土地利用变化对潘家口水库控制流域径流影响

王博威，李建柱，冯　平

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津　300072）

1　研究背景

自1990年代中期以来，潘家口水库入库径流量呈现显著下降的趋势，实测资料对比表明1984—2003年实测径流比1956—1983年平均减少了30.8%［1］。其中下垫面变化、上游用水量的增加等对流域水文过程产生了重要的影响［2-3］。但下垫面变化包括地质条件、土壤类型、植被覆盖、土地利用、防洪水保工程等多种形式，其中单纯土地利用变化对径流量减少到底起多大作用，一直没有明确的定量指标，而且研究土地利用变化对径流的影响，已成为国内外水文科学研究的热点问题［4-5］。

土地利用类型的变化会影响植被截留、下渗及蒸散发等水文过程，进而对流域水量平衡产生影响［6-7］。目前，土地利用变化对径流影响的研究方法主要为现场试验法和水文模型法。水文模型法由于具有一定的物理基础，可以考虑水文响应过程流域的空间异质性，广泛用于评价土地利用变化下的水文过程［8］。Baker等［9］对肯尼亚Njoro流域的研究显示，森林面积的减少会引起地表径流的增加，蒸散发和地下径流的减少。Viola等［10］应用LASH模型模拟不同土地利用情景下巴西Grande River流域的径流变化，结果表明林地向草地的转化会导致蒸散发和植被截留的减少，进而促使径流增加。Nigussie等［11］首先利用SLEUTH模型预测不同土地情景下的城市化程度，并应用HEC-1模型进行模拟分析，结果表明城市化面积加大会导致洪峰流量增加及汇流时间缩短，进而提高洪水发生的可能性。徐苏等［12］对长江流域的研究表明草场退化、荒漠化及城镇用地扩张，均会使径流系数增加。国内已有学者对滦河流域土地利用变化下的水文过程进行研究，史晓亮等［13］利用滦河流域1980年和2000年土地利用数据，从子流域的角度研究地表径流变化与主要景观类型变化之间的关系。曾思栋等［14］基于DTVGM-CASACNP和CA-Markov模型模拟了未来不同情景下滦河流域径流变化，表明2020—2049年间径流呈现下降趋势，相对来看汛期径流对情景变化更为敏感。

目前土地利用变化对径流影响的研究，大多分析土地利用变化对流域径流量的综合影响［15］，对流域内土地利用空间变化引起的水文分量空间变化分析较少。本文基于SWAT模型［16］从水文响应单元角度，分析土地利用变化对流域径流变化及水文分量空间分布的影响。以潘家口水库控制流域为研究对象，应用1970、1980、1995和2010年土地利用数据，综合分析土地利用时空变化特征，结合SWAT模型研究不同土地利用情景下的径流变化，定量评估单纯土地利用变化对潘家口水库控制流域径流变化的影响，以期为研究区域优化土地利用结构与水资源规划管理提供依据。

2　研究区域概况

潘家口水库位于河北省唐山市与承德地区的交界处，是“引滦入津”的主体工程，潘家口水库控制流域面积33 700 km2，占滦河流域总面积的75%（图1）。潘家口水库上游主要支流有闪电河、小滦河、伊逊河、兴洲河、武烈河、老牛河、柳河、瀑河等。流域地形呈西北高东南低，海拔高度范围为114～2215 m，平均坡降20.81%。流域属于典型的温带大陆性气候，多年平均气温6.5℃，多年平均降水量531 mm，年内分配不均，空间分布呈现由南向北递减的趋势［17］。流域的土地利用类型为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用土地，其中林地、草地和耕地占据主导地位，占流域总面积的94%以上。流域的主要土壤类型为棕壤和褐土。

图1　研究区域及水文气象站位置图

3　SWAT模型构建及适用性分析

3.1数据来源SWAT模型的构建需要数字高程数据（DEM）、土壤数据、土地利用数据及水文气象数据。数字高程数据（DEM）来源于中国科学院遥感与数字地球研究所，空间分辨率为30 m；土壤数据资料来源于HWSD土壤数据库（http：//www.fao.org），比例为1∶100万；土地利用数据来源于中国科学院遥感应用研究所提供的1970、1980、1995和2010年数据。气象数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）多伦、围场、承德及青龙气象站（图1）1959—2011年逐日气象数据，包括平均风速、日照时数、平均相对湿度、最低和最高气温等数据；降水和径流数据均来源于《中华人民共和国水文年鉴滦河流域水文资料》，降水数据选用选将营子、波罗诺、三道河子等10个雨量站（图1）1959—2011年逐日数据，径流数据选用三道河子（滦河流域）、韩家营（伊逊河流域）、承德（武烈河流域）及下板城（老牛河流域）水文站（图1）实测月径流数据，其中三道河子站和承德站的径流数据长度为1959—2011年，韩家营站为1959—2003年，下板城站为1968—2011年。

