汾河上游土地利用变化对径流的影响分析研究

张国栋，黄 茹，胡彩虹，荐圣淇，张照玺，温跃修

(1. 河南黄河水文勘测设计院，郑州 450001；2. 环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；3. 郑州大学水利与环境学院，郑州 450001)

土地是人类赖以生存和发展的重要基础和物质来源，土地利用/植被覆盖变化(LUCC)是引起地表各种陆面过程变化的主要原因，对环境区域演变具有重要意义[1]。LUCC是一种人为的“系统干扰”，直接或间接地影响流域水文过程[2,3]。近半个多世纪以来，随着科学技术的发展和社会经济的快速增长，世界许多地方人口急剧增加导致土地利用类型急剧变化，大量生态系统的日益退化，导致水土流失、土地退化、河床湖库泥沙淤积、森林覆盖率下降等一系列问题，使流域的调蓄能力降低，加剧了洪涝灾害、旱灾等自然灾害的发生，在汛期流域洪水凶猛集中而泛滥成灾，枯季河道断流，水资源短缺[3,4]。

近些年国内外对土地利用变化造成的生态环境影响给予的关注日益增多。目前，正呈现出以土地利用和土地覆盖变化(LUCC)研究为中心，结合土地利用的社会经济、生物、地理过程的系统的和综合的发展趋势[3-5]。在流域尺度上，土地利用变化对流域水文过程的影响，直接导致水资源供需关系发生变化，从而对流域生态环境以及社会经济发展造成诸多影响，因此土地利用变化对流域水文过程的影响研究，就成为流域水资源规划、管理以及可持续发展等领域的核心问题[6-9]。

本研究从时空变化角度出发，分析研究区域土地利用的时空变化，结合研究区多年来径流变化趋势，分析土地利用变化对径流的影响，以期为该地区土地规划和水资源管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

汾河位于黄河中游，是黄河第二大支流，也是黄河径流的主要补给来源。汾河流域地处山西省的中部和西南部，位于110°30′～113°32′ E，35°20′～39°00′ N，南北长约412.5 km，东西宽约188 km，呈带状分布，面积39 471 km2，占全省国土面积的25.3%(图1)。汾河上游是指兰村水文站控制流域，兰村水文站地处汾河中上游，位于太原市西北 22.5 km，地理坐标为112°26′ E，38°00′ N。兰村站控制流域面积7 705 km2，流域平均宽度 36.1 km，实测期内多年平均流量14.3 m3/s，瞬时最大流量1 950 m3/s，历史调查洪水洪峰流量4 500 m3/s。汾河上游多年平均降水量491.4 mm，最大年降雨量767.6 mm，夏季风带来的暖湿气流是降水的主要水汽来源，6-9月降水占全年降水总量的70%以上，降水量年际变化大，最大与最小年降水比值可达3～4。

图1 汾河上游位置图Fig.1 Relative location of the study area

1.2 数据收集与处理

(1)水文气象数据。降雨量为1956-2011年汾河上游18个雨量观测站逐日、时段降雨观测资料(图2)；径流数据为1955-2011年汾河上游兰村水文站洪水要素摘录表中时段流量、逐日径流观测数据；蒸发量为1955-2011年汾河上游兰村站逐日观测数据；气象数据来自中国气象数据网(http:∥data.cma.gov.cn/site/index.html)，主要包含日平均风速、日平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、相对湿度和日平均水汽压等。

图2 研究区雨量站分布图Fig.2 Distribution of rain stations in the study area

(2)遥感数据。本研究采用美国陆地资源卫星TM 数据，空间分辨率为30 m ×30 m，获取的时间分别为1978年、1998年和2010年。对获取影像进行几何校正，投影转化为横轴墨卡托，最后利用“5s”模型进行大气辐射校正。

1.3 研究方法

1.3.1 遥感图像信息提取

基于TM 影像数据，运用ERDAS 9.2软件，采用监督分类的方法，获得1978 年、1998年和2010年研究区土地利用类型图，利用总体分类精度和总体Kappa系数对分类进行评价。为了使分类结果更加精确，将分类精度引入来确定不同土地类型的空间分布，具体做法是：①先计算出每种土地利用类型的NDVI值；②每种土地利用类型的NDVI值出现频率大致成正态分布，其中被正确分类类型的NDVI值在中间集中，然后可以根据分类精度x, 在[ (1-x)/2，(1+x)/2]范围内通过Matlab计算出每种土地利用类型NDVI最大值和NDVI最小值；③在ArcGIS里根据NDVI最大值和最小值重新确定每种土地利用类型的空间分布(图3)[10-12]。

