土地覆被和气候变化的水文响应研究（贺国平,等）

时间：2022-02-24 15:02:28 浏览量：次

作者：贺国平张彤周东

摘要：采用分布式水文模型SWAT 研究北京地区过去10 a 间径流量剧减的主要原因。采用等高线→TIN→DEM的方法获取研究区分辨率较高的DEM图, 基于DEM图提取流域边界、河网、子流域及相关属性, 根据土壤类型与土地覆被类型的组合划分水文响应单元, 实现下垫面的空间离散; 采用校准和验证后率定的参数研究了10 a 来气候变化和土地覆被变化对径流量的影响。研究表明: 10 a 间土地覆被变化的主要趋势是旱地城市化。过去10 a 间, 由于土地覆被变化导致北运河年均径流量增加了10 % ～20 %, 而气候变化导致年均径流量减少了约2 / 3。

关键词：SWAT 土地覆被变化气候变化城市化径流量

Study on hydr ologic r esponse to land cover and climate change

HE Guo- ping1 ZHANG Tong1 ZHOU Dong2

( 1. Beijing Municipal Institute of Hydraulic Engineering Planning, Design & Research, Beijing,100044, China; 2. Beijing Hydrologic Center, Beijing, 100039, China)

Abst r act The main reasons resulting in the acute decrease of runoff in Beijing are discussed by using a distributed hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool) . The grid DEM with higher resolution is obtained by transformation of contour lines- TIN- grid DEM, and basin boundary,drainage networks, and subbasins are extracted based on the DEM. The underlying surface is discretized according to the combination between soil types and land use categories. The effects of land cover change and climate change on runoff are studied in the past ten years by using the parameters determined during the periods of calibration and validation. The results show that the main trend of land cover change is urbanization of dry land from 1990 to 2000. The annual runoff of Beiyun River decreases by two thirds due to climate change from 1994 to 2003; however, one increases by 10%~ 20% due to land cover change.

Key wor ds Soil and water assessment tool Land cover change Climate change Urbanization Runoff

地球表层系统最突出的景观标志就是土地利用与土地覆被(史培军1997), 而且两者是联系地球系统各圈层的最紧密的纽带, 它的变化在很大程度上影响着地球系统其他组分的变化。土地覆被的类型影响地表径流的初始条件和流域的蒸发机制, 从而对流域的水文过程产生直接的影响(Fohere, Haverkamp, Eckhard,et al 2001)。对水文效应的研究, 最初是应用实验流域法, 然后是特征变量的时间序列法。随着1960 年计算机技术的发展, 研究流域水文过程的数学模型有了很快的发展, 水文效应研究主要应用水文模型实现。

探讨自然变化和人类活动影响下的流域水文循环过程, 需要借助有物理机理的流域分布式水文模型(夏军2002 )。分布式水文模型建立在DEM基础之上,能及时模拟人类活动和下垫面因素变化对流域水文循环过程的影响。为了削弱流域空间差异的影响, 对于各要素空间差异较大的流域, 可以划分成不同的子流域进行分布式模拟(王建群, 卢志华2003 )。

SWAT 是Soil and Water Assessment Tool 的缩写,由美国农业部(USDA) 农业研究所(ARS) 开发的分布式流域水文模型(Arnold, Williams, Maidment 1995 )。SWAT 模型能充分利用遥感资料和地理信息系统软件提取下垫面参数, 可以模拟多种不同的水文物理化学过程, 包括水量、水质以及杀虫剂的输移与转化过程,适用于不同的土壤类型、不同的土地利用方式和农业管理条件下的复杂大流域。采用SWAT 模型建立北京市平原区的水文模型, 对10 a 间(1990 — 2000 年)气候变化和土地覆被变化进行分布式水文模拟, 确定径流量骤减的主要原因。

1 北京市平原区SWAT 模型

研究区位于北京地区境内, 包括官厅水库和密云水库下游的山区和平原区, 多年平均降雨量约589.5 mm。地形西北高, 东南低, 西部和北部为山区,东南部为平原区。研究区属海河流域, 河网发育, 大小河流100 余条, 分属五大水系, 由西向东依次为大清河水系、永定河水系、北运河水系、潮白河水系和蓟运河水系。根据研究区水文系统的特点, 结合研究的目的, 所建的SWAT 模型涉及的水文物理过程主要包括降雨、植被截留、蒸散发、融雪、下渗、地表径流和地下径流。

