田 甜, 牟凤云, 王俊秀, 赵灵晰, 陈 林, 李秋彦

(1.重庆交通大学 建筑与城市规划学院, 重庆 400074; 2.国家信息中心 公共技术服务部, 北京 100045)

土地利用变化是人类利用自然环境的显著特征，也是经济社会发展的重要驱动力之一，主要原因在于土地利用变化对自然环境系统会造成剧烈的影响，地表径流形成过程就是其中之一。地表径流的产生具有复杂性，不仅受到降雨量、土地利用方式的影响，同时还受其他自然要素时空分布综合作用。短期来看对地表径流产生影响的关键要素就是土地利用的改变[1]，它会直接改变地表水资源数量及时空分布，因此探究土地利用变化对地表径流的影响机制，可为合理规划土地利用、水资源管理等提供重要依据。

20世纪50年代，美国农业部水土保持局成功开发适用于中小尺度空间[2]的SCS水文模型[3]。国内外学者以此为支撑对地表径流受土地利用变化的影响展开大量分析研究，成果显著。主要围绕地表径流模拟[4-6]、模型参数改进[7-8]、SCS与其他模型集成等[9]方面。在地表径流模拟方面，Shrimali等[4]以苏克纳湖流域为研究对象，基于SCS水文模型采用遥感和地理信息系统技术计算模拟地表径流；史培军等[5]以深圳市为研究对象，研究地表径流对土地利用变化的响应，结果表明城市化使地表径流量大幅增加；牟凤云等[6]基于SCS水文模型模拟不同降雨情景下巫山县径流空间分布特征，并对巫山县公路洪灾进行风险评价。在模型参数改进方面，Mishra等[7]探讨蒸散量对初损估计值的影响，改进模型并对大尺度研究区降雨径流进行模拟；张卫等[8]利用降雨径流实测数据反演CN值，并建立了CN值与降雨量的回归模型。在与其他模型集成方面，俞彦等[9]对比分析SCS模型和新安江模型反推的临界雨量并与真实值比较，并判断二者的模拟精度。

综上，目前基于SCS水文模型对土地利用变化与地表径流关系的研究主要集中在中小流域，对城市的研究较少，近年来，随着城市化进程加快，各土地利用类型相互转化愈发显著，地表径流也随之发生剧烈变化。截至2015年底，重庆市主城区平均城镇化率达到90.10%，其中巴南区最低为78.28%，渝中区最高达100%，城镇化率的不断提高与人口向发达地区聚集和土地利用类型转化密切相关；本文利用SCS水文模型模拟重庆市主城区枯水期、平水期、丰水期地表径流，为重庆市主城区土地利用结构调整、水资源利用及洪涝灾害防治提供理论依据。

1 研究区概况

重庆市(图1)位于中国西南部，青藏高原与长江中下游地区的过渡带，四川盆地东南部，与湖北、陕西、四川、贵州、湖南5省接壤，重庆市由主城片区、渝西片区、渝东北片区及渝东南片区4大片区组成；主城片区位于重庆市中西部，位于东经106°12′—106°11′，北纬29°70′—30°70′，辖区面积5 472.68 km2，约占重庆市总面积的6.6%，主城区划分为9个行政区，分别为渝中区、江北区、沙坪坝区、渝北区、九龙坡区、大渡口区、北碚区、南岸区及巴南区；属亚热带季风性湿润气候，年平均气温16～18℃，大部分地区年平均降雨量为1 000～1 350 mm，降雨主要集中在7—8月，11月—次年3月份降雨相对较少，且降雨时段主要集中于夜间到凌晨。

图1 研究区概况

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究的数据主要包括重庆市主城区土地利用数据、土壤类别数据、重庆市主城区地面累年值月值数据集及行政区划图。其中重庆市主城区行政区划图和土地利用数据来源为资源环境数据云平台(www.resdc.cn)，土地利用数据共4期，时间节点为2000年、2005年、2010年及2015年，分辨率为30 m；土壤类别数据来源为国家土壤信息服务平台(www.soilinfo.cn/map/index.aspx)，分辨率为1 km；重庆市主城区地面累年值月值数据集来源为国家气象科学数据中心(www.data.cma.cn)，数据包括重庆市主城区辖区内4个国家级地面站点，记录了1981—2010年累年12个月20—20时降雨量均值。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用转移矩阵 研究区某时段内各土地利用类型之间的转换分析通常可以基于土地利用转移矩阵[10]来展开，它既可以反映研究末期各土地利用类型的转换方向及来源，又可以反映出转换的数量特征，从而反映出研究时段内研究区的土地利用变化特征。其表达式为:

