典型岩溶流域土地利用变化的水文响应

张程鹏，张凤娥，2，耿新新，2，王 伟，冀俊杰

（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄050061；2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室，石家庄050061；3.贵州省毕节市水文水资源局，贵州毕节551700）

中国西南岩溶地区干旱、洪涝灾害交替频发，生态环境脆弱［1］，岩溶旱涝灾害也是西南地区石漠化治理的障碍之一［2］。除异常气象条件之外，岩溶地区人类活动也是造成旱涝灾害的原因之一。随着人口经济的发展，人类开垦荒山、植树造林、填洼造田，改变了原始的土地利用方式，对流域水资源的形成、分布、转化产生了极为深远的影响［3］。因此，研究流域土地利用变化的水文响应，进而分析旱涝灾害的产生原因，具有一定的科学意义和应用前景。

大部分学者对土地利用变化引起的流域径流变化的研究是基于模型展开的。ZHANG［4］等利用MODIS-LAI 校准的SWAT模型研究了澳大利亚北约翰斯顿河流域土地利用变化对水平衡的影响，表明在降雨量、坡度和土壤质地相同的条件下，常绿林的产流量一般小于草地和城市用地，城市地表径流大而侧向径流和地下水较少；LUO［5］等利用FLUS-SWAT模型研究了中国柘溪河流域城市扩张土地利用变化的水文响应，表明森林和农业用地的减少将导致地表径流增加64.86%，地下水流量减少9.05%；ZHOU 等［6］基于了长江三角洲城市化水文响应，表明城市化对年产水量的影响较小，但对地表径流、洪峰流量和洪量的影响显著；王博威等［7］基于SWAT 模型分析了潘家口水库土地径流量减少的原因，耕地、草地向林地的转化导致产流量减少，蒸发量增加；黎云云等［8］研究表明渭河流域土地利用变化导致径流减少，支流减少程度大于干流；郝振纯等［9］研究表明海河流域林地的增加和草地的减少会降低汛期径流量以及最大月径流量。

目前，大多数研究都聚焦在径流量变化上，研究土地利用变化引起流域调蓄能力变化还不够深入，且对典型岩溶流域土地利用变化的水文响应研究较少。因此，本文基于SWAT 模型从流域整体和子流域角度进行分析，评估典型岩溶流域土地利用变化引起流域流量、产水量、调蓄能力的变化，以期为决策者提供减轻岩溶旱涝、防治石漠化的技术支持。

1 研究区概况

研究区（105°5′E～105°16′E，27°15′N～27°22′N）位于贵州省毕节市七星关区（图1），属倒天河流域上游部分，区内主要分布村镇，倒天河下游位于毕节城区内。倒天河发源于毕节市黄泥大娄山脉南麓，属乌江水系支流白甫河（落脚河）上游。

图1 研究区位置及区内水文要素Fig.1 Location of study area and hydrological elements

该区属亚热带季风湿润气候，冬无严寒，夏无酷暑，季风气候比较明显，降雨量较为充沛。1951-2017年多年平均降水量为1 134 mm，多年平均气温为12.6 ℃，多年平均相对湿度为81.5%。研究区地势西南高，东北低，海拔1 552～2 199 m，流域面积约105 km2，年均径流量0.43 亿m3，多年平均径流深409.5 mm，汛期为每年6-9月。

2 研究区数据收集与处理

2.1 地理空间数据

收集数据主要包括数字高程模型（DEM 数据），土地利用/覆盖数据（Land use 数据），土壤数据（Soil 数据），详细信息见表1。

表1 地理空间数据介绍Tab.1 Data of geospatial

2.2 气象水文数据

气象数据主要包括研究区多年日值降水量、日值高低温、日值相对湿度、日值太阳辐射量、日值风速，水文数据主要包括多年逐日平均径流量。气象站、水文站分布见图1，详细信息介绍见表2。其中，毕节站不在研究区内，但数据缺失时亦可使用，但效果不佳。SWAT 模型需要保证输入气象数据的起始日期和结束日期相同，其中缺测值可以用-99 代替，因此，综合气象和水文数据的时间序列，本文采用1990—2006年的气象数据和流量数据来运行SWAT模型。

表2 气象水文数据介绍Tab.2 Data of meteorological and hydrological

2.3 搭建属性数据库

数据属性库主要包括Land Use属性库、Soil属性库、坡度。

（1）Land Use 属性库。原始Land Use 数据自带二级分类数据，按模型要求重分类后添加对应属性，见表3。

表3 土地利用属性数据Tab.3 Attribute data of Land Use

（2）Soil 属性库。模型需要手动添加Soil 属性数据，根据原始数据自带的属性表，利用SPAW 软件的SWC 模块计算新的Soil属性数据，搭建了适用的土壤库。

