于红学，薛丽芳，孟瑶瑶
（中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 ２２１０００）
摘要：结合土地利用、土壤类型数据和降水数据，应用ＳＣＳ水文模型，在ＧＩＳ环境的支持下，模拟徐州市区１９８３－２０１３年土地利用变化及其对地表年径流深的影响。结果显示，土地利用变化主要表现为城镇建设用地、水体、未利用地面积增加，耕地、草地、林地面积减少。土地利用结构的变化使得地表径流深发生变化，在前期土壤湿润程度为平均，降水量为８０３ ｍｍ的情况下，３０年间徐州市区年径流深增加了４２ ｍｍ，年径流系数增加了０．０６。
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关键词 ：土地利用变化；ＳＣＳ水文模型；径流深；徐州市区
中图分类号：Ｆ３０１．２４；Ｐ３３３；Ｐ４０４ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）16－3895-05
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.016
收稿日期：２０１４－０９－２９
基金项目：国家自然科学基金项目（４１２０１１６６）；国家国际科技合作专项（２０１２ＤＦＧ２２１４０）；江苏高校优势学科建设工程项目
作者简介：于红学（１９９０－），女，山东淄博人，在读硕士研究生，研究方向为地图学与地理信息系统，（电话）１５８５２０３７２５２（电子信箱）
ｙｕｈｏｎｇｘｕｅ２０１２＠１６３．ｃｏｍ；通信作者，薛丽芳（１９７５－），女，副教授，博士，主要从事３Ｓ技术在流域规划中的应用研究工作，（电话）１３９１２０４００７５（电子信箱）ｘｕｅｌ７６＠１６３．ｃｏｍ。
随着城市化的不断加快，人们对自然环境的改造和利用直接表现为人类对土地的利用，大幅度改变了地球上长期形成的依附于土地的生态环境系统和水循环系统。城市化过程中森林、农田、湿地等不断转化成居住地、工业用地或商业用地，城市地区不透水面积增加。这种土地利用变化过程使下渗量、截留量、蒸发量、基流和地下水位减少或降低，从而影响流域产流；另一方面与河流渠化、防洪堤坝等水利工程措施共同作用使河道结构、河网形态改变，从而影响河道汇流，产汇流发生变化导致地表径流量发生变化［１］。目前，在众多水文模型中，美国农业部水土保持局研制的用来衡量径流和暴雨之间数量关系的经验模型——ＳＣＳ模型已经得到普遍认可和推广［２－４］。该模型能够根据土地利用的变化很好的描述降雨与径流的关系，可用于分析人类活动如水利工程措施、土地利用方式、管理水平以及城市化对径流的影响。
本研究以城市化发展进程较快的徐州市区为研究对象，以ＳＣＳ模型为基础，结合地理信息方法研究人类活动带来的土地利用变化对径流的影响，其研究结果可为城市防灾减灾及水土保持、生态建设提供依据，也可为城市可持续发展提供科学参考和依据［５］。
１ 研究方案
１．１ 研究区概况
徐州地处江苏省西北部，华北平原的东南部，介于１１６°２２′－１１８°４０′Ｅ、３３°４３′－３４°５８′Ｎ之间，总面积１１ ２５８ ｋｍ２，约占江苏省总面积的１１％。本研究的研究区域为徐州市区（图１），包含５个区：鼓楼区、云龙区、泉山区、铜山区和贾汪区，总面积３ ０５９ ｋｍ２。区域内除中部和东部存在少数丘岗外，大部分皆为平原。根据成土条件、土体结构和性质的差异，可将其土壤分为潮土、棕土、褐土、水稻土、紫色土、砂姜黑土6大类。徐州市地处古淮河的下游，以黄河故道为分水岭，形成南部的濉、安河水系和北部的沂、沭、泗水系。徐州市属暖温带季风气候区，受东南季风影响较大，东部属暖温带湿润季风气候，西部为暖温带半湿润气候，年均降水量约为８６０ ｍｍ，雨季降水量占全年的５６％。
１．２ 数据来源及处理
１．２．１ 土地利用数据 本研究以Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ影像提取土地利用信息，采用ＥＮＶＩ软件对影像图首先进行几何校正、辐射校正等数据预处理，后采用监督分类中的支持向量机分类器对１９８３、１９９３、２００３、２０１３年遥感ＴＭ影像进行解译分类，将研究区域内的土地划分为草地、耕地、林地、城市建筑用地、水体以及未利用地等６种地物类型［６］。对分类结果进行精度评价，得到徐州市１９８３、１９９３、２００３、２０１３年的土地利用分类图（图２）。
