利用变化是各土地类型互相转化的综合反映，以SWAT模型生成的子流域为基本单元较难分离出某一土地利用类型转化对径流及其他水文分量的影响。由此设立3种单一的土地利用情景(表4)，分析土地利用类型互相转化对不同区域水文分量变化差异性的影响。为未来土地利用规划及流域水土资源配置提供一定的借鉴。

表4 不同土地利用情景设置

3.2 近35 a土地利用变化对径流的影响情况

流域出口断面径流发生变化同时流域水文过程也发生着变化，本文以土地利用变化为研究变量，分析土地利用变化对水文过程影响的空间差异性。着重分析蒸散发(ET)、地下水补给量(PREC)和地表产流量(SURQ)；蒸散发是流域水资源消耗的主要因素之一；由于土地利用变化对地表的产流机制具有一定的影响，SURQ地表产流量是由降水引起的地表产生径流并汇入河道的水量。土地利用、植被类型的变化对产汇流过程中的植被的截留、地表产水系数等具有一定的影响，地表水流停留时间和降水入渗发生变化，进而对水分穿过根区底部到达浅水面有一定的影响，PREC地下水补给量是指根区底部的渗透水量，即水分离开根区底部到达浅层含水层的水量。

3.2.1 近35 a土地利用变化对水文分量及入黄径流量影响 在1980年、2000年和2015年土地利用情境下的各水文分量见图5，相对于L2和L1情景，在L3情境下全流域蒸散发分别增加0.39 mm和0.57 mm；地表产流量减少了0.2 mm和0.66 mm；地下水补给量分别增加了0.01 mm和0.03 mm。同时，比较2000年和1980年下垫面的变化也呈现出相似的特征。近35 a流域蒸散发和地下水补给的增加，地表产流量的减少，这与近些年城镇化和工业化发展水平的推进、退耕还林还草、植树造林和一些水土保持措施息息相关。

图5 近35 a土地利用变化对流域入黄径流及其他水文分量的影响

结合土地利用变化和水文分量变化分析，由于土地利用的变化量较小，水文分量变化并不明显。在水文分量发生变化背景下，分析可以综合体现水文分量发生变化的渭河流域径流量(入黄流量)。结果见图5,2015年土地利用情景相比于2000年、1980年情景，径流分别减少了0.51亿m3,0.76亿m3。

3.2.2 近35 a土地利用变化对水文分量空间差异性的影响 以SWAT模型划分的121个子流域和流域水资源的5个分区(北洛河流域、泾河流域、渭河上游、渭河中游和渭河下游)为基本单元，分析近35 a由土地利用变化引起流域水文分量的空间变化(图6)。(1) 蒸散发空间变化2015年土地利用与1980年相比蒸散发空间变化集中表现为渭河中游和下游区域蒸散发变化相对较大，分别增长2.295 mm和1.719 mm；而北洛河流域却呈现出蒸散发减少的态势，较1980年蒸散发减少了0.063 mm。(2) 地下水补给量空间变化在土地利用变化过程中，渭河流域北部和西部(即北洛河流域、泾河流域和渭河上游)地下水补给量呈现出减少的趋势，而流域中游和下游呈现出增加趋势。2015年土地利用相比于1980年，渭河中游和下游地下水补给量分别增加了0.466 mm和0.213 mm，北洛河流域、泾河流域和渭河上游分别减少了0.076 mm，0.044 mm和0.0126 mm。(3) 地表产流量空间变化2015年土地利用情境下相对于1980年全流域地表产流量均呈减少趋势，渭河中游和下游地表产流减少量较大，渭河中游地表产流量减少最大，减少了2.867 mm；渭河下游地表产流减少量次之，减少量为1.959 mm，北洛河流域、泾河流域和渭河上游地表产流量变化较小，其变化量小于0.01 mm。

图6 土地利用变化对水文分量空间变化的影响

3.3 单一土地利用下的径流响应

3.3.1 单一土地利用转化对渭河流域径流量影响 单一土地利用变化情境下的水文分量(蒸散发、地下水补给量和地表产流量)。比较L6情景与L4，L5可见，对整个流域平均水平而言，流域耕地转化为草地和林地，蒸散发增加了20.17 mm和45.83 mm，地下水补给量增加了4.14 mm和4.97 mm，地表产流量减少了24.59 mm和49.81 mm；林草地具有较好水源涵养能力，可以增加地下水补给量，但减少地表产流量，对地表产流有较强的调蓄作用。

结合在单一土地利用变化条件下整体的流域水文分量情况，模拟入黄径流量的变化(图7)，以分析单一的土地利用变化对流域河道径流的影响。由全部耕地(L1)情景转化为全部草地(L2)情景和全部林地(L3)情景入黄流量分别减少了27.31，60.95亿m3，由全部草地(L2)情景转化为全部林地(L3)情景入黄流量减少33.64亿m3。