图3 数据处理整体流程Fig.3 The processes of data processing

1.3.2 径流变化分析

本研究收集多年兰村水文站实测径流数据，采用滑动平均法与Mannn-Kendall秩次相关检验法，来分析长序列径流资料的变化趋势，利用pettitt检验法与Lee-heghinian法对水文序列做突变分析。

(1) 滑动平均法。滑动平均法在一定程度上它可以消除波动带来的影响，从而使原水文序列变得光滑，使水文变化变现出的趋势性和阶段性更加直观，更加明显。采用一定的方法计算一个水文序列{x1,x2,…,xn}的滑动平均值，以构成一个新的水文序列yt，其计算方法如下：

(1)

式中：k为震荡周期，整数。

(2) Mannn-Kendall秩次相关检验法。Mann-Kendall秩次相关检验法，需要假设一个水文序列xt={x1,x2,…,xn}，其样本为相互独立的，并且服从相同分布，再构造一个检验统计量S：

(2)

(3)

统计量S服从正态分布，均值E(s)和方差Var(s)分别为：

E(s)=0

(4)

Var(s)=n(n-1)(2n+5)/18

(5)

构造一个Mannn-Kendall秩次相关检验法的检验统计量Z，假定Z也是服从标准正态分布，计算方法如下：

(6)

在一定的显著水平α下，如果统计量|Z|≥Z1-α/2，则时间序列具有较为显著的变化趋势，如果Z>0，表明该序列具有上升的趋势，反之当Z<0，表示时间序列具则有下降趋势。

(3) pettitt检验法。Pettitt是一种非参数的检验法，它是利用检验其时间序列均值的变化，确定该序列的突变点的。Pettitt检验法构造一个服从正态分布的统计量Ut,n，检验同一个总体的两个不同的样本。

(4) Lee-Heghinian法。假设一个时间序列{x(t)}，其总体是服从标准正态分布的，但可能存在有突变点，则可能的突变点τ，假设其先验分布为均匀分布，推求得τ的后验分布为：

f(τ|x1,x2,…,xn)=k[n/τ(n-τ)]φ[R(τ)]-(n-2)/2,

1≤τ≤n-1

(7)

(8)

式中：k为比例常数；n为样本容量。f(τ|x1,x2,…,xn)的极值点就是可能的突变点，再结合其他的一些因素，来确定该检验序列的突变点。

2 结果与讨论

2.1 土地利用类型分析

利用监督分类方法，结合NDVI值将汾河上游的土地利用类型分为11类，分别为：水域、建筑用地、难利用地、农用地、有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地(图4)。

通过监督分类获得研究区不同时期的土地利用分类。检验后1978年影像总体分类精度为81.64%，Kappa 系数为0.776 1；1998 年影像总体分类精度为79.15%，Kappa系数为0.748 4；2010年影像总体分类精度为83.36%，Kappa 系数为0.781 1。根据分类精度81.64%、79.15%和83.36%，在[(1-81.64%)/2、(1+81.64%)/2]、[(1-79.15 %)/2、(1+79.15 %)/2]和[(1-83.36%)/2、(1+83.36%)/2]范围内，通过Matlab计算出每种土地利用类型NDVI最大值和NDVI最小值，在ArcGIS里根据NDVI最大值和最小值重新确定每种土地利用类型的空间分布，1978年，1998年和2010年土地利用类型分类精度分别提高到89.54%、88.47%和91.22%。

图4 汾河上游土地利用变化Fig.4 Land use changes in the upper reaches of Fenhe River

将11种土地利用类型归纳为5类，分别为农用地、林地、草地、建筑用地和水域。1978-2010年农用地面积呈降低趋势，林地与草地面积呈上升趋势，水域与建筑用地均有小幅升高(图5)。

由图6可知，除建筑用地外，农用地、林地、草地和水域面积，1998-2010年的变化率均大于1978-1998年。农用地在两个时间段内变化最为明显(表1)。

2.2 年径流变化趋势分析

汾河上游的控制站为兰村站，从20世纪60年代开始，兰村站的年径流量呈现下降趋势，进入20世纪80年代后径流减少趋势愈加显著。由兰村站年径流量的5年滑动平均值可以看出，兰村站控制流域年径流量呈较为明显的不规则周期性波动。从20世纪90年代初期到00年初期径流量呈现先增加后减小的趋势，2003-2011年呈现增加趋势，其余年份呈现波动变化，2003年前总体呈现减小的趋势，但2006年后径流量增加。年径流量平均值虽然有小的波动，但是总体上都呈现持续减小状态，年径流量平均每年减少0.019 亿m3(图7)。

图5 汾河上游土地利用结构变化Fig.5 Changes of land use structure in the upper reaches of Fenhe River

