时空尺度上流域景观格局变化对径流量的影响综述

时空尺度上流域景观格局变化对径流量的影响综述

王志勇 蒋梦瑶 梅嘉洺

黄河水利委员会水文局 河南 郑州 450004

摘要：景观格局变化和气候变化是流域径流时空变化的主要驱动力。利用3S（GIS、RS、GPS）技术定量分析流域长时间、大尺度景观格局变化，是目前流域径流量变化相关研究的趋势。利用遥感影像数据提取流域的土地利用分类数据和气象数据等，构建水文模型所需的属性数据库、空间数据库。开展径流数据对模型做参数敏感性分析，在进行模型校准与模型验证之后，设定土地利用变化情景和气候变化情景，模拟流域径流量的年际变化特征和空间特征，定量分析土地利用变化和气候变化对流域径流量的影响。

关键词：径流量；景观格局；水文模型；流域

水资源是基础性的自然资源，它是人类社会经济发展和生物生存的重要依靠。河流是陆地圈-水圈的重要界面，也是区域生态功能和生态建设的主要载体。作为流域生态系统中重要的生态景观组成部分，河流径流量的丰缺对于维持区域生物多样性等起着重要的作用。依靠遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、水文模型等数字工具，以景观格局分析的角度来定量研究流域水文循环的规律，并对流域的径流量趋势进行模拟预测。可为流域以的可持续发展、综合管理和促进水资源合理分配利用提供重要的科学依据。

1、流域景观格局介绍

黄河中游段及其支流（伊河、洛河、沁河等）肩负了为我国中北部地区提供充足、持续和安全的水资源的责任。近年来，经济发展迅速，城镇化水平快速提高，流域景观状态受人类活动的影响加剧，加之自然因素（全球气候变暖、降雨时空分布不均等）的大趋势影响下，深刻影响了当地流域的径流量的变化。符合生态发展的景观格局对流域水分的循环有良性调节作用，而被破坏的景观格局将会引起流域内水循环的失调。景观（Landscape）是用来描述内陆地貌地形以及区域的格局。景观生态学强调在区域整个空间格局背景下，区域内部的各景观尺度与各生态学过程之间的相互作用、相互联系和相互影响。空间异质性被认为是研究景观生态学的核心。空间异质性主要体现在景观空间格局特征和属性特征的的差异上，具体表现为在一个景观中由自然或人为形成的一系列排列方式不同且大小各异的景观镶嵌。

2、水文模型的应用

为了适应复杂的生态环境因素以及环境各要素之间的关系，水文模型便从集总式发展为目前广泛应用的分布式。分布式水文模型结合遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和数字高程模型（DEM），可以描述复杂的水文过程和时空的变异性，并且模拟的结果准确性良好。水文模型目前是研究水文规律和评估未来水文循环过程的主要工具。流域水文模型主要原理是以流域水文系统为研究对象，将流域划分成若干网格并对每个网格分别输入不同的降雨、植被、土壤、高程和气象资料等数据，对每个网格用不同的产流计算参数分别计算径流量。其中，SWAT模型能够利用RS和GIS等空间数据信息结合流域内的水文数据、气象数据和土地利用覆被等数据，来模拟流域景观格局变化下不同土地利用方式的改变对水文循环的影响。SWAT水文模型运算效率高，适合多种地理情形，可对研究流域进行长时间尺度的模拟。水文模型SWAT的基本原理是根据水文响应单元划分基本单元，一个水文响应单元（HRU）包含子流域内具有相似土壤类型、土地利用类型和坡度的区域，该模型是将大的流域细分成性质相似的小区域，然后分析各小区域与整体的相互作用和相互影响，用聚类方法从地图中消去小的或、无关的地理特征，将详细的信息聚类成概化的值，使整个流域概化成若干个性质相近的子流域，在每一个响应单元计算径流量，再经径流计算得到流域的总径流量。该模型包括三个子模块，分别为：土壤侵蚀模块、流域污染模块、水文循环模块。本研究主要介绍SWAT模型最基础的功能——水文循环过程的径流模拟。

3、SWAT模型产流计算主要过程

SWAT水文模型的产流计算包括林冠截留计算、蒸散发计算、地表径流计算、壤中流产流计算、地下径流产流计算、回流和渗漏等径流形成环节。以下取三个主要过程作简要介绍。

3.1林冠截留计算

林冠的截留能力与植被的种类和生长时段有关，用叶面指数的函数来计算其变化为

I_max=C_int × LAI/ LAI_max

式中，LAImax 为叶面最大指数；LAI为叶面指数。同样，实际林冠截留量按下式选取

E_can=min(I_max，E_pΔt)

3.2地面径流计算

SWAT模型提供两种计算地面径流的方法：Green-Ampt法和SCS曲线法。当采用Green-Ampt法计算地表径流时，只需要输入次降雨数据就可以直接模拟入渗量，冠层截留量需要单独计算，以此模拟每个水文响应单元的地表径流量和洪峰流量；采用SCS曲线法时，由于计算时间步长为日，不能直接模拟入渗量，需要输入冠层最大截流量和时段叶面指数来计算地表径流量。

3.3地面径流坡面汇流

用下式计算地面径流注入水文响应单元河网的流量：

Q_suf，i=(R_suf，i+ Q_suf，i-1)(1-e^-τsuf/K)

式中，Qsuf，i为当前计算时段地面径流注入水文响应单元河网的流量；Qsuf，i-1为前一计算时段地面径流注入水文响应单元河网的流量；Rsuf，i为由SCS模型计算的地面净雨量；K为坡地汇流时间；τsuf为地面径流延迟系数。

4、利用SWAT水文模型模拟研究土地利用及气候变化对径流量的影响

基于ENVI、ArcGIS、SWAT水文模型等软件支持，搜集流域径流数据、气象数据、遥感影像和DEM数据等，构建SWAT水文模型所需的属性数据库和空间数据库，在对模型参数进行敏感性分析、参数校准和验证等步骤后，将模型应用到选取流域作为研究区，开展未来土地利用/覆被和气候变化下的径流模拟，探究土地利用及气候变化对流域径流量的影响。

4.1土地利用变化情景的建立

土地利用/覆被可通过土地下垫面的变化、叶面积指数变化、反照率的改变来影响流域水循环过程。本研究采用历史反演法（将过去不同时段的土地利用分别模拟进行研究），利用1980年至2020年前后两期的土地利用图进行径流量的预测模拟研究。

4.2 气候变化情景的建立

气候是影响流域径流量平衡的重要因素，其中尤其以气候和降水为主。气温作为热量指标，对流域内植物的生长和蒸腾作用有着深刻影响。降水是流域径流量的直接补给来源，是影响径流量变化的关键。本研究通过设定不同的气候变化情景利用SWAT模型预测探讨不同情景下流域的生态水文循环过程。

5结论

流域景观格局的变化对径流量有着深刻影响，通过水文模型（SWAT模型等）可定量探究长时间、大尺度空间下的景观格局变化情况。随着景观破碎化程度的加深，流域涵养水源的能力逐步下降。反之，拥有良好的景观格局，流域的蓄水保土能力则强。运用景观格局指数分析和统计分析方法（累积距平分析法、M-K趋势检验），确定流域各景观指标变化对年径流变化的影响情况，亦可确定气候变化和人类活动对径流的改变量和贡献率。径流特性分析是做径流预报的前提，为了保证流域可持续供水，研究其附近相关流域的径流量及变化规律，揭示径流变化对气候和人类活动的响应特征，对流域可持续发展和供水安全有着至关重要的意义和作用。

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