羅東旭 王繼保 鄭霞忠 陳士桐

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)

淮河位于中國(guó)東部,全長(zhǎng)約1 000 km,流域面積約27萬(wàn)km2,是中國(guó)七大河流之一.近30年來(lái),伴隨著氣候變化及人類活動(dòng)影響,淮河流域徑流的演變規(guī)律發(fā)生了很大變化[1].

徑流受氣候、下墊面、人類活動(dòng)等因素的耦合作用[2,3].氣候要素,尤其是降水,在很大程度上決定了流域徑流.但是,流域本身的一些特性,比如土地利用、地表覆蓋等,也與徑流的產(chǎn)生密切相關(guān)[4].

近年來(lái),已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[2,5].淮河流域隨著時(shí)間遷移,受國(guó)家政策、氣候變化等多種因素影響,淮河流域土地利用、地表覆蓋等產(chǎn)生顯著變化[6].唐為安,田紅,盧燕宇等[2]研究表明淮河流域中上游土地利用變化是引起徑流變化的主導(dǎo)因素,對(duì)上游和中游徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為76%和74%;降水對(duì)徑流量變化起著次要作用.但淮河流域土地利用類型的變化規(guī)律以及對(duì)徑流影響的規(guī)律還需深入研究.

本文運(yùn)用滑動(dòng)平均法、轉(zhuǎn)移矩陣分析法、皮爾遜相關(guān)系數(shù)法等分析方法,對(duì)淮河流域中上游典型水文站(蚌埠站)徑流在時(shí)間尺度上的變化特征與土地利用變化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)性分析,以揭示淮河中上游流域徑流年際變化與土地類型變化之間的關(guān)系,為流域土地利用規(guī)劃、水資源管理等提供理論參考依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文引用了資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)上的中國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供,引用了包括1980、1990、1995、2000、2005、2010和2015年的淮河中上游土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).該數(shù)據(jù)是在土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過(guò)矢量數(shù)據(jù)柵格化生成的1km柵格數(shù)據(jù).其中1980年土地利用數(shù)據(jù)的重建主要使用Landsat-MSS遙感影像數(shù)據(jù),1990年至2010年各期數(shù)據(jù)的遙感解譯主要使用了Landsat-TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù),2015年土地利用/覆被數(shù)據(jù)更新主要使用了Landsat8遙感影像數(shù)據(jù).根據(jù)土地資源及其利用屬性,數(shù)據(jù)主要分為耕地、林地、草地、水域、建筑居民用地、未利用6種一級(jí)類型;根據(jù)土地資源的自然屬性,分為25個(gè)二級(jí)類型.

本文只研究蚌埠以上流域,因此采用蚌埠測(cè)站測(cè)得的年連續(xù)最大30 d洪量W30d和年連續(xù)最大60 d洪量W60d,數(shù)據(jù)涵蓋的年份范圍為1975—2010年.

1.2 研究方法

本文主要采用轉(zhuǎn)移矩陣分析土地利用轉(zhuǎn)移變化規(guī)律,采用滑動(dòng)平均法處理洪量數(shù)據(jù),采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分析土地利用變化與洪量的相關(guān)性.2018年,張國(guó)棟,黃茹,胡彩虹等[7]使用滑動(dòng)平均、Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法研究了汾河上游土地利用變化對(duì)徑流量的影響.2010年,喬光建[8]對(duì)土地利用變化與徑流量的演變進(jìn)行了相關(guān)性分析,彥立利[9]對(duì)石羊河流域山區(qū)土地利用變化及地表徑流量進(jìn)行了相關(guān)性分析.2017年,WANG Fang[10]研究了黃河流域土地利用和天然流量的關(guān)系.