由于DEM 分辨率对流域特征、产流和产沙均有一定的影响(吴险峰, 刘昌明, 王中根2003) , 为了获取较高分辨率的DEM图, 广大平原区通过钻孔高程和国家基础地理信息中心提供的terlk _ pt 图层插值得到等高线, 再借助ARCVIEW 中的GRID 模块, 把等高线转化成TIN 和DEM, 分辨率选择300 m×300 m。SWAT 模型应用TOPAZ ( TopographicParameterization) 软件包对栅格型DEM 进行处理,基于D 8 算法、最陡坡度原则和最小给水面积阈值的概念自动提取流域边界与河网, 划分子流域, 构建子流域与河网的拓扑关系, 并提取相关的参数, 如河流长度、宽度、坡度, 子流域面积等。为了反应下垫面的空间变化, SWAT 模型提供了流域- 子流域- 水文响应单元的组合空间离散方法, 根据土壤类型和土地利用方式的组合将子流域划分为多个水文响应单元(Hydrologic Response Unit, HRU) ———最小计算单元。经过SWAT 模型处理, 所得到的研究区面积10 296.2 km2, 子流域72 个, 水文响应单元为335 个。

限于文章的篇幅, 本文不具体介绍模型的校准和验证过程, 重点研究过去1990 — 2000 年气候变化和土地覆被变化的水文效应。

2 土地覆被变化和气候变化对径流量的影响

研究中收集到1994 — 2003 年各个雨量站点的日降雨量和相对湿度数据, 其中, 1994 — 1998 年年平均降雨量分别为785.7、612.0、651.4、431.6 和707.9 mm,5 a 平均为637.7 mm; 1999 — 2003 年期间, 年平均降雨量分别为357.3、418.2、467.2、442.9 和492.0 mm,5 a 平均为435.3 mm。对北京地区多年降雨频率进行分析表明, 多年平均降雨量589.5 mm。1994 — 1998年是四丰一枯, 而1999 — 2003 年全为枯水年。

土地覆被资料收集到了2 个时相的(1990 年和2000 年年初), 采用中科院土地分类标准对研究区的土地覆被进行分类, 同时经过SWAT 模型阈值处理后得到11 个子分类的统计面积, 见图1。

10 a 间(1990 — 2000 年), 面积减少的土地覆被类型主要是旱地, 面积由4 689.98 km2 减少至3 730.78 km2, 面积净减少959.20 km2; 其次是高覆盖度草地, 面积减少41.26 km2。面积增加的土地覆被类型主要是果园、农村居民点和城镇用地, 面积分别增加179.68、219.47 和609.98 km2。其他的基本保持不变。因此, 10 a 间, 土地覆被变化的趋势是: 城市人口增加, 工业化加快, 部分旱地转化为城镇; 同时在国家倡导的植树造林背景下, 部分旱地转化为果园。

为了定量模拟10 a 来土地覆被变化和气候变化对径流量的影响, 根据收集到的资料情况, 设计了如表1 中的4 种情景模拟。

输入土地覆被数据后, 需要重新生成水文响应单元, 采用模型校准和验证时率定的参数, 运行模型,可以得到各个流域的径流量, 由于北京城区主要位于北运河流域, 城市化主要影响北运河径流量, 因此,以北运河径流量的变化来阐述径流量对土地覆被和气候变化的响应。运行上述4 种情景模拟, 可以得到各种气候和土地覆被组合条件下的北运河径流量见图2。

分析图2 可以得到如下结论:

(1) 径流量对降雨量的响应非常明显, 年径流量的变化规律和年降雨量的变化规律完全一致。降雨量较大的年份, 模型计算出的年均径流量也较大; 降雨量较小的年份, 年均径流量也相应的较小。

(2) 比较情景1 和2, 两者均采用1990 年的土地覆被资料, 情景1 (1994 —1998 年的气象资料), 北运河流域降雨量5 a 平均为689.8 mm, 径流量5 a 平均为15.09 m3 / s; 情景2 (1999 —2003 年的气象资料), 降雨量5 a 平均为468.2mm, 径流量5 a 平均为4.56m3 / s。前后2 个时段比较, 降雨量年平均减少221.6 mm, 减少率为32.12 %, 而径流量年平均减少10.53 m3 / s,减少率达69.78 %。同样, 情景3 和4 均采用2000 年土地覆被资料, 年均径流量减少了11.14 m3 / s, 减少率达67.03 %。由于前5 a 降水偏丰, 而后5 a 均为枯水年, 因此可以得出结论, 10 a 间, 由于气候变化导致北运河径流量减少了约2 / 3。

(3) 在气候条件不变的条件下, 不同的土地利用方式对产流(径流) 的贡献不同。比较情景1 和3, 两者均采用1994 —1998 年的气象资料, 情景1 采用的是1990 年的土地覆被资料, 情景3 采用的是2000 年的土地覆被资料, 后者所计算的北运河径流量比前者年平均大1.53 m3 / s, 增加率平均为10.13 %。而情景2 和4 均采用1999 —2003年的气象资料, 径流量增加率平均为20.16%。