3.2模型构建SWAT模型首先根据地形和最小集水面积（Critical Source Area，CSA）阈值将整个流域划分成若干个子流域，并根据土地利用、土壤类型和坡度阈值划分各子流域的水文响应单元（Hydro-logic Response Units，HRUs），然后各水文响应单元独立计算产汇流过程，汇总至河网得到流域的总径流。文中CSA阈值取400 km2，将研究区域划分成34个子流域。划分水文响应单元时将土地利用、土壤类型和坡度阈值均设置为0，利用SWAT模型自动生成各水文响应单元的空间位置信息。

3.3模型适用性分析研究表明［17-18］，滦河流域径流序列的突变点为1979年，可认为1979年前的径流受人类活动影响较小［2，19］。因此，为了单纯评估土地利用变化对径流的影响，以1970年土地利用数据为下垫面条件，进行模型参数率定，并选取1959—1960年作为模型预热期，1961—1975年为率定期，1976—1979年为验证期。选择3.1节4个水文站，设定迭代次数为2000次，最终选用的率定参数及其取值如表1所示。

表1　SWAT模型率定参数及各流域取值

采用相关系数R2、Nash-Sutcliffe系数Ens评价模型在研究区域的适用性，得到各水文站率定期和验证期月径流实测值和模拟值对比图（图2）和适用性评价结果（表2）。根据模拟结果，各水文站率定期和验证期R2和Ens均高于0.51，其中承德站率定期和下板城站验证期的R2和Ens均高于0.80，模型适用性较好，可用于模拟研究区域的水文过程。

表2　模型月径流模拟结果评价

4　结果和分析

4.1土地利用变化分析将土地利用数据进行重分类，研究区域土地利用类型划分为林地、草地、耕地、水域、建设用地及未利用土地，各时期不同类型土地利用面积比例如图3所示。林地、草地和耕地是研究区域主要的土地利用类型，占流域总面积的94%以上，水域、建设用地及未利用土地所占比例较小。1970—2010年间研究区域林地面积持续增加，尤其在1995—2010年间大幅度增长，林地所占比例由40.47%上升至60.64%，成为绝对优势的土地利用类型。草地和耕地面积在1970—1980年间小幅增加，而在1980—2010年持续减少，草地所占比例由33.42%下降至19.78%，耕地所占比例由21.46%下降至15.23%。这与流域大规模退耕还林实际情况相符。水域面积1970—1980年间缩小73.2%，而在1980—2010年间变化不大。建设用地1970—1995年间所占比例稳定在0.3%，1995—2010年间由0.35%增加至1.65%，增加4.7倍。

将1970、1980、1995和2010年土地利用数据进行顺次空间叠加分析，得到各土地利用类型之间的转移量（表3）和空间变化（图4）。

图2　各水文站月径流实测值和模拟值对比

图3　研究区域各时期土地利用面积比例

图4　研究区域土地利用空间变化

1970—1980年间，土地利用变化主要体现为水域向其他土地利用类型的转化，导致水域面积大幅减小，其他土地利用类型面积均有增加。1980—1995年间，土地利用变化主要体现为林地、草地和耕地之间的相互转化。林地向草地及耕地的转化主要发生在滦河子流域北部、武烈河子流域和伊逊河子流域。草地向林地及耕地的转化主要发生在滦河子流域西部及老牛河子流域等研究区域下部。耕地向林地及草地的转化主要发生在伊逊河子流域。1995—2010年间，土地利用变化主要体现为林地、草地和耕地之间的相互转化以及各土地利用类型向建设用地的转化。林地向草地及耕地的转化主要发生在滦河子流域北部和研究区域下部。草地向林地的转化遍布整个研究区域，其中主要在滦河子流域北部、武烈河子流域和伊逊河子流域，草地向耕地的转化发生在研究区域下部。耕地向草地的转化主要发生在滦河子流域北部，耕地向林地的转化遍布整个研究区域。各土地利用类型向建设用地的转化主要发生在滦河子流域北部和研究区域下部。