(1)

式中:n为土地利用类型总数;i,j分别为研究初期与末期的土地利用类型(i,j=1,2,…,n);Sij为研究时段内由i地类转换为j地类的面积。

2.2.2 SCS水文模型 SCS水文模型[11]结构并不复杂，但具有较高的模拟精度，我国学者应用该模型进行了很多研究工作[12-15]。SCS水文模型的产流计算公式为：

(2)

(3)

式中:S，P，Q依次为滞留系数、降雨量与径流深度,单位都为mm,产流系数CN不具有量纲特性,取值范围为0～100,综合表示研究区水文特征,由土地利用类型、土壤性质及降雨前土壤湿润程度等因素共同决定,反映研究区降雨量与地表径流之间的关系。

由公式(3)可知，滞留系数S由产流系数CN确定，产流系数由土壤性质、土地利用类型及降雨量前土壤湿润程度所确定；根据土壤渗透性和导水性差异，可将土壤分为4类(表1)。重庆市主城区土壤类别主要有水稻土、棕壤和石灰土等，结合主城区土壤实际情况和SCS水文模型土壤分类标准[16]，主城区土壤被划分为B，C，D三大类。

表1 SCS模型水文土壤组的划分标准

本文以前期土壤湿润程度为正常状态(AMCⅡ)的基础上展开研究，产流系数CN综合体现地表各土地利用类型与土壤类别组合的产流属性，其大小反映了地表的产流能力强弱。通常情况下土壤类别状态稳定，CN值主要受土壤湿润程度和土地利用变化的影响；根据CN值查算表[17]，借鉴国内有关学者的研究成果[18]，并结合主城区土地利用和土壤类别数据，确定CN值矩阵，具体可参见表2。

表2 重庆市主城区在AMCⅡ状态下的CN值

3 结果与分析

3.1 土地利用变化特征

基于重庆市主城区2000—2015年4期土地利用数据，应用ArcGIS软件进行统计分析，可得出2000—2015年重庆市主城区土地利用结构图(图2)及转移矩阵(表3)。

图2 2000-2015年重庆市主城区土地利用

表3 2000-2015年重庆市主城区土地利用转移矩阵 km2

从土地利用结构分析可知，2000—2015年，重庆市主城区耕、林地占比较高，二者面积之和呈减少趋势，从4 954.76 km2减少到4 194.83 km2，占比从90.54%降低到76.65%；次之为建设用地，2000—2015年面积分别为230.32，501.45，750.43，932.55 km2，面积占比分别为4.21%，9.16%，13.71%，17.04%；草地呈波动变化，呈现出先增后减的特征，面积最终从168.51 km2减少为159.40 km2，占比从3.08%降低到2.91%；水域面积从111.92 km2增加到185.76 km2，占比从2.05%升高到3.39%。

从土地利用转换关系可知，重庆市主城区土地利用类型在2000—2005年转换显著，其中耕地和林地尤其突出，由于主城区城市化扩张和退耕还林的影响，耕地主要转化为林地(78.79 km2)和建设用地(164.08 km2)，林地一方面被增长的建设用地侵占，转化110.19 km2为建设用地，另一方面也受到三峡库区蓄水的影响，导致有24.82 km2的林地转化为水域，其他土地利用类型转化面积较少。2005—2010年主城区各土地利用类型之间的转化关系与2000—2005年基本相同，耕地转化为建设用地和林地的面积进一步增加，分别转化了186.47，91.23 km2，建设用地持续增长，除耕地外还由林地和草地转化得到。2010—2015年，主城区城市化进程进一步加快，建设用地主要由耕地(137.59 km2)和林地(109.71 km2)转化而来，建设用地相应地分别转化了23.93，40.56 km2为耕地和林地，耕地和林地相互转化，相比之下林地多转化了51.90 km2为耕地。

