气候和土地利用变化对流域水文过程会产生重要影响,正确评估气候变化和人类活动对流域水循环、水资源的影响程度显得尤为重要。在流域尺度上,许多学者研究土地利用变化与水文过程的关系,进而预测未来土地利用变化对水文水资源的影响,尤其是对径流变化的影响^[1~5]。研究方法上,从早期的试验流域方法和后期的特征变量时间序列法,逐渐发展到采用水文模型来模拟水文过程^[6~9]。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型能够利用地理信息系统和遥感提供的空间信息,模拟复杂流域中多种不同的水文物理过程,适合于流域土地利用变化对流域地表径流及相关水文过程影响方面的模拟研究^[10~16]。伊洛河是三门峡大坝以下黄河最大的支流,由伊河与洛河构成,自然地理要素具有明显的过渡性。近年来,该区域土地利用发生了较大变化,研究多利用水文模型对流域产流、产沙和基流进行估算及评价^[17,18],而进行气候和土地利用变化对径流变化影响研究的还比较少。本研究利用遥感和地理信息系统技术,分析20世纪80年代以来,伊洛河流域伊河上游地区气候和土地利用变化过程,结合实测数据,构建适合与该地区的分布式水文模型——SWAT模型,以期理解气候和土地利用变化及其水文过程效应。

1 研究区域概况

伊洛河流域位于黄河中游南部（图1）,北以华山、崤山与黄河干流为界,南以伏牛山与长江水系分水,东以外方山与淮河为邻,流域面积18 881 km²。伊洛河是黄河小浪底大坝以下最大的一级支流,对黄河下游的洪淤有重要的影响^[28]。伊河发源于熊耳山南麓的栾川县,流经嵩县、伊川、洛阳,至偃师杨村注入洛河,全长368 km。

本研究区为伊洛河流域伊河上游地区,地理坐标在33°39′~34°17′N,111°20′~112°11′E之间,总面积3 276.8 km²。研究区域属于暖温带大陆型季风性气候,冬季干燥寒冷,夏季潮湿炎热。年平均气温12℃,年降水量700~900 mm,50%左右的降水量集中在7~9月。区域地貌类型齐全,具有伊洛河流域典型的地貌形态特征。

2 研究方法

2.1 数据源和数据处理平台

本研究数据源：1987年Landsat-5 TM、1999年Landsat-7 ETM和2008年中巴地球资源卫星02星CCD遥感影像数据;栾川和嵩县气象站点日气象观测数据,栾川、嵩县、陶湾、庙子、潭头、东湾、白狮和河西等水文站日降雨数据;陶湾、庙子、潭头和东湾4个水文站年、月径流数据;研究区25 m分辨率的数字高程（DEM）数据;研究区20世纪80年代1∶5万土壤调查数据。数据处理平台包括ArcView 3.2、Erdas 8.5、ArcGis 9.2和Spss 16.0。

2.2 气候变化分析

在选取嵩县和栾川两气象站点进行温度和降水的年、月时间序列（1981~2008年）分析,1981年以来划分为：20世纪80年代（1981~1990年）、90年代（1991~2000年）和2000年以后（2001~2008年）3个阶段,分析不同时段温度和降水变化规律。

2.3 土地利用变化分析

在Erdas 8.5软件支持下,参考研究区地形图、土地利用现状图、GPS野外调查获取的研究区土地利用状况资料。采用监督分类方法,建立训练区,然后进行分类,初始解译后于2009年10月进行了全面的土地利用调查工作。利用Erdas 8.5软件的精度评价功能,对三期遥感影像分类结果进行精度检验,结果为：1987年的总精度为83.1%,Kappa指数为0.78;1999年的总精度为85.1%,Kappa指数为0.81;2008年的总精度为86.1%,Kappa指数为0.81。然后对解译的数据进行修改、编辑,由于研究所用的图像分辨率不一致,通过图像重采样,制成分辨率都为30 m的研究区土地利用专题类型图（图2）。将三个时期土地利用类型图进行叠加分析,获得相应的土地利用变化属性数据。

2.4 径流变化分析

将数据按照SWAT模型需要格式输入模型,按水系分布情况将研究流域划分为21个子流域（图3）,每个子流域再按土地利用状况和土壤特性划分为2~5个水文响应单元HRUs,共划分了98个水文响应单元HRUs。蒸发计算采用Hargreaves法,地表产流计算采用SCS曲线法,河道汇流计算采用变动存储系数法。

SWAT的校准期选用东湾水文站1981~1990年的年、月径流和1987年的土地利用数据,将1991~2000年的年、月径流和1999年的土地利用数据作为验证期,以提高模型的准确性。

