延河流域景观格局与生态水文过程分析

　　摘要：延河流域作为典型的黄土高原丘陵沟壑区，水土流失是最主要的生态环境问题，其生态环境治理能为整个黄土高原生态恢复重建提供典型范例，因此评价延河流域景观格局变化对水文过程的影响，对流域景观格局与水文过程的研究具有重要的科学价值和现实意义。本文通过利用SWAT模型模拟的延河流域的41个子流域的水文响应单元，建立延河流域的“源—汇”水文响应单元景观格局指数，通过计算不同地形条件下水文响应单元随着坡度变化的面积累积百分比，构建了新的“地形—水文响应单元(Slope-HRU)综合景观指数”。并与SWAT水文模型所模拟获得的子流域径流量、产沙量进行相关性分析，评价“地形—水文响应单元(Slope-HRU)景观指数”对水文过程的表征能力和适用性。结果表明：结果表明在子流域尺度上Slope-HRU景观指数和产沙状况存在明显的区域分异规律，而且R值空间变异情况基本上与产沙量的空间变化规律相反，即R值呈现由南向北，由东向西递增，而产沙量由南向北，由东向西递减。R值与年产沙量在数值上呈显著相关关系，相关系数为-0.60；再将Slope-HRU景观指数与上文所选取的7个常用景观格局指数相结合，构成新的综合景观指数，发现它们与子流域的产沙量耦合关系明确，均显著负相关，相关系数绝对值范围为0.43~0.63。

　　关键词：延河流域；景观格局；水文过程；水文响应单元；景观指数

　　1引言

　　延河流域作为典型的黄土高原丘陵沟壑区，水土流失是最主要的生态环境问题，其生态环境治理能为整个黄土高原生态恢复重建提供典型范例；探讨延河流域退耕还林(草)政策实施前后土地利用/覆被变化的特征，围绕该流域水土流失这一核心生态问题，探寻土地利用/覆被变化引起的景观格局变化对生态过程，尤其是泥沙输送过程的影响规律，将自然环境条件与人类社会经济发展以及历史发展过程相互联系，评价流域景观格局变化对重要生态过程的影响，对流域综合治理有重要的现实意义。

　　2研究区概况和数据处理

　　2.1研究区概况

　　延河发源于陕西靖边县姬家畔附近的白于山东坡，自西北向东南流经志丹、安塞、延安、延长等县(市)，于延长县凉水岸汇入黄河，属于黄河一级支流，全长286.9km，流域面积7725km2。延河流域，其北部是清涧河流域、西南部为北洛河流域、南部和云岩河流域相接，海拔最高为1731m，宝塔区平均海拔为958m，属黄土丘陵沟壑区。年降水量偏少，年降水量在400~550mm，多年平均降水量为520mm，本地区年均气温为8.8~10.2oC，由西北向东南递增，平均日温差13.2oC。光能资源丰富，年总辐射量为125~134千卡/cm2，有效辐射量为67.8千卡/cm2。无霜期为157~187天。延河流域残存的天然林不多，森林草原为地带性植被，但是，少量的灌丛林也呈块状分布，从而形成以牧草为主的景观现状，干旱草本植物是植被的优势种。延河水系为延安地区第二大水系，主要支流包括了杏子河、平桥川、西川河、南川河、蟠龙川等[14-15]。延河可以分成上、中、下游三段，可以将流域相应划分为上、中、下游三段区域：上、中游的分界是安塞县的化子坪；中、下游的分界是宝塔区的甘谷驿。根据土地利用现状分类系统，结合研究区土地利用现状及其特点，将土地利用类型共分为8个一级土地类型(图1)，即：耕地(旱地和水田)、灌丛林地、有林地、牧草地(天然草地和人工草地)、建筑用地(居民点、工矿及城镇用地)、园地(果园、菜园)、水域(河流、水库和池塘等)、和未利用地(沼泽和滩涂地)。

