土地利用变化对水文系统的影响研究，本文主要内容关键词为：水文论文,土地利用论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：P33
文献标识码：A
文章编号：1001-8166(2003)02-0292-07
0 引言
1998-2001年间，中国和德国学者合作开展了考虑可持续发展的土地利用综合规划(SILUP,Sustainable Development by Integrated Land Use Planning)项目的研究[1]。SILUP是一个多学科综合研究项目，它包括遥感和地理信息系统、社会经济、生态、水文水资源等4个方面的内容。该项目以秦淮河流域江宁县部分作为实验研究区域，进行了为期3年的研究，取得了一系列的研究成果。作为该项目的一个子课题，主要研究土地利用变化对研究区域水文水资源系统的影响。
土地利用变化是水文水资源情势变化的重要影响因素。土地利用变化大大改变了天然的水循环过程和水量水质状况，影响了社会经济发展和生态环境质量，因此社会可持续发展的首要条件是水资源的可持续利用。研究土地利用变化对水文水资源系统的影响尤其是对水量平衡和防洪情势的影响，不仅具有重要的学术意义，而且对于社会可持续发展、资源可持续利用和环境保护等问题都有重要的应用前景。
传统的水文模拟方法是通过利用实测水文资料来率定模型参数的，所建立的水文模型依赖于给定历史时期流域下垫面所对应的实测水文资料，因而不能模拟土地利用变化等人类活动对水文水资源系统的影响。要研究因土地利用变化导致的水文响应的变化，必须深入研究水文过程的物理机制，建立详细描述流域的下垫面信息、水文要素和水文状态变量时空变化过程的数字水文模型，通过下垫面的自然地理条件直接确定参数，取代由降雨径流资料率定的等效参数。
数字水文模型是水文模拟技术与计算机技术及信息科学技术相结合的产物。数字水文模型是采用数字化手段详细描述流域下垫面信息和动态模拟流域水文要素和水文状态变量时空变化的水文模型。将流域视为一个均一的系统，类似地该系统的输入和状态函数都认为是整个流域面积上的均值，从而获得流域出口断面的总输出，这种流域系统的整体观念称为集总模拟途径。分布式水文模型是指以流域面上分散的参数和变量来描述流域水文要素空间变化特性的数学模型。数字水文模型首先是分布式模型，它把流域在空间上离散，在水平面上把流域划分成网格单元，在垂直方向上用每个网格上的水平层柱体表示，网格表示了空间位置，而网格的属性表达了该网格单元的地形、土壤、植被等下垫面特征和降水、植被截留、蒸散发、下渗、地表径流和地下径流等水文特征。其次数字水文模型采用数字技术和手段详细描述流域的下垫面信息、水文要素和水文状态变量时空变化过程，实现了流域内所有可能信息的最大综合。数字水文模型利用现代遥感、全球定位系统、地理信息系统等多种数字技术和实测、模拟等多种手段，获取流域空间分布的各种下垫面信息和水文过程的中间状态信息，构建数字流域，研究流域水文物理规律。与传统水文模型相比，数字水文模型具有以下显著的优点：①能够分布式地描述流域内水文循环的时空变化过程，模型不仅能输出传统水文模型的结果，而且能够十分方便地输出水文要素和水文状态变量的空间分布场；②模型的参数都有物理意义，可以根据流域自然地理特征和下垫面信息确定，因此，模型的率定对历史资料的依赖性较小，模型可以指定有代表性的参数值，可以在水文资料缺乏的地区建模，也可以为流域未来变化的下垫面情景建立模型；③能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域水文过程的影响。有关数字水文模型的研究进展参见文献[2]。