总体来看，2000—2015年重庆市主城区土地利用动态变化显著，具体特点体现为耕地、未利用土地面积明显减少，而水域、建设用地面积不断增长，对于草地、林地而言，则呈现出波动变化特点。主要原因有：(1) 1997年重庆市成为我国中西部的唯一直辖市，到新千年，更是将其纳为西部大开发关键城市，导致主城区城市化进程加快，建设用地依靠侵蚀耕地和林地实现快速增长；(2) 2000年重庆市被正式纳为退耕还林试点地区，导致大量耕地转化为林地，由于退耕还林效果具有时间滞后性，林地呈现先减少后增加的趋势；(3) 三峡大坝的修建导致库区水位上升，导致沿江的各种土地转化为水域，其中未利用土地的转化尤为明显。

3.2 SCS水文模型计算

根据SCS水文模型的产流计算公式(2)可知，径流深度计算需要确定研究区的降雨量P。降雨量由重庆市主城区辖区内4个国家级地面站点记录的1981—2010年累年值月值数据获取，以月降雨距平百分率<-20%，-20%～20%，>20%为指标[19]，降雨月型划分为枯水期、平水期、丰水期。根据主城区4个地面站点的全年各月降雨数据的平均值，结合重庆市全年降雨特点，得出1月份属枯水期，4月份属平水期，6月份属丰水期，降雨量分别为19.68，99.70，190.93 mm，本文以这3期降雨量来模拟主城区地表径流。

根据SCS水文模型要求，运用ArcGIS软件处理重庆市主城区相关数据，利用公式(2)模拟主城区2000年、2005年、2010年和2015年的地表径流深度(图3)。从不同降雨期分析径流深度空间演化趋势可知，枯水期主城区径流深度较低，2000—2015年径流深度低于14.58 mm，未产生径流的地区分别占主城区总面积的27.03%，25.96%，25.48%，23.93%，呈下降趋势，这些地区主要为主城区南北走向的山脉，西部的缙云山和中梁山、北部的龙王洞山、长江以北的铜锣山及东南部的莲花山，这些山脉的土地利用类型多为林地，径流系数较低，地表径流产生所需最小降雨量较大，在枯水期很难形成地表径流。从平水期和丰水期模拟结果可知，随着平水期、丰水期降雨量增加，主城区径流深度有明显提升，平水期和丰水期主城区径流深度分别为12.70～93.74 mm，62.45～184.85 mm。

图3 2000-2015年重庆市主城区径流深度

从不同降雨期2000—2015年重庆市主城区径流量统计结果来看(表4)，主城区2000—2015年径流量显著增长，枯水期、平水期、丰水期径流量范围分别为(456.20～887.93)万m3，(24 974.80～27 308.37)万m3，(67 789.15～70 960.97)万m3；2000—2015年主城区在枯水期、平水期、丰水期径流量涨幅分别达到了94.63%，9.34%，4.68%；同年随降雨的增加，径流量也呈增长趋势，枯水期与平水期、丰水期比较尤为明显。

3.3 土地利用变化对地表径流的影响

SCS模型模拟结论证实，重庆市主城区径流量持续增长(表4)，为探究主城区各土地利用类型在不同降雨期的产流能力差异，分别对主城区各土地利用类型在枯水期、平水期、丰水期的平均径流深度(表5)和总径流量(图4)进行分析。

表4 2000-2015重庆市主城区径流量 万m3

表5 重庆市主城区各土地利用类型平均径流深度 mm

图4 2000-2015年重庆市主城区径流量结构

从产流能力来看，各土地利用类型的产流能力存在明显差异，从弱到强排序为：林地、草地、耕地、未利用土地、建设用地、水域。

从径流量来看，主城区枯水期地表径流量较多的土地利用类型为水域、耕地及建设用地，由于耕地面积减少，径流量逐年减少，相反建筑用地径流量随着面积增加而升高；各土地利用类型在平水期和丰水期的径流量较多的是耕地、林地及建设用地，林地虽然产流能力弱，但因其面积大，径流量变化趋势与林地面积动态变化状态基本上维持一致。