10 a 间, 北运河流域土地覆被变化的主要趋势是城市化。旱地城市化, CN 值由小变大, 产流能力增大,土壤入渗能力减弱, 导致径流量增加。从上述数据也可以看出, 枯水年份(1999 — 2003 年) 与丰水年份(1994 — 1998 年) 相比, 由土地覆被变化引起的径流量变化率大近1 倍。因此, 北京地区土地覆被变化导致径流量增加,枯水年比丰水年更为显著。通过前面的分析可知, 10 a 间,由于土地覆被变化导致北运河径流量增加了10%～20%。

4 虚拟情景模拟

现状情景模拟主要是研究近10 a 来的土地利用变化和气候变化对径流量的影响。虚拟情景模拟主要考虑未来土地利用在极端变化情况下对径流量的影响。虚拟情景模拟中, 土地利用数据采用2000 年的, 气候资料采用1994 —1998 年。其原因:其一, 北京的河流为季节性河流, 枯水季节干涸, 给模拟带来困难, 影响模型的精度; 其二, 1994 —1998年降雨偏丰, 整个降雨系列具有代表性。

研究区主要的土地利用类型是旱地、有林地、灌木林、城镇用地和农村居民点, 因此这几种土地利用方式的极端变化对水文有较大的影响。研究中设计了如下3 种虚拟情景: ①虚拟情景1: 在国家植树造林政策下, 旱地全部种上树木, 转化为疏林地; ②虚拟情景2: 旱地全部种草, 转化为中覆盖度草地; ③ 虚拟情景3: 城市人口急剧膨胀, 旱地城市化, 转化成城镇用地。

以验证后的SWAT 模型为基础, 输入虚拟的土地利用数据、1994 —1998 年的气象数据、运行模型,就可以得到给定气象和土地利用组合下的径流量数据。表2 列出了各种虚拟情景下北运河流域的出境径流量。在旱地全部种上树木, 转化成疏林地的虚拟情景1 下, 径流量年平均减少率为5.98 %。在旱地全部种草, 转化成中覆盖度草地的虚拟情景2 条件下, 径流量年平均减少率为9.80 %。旱地城市化, 转化成城镇用地的虚拟情景3, 径流量年平均增加率为30.34 %。由上述分析可知, 种树种草可以涵养水源, 减少丰水年份的洪峰量, 增加枯水年份的径流量。旱地城市化, 使得不透水面积大量增加, 由于不透水面积没有调蓄能力, 直接产生地表径流量。因此, 旱地城市化导致河川径流量明显增加, 同时洪峰量增大, 使峰现时间提前, 对防洪的不利影响非常显著。

5 结语

将分布式流域水文模型SWAT 应用于北京市平原区的河流径流量预测。采用等高线→TIN→DEM的方法获取分辨率较高的DEM图, 基于DEM图提取流域边界、河网和子流域, 根据土壤类型与土地覆被类型的组合划分水文响应单元, 在模型校准和验证的基础上, 研究了1994 — 2003 年10 a 间研究区气候变化与土地覆被变化对径流量的影响, 并预测了未来土地覆被变化条件下径流量的变化。

研究表明, 10 a 间土地覆被变化的主要趋势是旱地城市化。过去10 a 间, 由于土地覆被变化导致北运河径流量增加了10% ～20%,而气候变化导致径流量减少了约2 / 3。旱地转化成疏林地的虚拟情景1, 北运河径流量年平均减少5.98%, 旱地转化成中覆盖度草地的虚拟情景2, 径流量年平均减少9.80 %, 旱地转化成城镇用地的虚拟情景3, 径流量年平均增加30.34 %。

参考文献

[1] 史培军. 人地系统动力学研究的现状与展望[J]. 地学前缘, 1997, 4: 201—211.

[2] Fohere N, Haverkamp S, Eckhardt K, et al.Hydrologic response to land use changes on the catchment scale [J]. Phys. Chem. Earth (B), 2001, 26:577—582.

[3] 夏军. 水文非线性系统理论与方法[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2002.

[4] 王建群, 卢志华. 土地利用变化对水文系统的影响研究[J]. 地球科学进展, 2003, 18 (4): 292—298.

[5] Arnold J G, Williams J R, Maidment D R.Continuous - time water and sediment - routing model for large basins. Journal of Hydraulic Engineering[J],1995, 121(2): 171—183.

作者简介: 贺国平( 1975 — ) , 男, 工程师, 博士。

来源：《北京水务》2006年第6期

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