（3）坡度。研究区坡度按照自然间断点分级法（Jenks）分为3级，即0～8.6，8.6～18.2，18.2～72。

3 模型原理及搭建

3.1 SWAT模型基本原理

SWAT 模型由美国农业部（USDA）农业研究机构的工程师J G Arnold开发［11］。其原理为水量平衡方程［12］，具体如下：

式中：∆SW、P、Q、ET、DP、QR分别表示土壤含水量、降水、地表径流、实际蒸散发、深层下渗和浅层回归流。

基于ArcGIS平台的ArcSWAT按照输入的DEM 数据自动提取河网，生成子流域，再按照不同的LandUse 数据、Soil 数据、坡地将子流域划分为HRU（水文响应单元），本文划分阈值为5%、10%、10%，通过输入降水量、温度、太阳辐射量、相对湿度、风速等信息，计算每个HRU的产汇流情况。

3.2 模型的校准与率定

通过SWAT-CUP 软件［13，14］不断改变相关参数，使得模型输出的河道流量水文信息与实测的流量数据不断拟合，以期得到最佳拟合效果时的最佳参数和最佳参数范围。本文选取R2（相关系数）和NSE（Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，纳什效率系数）两个目标函数来评价拟合效果，其计算方式为：

式中：Q表示流量，m3/s；m和s分别表示观测值和模拟值；i表示观测或模拟的次数。

目标函数的值越接近1，表示模拟值与实际值差别越小，模拟效果越好。目标函数置信区间见表4。

表4 目标函数置信区间Tab.4 Confidence interval of objective function

3.3 模拟的结果与评价

为模拟真实土地利用情况，1990-1997年使用1995年土地利用，1998-2002年使用2000年土地利用，2003-2006年使用2005年土地利用。以月步长运转模型，将1991-1992年作为预热期，1993-1997年作为校准期，1998-2002年作为验证期，2003-2006年作为验证期。

（1）流域划分结果。模型划定的研究区面积为104.970 km2，研究区被分为55 个子流域，其中出水口在12 号子流域，1995年土地利用下HRU 个数为454，2000年土地利用下HRU个数为456，2005年土地利用下HRU个数为431。

（2）参数率定结果。根据大量文献及学者建议，初步选取12 个相关参数进行率定，在1 000 次模拟后，选择较敏感的8 个参数作为选定参数，利用SWAT-CUP 软件进行调参，经每轮1 000 次模拟，5 轮迭代后，得到p-factor和r-factor合理的值（p＞0.75，r＜1），得到最佳参数范围和最佳参数。

（3）模型评价。流量模拟结果见图2。校准期（1993-1997年）R2=0.95，NSE=0.95，p-facto=0.78，r-factor=0.42，实测平均流量1.568，模拟平均流量1.564，误差0.3%；验证期（1998-2002年）R2=0.95，NSE=0.95，实测平均流量1.373，模拟平均流量1.447，误差5.3%；验证期（2003-2006年）R2=0.90，NSE=0.77，实测平均流量1.067，模拟平均流量1.226，误差14.9%。对比公式（2），（3）和表4，表明模拟结果良好，参数率定后的SWAT 可以用来评价该研究区水文情况。

4 土地利用变化的水文响应

研究区主要分布零散的村镇，土地利用类型主要有3种：耕地、林地、草地。为研究土地利用变化对该流域的水文响应，保持1990-2006年气象输入条件不变，设置5种情形。

表5 敏感参数率定结果Tab.5 Calibration results of sensitive parameters

图2 流量模拟结果Fig.2 Flow simulation results

表6 不同土地利用情景Tab.6 Land use scenarios

4.1 研究区土地利用变化

由土地利用变化分布图（图3）、土地利用类型占比图（图4）以及土地利用转移矩阵（表7、表8）分析得出，在20世纪末到21世纪初，研究区的土地利用变化趋势为：

（1）耕地面积逐渐增加，林地面积逐渐增加，草地面积逐渐减小；

（2）1995年到2000年，土地利用类型变化不大；2000年到2005年，土地利用类型变化剧烈，主要表现为草地转化为耕地和林地。

4.2 不同情景下研究区流量变化分析

将5 种情景下的土地利用数据代入模型，得到研究区流量数据，因不同情景下流量差异不大，做出了不同情景流量差值图（图5），可以更加直观的比较不同情景的流量差异。不同情景流量差值图表明：

（1）不同情景下的流量差异主要体现在雨季（汛期），旱季（非汛期）差异不明显；

（2）雨季差值为正、旱季差值为负，表明研究区调蓄能力减弱；雨季差值为负、旱季差值为正，表明研究区调蓄能力增强；

（3）情景2-情景1 反映了1995-2000年土地利用变化的水文响应，情景3-情景2 反映了2000-2005年土地利用变化的水文响应，两种土地利用变化均导致流域流量增加，调蓄能力减弱，并且后者比前者的影响更加明显；表明研究区土地利用类型由草地转为耕地会导致流域流量增加，调蓄能力减弱；