１．２．２ 土壤数据 在ＳＣＳ模型中根据土壤水分的最小渗透率划分而成的４组土壤类型（表１）来确定研究流域的土壤水文属性［７］。
本研究区收集到的土壤数据来源于１∶１００万中国土壤数据库，测得研究区内的土壤类型主要是潮土、砂礓黑土、紫色土、水稻土、脱盐花碱土以及褐土。在ＡｒｃＧＩＳ软件支持下，按照ＳＣＳ模型给定的土壤分类标准，需要对土壤进行重新分类。结合该地实际情况，将褐土归为Ａ类，潮土、紫色土统归为Ｂ类，砂礓黑土、水稻土统归为Ｃ类，脱盐花碱土归为Ｄ类。由此得到符合ＳＣＳ模型的徐州市区土壤分类图（图３）。
１．２．３ 水文数据 降雨数据来源于徐州市水利局的徐州站、蔺家坝站、解台闸站的日降雨量。对１９６３－２０１２年徐州站、蔺家坝站和解台闸站的降水量利用面积加权平均值进行降雨频率计算，分出丰水年、平水年和枯水年，本研究采用平水年的年降雨量，即８０３ ｍｍ。
１．３ 研究方法
１．３．１ ＳＣＳ模型原理 本研究所采用的ＳＣＳ模型是美国农业部水土保持局开发并研制的流域水文模型，ＳＣＳ模型能综合反映不同土壤类型、不同土地利用类型和不同前期土壤含水量对降雨径流的影响，是一种小型集水区径流计算方法。目前，中国水文学者也广泛应用ＳＣＳ模型进行了很多水文方面的研究工作［８］。在ＳＣＳ模型的基本原理［９］指导下，ＳＣＳ模型的产流计算公式［１０］为：
其中，Ｐ为单次降雨的降雨总量，Ｑ为地表径流量，Ｓ为流域在当时可能存在的最大滞留量，单位均为ｍｍ。
Ｓ主要与地表覆被条件和土壤相关，而且它有很大的变化范围，不利于取值，因此引入ＣＮ（Ｃｕｒｖｅ Ｎｕｍｂｅｒ），ＣＮ为产流系数，它的取值范围为０～１００，ＣＮ与Ｓ之间的关系如下所示：
其中，ＣＮ是ＳＣＳ模型中一个无量纲的量，ＣＮ表示的是在降雨之前地表特征的一个综合指标，与前期土壤湿润程度、地形坡度、植被类型、土壤类型和土地利用状况等方面有关。由于ＣＮ受前期土壤湿润程度的影响，根据径流事件发生前５ ｄ的降雨总量，可以将前期土壤湿润程度状况划分为干旱（ＡＭＣⅠ）、平均（ＡＭＣⅡ）和湿润（ＡＭＣⅢ）３种状态［１１］，不同的前期土壤湿润程度的ＣＮ之间存在相互转换关系。本研究假设前期土壤湿润程度为平均（ＡＭＣⅡ）状态，结合土壤类型和土地利用状况，通过ＣＮ计算公式和ＣＮ查算表［１２］，确定研究区在平均（ＡＭＣⅡ）状态下的ＣＮ矩阵（表２）。
１．３．２ 技术路线 在ＡｒｃＧＩＳ软件支持下，前期土壤湿润程度为平均（ＡＭＣⅡ）状态，结合土壤类型和土地利用状况，得到ＣＮ，根据式（２）计算出最大滞留量Ｓ，输入降雨量Ｐ，然后根据式（１）计算出年径流深，最后分析土地利用变化对年径流深的影响。具体操作流程如图４所示。
２ 结果与分析
２．１ 徐州市区土地利用结构及其变化
在ＧＩＳ软件环境的支持下，根据在数据处理阶段得到的徐州市区土地利用分类图，统计出４个时期各土地利用类型的面积（表３）。利用ＡｒｃＧＩＳ中的土地利用转移矩阵的功能，分别对１９８３－１９９３、１９９３－２００３、２００３－２０１３年的土地利用数据进行土地利用转移计算（表４至表６）。
徐州正处于城市化上升期，土地利用结构受城市化影响显著。由表３可以看出，１９８３年土地利用类型以耕地为主，其中耕地占７１．２３％，林地占 １１．３９％，建设用地占１０．１７％，草地占４．５３％，水体占２．４７％，未利用地占０．２５％。１９９３年、２００３年土地利用类型仍以耕地为主，但所占比重在下降，建设用地所占比重在上升。到２０１３年，土地利用类型以耕地和建设用地为主，其中耕地占６１．８６％，建设用地占２４．６９％，林地占５．６９％，水体占４．７０％，草地占２．２１％，未利用地占０．８５％。根据转移矩阵的结果，１９８３－２０１３年，徐州城镇建设用地从３１１．０６ ｋｍ２增加到７５５．５１ ｋｍ２，扩展了１倍多，建设用地的扩张大多数是由耕地转移的，也有部分是由林地转移的。耕地从１９８３年的２ １７８．８５ ｋｍ２到２０１３年的１ ８９２．４６ ｋｍ２，减少了２８６．３９ ｋｍ２，主要是随着城市化的进行，人们的生产、生活、娱乐等活动使之对建设用地的需求不断增加，而耕地则是主要的转换介质，故而耕地面积不断减少，转换成建设用地。其他用地在１９８３－２０１３年间也由于城市化的发展发生了不同的变化。