表3　研究区域土地利用转移矩阵　（单位：km2）

4.2土地利用变化对流域水文过程空间上的影响本文从水文响应单元的角度分析土地利用变化对流域水文过程空间上的影响。由于缺少潘家口入库实测径流数据，本文选用滦河、伊逊河、武烈河及老牛河4个子流域，这4个子流域占研究区域面积的82.12%，能够较好地反映土地利用变化对潘家口水库控制流域水文过程的影响。保持气候输入和土壤输入不变，利用率定验证后的SWAT模型参数分别模拟1970、1980、1995和2010年4期土地利用情景下各流域1959—2011年的径流过程，得到1970—1980年、1980—1995年及1995—2010年3个时段各水文响应单元多年平均产流量和多年平均蒸发量的空间分布变化（图5）。结合土地利用空间变化（图4）可以看出：1970—1980年间水域向其他土地利用类型的转化使得产流量增加50 mm左右，蒸发量减少700～1020 mm；1980—1995年间伊逊河子流域内耕地向草地的转化使得产流量减少10～50 mm，蒸发量减少10 mm以内；武烈河子流域内林地向草地的转化使得产流量增加10 mm以内、蒸发量减少10 mm以内；1995—2010年间研究区域内草地向林地的转化使得产流量减少10 mm以内、蒸发量增加10 mm以内；武烈河子流域建设用地扩张使得产流量增加50～100 mm，蒸发量减少10 mm以内；滦河子流域内其他类型变化同样使得产流量减少10～50 mm，蒸发量增加10 mm以内。

4.3土地利用变化对流域径流的影响统计4期土地利用情景下各子流域的多年平均径流量及其变化率（表4）。各子流域多年平均径流量总体上呈现下降的趋势，滦河、伊逊河、武烈河及老牛河4个子流域2010年情景下多年平均径流量较1970年情景下分别减少0.79%、3.92%、17.44%及3.28%，平均减少了6.36%。分析原因在于各子流域内耕地及草地向林地转化，使得流域产流减少。其中武烈河子流域多年平均径流量减少17.44%，可见其径流量对土地利用变化最为敏感。

图5　多年平均产流及多年平均蒸发变化空间分布

表4　不同情景下各子流域模拟多年平均径流量及变化率

图6　不同情景下典型水文年径流量模拟

4.4土地利用变化对典型水文年径流的影响以径流量对土地利用变化最为敏感的承德站（武烈河子流域）为例，根据流域雨量站降雨数据频率分析，25%、50%和75%频率的降水量分别为573.01、503.41和436.58 mm，因此选取1998年、1970年和1988年作为典型的丰水、平水和枯水年。不同情景下典型水文年径流量模拟结果（图6）表明，典型水文年径流量变化与武烈河子流域多年平均径流量变化趋势相同，1970—1980年土地利用变化下各典型水文年多年平均径流量小幅增加0.10%左右、1980—1995年及1995—2010年土地利用变化下各典型水文年多年平均径流量减小，2010年土地利用情景下丰水、平水和枯水年模拟径流量较1970年情景下分别减少5.02%、20.47%和20.55%。土地利用变化对武烈河子流域典型水文年径流的影响程度：枯水年＞平水年＞丰水年。

4.5土地利用变化对流域水文要素变化的影响以水文响应单元为研究对象，分析不同土地利用下流域主要水文要素的变化，根据1970—1980年、1980—1995年及1995—2010年3个时段产流和蒸发的空间分布变化，可以得到土地利用变化对多年均产流量及蒸发量的影响（表5）。

草地、耕地向林地转移使得产流量分别平均减少6.19和31.12 mm，蒸发量分别平均增加0.79和0.94 mm，使得各子流域多年平均径流量呈现下降的趋势。其他土地利用类型向建设用地的转化使得产流增加量超过50 mm。各土地利用类型的产流量大小：建设用地＞未利用土地＞耕地＞草地＞林地；蒸发量大小：水域＞林地＞耕地＞草地＞未利用土地＞建设用地。

表5　多年平均产流量及蒸发量变化　（单位：mm）

5　结论

（1）构建潘家口水库控制流域的SWAT模型，为了单纯评估土地利用变化对径流的影响，以滦河流域1970年土地利用数据为下垫面条件，通过三道河子、韩家营、承德及下板城水文站的实测月径流资料对模型进行率定和验证，结果表明模型能较好地模拟研究区域的水文过程。

（2）对1970、1980、1995和2010年土地利用数据进行分析，林地、草地和耕地是主要的土地利用类型，占总面积的94%以上。土地利用变化存在时空差异，1970—1980年间主要为水域向其他土地利用类型的转化，1980—1995年间主要为林地、草地和耕地之间的相互转化，1995—2010年间主要为林地、草地和耕地之间的相互转化以及各土地利用类型向建设用地的转化。