图7 单一土地利用变化对流域水文分量影响

通过以上对流域水文分量及入黄径流量的分析，各水文分量在土地利用转化过程中，具有一定的关联性，对于流域的土地利用规划不应该单一的强调某一分量的最大极值化，而应对流域土地利用进行综合规划以实现蒸散发、地下水补给量、地表产流量和径流量等分量最优化情景。

3.3.2 在空间变化差异性上土地利用转化对水文分量的影响 渭河流域地处大陆性季风气候区、干旱地区和湿润地区的过渡地带，西高东低，土壤、地貌类型复杂多变，由南向北为秦岭北坡、关中盆地以及黄土高原，相应的气候条件(流域降水分布由东南向西北递减)、土壤、地貌类型南北差异性较大[20-21]，引起的南北产汇流类型具有一定的差异[20,22]；即使相同的土地利用类型转化也会造成水文分量在空间上变化的不同。由此，对单一土地利用变化情景下水文分量的空间变化进行分析(图8)，旨在分析水文分量对土地利用类型转化的空间响应关系。

进一步比较蒸发和地下水补给量可更加明晰的剖析由土地利用变化导致流域径流量变化的原因。由耕地转化为林地或草地，蒸散发(流域水平衡分项中的消耗量)呈现林地>草地>耕地。然而在区域降水量东南多西部少的背景下，对于北部降水量较小、土壤含水量较低的黄土区域，随着植被类型的变化，降水一方面被林草地植被截留消耗，另一方面蓄存于土壤非饱和带被蒸发和植物消耗，而导致地表径流量下降。对于中南部，降水量较为丰富，土壤含水量相对较高，在林草地对降水产流的滞留作用下，降水在地表滞留时间较长，地下水补给量较多；同时林草地植被盖度远大于耕地，随着植被盖度的增加蒸发量也呈现增加；在二者的共同作用下，区域的径流量必然减少。总体上，流域北部(降水较少区域)由土地利用变化引起径流减少的原因主要为蒸发与植物消耗，而中南部为降水滞留时间延长地下水补给量增加。

图8 单一土地利用变化对水文分量空间变化的影响

就地下水补给量(PREC)的空间变化而言，其空间变化特征为北部为减少态势，而中南部(关中平原与秦岭北坡)为增加态势。其原因在于地表产流量林地<草地<耕地，在流域北部地区降水量较少，虽然降水产流会被林草地滞留，但林地草地对水资源的消耗本身较大，降水多用于植物自身生长而吸收，进而较少水量可以穿过根区，因此北部地下水补给量(PREC)变少。

在渭河流域降水东南多西北少的空间分布背景下，当耕地转化为草地、林地或草地转化为林地时，流域蒸散发、地下水补给量和地表产流量的变化幅度均呈现出：干流区域大于支流区域、中下游区域大于上游区域的变化特点；虽然南北相同土地利用变化，但是水文分量对土地利用变化呈现出来响应的敏感程度不同，中下游水文分量变化对土地利用变化更为敏感。

4 结 论

(1) 建立渭河流域的SWAT模型，以华县、咸阳、林家村、张家山和状头5个水文站的月径流量对模型进行参数率定和适用性分析；结果显示：评价各站模拟效果的NS，R2和Re均满足模拟要求，构建的渭河流域SWAT模型可很好的反映不同区域产汇流的差异性且具有较好的模拟效果，可以用于模拟土地利用变化的研究。

(2) 渭河流域主要土地利用类型为耕地、草地和林地，占总面积的95%以上。耕地呈先增加后减少的趋势，草地和林地均呈先减少后增加的趋势。2015年土地利用情况与1980年相比耕地约减少1961 km2，草地减少43 km2，林地增加517 km2。利用ArcGIS叠加三期土地利用分析，变化区域面积占比不足流域总面积的5%。

(3) 在气候条件不变的情况下，定量分析水文分量与土地利用变化的响应关系，发现由土地利用变化引起的流域蒸散发和地下水补给量呈增加趋势，地表产流量减少趋势。以流域水文过程中水文分量变化角度，全面的揭示了渭河流域径流变化的原因及各区域水文分量变化的差异性。

(4) 由耕地转化为草地、林地，蒸散发增加了20.17 mm和45.83 mm，地下水补给量增加了4.14 mm和4.97 mm，地表产流量减少了24.59 mm和49.59 mm；在转化过程中蒸散发的增加是产流减少的主要原因。在空间响应上，流域中下游水文分量对土地利用变化空间响应敏感程度高于支流和上游；流域北部(降水较少区域)由土地利用变化引起径流减少的原因主要为蒸发与植物消耗，中南部径流减少的原因主要为林草地增加降水滞留时间增加地下水补给量。