本文将以秦淮河流域为研究区域，研究建立数字水文模型。建立数字水文模型需要制作数字高程模型、土地利用图、道路分布图、土壤分布图、水系河网图、圩区分布图、雨量站气象站和水文站分布图等专题图层。SILUP项目采用SPOT卫星遥感图像进行分类提取并结合现有地图进行数字化来制作这些专题图层，本文基于SILUP项目制作这些专题图层，主要采用地理信息系统软件PCRaster来建立数字水文模型，并编制模型的计算程序。PCRaster是美国乌得勒支(Utrecht)大学地理系针对环境研究开发的地理信息系统软件[3]，它不仅具有强大的流域、排水网特性分析工具，而且包括一个动态模拟模块和专有的编程语言，可以解决普通地理信息系统软件与水文模型难以集成的问题。本文利用所建立的数字水文模型，对定义的土地利用变化情景进行模拟，分析研究区域土地利用变化对水文水资源系统的影响、尤其是对水量平衡和防洪情势的影响。
1 研究区域概况
虽然SILUP项目的研究区域为江宁县境内的秦淮河集水区域。但考虑到水文系统的完整，所建立的数字水文模型的模拟区域将涉及到整个秦淮河流域。秦淮河发源于句容、溧水两县山区，句容河和溧水河是秦淮河的两条主要支流，它们在前捍村汇合流经江宁县在河定桥分两支入长江。秦淮河流域面积为2631km[2]，流域四周环山，东部为茅山山脉，北部为宁镇山系，南部有浮山、东芦山等，西部有云台山、牛首山等；山下均为丘陵地带，延伸与流域内平原圩区相连，地形降落坡度较大。
依据不同的地形地貌和水文特性，秦淮河流域可以概化为两部分：山丘区和圩区，其水文模型由3部分构成：①山丘区水文模拟；②圩区的水文模拟；③河网水流模拟。
2 研究区域数字水文模型的建立
2.1 数字水文模型的结构
根据秦淮河流域水文系统的特点，结合本文研究的目的，所建立的数字水文模型主要包括以下几个模块：降雨过程模拟模块、蒸散发过程模拟模块、蓄水过程模拟模块、径流过程模拟模块、河网水流运动模拟模块。
2.2 降雨过程模拟模块
降雨分布模拟模块的功能是：根据流域内雨量站点处的实测降雨序列推求流域各个离散网格点的降雨序列，即把采样点的资料解集为空间分布的面雨量资料。传统的方法有等雨量线法、泰森多边形法等，本文采用降雨线性空间插值模型，每个网格点的降雨量通过从邻近的3个雨量站数据中线性空间插值生成。
2.3 蒸散发过程模拟模块
陆面蒸散发过程非常复杂，它受到气象条件、土壤含水量、下垫面情况及植被的覆盖率、种类和分布等诸多因素的影响。传统水文模型中以水面蒸发乘以一定的折算系数计算流域蒸散发能力，然后根据土壤供水条件确定流域平均的实际蒸散发量。传统的方法不利于理论研究和从物理背景上提高模型的精度。本文采用Penman-Monteith理论公式[4]，结合世界粮农组织给出的参照蒸散发能力的概念[5]，进行非均匀下垫面蒸散发计算，分4步进行：①利用Penman-Monteith公式计算有常规气象观测资料的气象站或蒸发站（采样点）处的参照蒸散发能力；②建立采样点处的参照蒸散发能力和温度之间的回归关系，根据此回归关系和离散网格点的温度推求流域各个离散网格点的参照蒸散发能力，即把点的参照蒸散发能力资料解集为空间分布的资料；③根据流域空间分布的参照蒸散发能力、土地利用类型和植被覆盖情况，计算离散网格点的蒸散发能力；④根据土壤供水状况确定流域空间分布的实际蒸散发过程。蒸发计算模块的输入为数字高程模型、土地利用图、土壤蓄水量和实测气象站资料，包括气温、湿度、风速和太阳辐射的时间序列。输出为流域内离散网格点实际蒸散发量的时空分布场。
2.4 蓄水过程模拟模块
在经过降雨过程模拟模块、蒸散发过程模拟模块的计算后可以得到流域内每个网格的降雨量和蒸散发量，这些作为蓄水过程模拟模块的输入。蓄水过程模拟模块输出流域内各个网格产生的径流深，如果需要也可以输出诸如地表水体蓄水量、土壤蓄水量、地下水位等中间状态变量的时空分布场。根据不同土地利用类型的产流特性，把研究流域土地利用类型分为地表蓄水体、水稻田、旱荒地（包括旱地、荒地、草地、林地等）和不透水地面（城市、道路等）4类，为这4种类型分别建立相应的产流计算方法，即地表蓄水体产流、水稻田产流、旱荒地产流和不透水地面产流。
地表蓄水体产流计算。天然流域内有很多地表水蓄水体，如水库、湖泊、池塘、河流等。每种蓄水体都一定的蓄水容量。当网格中的实际地表水量超过其最大蓄水容量时，网格内产生地表径流，产流量等于两者之差，反之不产流。地表水蓄水体蓄水量变化过程的计算公式为：