（4）情景4-情景3、情景5-情景3 反映了在2005年土地利用的基础上按照国家政策退耕还草、还林后流域流量变化，情景5-情景4 反映了耕地还草、还林两种方式之间的差异；表明退耕还草、还林均会导致流域流量减小，调蓄能力增强，且还草与还林两种方式导致流量变化几乎一致。

图3 1995-2000土地利用分布图及土地利用变化图Fig.3 Land use distribution map and land use change map from 1995 to 2000

图4 不同时期土地利用类型占比Fig.4 Proportion of Land use types in different periods

表7 1995-2000年土地利用转移矩阵 km2Tab.7 Land use transfer matrix from 1995 to 2000

表8 2000-2005年土地利用转移矩阵 km2Tab.8 Land use transfer matrix from 2000 to 2005

4.3 土地利用变化下子流域产水量分析

流域产水量的计算方法为：

式中：WYLD表示子流域产水量；SURQ表示地表径流向河道输水量；LATQ表示侧向补给量；GWQ表示地下水向河道输水量；TLOSS表示径流向河道传输中的传输损耗；PA表示抽水损耗。上述变量单位均为mm。

产水量表征一个流域汇水、输水、产水能力的重要指标，通过分析不同土地利用下子流域产水量变化特征，分析土地利用类型变化对流域产水能力的影响。

在1995-2000年土地利用类型变化中，重点研究27、40、46号子流域产水量变化；在2000-2005年土地利用类型变化中，重点研究19、22、50、51号子流域产水量变化。子流域产水量差值图表明。

（1）1995-2000年土地利用变化下（图6）40、46 号（林地→耕地）子流域产水量差异较大，27 号（草地→林地）子流域产水量差异较小；

（2）2000-2005年土地利用变化下（图7）19 号（草地→耕地）子流域产水量差异最大、22 号（草地→耕地）子流域产水量差异较大，50、51号（草地→林地）子流域产水量差异较小；

（3）林地向耕地、草地向耕地的土地利用类型转化引起子流域产水量的变化明显，草地向林地的转化引起子流域产水量的变化不明显；

图5 不同土地利用情景下流量差值图Fig.5 Flow difference under different Land use scenarios

图6 1995-2000年土地利用变化下子流域产水量差值图Fig.6 Water yield difference of subbasin under Land use changes from 1995 to 2000

图7 2000-2005年土地利用变化下子流域产水量差值图Fig.7 Water yield difference of subbasin under Land use changes from 2000 to 2005

（4）上述土地利用变化方式下均表现为雨季差值为正、旱季差值为负，表明子流域相较于土地利用方式变化前调蓄能力减弱；林地向耕地、草地向耕地、草地向林地的土地利用转化均会导致研究区调蓄能力变弱，草地向耕地的土地利用转化对调蓄能力的改变尤为明显。

5 结论与建议

为了研究土地利用方式变化在典型岩溶流域产生的水文响应，构建了倒天河流域的SWAT模型，并利用该模型探讨了不同土地利用下流域流量的变化规律和子流域产水量的变化规律及其调蓄能力分析，其具体结论如下。

（1）参数率定后的SWAT 模型在校准期（1993-1997年）R2=0.95、NSE=0.95；验证期（1998-2002年）R2=0.95、NSE=0.95；验证期（2003-2006年）R2=0.90、NSE=0.77。构建的SWAT 模型在模拟倒天河流域月流量过程中模拟效果良好，模型适用于该研究区；

（2）3期土地利用数据表明：研究区耕地和林地面积逐渐增加，草地面积逐渐减小，土地利用类型变化主要为由草地转化为耕地和林地；

（3）研究区5 种情景下土地利用变化引起流域流量变化结果表明：草地转化为耕地会导致流域流量增加，流域调蓄能力减弱；

（4）不同土地利用方式下子流域产水量结果表明：林地向耕地、草地向耕地的土地利用类型转化引起子流域产水量的变化明显，草地向林地的转化引起子流域产水量的变化不明显；上述三种土地利用方式的转化均会减弱子流域的调蓄能力，其中，草地向耕地的转化对调蓄能力的减弱尤为明显。

综上所述，本项工作研究了岩溶流域土地利用变化引起流域产流量、调蓄能力变化的规律，明确了岩溶区土地利用变化产生的水文响应，推动了岩溶区土地利用变化研究进展。据此可以说明“退耕还林还草”措施可以提高岩溶流域调蓄能力，从而降低下游洪涝灾害发生的风险；还有利于提高岩溶流域林、草覆盖率，进而减少石漠化的发生。

尽管如此，本项工作还有不足，未对岩溶流域调蓄能力进行定量评价，没考虑气候变化对水文响应的影响。因此，将气候变化和土地利用变化对流域调蓄能力的定量研究是今后应突破的重点。 □