模型的校准和验证选用线性回归系数（R²）和Nash-Suttclife模拟系数（E_ns）来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果。线性回归系数（R²）应用线性回归法求得,R²用于实测值与模拟值之间的数据吻合程度评价,R²=1表示非常吻合,当R²<1时,其值越小反映出数据吻合程度越低。Nash-Suttclife系数（E_ns）的表达式为：

Ens=1-∑i=1nQ0-QP2/∑i=1nQ0-Qavg2

式中,Q₀为实测值;Q_p为模拟值;Q_avg为实测平均值;n为实测数据个数。当Q₀=Q_p时,E_ns =1;如果E_ns为负值,说明模型模拟平均值值比直接使用实测平均值的可信度更低。

3 结果与分析

3.1 气候变化

20世纪80、90年代和2000年以后3个阶段中,流域中栾川和嵩县气象站点的年平均温度分别为：栾川,11.81、12.17和12.49℃,嵩县,13.72、14.54和14.93℃。可以看出,20世纪80年代,年平均气温相对较低,80年代以来,流域多年平均气温呈现上升趋势,气温升高明显。栾川和嵩县站点的年平均降水量分别为：栾川,863.78、776.44和871.41 mm,嵩县,743.70、620.66和676.48 mm。说明20世纪80年代降水量比较丰富,90年降水量有所减少,2000年以后降水量又逐渐增多。月降水分布上,降水主要集中在6~9月份,3个阶段中,6~9月份平均降水总量分别占年平均降水总量的62.95%,57.45%和66.73%。

3.2 土地利用变化

1987~2008年,流域土地利用变化明显（图2和表1）,林地、库塘和建设用地面积持续增加,草地、河流和未利用地面积减少,耕地面积在1987~1999年间增加,而在1999~2008年间减少。1987、1999和2008年,林地面积分别为2 390.65、2 397.90和2 429.74 km²,增加0.30%和1.33%;库塘面积分别为2.58、2.76和3.10 km²,增加7.08%和12.02%;城镇建设用地面积在两个阶段分别增加了2.90%和9.25%;草地面积在1987、1999和2008年分别为339.39、315.81和298.02 km²,减少6.95%和5.63%;耕地面积从1987年的378.77 km²增加到1999年的398.90 km²,到2008年面积减少到389.30 km²。

3.3 SWAT模型校准和验证

SWAT模型涉及的产汇流参数有30多个,研究主要率定对流域水量平衡和径流过程有较大影响的变量,其他变量只进行微调或根据流域状况赋值。最终参数率定的结果如下：CN₂（SCS曲线方法的径流曲线系数,AGRL 80,FRST 60,PAST 70）,SOL_AWC（土壤有效含水量,0.02~0.19）,ESCO（土壤蒸发补偿系数,0.10）,CH_K（河道有效水力传导率,0.92）。

模型参数率定期（1981~1990年）,年径流模拟值与实测值拟合度较高,R²达到0.923,Nash-Suttc-life模拟系数E_ns为0.89;模型验证期（1991~2000年）,年径流模拟值与实测值拟合度R²减小到0.899,Nash-Suttclife模拟系数E_ns为0.87,模型运行结果较好。月尺度上,模型参数率定期,月径流实测值与模拟值拟合度R²达到0.801,Nash-Suttclife模拟系数E_ns为0.72;模型验证期,月径流R²为0.669,E_ns为0.64。图4中,尽管SWAT对月径流模拟的效果没有年径流好,模型预测的评价系数满足评价标准,模型模拟结果能够为研究区域水资源合理利用提供有效的参考价值。

3.4 气候和土地利用变化对流域径流变化影响

3.4.1 土地利用变化对流域径流变化影响

（1） 实际情景1和模拟情景1。 实际情景1：

第一阶段1981~1990年,采用1981~1990年的气候数据和1987年土地利用数据,模拟该情境下的径流变化情况,称为实际情景1（表2）。模拟情景1：和实际情景1相比,气候因子固定不变,土地利用数据为1999年,此情形与实际情景1下模拟的径流相比,二者差值可以看作是在20世纪80年代气候不变情况下,土地利用变化对径流变化的影响。模拟可知,20世纪80年代,年实测径流平均值为22.23 m³/s,实际情景1下模拟的年平均径流量为22.98 m³/s,而模拟情景1模拟的年平均径流量为22.89 m³/s。表明在固定80年代气候不变的情况下,土地利用变化使得年平均径流量减小。

（2） 实际情景2、模拟情景2和模拟情景3。 实际情景2：第二阶段1991~2000年,采用1991~2000年的气候数据和1999年土地利用数据,模拟该情境下的径流变化情况,称为实际情景2（表2）。模拟情景2、3：和实际情景2相比,气候因子固定不变,土地利用数据分别为1987和2008年,此情形与实际情景2下模拟的径流相比,二者差值可以看作是在90年代气候不变情况下,土地利用变化对径流变化的影响。模拟可知,20世纪90年代,年实测径流平均值为15.51 m³/s,实际情景2下模拟的年平均径流量为16.46 m³/s,模拟情景2模拟的年平均径流量为16.53 m³/s,模拟情景3模拟的年平均径流量为15.54 m³/s。表明在固定90年代气候不变的情况下,1987~2008年,由于土地利用变化,年平均径流量一直在减小。

