土地利用/覆被变化对典型流域径流的影响研究

2015-04-23赵志杰

地下水 2015年6期

赵志杰

(河北省保定水文水资源勘测局，河北保定071051)

近年来由人类活动引起的地球环境变化越来越明显，土地利用/覆被变化是全球环境变化的重要组成部分，受到广泛关注。土地利用/覆被变化对区域水资源、水文循环过程的影响研究，早期大都采用小流域实验法或传统水文模型。随着计算机和3S技术的应用，基于GIS和遥感数据，利用分布式水文模型，对流域尺度的水文过程进行模拟，在我国许多流域已经取得进展［1－3］。

王快水库位于海河流域大清河水系，土地覆被类型多样，径流主要由降水及降水入渗补给，年内、年际变化与降水变化基本一致，具有良好的代表性。选取王快水库以上流域作为山区典型小流域，利用SWAT模型模拟土地利用/覆被变化对流域径流的影响。

1 流域概况

王快水库位于沙河中上游。沙河发源于山西省灵邱、繁峙两县，南北两支流汇合于阜平县的杜梨村，中途有鹞子河、板峪河汇入，流至草厂口村南于胭脂河一起汇入王快水库，出库后经曲阳、新乐、定州，至安国军洗村后称潴龙河。王快水库以上流域面积 3 770 km2［4］。

王快水库所处区域属温带半干旱大陆性气候，四季分明，多年平均气温在11.3℃ ～14.6℃之间。流域内多年平均降雨量626 mm，多集中在7、8、9三个月。流域土地利用类型主要包括林地、耕地、城镇及居民点、裸地、水域5类。山区土地利用类型以林地、裸岩为主，平原区以耕地、城镇居民点为主，土壤类型主要包括褐土、潮土、粗骨土、棕壤等12种。

2 流域径流特征

保定市第二次水资源评价中［5］，采用1956～2000年系列实测径流资料进行还原计算，得出王快水库以上流域年径流特征值(表1)。王快水库以上流域径流量年际变化剧烈，最大值是最小值的45.2倍，年径流量呈现递减趋势。年内多集中在汛期(6～9月份)，汛期平均径流量4.16，占全年径流量的73.6%。

表1 王快水库以上流域年径流特征值亿m3

王快水库以上流域年径流的变化既受气候因素(如降水量)影响，也受人类活动的影响。大规模的兴建蓄水、引水工程，在很大程度上改变了河川径流的天然情势;小流域综合治理，封山育林、人工造林等水土保持措施的实施，使流域下垫面条件发生改变，也是影响流域径流变化的重要因素。有研究表明［6］，王快水库以上流域径流量演变过程可分三个阶段:基准期1956～1979年和变化期1980～1995年及1996～2008年。因人类活动的影响，1980～1995年变化期径流量减少26.5%，1996～2008年变化期径流量减少37.1%。

3 土地利用/覆被变化对流域径流的影响

持续的开发建设和水土流失治理，改变了王快水库以上流域土地利用类型和植被，土地利用/覆被变化可改变地表蒸发、土壤水分状况及地表植被截留蒸散等，影响水分在流域中的再分配和运行过程，从而改变流域水文循环和水文特征。运用SWAT模型可在流域尺度上模拟其变化过程。

3.1 SWAT模型

SWAT(Soil and Water Assessment Too1)模型是20世纪90年代美国农业部(USDA)农业研究中心(ARS)开发的流域尺度、时间连续、基于过程的分布式水文模型，它可以在水文响应单元的空间尺度上模拟地表径流、入渗、蒸散发、物质输移等多种过程，可预测大流域尺度下复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施对这些过程的影响［9］。SWAT模型需要的基础数据包括数字高程模型(DEM)、土地利用/覆被(LULC)数据、土壤类型及属性数据、水文气象资料等，通过输入地形高程(DEM)数据，将流域划分成多个子流域，根据土壤类型和土地利用数据，把每个子流域细分为多个水文响应单元(HRU)，进行径流、泥沙、水质模拟［7］。

3.2 LUCC 情景建立

根据极端土地利用法建立以下4种土地覆被情景:(1)2009年的现状植被，用以对照其他3种LUCC情景的白洋淀山区径流量变化情况;(2)假设流域生态一直向恶性方向发展，林地大量砍伐，地表无任何植被覆盖，均为裸岩;(3)假设流域生态朝良性方向发展，林地大面积恢复且长势良好，地表全部被林地所覆盖;(4)从实际出发，假设未来几年内达到最佳的土地覆被状况，水域、森林、耕地、果树合理配置，不存在未利用土地。

3.3 LUCC对径流的影响

根据建立的4种LUCC情景模式，分别模拟了王快水库流域2005～2010年共6年的径流量(表2、图1)。由图表可以看出:(1)模拟径流量最大值为地表全为裸岩覆盖情景，此时径流量比对照情景增加了10.7%，而径流量最小值为未来最佳植被覆盖情景，比对照情景减少了7.2%。模拟径流量由大到小依次为裸岩覆盖、现状植被、森林覆盖、未来最佳植被，这表明随林地面积的增加，径流逐渐减小。(2)未来最佳植被与森林覆盖两种情景相对比，因果园较森林蒸散更剧烈，蓄水能力更小，导致径流量最小。

表2 王快水库以上流域不同LUCC情景年均径流深

图1 王快水库以上流域不同LUCC情景年径流量

对4种LUCC情景在月时间尺度上进行径流模拟，统计多年月平均径流量(表3)。结果表明:(1)土地覆被变化对汛期(6～9月份)径流量影响较大，对非汛期的影响则不明显。(2)汛期径流最大值出现在7月份裸岩覆盖类型，相比对照情景增加了43.3%，径流最小值出现在7月份森林覆盖类型，相比对照情景减少了26.2%。说明随土地覆被的增加，汛期径流显著减少。(3)裸岩覆盖类型径流变化最为明显，汛期径流量大幅度增加，平均变化率为23.9%，而非汛期径流呈减少趋势，平均变化率为－14.1%。其它土地覆被类型与之相反，汛期由于植被截留蒸散、根系吸收等作用导致流域径流量减少，非汛期由于根系对土壤的疏松作用，使土壤侧向流增加，从而增加流域径流量。