２．２ 土地利用变化对径流的影响
利用ＧＩＳ软件结合ＳＣＳ水文模型，在前期土壤湿润程度为平均状况，降雨量为８０３ ｍｍ时，分别生成４个时期的径流深图层（图５），根据影像特征统计年径流量的模拟结果（表７），根据土地利用变化图和径流深图层统计出了土地利用变化引起年径流深的转移情况（表８）。
图５显示，在１９８３－２０１３年期间地表径流深度发生了较大的变化。在土壤前期湿润程度、降雨量一定的情况下，地表径流深只受最大滞留量Ｓ的影响，根据式（２），ＣＮ越大，Ｓ越小，降雨量转化成径流量（径流深度）也就越大。因此，土地利用类型变化是引起地表径流深变化的原因。
表７显示在土壤前期湿润程度为平均状态，降雨量为８０３ ｍｍ情况下，１９８３年研究区的年径流深为６５４ ｍｍ，年径流总量为２００.0亿ｍ３，年径流系数为０．８１；在２０１３年年径流深为６９６ ｍｍ，年径流总量为２１２．９亿ｍ３，年径流系数为０．８７。３０年间由于土地利用类型的变化使得年径流深增加了４２ ｍｍ，年径流量增加了１２．９亿ｍ３，径流系数增加了０．０６，说明该研究区的下垫面产流能力增强了。
通过分析土地利用转移矩阵、年径流深图层和土地利用变化引起年径流深的转移矩阵（表８），可知产生这一结果的原因是徐州市区在不同时期土地利用结构发生了变化：
１）城市化对年径流量的影响。城市建设用地在这３０年期间从３１１．０６ ｋｍ２增加到了７５５．５１ ｋｍ２，扩展了１倍多，主要是由ＣＮ较小、产流能力低的耕地、草地、林地转化来的。通过年径流量的转移矩阵发现由于城市化进程加快，作用在城市建设用地下垫面上的年径流深增加了３５１．３６ ｍｍ。
２）耕地对年径流量的影响。耕地是城市化进程中转变为城市建设用地最大的地类，从１９８３－２０１３年，耕地面积由２ １７８．８５ ｋｍ２ 减少到了１ ８９２．４６ ｋｍ２。由于耕地的ＣＮ较小、产流能力较低，转化为ＣＮ较高、产流能力较强的城市建设用地、水体和未利用地，就必然会导致年径流深的增加。通过分析发现耕地面积的减少使得研究区年径流深增加了２４５．３５ ｍｍ，而耕地也有部分转化为ＣＮ较小、产流较小的地类，如草地、林地，年径流深减小了４２４．４２ ｍｍ。
３）草地、林地对年径流量的影响。从１９８３－２０１３年，草地、林地的面积在不断地减少。草地和林地较其他用地的ＣＮ都低，由草地、林地等转化为其他ＣＮ较高的用地类型，必然会导致年径流深的增加，通过分析发现草地面积的减少使得研究区年径流深增加了４１１．８２ ｍｍ，林地面积的减少使得年径流深增加了４２１．７８ ｍｍ。
４）水体、未利用地对年径流量的影响。根据式（１），水域区降雨直接转变为地表径流，ＣＮ较高，水域面积的变化对地表汇流有很大影响。由于徐州市泉山区近些年淡水养殖产业发展较快，部分ＣＮ较低的地类转为水域。水域变化使得研究区年径流深增加了１９１．５８ ｍｍ。另一方面徐州地处矿区，多年大面积煤矿塌陷增加了ＣＮ较高的未利用地的面积，未利用地增加使得研究区年径流深增加了６５８．５７ ｍｍ。
由此可见，土地利用与地表径流存在着密切而又复杂的关系，由于城市化进程的加快，土地利用类型发生变化从而直接引起了研究区的水文响应。
３ 结语
１）１９８３－２０１３年期间，城镇建设用地发生了大幅度的增加，水体、未利用地面积也在增加，耕地面积大幅度减少，草地、林地面积较少。ＣＮ较低的地类在减少，ＣＮ较高的地类在增加，所以这一时期地表径流深是增加的，３０年间年径流深增加了４２ ｍｍ，年径流量增加了１２．９亿ｍ３，径流系数增加了０．０６。
２）本研究只考查了土壤前期湿润程度为平均状态，降雨量为８０３ ｍｍ时，人类活动作用下的土地利用变化对地表径流的影响。而水文效应的产生应是自然环境和人类活动综合作用的结果，地形、土壤等自然因素对径流的影响，还需要应用水文模型进行更为深入的研究。
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