　　2.2数据来源

　　本文主要参考延安市地理志[14]等地理和历史文本文献[15]，数字高程数据DEM、统计据，2010年土壤类型图、地形图、地貌图以及交通图、行政图等相关图件，野外实地考察获得的植被、水文、土壤分布、土地利用和退耕还林实施情况等资料；1956-2011年逐月实测气象数据和1990-2010年水文站点的实测水文数据；本研究中选用的影像资料包括LandsatTM、LandsatETM+和SPOT4卫星遥感数据。其中，2010年为SPOT4数据，共9景，空间分辨率为20m。运用ERDAS9.2软件，对2010年SPOT影像进行解译，得到1:5万的延河流域土地利用类型空间分布图和土地利用类型的属性数据库。

　　3研究方法

　　3.1SWAT分布式水文模型

　　SWAT模型是由美国农业部的农业研究中心研发的，是免费、开源的，是一种基于GIS基础之上的分布式流域水文模型，在调参、径流模拟、地表水、非点源污染计算、面源污染、数据构建、生态修复、作物生长、参数率定、敏感性分析、农业管理措施等方面都有着广泛的应用。

　　3.2景观指数选取

　　景观指数可分为斑块水平(Patch-Metric)、景观类型水平(Class-Metric)和景观水平(Landscape-Metric)等类型，本文应用景观格局分析软件FRAGSTATS4.1来计算景观指数。因此，对所获得景观指数进一步做主成分分析。确定选取的景观指数共有7个，即“独立核心斑块密度指数DCAD、回旋半径指数GYRATE_SD、整体性(斑块凝聚度)指数COHESION；香农均匀度指数SHEI、核心斑块总面积TCA、周长面积分维指数PAFRAC、散布与并列指数IJI”。具体景观指数表达式参见参考文献[17-18]。

　　4结果分析

　　4.1HRU划分和定义

　　本研究根据延河流域地形、土壤、土地利用和水土流失的实际情况，水文响应单元定义的具体过程中，分别将延河流域分辨率为30m的土地利用/覆盖数据和土壤数据导入模型，参数选取结果如下：(1)主要参数设定：土地利用图层、土壤类型图层和坡度图层的面积比例阈值设定为，土地利用类型数据最小面积比例为5%，土壤类型数据最小面积比例为30%，坡度最小面积比例为5%。(2)坡度划分：采用MultipleSlope方法，将坡度分为3级(坡度按百分比)，设置坡度系数：“slopeclass1”为0~10%、“slopeclass2”为10%~30%、“slopeclass3”是大于30%。将坡度如此划分的依据是：延河流域地表破碎，沟壑纵横，广泛分布梁、峁斜坡和沟谷陡崖，前者坡度多在10~35度之间，后者坡度多大于35度。这些陡坡为流水侵蚀和重力侵蚀提供了有利的地貌条件。

　　4.2延河流域土地利用/覆被变化的水文效应模拟

　　本文利用SWAT模型模拟得到延河流域逐年各月径流和产沙量。为验证结果的准确性，将实测的资料分为两部分，一部分用于校准模型，而另一部分用于模型的验证。本研究方案将选择1990-2010年甘谷驿水文站的径流数据对SWAT模型进行参数率定和验证。其中选择1990-1999年为参数率定期，而以2000-2009年的径流数据进行结果验证。模型根据径流参数的相对敏感性，不断调整参数的取值范围，期望得到一组合适的参数，以求达到较好的模拟效果。1990-1999年逐月的实测日均径流量跟模拟值周期分布接近，相关性较好(图2和图3)，相关性系数R2为0.834；说明模拟值与实测值接近，且相关程度高，可信赖。从图中可以看出，2000-2009年的径流量模拟结果好，与实测值的相关性和误差都在接受范围之内。相关性系数R2为0.819，表明实测值和模拟值的相关性较高；模拟精度高，模拟结果可信赖。

　　5讨论

　　(1)通过本研究表明，子流域中Slope-HRU景观格局指数的R值越大，流域的土壤流失量越小；相反，R值越小，流域的土壤流失量越大，二者成反相关关系。源汇景观格局指数将景观类型、面积、地形、土壤类型等信息进行集成，考虑了水文过程的部分机制，具有跨尺度性，可以适合于不同面积、气候、地形特征的流域。源汇景观格局指数是一个相对值，适合于环境背景相似的流域，如果环境背景差异较大的不同流域之间进行比较，可能指数不具可比性[22-23]，需要考虑进来其它环境因子。源汇景观指数的构建具有开放性，可以将其它空间属性和指标加以引进[24-25]，也会增加该指数的模拟精度，比如流域形状、雨水汇集路径、空间位置等。在下一步研究中，还需要通过比较其它传统的景观格局指数，综合评价源汇景观指数的准确性。