1.2.1 土地利用

將含有研究區(qū)省份的土地利用柵格數(shù)據(jù)用Arc-GIS的鑲嵌功能鑲嵌至同一柵格,組成一塊大地圖.使用插件ArcSWAT中的Watershed Delineator(流域劃分)功能,將包含研究區(qū)的utm地形文件提取出河網(wǎng),再通過(guò)指定出口,即蚌埠測(cè)站位置,向上游找到所有流經(jīng)該出口的河流,從而確定流域范圍,得到一個(gè)流域范圍的外框,再使用掩膜提取功能,提取出研究區(qū)的土地利用柵格數(shù)據(jù).該柵格數(shù)據(jù)中包含了該研究區(qū)的所有土地利用二級(jí)類型及其對(duì)應(yīng)面積大小,并且可以通過(guò)兩張包含相同區(qū)域的柵格數(shù)據(jù)創(chuàng)建轉(zhuǎn)移矩陣,分析土地利用的轉(zhuǎn)移情況.

1.2.2 徑流量

為減弱除土地利用以外其他不確定因素對(duì)于洪量的影響,應(yīng)對(duì)收集到蚌埠測(cè)站在1975—2010年的W30d和W60d數(shù)據(jù)進(jìn)行5 a滑動(dòng)平均處理.滑動(dòng)平均法可以減弱數(shù)據(jù)的隨機(jī)起伏,使其更加平滑[11],本文用到的5 a滑動(dòng)平均法的計(jì)算公式見(jiàn)式(1).

式中：y'3為原y3在滑動(dòng)平均后得到的值;y1、y2、y3、y4、y5為相鄰的一組數(shù)據(jù).因此要計(jì)算y3,就必須知道其左右兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù),而由于收集到的土地利用數(shù)據(jù)和洪量數(shù)據(jù)重疊的年份只有1980—2010年,所以只能使用1978—2007年的洪量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算其1980—2005年的滑動(dòng)平均值.最終可用的洪量數(shù)據(jù)范圍只有1980—2005年.

1.2.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析方法包括回歸分析、相關(guān)系數(shù)等.相關(guān)系數(shù)又分為皮爾遜相關(guān)系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)、典型相關(guān)系數(shù)等,這里計(jì)算皮爾遜相關(guān)系數(shù)來(lái)分析土地利用變化與洪量的相關(guān)性.皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：n為樣本量;xi、yi是兩個(gè)變量的觀測(cè)值是變量的均值;r是計(jì)算出的相關(guān)系數(shù).其絕對(duì)值越接近1則數(shù)據(jù)間的相關(guān)性越大.

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

2.1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.1.1 各年土地利用情況

表1為土地利用一級(jí)類型在研究年中面積和比例的變化情況.其中1985年數(shù)據(jù)為1980年和1990年數(shù)據(jù)插值而得.ArcGIS中土地利用情況圖挑選了4個(gè)代表年進(jìn)行展示,如圖1～4所示.

表1 各年土地利用變化情況

圖1 1980年研究區(qū)域土地利用情況圖

圖2 1990年研究區(qū)域土地利用情況圖

圖3 2000年研究區(qū)域土地利用情況圖

圖4 2010年研究區(qū)域土地利用情況圖

2.1.2 各年W30d、W60d洪量變化情況

原始數(shù)據(jù)波動(dòng)較為劇烈,因此采用滑動(dòng)平均法來(lái)分析長(zhǎng)序列徑流資料的變化趨勢(shì).將收集到的多年蚌埠水文站實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)取相鄰前后5年進(jìn)行計(jì)算滑動(dòng)平均值,5a滑動(dòng)平均后的歷年W30d、W60d洪量圖如圖5所示.

由圖5可以看出,滑動(dòng)平均法較好地平滑了洪量數(shù)據(jù),一定程度上消除了某些偶然因素對(duì)于洪量的影響.經(jīng)過(guò)滑動(dòng)平均后,W30d在1994年達(dá)到最小值61.76億m3,W60d在1995年達(dá)到最小值85.48億m3.不難看出,蚌埠測(cè)站測(cè)得的W30d、W60d洪量在1995年以前呈降低趨勢(shì),在1995年后呈升高趨勢(shì),每年洪量有小幅波動(dòng),但整體趨勢(shì)較為明顯.