（3） 实际情景3和模拟情景4。实际情景3：第三阶段2001~2008年,采用2001~2008年的气候数据和2008年土地利用数据,模拟该情境下的径流变化情况,称为实际情景3（表2）。模拟情景4：和实际情景3相比,气候因子固定不变,土地利用数据为1999年,此情形与实际情景3下模拟的径流相比,二者差值可以看作是在2000年以后气候不变情况下,土地利用变化对径流变化的影响。模拟可知,2000年以后,年实测径流平均值为15.38 m³/s,实际情景3下模拟的年平均径流量为16.23 m³/s,而模拟情景4模拟的年平均径流量为17.49 m³/s。表明在固定2000年以后气候不变的情况下,由于土地利用变化使得年平均径流量减小。

3.4.2 气候变化对径流变化的影响

（1） 实际情景1和模拟情景5。模拟情景5：

和实际情景1相比,土地利用固定不变,采用1991~2000年的气候数据,此情形与实际情景1下模拟的径流相比,二者差值可以看作是在80年代土地利用不变情况下,气候变化对径流变化的影响。模拟可知,20世纪80年代,年实测径流平均值为22.23 m³/s（表3）,实际情景1下模拟的年平均径流量为22.98 m³/s,而模拟情景5模拟的年平均径流量为20.16 m³/s。表明在固定80年代土地利用不变情况下,由于气候变化使得年平均径流量减小。

（2） 实际情景2、模拟情景6和7。模拟情景6、7：和实际情景2相比,土地利用固定不变,分别采用1981~1990年和2001~2008年的气候数据,此情形与实际情景2下模拟的径流相比,二者差值可以看作是在90年代土地利用不变情况下,气候变化对径流变化的影响。模拟可知,20世纪90年代,年实测径流均值为15.51 m³/s（表3）,实际情景2下模拟的年均径流量为16.46 m³/s,模拟情景6模拟的年平均径流量为18.71 m³/s,模拟情景7模拟的年平均径流量为22.85 m³/s。表明在固定90年代土地利用不变情况下,20世纪80~90年代年平均径流量减小,2000后年平均径流量增大。

（3） 实际情景3和模拟情景8。模拟情景8：和实际情景3相比,土地利用固定不变,采用1991~2000年气候数据,与实际情景3下模拟径流相比,二者差值可看作是在2000年以后土地利用不变情况下,气候变化对径流变化的影响。模拟可知,2000年以后,年实测径流平均值为15.38 m³/s（表3）,实际情景3下模拟的年平均径流量为16.23 m³/s,而模拟情景8模拟的年平均径流量为11.32 m³/s。表明在固定2000年以后土地利用不变情况下,由于气候变化使得年平均径流值增大。

4 结论与讨论

本文利用SWAT模型,对伊洛河流域伊河上游地区径流量进行模拟,并进行不同气候和土地利用变化情景下水文响应分析,得到如下结论：

1987~2008年,流域土地利用变化明显,林地、库塘和建设用地面积持续增加,而草地、河流和未利用地面积持续减少,耕地面积在1987~1999年间增加,而在1999~2008年间减少。20世纪80年代以来,年尺度上,土地利用变化使得平均径流量减小,不同阶段由于气候的变化,减少的程度也不一样。80~90年代,气候变化使得年平均径流量减小,而90年代到2000年以后,气候变化使得年平均径流量增加,这与90年代年平均降水量减少,而2000年以后年平均降水量增加一致。

利用SWAT水文模型来模拟气候和土地利用变化对流域径流的影响,虽然取得了一些成果,但SWAT水文模型需要的参数也很多,特别是需要大量、长时间序列、连续的日值资料等,由于受到数据可获取的限制,部分参数难于进行准确的设置,最终对模型的精度都会有一定的影响。本研究采用固定因子的情景假设方法,分析在同一气候或同一土地利用条件下径流的变化,此方法还不能完全区分气候与土地利用变化对流域径流的影响权重,单独区分气候和土地利用变化对流域径流变化的影响还需要深入探讨。模型参数确定时,如果能够通过野外实验资料辅助模型参数的确定,将会大大提高模型的模拟精度。此外,各种土地利用类型的变化对流域径流的影响还需要进一步分析。尽管模拟的水文过程变化存在不确定性,但研究表明,调整土地利用模式可有效调控水资源过程,特别是在山区流域,保护植被,提高植被覆盖度,合理耕作,是保护水资源的重要措施。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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