下墊面變化對(duì)白馬吉利河流域產(chǎn)匯流影響研究

劉文沛，趙景宇，盧 瑩，王 涵

宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000

人類(lèi)利用土地相關(guān)的活動(dòng)有很多，如大片砍伐森林、大肆開(kāi)墾耕地、興修堤壩、大面積灌溉和排水等[1]。這些人類(lèi)活動(dòng)已導(dǎo)致流域下墊面發(fā)生變化，影響降雨截留、土壤水滲透、地面水體蒸發(fā)及流域產(chǎn)匯流過(guò)程，導(dǎo)致近些年洪澇、干旱災(zāi)害的頻繁發(fā)生[2-3]。下墊面變化是全球環(huán)境變化在地球上留下的最直接、最明顯的痕跡。1995年LUCC土地利用變化研究提出以后，下墊面變化所帶來(lái)的環(huán)境效益越來(lái)越受到學(xué)者們的重視[4]。

有關(guān)研究下墊面變化下的流域產(chǎn)匯流影響情景分析方法較多，如參照流域?qū)Ρ确ā⑶榫邦A(yù)測(cè)模型法、極端土地利用法等[5]。本文選用極端土地利用法，即假定研究區(qū)域僅有幾種土地類(lèi)型，設(shè)定流域特定的下墊面類(lèi)型，模擬流域在該下墊面情景下的徑流過(guò)程，檢測(cè)構(gòu)建的水文模型的靈敏度，并分析流域不同的下墊面類(lèi)型對(duì)模擬水文過(guò)程的影響程度。

1 研究區(qū)概況

白馬吉利河流域位于青島市黃島區(qū)，總流域面積為497 km2，其中白馬河和吉利河流域面積分別為212 km2、285 km2。白馬河長(zhǎng)60 km，坡降1.02‰；吉利河長(zhǎng)39.85 km，坡降1.5‰。依據(jù)中國(guó)科學(xué)院組織實(shí)施的2000年中國(guó)1∶10萬(wàn)土地覆蓋數(shù)據(jù)，流域內(nèi)土地利用類(lèi)型以耕地、林地和草地為主，分別占流域總面積的58.17%、13.88 %和19.04%。依據(jù)FAO90土壤質(zhì)地分類(lèi)，土壤類(lèi)型主要包括飽和粗骨土、石灰性沖積土、積鹽沖積土等，其中飽和粗骨土面積最大。

2 模型與方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與處理

研究所用的主要數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1，依據(jù)收集到的資料構(gòu)建白馬吉利河流域土地利用、土壤、氣象等信息矩陣。

表1 模型所需的原始數(shù)據(jù)以及來(lái)源

2.2 SHE模型的構(gòu)建與參數(shù)率定

首先利用DEM數(shù)據(jù)，設(shè)置流域集水面積并確定分水線，提取河網(wǎng)并劃分子流域，每一個(gè)子流域?qū)?yīng)一個(gè)水文響應(yīng)單元(HRU)。SHE模型水文響應(yīng)的空間分布信息在水平方向上采用正交的長(zhǎng)方形網(wǎng)格來(lái)表示[6]。利用勝水站1961—1973年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬來(lái)率定模型。1961—1968年作為率定期，1969—1973年作為驗(yàn)證期。計(jì)算得到的勝水站處的逐日流量過(guò)程線與實(shí)測(cè)過(guò)程線對(duì)比，率定出最后模型所用的主要參數(shù)。本文參數(shù)率定采用自動(dòng)優(yōu)選法，即由計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，根據(jù)誤差最小原則，推求參數(shù)最優(yōu)解。最終模擬結(jié)果引入Nash-Sutelife模型效率系數(shù)R2、水量平衡系數(shù)RE來(lái)評(píng)價(jià)，經(jīng)驗(yàn)證模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬徑流的過(guò)程，擬合較好。各年的R2均大于0.65，RE均在0.9左右。

2.3 不同下墊面情景設(shè)置

基于白馬吉利河流域土地利用現(xiàn)狀，最主要的土地利用類(lèi)型為耕地(58%)和草地(19%)，極端土地利用變化情景設(shè)計(jì)如下：S1：除城鄉(xiāng)及居民用地和水域以外，流域其余全部為耕地，改變相關(guān)葉面積指數(shù)和曼寧系數(shù)；S2：除城鄉(xiāng)及居民用地和水域以外，流域其余全部為林地，改變相關(guān)葉面積指數(shù)和曼寧系數(shù)；S3：除城鄉(xiāng)及居民用地和水域以外，流域其余全部為草地，改變相關(guān)葉面積指數(shù)和曼寧系數(shù)；S4：將耕地和未利用地變?yōu)榱值?，其余不變，只改變耕地和未利用地的葉面積指數(shù)和曼寧系數(shù)。將流域土地利用現(xiàn)狀稱(chēng)為S0。表2為四種情景下的具體土地類(lèi)型面積及占比。圖1為4種土地利用情景圖(S1～S4)。

表2四種下墊面類(lèi)型情景表S1～S4

圖1 四種土地利用情景圖(S1～S4)

3 模擬結(jié)果分析

因1962年及1964年為比較典型的豐水年，根據(jù)模型率定結(jié)果，本文構(gòu)建的分布式水文模型針對(duì)豐水年模擬效果更好，故選擇1962年、1964年的氣象數(shù)據(jù)輸入，將四種土地利用情景依次輸入SHE模型，提取模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 總徑流模擬結(jié)果分析