在滑動(dòng)平均值的基礎(chǔ)上,取有可用土地利用數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)年份,即1980、1990、1995、2000和2005年共5年的數(shù)據(jù),即可與對(duì)應(yīng)年份的土地利用情況進(jìn)行相關(guān)性分析.

圖5 洪量變化趨勢(shì)

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 各年土地利用情況變化分析

從表1可以看出,耕地面積從1980年至2015年單調(diào)遞減,最高為1980年的83 892 km2,最低為2015年的81 609 km2,總變幅2 283 km2,相較自身總共減少了2.72%.相對(duì)于其他土地利用一級(jí)類型,變幅較大.林地變化不穩(wěn)定,但變幅很小,1980至1990年減少了4 km2,1990至1995年又增加了58 km2,5年后又減少了77 km2,上下變幅不超過(guò)100 km2,因而林地面積可以認(rèn)為僅在1990年至2000年有較大起落,其余年份無(wú)明顯變化.草地面積較小,且除1990年至1995年有一次大幅減少,減少了451 km2,其余年份均小幅度波動(dòng).水域面積基本呈遞增趨勢(shì),除1990年至1995年,2000年至2005年有兩次小幅減少,水域面積從1980年至2015年總共增加了400 km2,雖然數(shù)字較小,但是相對(duì)自身增加了13.48%.建筑居民面積一直呈單調(diào)遞增狀態(tài),且為所有土地利用一級(jí)類型中總變幅最大的一個(gè),總共增加了2 354 km2,可以看出無(wú)論其他土地利用類型如何變化,一般不會(huì)影響到人類對(duì)居住地的拓展.未利用面積變化很小,且總面積太小,無(wú)分析意義.

2.2.2 土地利用空間轉(zhuǎn)移情況分析

表2、表3即為土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,矩陣中數(shù)字amn表示第m行對(duì)應(yīng)的土地利用一級(jí)類型轉(zhuǎn)移到第n列對(duì)應(yīng)的土地利用類型的數(shù)量(面積km2),如表2中的數(shù)據(jù)矩陣中,第3行第2列的數(shù)字218,表示1990年的草地面積中有218 km2的位置在1995年轉(zhuǎn)化為了林地.由于洪量極小值在1995年,因此以1995年為分界線,在此展示1990—2005年的兩個(gè)轉(zhuǎn)移矩陣.

表2 1990至1995年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

表3 1995至2005年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

2.3 土地利用情況與W 30d、W 60d洪量變化的相關(guān)性

2.3.1 相關(guān)性分析

流域徑流量變化的主要影響因素為流域氣候、下墊面因素等[2-3],而氣候包括了降雨等因素,下墊面因素又包括了土地利用情況等,同時(shí)也受人類與動(dòng)物的活動(dòng)影響,所以難以直接得出土地利用對(duì)徑流量的影響情況,但分析其相關(guān)性是可行的.下面計(jì)算各種土地利用類型與W30d、W60d的相關(guān)系數(shù),見(jiàn)表4～5.再將W30d、W60d的相關(guān)系數(shù)取平均數(shù),以代表流域徑流量,平均后的相關(guān)系數(shù)如圖6所示.

未利用土地由于面積太小,不做分析.從表5可以看出,土地利用類型中,除草地以外,其他土地利用類型和兩種洪量的相關(guān)系數(shù)同號(hào).從圖6可以看出,林地與徑流量的相關(guān)系數(shù)最大,為-0.705 4,說(shuō)明徑流量與林地呈負(fù)相關(guān),且具有中等程度的負(fù)相關(guān)性.其次,徑流量與耕地有中等偏低的負(fù)相關(guān)性,與水域有低正相關(guān)性,與建筑居民用地有低正相關(guān)性.徑流量與草地的相關(guān)系數(shù)值為負(fù),但很小,幾乎無(wú)相關(guān)性.