　　(2)本文着力构建“流域—子流域—景观单元”三级系统，将水文响应单元作为基本景观单元，其空间分布格局与水土流失过程互为因果。格局是过程发生的基础，过程促使格局形成与演变。定义水文响应单元遵循地理要素综合分析原则，将影响水文过程的重点地理要素与水文响应单元的划分紧密结合起来。也就是说，水土流失是由地形、植被、土壤、气候、人类活动等综合影响的，划分景观单元要综合考虑这些因素。达到景观单元与水文过程单元意义相同目的。定义“源/汇”景观水文响应单元时所采用的因素中，要着重考虑稳定的地理要素，如土壤属性、坡度等短期内不会发生变化者，同时土地利用方式是一个综合指标，它能有效的反映出人类活动的影响。延河流域被划分为41个子流域，各子流域由众多水文响应单元组成，在水文响应单元栅格数据基础上，依据水土流失“源/汇”理论，本文构建了延河流域的一个“源—汇”景观格局指数，即“地形—水文响应单元(Slope-HRU)景观指数”。并与子流域的径流量、产沙量进行相关性分析，评价“地形—水文响应单元(Slope-HRU)景观指数”对水文过程的表征能力和适用性。虽然该指数与产沙量之间有显著相关性，但它与径流量之间没有相关性，因此进一步深入分析该指数与水文过程的互动机制依旧难度很大，如何将流域空间上的景观格局与监测点的数据联系起来是景观生态学家长期比较困惑的问题，加上研究尺度的变化，正确合理地评价景观格局与生态过程之间的关系仍然存在较多问题需要继续探索，例如，景观格局对土壤侵蚀过程的作用机理、人文社会驱动力对“景观格局—水文过程”系统的作用效果和改善途径等尚需继续深入研究。

　　6结论

　　(1)基于SWAT模型对延河流域土地利用/覆被变化的水文效应进行模拟分析，得出随着林、灌、草地面积的增长有助于延河径流量增加，而泥沙量将会大幅度减小的结论。

　　(2)本文首次尝试将水文响应单元(HRU)作为基本景观单元来研究景观格局。尝试用土地利用类型、土壤类型、地形坡度等几个要素区分、定义和命名水文响应景观单元(HRU)。在景观水平上，通过主成分因子分析选取DCAD、GYRATE_SD、COHESION、SHEI、TCA、PAFRAC、IJI等7个景观指数来研究水文响应单元(HRU)的空间格局特征。景观指数与径流量的相关系数很小，全部不能通过显著性检验。但除了TCA和IJI外其他五个景观指数与产沙量之间有显著相关性，相关系数绝对值基本介于03~0.5之间。

　　参考文献(References)

　　[1]LuYihe,ChenLiding,FuBojie.Analysisoftheintegratingapproachonlandscapepatternandecologicalprocesses.ProgressinGeography,2007,26(3):1-10.[吕一河,陈利顶,傅伯杰.景观格局与生态过程的耦合途径分析.地理科学进展,2007,26(3):1-10.]

　　[2]ChenLiding,FuBojie,ZhaoWenwu.Source-sinklandscapetheoryanditsecologicalsignificance.ActaEcologicaSinica,2006,26(5):1444-1449.[陈利顶,傅伯杰,赵文武.“源”“汇”景观理论及其生态学意义.生态学报,2006,26(5):1444-1449.]

　　[3]ZhaoWenwu,FuBojie,ChenLiding.Theeffectsofgrainchangeonlandscapeindices.QuaternaryScience,2003,23(3):327-333.[赵文武,傅伯杰,陈利顶.景观指数的粒度变化效应.第四纪研究,2003,23(3):327-333.]

　　李晶,周自翔

《延河流域景观格局与生态水文过程分析》

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