其中，W[,0]、W为时段初、末地表蓄水体蓄水量，P为时段内降雨量，E为时段内蒸发量，W[,f]为时段内渗漏量，W[,in]为时段内汇入径流量，W[,out]为时段内流出径流量，W[,max]为地表蓄水体最大蓄水容量。
不透水面积上的产流量计算。不透水面积包括道路、房屋、工厂、机场和矿山等，其特点是透水性很差，但雨期有蒸发，径流深计算公式为：
Rc=P-E
其中，Rc为不透水面积（城市、道路等）上产生的径流深，P为时段内降雨量，E为时段内蒸发量。
水稻田产流计算。当网格中的土地利用类型为水稻田时，首先要判断计算时间是否处于水稻生长期内。如果不是水稻生长期，按旱荒地产流方法计算径流深；否则用以下方法进行水稻田产流计算。水稻田产流计算公式为：
H=H[,1]+P-Ep-R[,f]
当H＞H[,max]时，H[,2]=H[,adapt],Rrs=H-H[adapt],Rrp=0；当H[,min]＜H＜H[,max]时，H[,2]=H,Rrs=0,Rrp=0；当H＜H[,min]时，H[,2]=H[,adapt],Rrs=0,Rrp=H[,adapt]-H。其中，Rrs为水稻田的时段径流深，R[,f]为水稻田的时段下渗量，Rrp为水稻田的每日灌溉量，H[,1]、H[,2]为稻田内时段初和时段末的水深，H[,min]、H[,adapt]、H[,max]为水稻生长的适宜水深下限，适宜水深和最大（耐淹）水深。
旱荒地产流计算。由于研究区域位于湿润地区，当网格上的土地利用类型为旱地、荒地、果园、林地等时，网格的产流过程采用新安江模型的蓄满产流原理计算[6]。计算中假定，同一网格内各点的蓄水容量相同，流域蓄水容量的不均匀性由不同的网格蓄水容量反映。作产流计算时，模型参数蓄水容量WM由每种类型土壤的田间持水量和凋萎含水量确定。由于各种径流成分的汇流速度不同，产流模型计算的产流量要划分水源，采用新安江三水源模型的思想划分水源。分水源模型的参数有自由水蓄水容量SM、地下径流出流系数Ki和壤中流出流系数KG,SM的值取决于土壤覆盖的特征和基岩的特性，(Kg+KI)的值决定了自由水蓄量排水率，通常假定(Kg+KI)的值为0.7。
2.5 径流过程模拟模块
依据地形地貌特征和水文特性，研究流域概化为山丘区和圩区，对山丘区和圩区分别建立汇流模型。
山丘区汇流计算。由于不同水源的流域汇流速度是不一样的，因此，分水源进行汇流模拟。①地表汇流。首先由数字高程模型生成流域局部水流流向网Ldd.map，即每个网格的排水方向，并且用数字高程模型求出每个网格的坡度和粗糙度；其次由局部水流流向网Ldd.map划分流域边界和确定每个网格的汇流路径；然后计算每个网格的汇流速度，推求汇流速度的公式为：
其中R为水力半径，由地表径流深代替，J为水力坡度，用每个网格点的地面坡度slope.map近似代替，n为地面粗糙度；最后根据每个网格点的汇流路径和汇流速度可以求出出口断面（汇入河网处）的地表径流过程。②地下水汇流和壤中流汇流。地下水和壤中流的汇流虽然受土壤孔隙和渗透性等的影响，但是地形仍然是决定水流方向的主导因素。因此假定地下水和壤中流的汇流路径也由局部水流流向网络Ldd.map确定。饱和带水流运动符合达西定律，其流速只与比降有关，与水深无关，而地下水的水面比降基本上决定于地形地质条件。因此采用达西定律模拟地下水汇流过程，即地下水的流速为V=K·i。其中i为各网格点的水力坡降，可以由数字高程模型求出，但这里的坡度为含水层底板高程的坡度，而非地面坡度。渗透系数K为网格内土壤的饱和传导率，可以根据土壤数据库查得。壤中流的汇流原理比较复杂，把它概化成达西公式的形式，V=Kr·i。只是这里的水力坡降i近似由地面坡度代替，Kr为土壤非饱和传导率，也可从土壤数据库中得到。根据每个网格点的汇流路径、地下水和壤中流汇流速度，可以求出山丘区出口断面（汇入河网处）的地下径流过程。上述汇流过程都是在地理信息系统软件PCRaster中编程实现的。