表4 流量與土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)表

表5 土地利用類型相關(guān)系數(shù)計(jì)算表

圖6 相關(guān)系數(shù)均值圖

圖7 各年土地利用變化與洪量變化趨勢(shì)圖

2.3.2 徑流量變化原因分析

土地利用方式不同在于其下墊面土壤種類不同、土地上覆被種類不同等.減少降雨產(chǎn)生的徑流量的方式大致有兩種：土壤下滲吸收、植物截留.土壤與水泥地相比,其內(nèi)外具有孔隙,可供水下滲;水泥地多為不透水面,降雨難以下滲,產(chǎn)生的地面徑流較多,所以同種土壤的面積越大、覆蓋厚度越大,可以吸收的降雨越多,則產(chǎn)生的地面徑流越少.土地上覆蓋的植物越多,植物吸水越強(qiáng),則產(chǎn)生的地面徑流越少.只要減少地面徑流,就可以使流入河道被計(jì)算在洪量?jī)?nèi)的水量變少,從而起到減少流域徑流量的作用.

耕地、林地、草地具有大量土壤,對(duì)于降雨產(chǎn)生的水量有吸收作用,因此,對(duì)于徑流量有降低的作用,解釋了耕地、林地和洪量的相關(guān)性系數(shù)為負(fù)的計(jì)算結(jié)果.此外,林地不僅具有吸水的土壤,還具有可截留雨水的樹(shù)葉和可吸收水分的樹(shù)根,且林地根系深度較大,土壤有效含水量較高,對(duì)于降雨量的吸收效果比耕地更好[12],所以即使林地面積不大,也能和洪量具有絕對(duì)值最高的相關(guān)系數(shù),表明林地面積的增加對(duì)徑流產(chǎn)生明顯的減少作用.草地在本流域的面積太少,對(duì)于洪量的影響力太小,計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)較小,所以其相關(guān)性不大,所以其對(duì)徑流的影響也較小.相反,建筑居民用地土壤較少,多數(shù)為不透水的水泥地,降雨會(huì)直接形成地面徑流,流入河道形成洪量,產(chǎn)生的洪量則較多;水域則直接增大產(chǎn)生洪量區(qū)域的面積.所以建筑居民用地和水域面積的增加對(duì)徑流的增加有積極的作用,解釋了其相關(guān)系數(shù)為正的計(jì)算結(jié)果.分析結(jié)果與喬光建[8]、鄧睿[12]的分析一致.

綜上所述,土地利用與徑流量相關(guān)性大小的順序?yàn)椋毫值?耕地>水域>建筑居民用地>草地.

3 結(jié) 論

由以上分析可以看出,淮河中上游流域內(nèi)徑流量和流域土地利用情況有一定相關(guān)關(guān)系.

1)1980—2015年,淮河中上游流域耕地逐年遞減,建筑居民用地逐年遞增;林地面積變化較小,在1995年有最大值;草地總面積較小,但在1990～1995年有一次大幅下降;水域在研究年限中大致為遞增趨勢(shì),但1995年存在一個(gè)極小值.

2)W30d和W60d在研究年限中,均呈現(xiàn)先減后增的大趨勢(shì),最小值在1995年.

3)在不考慮面積極小的未利用土地的情況下,土地利用和流域徑流量的相關(guān)性中,林地、耕地、草地分別與徑流量呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.705 4、-0.487 6、-0.042 5,林地的相關(guān)性最強(qiáng),草地的相關(guān)性最弱.水域、建筑居民用地分別與徑流量呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.4367、0.38,水域的相關(guān)性最強(qiáng).所有土地利用類型與徑流量的相關(guān)性大小順序?yàn)椋毫值?耕地>水域>建筑居民用地>草地.說(shuō)明在不考慮少量的未利用土地時(shí),在淮河中上游流域,土地利用情況與流域徑流量存在一定相關(guān)關(guān)系,且林地與徑流量的相關(guān)性最強(qiáng),草地與徑流量的相關(guān)性最弱.