本文比较了2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年重庆市主城区各地块的径流系数变化情况，分析主城区土地利用变化对地表径流空间演化趋势的影响，径流系数的空间变化情况可以体现研究时段内地表径流的演化趋势。从图5可以看出，2000—2015年径流系数未发生变化的区域占主城区总面积90%以上，说明这些地块的土地利用类型保持不变。径流系数降低的区域随机零星分布，大部分是由于退耕还林导致土地利用类型发生改变，导致径流系数减小。径流系数升高的区域主要围绕渝中区呈中心辐射发散分布，2000—2015年主城区建设用地从230.32 km2增至932.55 km2，导致径流系数较高的地块增加；2000—2005年径流系数升高区域主要集中于渝北区西南部，2003年重庆北站正式动工，导致城市向北扩张；2005—2010年径流系数升高区域主要在北碚中部地区、渝北中部地区及沙坪坝西部地区，2004年重庆市提出大学城“三步走”建设计划，导致沙坪坝西部地区土地利用变化加剧，建设用地聚集增加，地表径流系数升高；2010—2015年径流系数升高区域主要为渝北区南部地区、江北区中部地区及巴南区西部，在2010年，国务院批准了重庆市两江新区的建设，打造其为内陆地区对外开放的桥头堡，建筑用地对其他用地的侵占明显，导致其径流系数显著升高。总体来说，2000—2015年主城区径流系数增加区域主要分布于“两江四山”之间较平坦地区，主要呈现南北延伸趋势。

图5 2000-2015年重庆市主城区径流系数变化

为进一步分析土地利用变化对地表径流的影响，主城区按行政区划划分为渝中区、江北区、沙坪坝区等9个部分，选择各区县的耕地、林地、建设用地及其平均径流深度；参考有关学者[20]的研究，由Fragstats 4.2软件计算PLAND(斑块所占比例)、NP(斑块数量)、LPI(最大斑块指数)、COHESION(斑块结合指数)、DIVISION(破碎度)及AI(斑块聚集度)6个景观格局指数，共获得54组数据。利用SPSS软件对土地利用类型景观格局指数和平均径流深度进行相关性分析。由表6可知，经过相关系数显著性检验，耕地、林地、建设用地景观格局指数与平均径流深度的相关系数随降雨增加呈减小趋势，建筑用地相关系数比耕地、林地较大；其中平均径流深度与耕地、林地的PLAND，NP，LPI，COHESION，AI呈负相关，与DIVISION呈正相关；平均径流深度与建设用地PLAND，LPI，COHESION，AI具有极显著正相关性，相关系数范围分别为：0.93～0.72，0.82～0.59，0.61～0.58，0.73～0.64，与建设用地的NP，DIVISION呈极显著负相关，相关系数范围分别为-0.81～-0.56，-0.71～-0.45。建设用地相较于耕地和林地对地表径流的影响更加明显，耕地和林地下渗和拦截径流能力较强，产流能力较弱，建设用地产流能力较强，在建设用地持续增长过程中，合理增加其斑块数量、斑块破碎度，减少大面积建设用地聚集，从而减少地表径流。

表6 用地类型景观格局指数与平均径流深度的相关系数

4 结 论

(1) 2000—2015年，重庆市主城区的土地利用结构整体上相对稳定，主要以林地和耕地为主；未利用土地与耕地面积持续减少，建设用地、水域则呈现持续增长之势，其中建设用地面积由230.32 km2增加到932.55 km2，增幅达304.90%，林地面积呈先减后增的变化趋势，草地则与之相反；重庆市主城区土地利用变化主要受到城市化、退耕还林及三峡大坝蓄水等影响，主要表现为耕地转换为建设用地、林地及水域。

(2) 2000—2015年重庆市主城区枯水期、平水期、丰水期径流深度、径流量均呈逐年上升趋势，径流深度范围分别为0～14.58 mm，12.70～93.74 mm，62.45～184.85 mm，径流量增幅分别为94.63%，9.34%，4.68%，同年随降雨量的增加，径流量显著增加，由于林地径流系数较小，导致枯水期与平水期、丰水期径流量差距较大。

(3) 重庆市主城区各土地利用类型产流能力从弱到强分别为：林地、草地、耕地、未利用土地、建设用地、水域；2000—2015年主城区径流系数未发生变化的区域占总面积90%以上，径流系数降低的区域随机零星分布；径流系数增加区域主要分布于“两江四山”间较平坦地区，呈现南北延伸趋势；建设用地相较于耕地和林地对地表径流的影响更加明显，在城市化进程中可以通过增加建设用地斑块数量和破碎度、减少聚集度，合理增加绿地，进而减少城市地表径流量。

本文仅模拟了土壤湿润程度正常状态(AMCⅡ)下的地表径流，没有全面考虑前期土壤湿润对地表径流的影响；在接下来的研究中可以在不同土壤湿润程度状态下，综合探讨土地利用变化对地表径流的影响机理。