图6 单一地类变化率Fig.6The rates of single class change

表1 汾河上游各土地利用类型面积变化Tab.1 The various of land use type in the study area

图7 年径流量变化趋势Fig.7 Change trends of annual runoff

采用Mann-Kendall检验进行兰村站径流的变化趋势分析，Z值是Mann-Kendall系数的绝对值，反映了径流趋势的变化速度。各站点Z均是负数，表示各站点径流均呈下降的趋势，兰村站的Z值为-1.59。趋势系数的分析结果表明，兰村站的趋势系数均通过了0.01的检验，减少趋势明显。20世纪70年代后，径流量降低趋势更加明显。

随着时间推移，兰村站年径流量的年际均值都呈现减少趋势(表2)，1990-1999年际均值稍大，主要是由1996年大水年份上径流量偏大造成的，兰村站径流年际极值(最大和最小)也显现出下降的趋势最大年径流流量出现在20世纪60年代。

表2 兰村站年径流量特征值统计 亿m3

由兰村站年径流量的单累积曲线可以看出 (图8)，兰村站的径流量没有发生大幅度的逃逸现象，以累积曲线上的任意点将累积序列划分为两个子序列，两个子序列的回归曲线几乎没有差异，因此可以判断兰村站的年径流量没有发生突变，Lee-heghinian法和pettitt法的检验结果表明，1956-2011年兰村站的年径流量没有发生突变(图8)。

图8 兰村站年径流量突变分析Fig.8 Analysis of annual runoff mutation in Lancun station

2.3 径流量减少成因分析

2.3.1 降雨因素

降雨是大多数河川径流的主要补给来源。在不受人工干预和其他复杂因素的影响下，降雨量的大小在一定程度上就已经决定河川径流量的大小。1956-2011年汾河上游的年降雨量呈现出减少趋势 (图9)。由年降雨量的5年滑动均值可以看出，在2002年之前，汾河上游年降雨量呈现持续减少的趋势，而2002年之后趋势才有所改变。

图9 1956-2011年汾河流域年降雨量Fig.9 The annual rainfall in Fenhe River of 1956-2011

2.3.2 人类活动因素

(1)地表水开采。随着社会的发展，人口数量上的增加以及经济的蓬勃快速增长，人类对水的需求量是在持续不断增加的。需水量增加，人类从河道中的取水量也就相应的增加，从而直接导致了河川径流量的减少。1980-2011年典型年汾河流域地表水用水量呈现增加趋势，并且以每年1 806 万m3的速率急剧增加[13,14]。

(2)地下水开采。汾河流域地处干旱半干旱地区，因此地下水是汾河流域的重要水源，在1980-2011年之间，汾河流域地下水供应量占总量的63%。1995年前，汾河流域地下水开采量呈现增加趋势，在1995年之后，地下水开采量呈减少趋势。而在地下水中，又以深层承压水为主要地下水开采水源，深层承压水开采量占汾河流域地下水开采总量的69%[15-17]。

(3)煤炭开采。山西省是我国主要的煤炭生产地，煤田面积占据全省面积的37%。根据1995年全国第三次煤田的预测结果，山西39%的面积地下存在煤层，共有煤炭总资源量6 400 亿t[18,19]。随着我国经济的稳步快速的发展，煤矿的开采量逐年加大，而且开采的范围和速度都在持续加大。随着开采范围的扩大，孔隙水的减少会引发严重的地面坍塌，造成河川径流大量渗漏，直接影响地表径流量。同时，流域的环境地质条件也会因为煤矿开采而被强制破坏，使得汇流条件发生不可预知的改变，原来的水资源变化规律也在不断改变，水资源利用条件将会不断的恶化。

2.3.3 土地利用因素变化

研究区内近30年土地利用类型变化明显，林草地面积呈增加趋势，农用地与水域面积呈减少趋势，这也是径流锐减的原因。林地具有含蓄水源的作用，并且具有截留降雨的效应，可以有效保存水分，使形成径流量减少。

3 结 语

近年来，由于人类活动和气候变化的影响，汾河流域的下垫面以及径流量发生了很大的变化。本文从降雨、人类活动及土地利用变化等方面入手，研究了土地利用变化对径流的影响，结果表明，汾河流域土地利用变化是影响其径流变化的重要原因。

汾河流域径流量呈逐年递减的趋势，递减率为0.019 亿m3/a，且径流减少的趋势非常明显。汾河流域内，耕地、林地及水域面积均呈现减少的趋势，并且这种趋势随时间变化逐渐加强。流域内草地面积基本不变，城镇化面积大幅度提升，且流域内土地利用类型存在相互替换现象。通过1978年和2010年两期影像对比，耕地大部分转化为林地。土地利用变化对汾河流域径流量的减少具有至关重要的作用。

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