平原圩区径流过程模拟计算。圩区四周沿河筑有防洪堤，成了相对封闭的水力单元。上游山丘区的产流直接汇入圩区周围的河道系统，不会进入圩区；圩区内部产生的地表径流与圩外的河道系统没有直接的联系，通过闸门和泵站控制地表径流、调节灌溉供水和保持蓄水容量。可以把圩区概化成一个水桶，它有一定的蓄水容量W[,max]和最小蓄水下限W[,min]，当圩区内的地表水蓄量W超过其蓄水容量W[,max]时，超过的部分必须被排出，保证圩区不受洪水的威胁；而当圩区内的地表水蓄量W小于其最小蓄水下限W[,min]时，圩区内的水量已经不能满足灌溉和供水的要求，必须从河网抽水补充。圩区蓄水容量W[,max]和最小蓄水下限W[,min]为圩区内所有地表水蓄水体的最大蓄水容量和最小蓄水下限的面积平均值。圩区引水或排水的水量作为周围河道系统的旁侧入流输入河网水动力学模型。
2.6 河网水流运动模拟模块
山丘区和圩区产汇流计算的结果为河网系统的集中或旁侧入流，由于秦淮河下游受长江潮位顶托影响，河网水流用一维河网非恒定流计算进行模拟。
2.7 模型的输入和输出
所建立的数字水文模型的输入包括常数、图、表和时间序列四类。
常数包括①网格大小△x，考虑到计算量和精度的双重要求，以及资料精度的限制，把研究区域划分为607×611的正方形网格，网格的边长为100m；②时段长度△t，产流模型的时段长度为一天，计算年径流过程，并分析年内的水量平衡，一维河网非恒定流计算模型模拟洪水过程，时段长度为15分钟，实现两部分的衔接，要把产流模型的结果均化内插为河网演算需要的边界条件；③绝热冷却系数。
图包括①Clone图，模型计算需要很多空间分布信息，这些信息以栅格图的形式表达，模型中所有图的创建都以Clone图为基础，Clone图包含了研究区域的位置属性、左上角的坐标及地球坐标系和真实世界坐标系间的角度、数据集的行列数及网格的宽度等；②数字高程模型(DEM)，DEM是计算排水网图的基础，没有这些信息PCRaster就不能演算网格中的径流，并且它还是所有有关高度计算的基础；③排水网图(LDD)，PCRaster中，排水网图由DEM计算而得，它表达了当地的排水方向，它提供了网格径流演算的所有信息；④流域图，它包含了模拟区域内流域的面积和位置，由流域图结合排水网图可识别出流域出流点；⑤圩区分布图，它包含了各个圩区的面积和位置信息；⑥土地利用图；⑦土壤图，它包含了不同土壤类型的位置信息，模型计算的土壤参数由土壤图和土壤属性数据库提取；⑧出流点图和控制点图，出流点就是各子流域出口断面位置，控制点可以定义为特别关注的模拟区域内的任何位置，模型可以输出控制点的有关水文变量时间序列，为了获得不同地表蓄水单元（河流、池塘、水库、水稻田等）的详细信息，要为每个分隔单元定义一些控制点，这样就可以定义灌溉抽水时间序列，且控制其作用；⑨雨量站分布图，它包含了流域内有代表性的雨量站的位置；⑩气象站图，包含了流域或子流域内有代表性的气象站的位置。
表包括①土壤特性（最大田间含水量、凋萎含水量、土壤的孔隙度、饱和水力传导度和土壤的渗漏量）；②土地利用特性（最大地表水蓄量和根系深度）；③模型初值（初始土壤蓄水量表、初始地下水位表、初始地表水蓄量表、初始土壤蓄水量表）。
时间序列包括①气候，包括降雨时间序列、实测蒸发能力、温度时间序列、湿度、风速和日照小时数；②植被和土地利用特性，包括植被系数、水稻生长期、水稻生长期间的最小地表水蓄量、水稻生长期间淹没水深、水稻生长期间的适宜水深、抽水、最大地表水蓄量、最小地表水蓄量下限。
根据需要，模型可以输出时空分布的水文要素和水文过程中间状态信息，满足不同的研究目的。
2.8 模型的验证