（3）4期土地利用情景下，土地利用变化空间差异导致主要水文要素空间变化的差异性。土地利用变化对武烈河子流域典型水文年径流的影响程度：枯水年＞平水年＞丰水年。各土地利用类型的产流量大小：建设用地＞未利用土地＞耕地＞草地＞林地；蒸发量大小：水域＞林地＞耕地＞草地＞未利用土地＞建设用地。

（4）尽管在流域降雨量变化趋势不明显的情况下［17］，滦河潘家口水库控制流域径流量呈现显著下降的趋势［1］，但单纯土地利用变化对流域径流变化的影响并不是太大，其影响仅使径流量平均减少6.36%。其中武烈河子流域影响较为显著，使径流量减少17.44%，滦河子流域影响较小，使径流量减少0.79%。影响潘家口水库入库径流变化的主要因素应该是上游中小水库、塘坝等工程的修建，及工农业和城市用水量的大幅度增加等［20］。这一结论为区域优化土地利用结构与水资源规划管理提供了依据。

参考文献：

［1］冯平，李建柱，徐仙.潘家口水库入库水资源变化趋势及影响因素［J］.地理研究，2008，27（1）：213-220.

［2］刘学锋，向亮，翟建青 .环境变化对滦河流域径流影响的定量研究［J］.自然资源学报，2013，28（2）：244-252.

［3］付军，冯平 .降水丰枯及下垫面变化对滦河干流径流量的影响［J］.水力发电学报，2015，34（9）：10-19.

［4］王强，许有鹏，高斌，等.西苕溪流域径流对土地利用变化的空间响应分析［J］.自然资源学报，2017，32（4）：632-641.

［5］MONDAL A，KHARE D，KUNDU S.Impact assessment of climate change on future soil erosion and SOC loss［J］.Natural Hazards，2016，82（3）：1515-1539.

［6］KUNDU S，KHARE D，MONDAL A.Past，present and future land use changes and their impact on water bal-ance［J］.Journal of Environmental Management，2017，197：582-596.

［7］刘春蓁，占车生，夏军，等.关于气候变化与人类活动对径流影响研究的评述［J］.水利学报，2014，45（4）：379-385，393.

［8］DU J，RUI H，ZUO T，et al.Hydrological Simulation by SWAT Model with Fixed and Varied Parameterization Approaches Under Land Use Change［J］.Water Resources Management，2013，27（8）：2823-2838.

［9 ］BAKER T J，MILLER S N.Using the Soil and Water Assessment Tool（SWAT）to assess land use impact on water resources in an East African watershed［J］.Journal of Hydrology，2013，486（8）：100-111.

［10］VIOLA M R，MELLO C R，BESKOW S，et al.Impacts of Land-use Changes on the Hydrology of the Grande River Basin Headwaters，Southeastern Brazil［J］.Water Resources Management，2014，28（13）：4537-4550.

［11］NIGUSSIE T A，ALTUNKAYNAK A.Assessing the Hydrological Response of Ayamama Watershed from Urbanization Predicted under Various Landuse Policy Scenarios［J］.Water Resources Management，2016，30（10）：3427-3441.

［12］徐苏，张永勇，窦明，等.长江流域土地利用时空变化特征及其径流效应［J］.地理科学进展，2017，36（4）：426-436.

［13］史晓亮，杨志勇，严登华，等 .滦河流域土地利用/覆被变化的水文响应［J］.水科学进展，2014，25（1）：21-27.

［14］曾思栋，夏军，杜鸿，等.气候变化、土地利用/覆被变化及CO2浓度升高对滦河流域径流的影响［J］.水科学进展，2014，25（1）：10-20.

［15］郝振纯，苏振宽.土地利用变化对海河流域典型区域的径流影响［J］.水科学进展，2015，26（4）：491-499.

［16］ARNOLD J G，SRINIVASAN R，MUTTIAH R S，et al.Large area hydrologic modeling and assessment Part I：model application［J］.Journal of the American Water Resources Association，1998，34（1）：73-89.

［17］LI J，TAN S，CHEN F，et al.Quantitatively analyze the impact of land use/land cover change on annual runoff decrease［J］.Natural Hazards，2014，74（2）：1191-1207.

［18］LI J，FENG P.Runoff variations in the Luanhe River Basin during 1956-2002［J］.Journal of Geographical Sciences，2007，17（3）：339-350.

［19］WANG W，SHAO Q，YANG T，et al.Quantitative assessment of the impact of climate variability and human activities on runoff changes：a case study in four catchments of the Haihe River basin，China［J］.Hydrological Processes，2013，27（8）：1158-1174.

［20］LI J，LI G，ZHOU S，et al.Quantifying the effects of land surface change on annual runoff considering precipitation variability by SWAT［J］.Water Resources Management，2016，30（3）：1-14.