兩個(gè)不同年份模擬的S0～S4月總徑流量過(guò)程見(jiàn)圖2。可以看出，模擬的月總徑流量S0>S1>S2，即在流域內(nèi)不管是耕地、林地兩者任何一種土地類(lèi)型的增加，徑流量均有所降低。耕地造成徑流減小的原因?yàn)檗r(nóng)作物蒸騰作用增大地表雨損[7]。林地造成徑流減小的原因?yàn)榱值刂参锏臉?shù)葉面積比較大，冠層面積的增加加大了截留能力，雨損增大，最終減少?gòu)搅鳎瑫r(shí)減少了總徑流量。所以，林地可以有效儲(chǔ)備水源。

圖2 月總徑流量過(guò)程線(S0～S4)

在情景S3和S0模擬結(jié)果對(duì)比下，月總徑流量S2>S0，即流域內(nèi)增加草地面積時(shí)，徑流量增加。草地的增加會(huì)增大雨量損失，但是草地的水土保持能力和持水性，可增大土壤含水量，增加的水量遠(yuǎn)大于雨損。并且草地相比于耕地、林地蒸騰量較小。結(jié)合白馬河吉利河流域的自然地理狀況，為了涵養(yǎng)水源，比較適宜推廣草地種植。

極端改變土地類(lèi)型主要影響峰值計(jì)算。S1峰值比S2峰值要大，1962年的峰值在7月份，S1峰值為1 343.97 m3/s，S2峰值為1 239.322 m3/s，減少8%左右，1964年峰值在8月份，S2比S1減少了6%左右。所以，林地可以有效削減洪峰流量。

下墊面的改變主要影響汛期模擬結(jié)果，S1、S4、S2的總減少?gòu)搅髁恐幸?～10月所占比重最大。10月到次年5月，呈減小的趨勢(shì)，但占比較小。與降水量的分布趨勢(shì)較為一致。

3.2 蒸散發(fā)量模擬結(jié)果分析

計(jì)算出了基于SHE模型的、S0情境下的白馬吉利河流域1962、1964年月平均蒸散發(fā)量(圖3)。1962年，蒸散發(fā)量計(jì)算值整體大于實(shí)際觀測(cè)值，但趨勢(shì)基本一致；1964年峰值出現(xiàn)偏差，一個(gè)在7月份，而另一個(gè)則出現(xiàn)在8月份，兩者數(shù)量上也相差18.7 mm。

圖3 模型計(jì)算蒸散發(fā)量及實(shí)測(cè)蒸散發(fā)量

圖4可見(jiàn)，流域不同下墊面模擬情景下月平均蒸散發(fā)量均呈單峰變化特征。各種類(lèi)型蒸散發(fā)量的季節(jié)變化明顯，夏季是秋季的1～2倍，是冬季的4倍左右。1962年和1964年均為S2蒸散量最大，分別為206 mm、234 mm；S3蒸散量最小，分別為188 mm、200 mm。月平均蒸散發(fā)量排序?yàn)椋篠2>S0>S1>S4>S3，即林地>現(xiàn)狀>耕地>林地草地>草地。

圖4 月平均蒸散發(fā)量過(guò)程線(S0～S4)

表3可以看出，除S2比S0蒸散發(fā)量增加21.2 mm外，情景S1、S3、S4的年均蒸散發(fā)量較S0均下降，分別下降21.4 mm、101.7 mm、169.5 mm。S2林地占比達(dá)91.18%，因此流域內(nèi)林地的發(fā)展可增加年蒸發(fā)量；相反，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，流域內(nèi)全為耕地可減少蒸發(fā)；草原對(duì)蒸散發(fā)影響最大，相比于現(xiàn)狀減小了169.5 mm。比較情景S4和S2，林地占比分別為72.14%和91.18%，蒸散發(fā)總量S2>S4，可以認(rèn)為林地的改變對(duì)蒸散發(fā)效應(yīng)較為敏感。因此，保護(hù)好流域內(nèi)林地，對(duì)于涵養(yǎng)水源、保持水土和降低洪水風(fēng)險(xiǎn)等有較積極的意義[8]。

表3 1962年、1964年不同情景下年蒸散發(fā)總量 mm

3.3 土壤蓄水量模擬結(jié)果分析

不同情景模擬下，流域土壤的蓄水量隨季節(jié)變化情況見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，土壤水分含量呈先下降后升高趨勢(shì)。因?yàn)樵?、8月份，降水集中，蒸散發(fā)最大，且蒸散發(fā)損失是土壤水分損失的主要形式，土壤含水量的季節(jié)性變化受降雨影響。另外，S0～S4土壤含水量雖然存在差異但相差不大，主要原因?yàn)?種情景只改變了下墊面情景，但土壤成分并沒(méi)改變。其中5種情景下計(jì)算土壤含水量大小排序?yàn)镾1>S3>S0>S4>S2，即耕地>草地>現(xiàn)狀>林地草地>林地，原因主要是不同下墊面類(lèi)型上生長(zhǎng)的植物類(lèi)別不同，而不同植被對(duì)土壤含水量的吸收利用率不同，這也是土壤蓄水量與蒸散發(fā)量情景排序并不完全相反的原因。

圖5 土壤含水量隨季節(jié)變化(S0～S4)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于DEM水文分析相關(guān)原理，構(gòu)建了流域的SHE模型。通過(guò)極端土地利用法，分別設(shè)置4種情景對(duì)流域內(nèi)土地利用類(lèi)型組合分析，得出土地利用的變化對(duì)蒸散發(fā)和徑流過(guò)程線的影響。耕地或者林地的增加會(huì)減小徑流，草地的增加會(huì)增大徑流。林地的茂密程度比耕地大，在降雨截留上發(fā)揮著重要作用，可明顯增加植物冠層的蒸散發(fā)量，比較符合實(shí)際。對(duì)于土壤含水量，耕地>草地>現(xiàn)狀>林地草地>林地，得出除蒸散發(fā)影響外，還有植被的蒸騰和根系的呼吸耗水量等共同作用。