秦淮河流域由12个山丘区子流域和16个平原圩区构成，句容河（包括中北河、南西河、汤水河、索墅河和解溪河等支流）和溧水河（包括溧水一干、溧水二干、溧水三干和横溪河等支流）是干流秦淮河的两条主要支流，它们在前捍村汇合。根据秦淮河流域地形、水系和水流特点，可将秦淮河流域河网概化成如图1所示。可以用来验证模型的仅有前捍村站的流量资料。用1991年16个雨量站的降雨资料、前捍村站流量资料、东山站的气象观测资料来验证模型。用1991年16个雨量站的降雨资料及东山站的气象观测资料作为研究区域数字水文模型的降雨资料输入，选取前捍村站（汇水面积1946km[2]）、陈家边（汇水面积1059km[2]）、乌刹桥（汇水面积526km[2]）作为控制点，模拟计算出控制点流量过程，用前捍村站流量资料来验证模型，计算结果见图2。由计算结果可知，所建立的研究区域数字水文模型具有一定的模拟精度。
图1 秦淮河流域河网概化
Fig.1 Principle sketch of the Qinhuai river catchment
图2 前捍村站1991年实测和计算洪水过程
Fig.2 Flood hydrograph of the measuring and the calculating,1991 at Qianhancun measurement station
4 土地利用变化情景模拟
4.1 情景模拟方案设计
根据江宁县社会经济发展需要和生态环境保护以及可持续发展的目标，定义了8种土地利用变化情景，用以考虑各种土地利用类型在水方面（水量平衡、防洪和抗旱方面）的重要性。定义的土地利用变化情景模拟方案参见表1。表1定义的每种土地利用变化情景均指江宁县秦淮河流域部分，情景模拟计算时，秦淮河流域其余部分的土地利用情景采用现状（1999年）不变。土地利用变化对水文水资源情势的影响，还与降雨等气象因素有关。为了全面评价土地利用变化对水文水资源情势的影响，选择枯水年份1986年（保证率为85%）和丰水年份1991年（保证率为1%）的实测降雨等气象资料作为模拟的水文条件，对每种土地利用变化情景模拟方案分别进行模拟计算。
表1 土地利用变化情景模拟方案设计
Table 1 Different land use scenarios
方案号
山丘区
圩区
0现状（1999年） 现状（1999年）
1水稻田变为旱地 现状（1999年）
2旱荒地变为工业和居住区 现状（1999年）
3塘坝变为旱地现状（1999年）
4阔叶林和针叶林变为旱地 现状（1999年）
5现状（1999年） 水稻田变为工业和居住区
4.2 土地利用变化情景模拟结果
利用流域内1986、1991年的水文资料进行模拟计算。首先模拟流域土地利用现状的水文过程，然后计算假定的5种土地利用变化情景的水文过程。部分模拟计算结果统计见表2～5，由于篇幅有限，其余模拟计算结果略。表2～5中①横溪河流域是山丘区典型流域，周岗圩是圩区典型区域；②方案0所对应的计算结果为降雨量、洪峰流量、径流量、蒸发量引排水量、蓄水量等，方案1～5所对应的计算结果均为与方案0比较而得的降雨量、洪峰流量、径流量、蒸发量引排水量、蓄水量等的变化（负值表示减少、正值表示增加）。
由以上模拟的结果可以得到以下结论：
(1)由表2、表4可以看出，当塘坝变为旱地时（情景模拟方案3），洪峰流量和径流量增加。这是由于地表蓄水体具有调蓄能力，可以在洪水期间蓄水降低洪峰流量。因此，地表蓄水体（湖泊、池塘和水库）具有一定蓄水容量，在水量平衡方面具有很高的价值。
表2 情景模拟结果统计（1991年降雨条件、横溪河流域）
Table 2 Results of the calculations for different landuse scenarios (1991 precipitation case,Hengxi river catchment)
方 降雨总 洪峰 径流总 平均蒸散发 平均地表水
案 量变化 变化 量变化
量变化蓄量变化
号 (mm)(m[3]/s)(mm) (mm)
(mm)
0
1719 220.6 778
597134
10
-14.9 -62
-88-14
2014.7
6082 1
30 5.7
33-7 -5
40 2.7
15
-10 0
表3 情景模拟结果统计（1991年降雨条件、周岗圩）
Table 3 Results of the calculations for different landuse scenarios(1991 precipitation case,Zhougang polder)
方 降雨总 洪峰
排水量
引水量
平均蒸散发
平均地表水
案 量变化 变化变化 变化 量变化 蓄量变化
号 (mm)(m[3]/s) (mm) (mm)
(mm) (mm)
0 1673 34.21094 0 688
273
5
034.2 206 0-350
-4
表4 情景模拟结果统计（1986年降雨条件、横溪河流域）
Table 4 Results of the calculations for different landuse scenarios (1986 precipitation case,Hengxi river catchment)
方 降雨总 洪峰 径流总 平均蒸散发 平均地表水
案 量变化 变化 量变化
量变化蓄量变化
号 (mm)(m[3]/s)(mm) (mm)
(mm)
0570 36.4
128 384
63.9
1 0
-2.3
-19 -58
-1.4
2 04.220
512.6
3 04.217
-7
-18.6
4 02.2 5
-7 0.5
表5 情景模拟结果统计（1986年降雨条件、周岗圩）
Table 5 Results of the calculations for different landuse scenarios(1986 precipitation case,Zhougang polder)
方 降雨总 洪峰
排水量
引水量
平均蒸散发
平均地表水
案 量变化 变化变化 变化 量变化 蓄量变化
号 (mm)(m[3]/s) (mm) (mm)
(mm) (mm)
0
875
-1.5 040 482 150
50 7.2144 -40-196 85.2
(2)由表2、表4可以看出，当水稻田变为旱地时（情景模拟方案1），洪峰流量和径流量减少。由此分析可以得出，大多数水稻田受到灌溉和排水等人为控制，水稻田在水量平衡中发挥着重要的作用；同时对水稻田的人为控制可能会增加洪峰流量，例如在降水较多时为了保护庄稼生长把水稻田中的水排入周围河网。
(3)由表2、表4可以看出，当水稻田变为旱地时（情景模拟方案4），洪峰流量增加、蒸发量减少。这是由于森林的蒸发和截留量都较大，并且森林地区具有较高的土壤蓄水容量，降雨或者损失于蒸发和截留量，或者存储于土壤中。因此森林对流域内可用水量（灌溉、供水）的直接贡献很小，但是森林可以减少地表径流量，具有较高的防洪价值。
(4)由表2、表4可以看出，当旱荒地及水稻田变为工业和居住区时（情景模拟方案2、方案5），洪峰流量和径流量增加。居住区和不透水地面没有调蓄能力，直接产生地表径流量，增加居住区和不透水地面面积会增大洪峰，使峰现时间提前，对防洪的不利影响非常显著。由于不具备调蓄能力，居住区和不透水地面对流域内水量平衡具有负面影响。
由计算结果和上面的分析可知，所建立的数字水文模型能够反映不同的土地利用变化对产汇流的影响。
5 结语
本文利用现代遥感、地理信息系统等多种数字技术，获取流域空间分布的下垫面信息和中间状态信息，细致地刻画了流域内的水文过程，建立了研究区域数字水文模型；利用所建数字水文模型对定义的土地利用变化情景进行了模拟。模拟结果表明，模型可以定性和定量地反映各种土地利用变化对水资源系统尤其是对水量平衡和防洪情势的影响程度。当然，可以用来验证所提出研究流域数字水文模型的仅有前捍村站的流量资料，所建立的数字水文模型还需进一步在实际应用中验证。
数字水文模型的研究对深刻揭示流域内部产汇流基本规律、准确预测径流过程有着非常重要的现实意义。目前，国内外有关数字水文模型的研究还不完善，大多数还只是仅仅利用数字高程模型，如何充分利用土壤、植被、土地利用方式等地理信息构建数字水文模型还需进一步研究。
致谢：感谢SILUP项目组对本文的研究给予的支持和帮助。