打开文本图片集

摘要：景观格局对流域径流量的时空分布具有重要意义。目前景观格局对径流影响多集中于流域尺度景观格局，关于子流域小尺度径流量与景观格局关系的研究较少。本研究基于DEM、1980、2000、2020三期土地利用数据及气象数据建立了太子河流域SWAT模型，模拟了流域水文循环过程。以子流域产流量为模拟径流，以皮尔逊相关分析为研究方法，探究流域景观格局与模拟径流量相关关系。主要结论如下：（1）太子河流域产水量模拟结果表明，1980-2016年间流域模拟径流量呈不显著增长趋势，且有突变点；模拟径流主要集中在流域东南部及东部的上游地区。（2）景观水平上，太子河产水量主要伴随流域内斑块面积和紧凑度以及斑块形状的复杂程度增大而增大。（3）太子河流域用地类型中耕地和林都与产水量的相关关系显著。伴随耕地面积比重增加及景观完整度逐渐增强，流域产水量随之增强；伴随林地面积比重增强以及景观破碎度逐渐减弱，流域产水量也随之减少。

关键词：景观格局；水文过程；SWAT模型；太子河流域；产流量

1 引言

水循环作为陆地生态系统的中心环节，其对流域生态系统内部生产力和养分循环功能具有决定性作用，研究者通常将其作为区域生态系统健康状况的重要指标。[1]探究人类活动及气候变化对流域水文过程的影响具有多种方法[2]，其中水文模型法具有一定的物理基础，并且不需要大量详细的人类活动资料，对于流域水文过程研究具有重要意义。[3][4]土壤和水评估工具（SWAT）是作为具有物理机制的分布式水文模型的一种[5][6][7]，其功能包括流域径流模拟。吕乐婷等通过对流域径流模拟探究流域蓝、绿水空间发展[8]；郑莉萍等通过对璧南河流域径流进行模拟探究其空间分布规律[9]；石建杨等通过对滇池流域径流进行多时间尺度进行模拟探究模拟径流发展规律[10]。此外，径流模拟的空间尺度虽有不同，但其模拟尺度仍为流域，而不是子流域尺度。[11][12]

从景观格局角度考虑人类活动与生态系统的相互作用关系，能为区域生态系统环境保护提供有力依据，切实促进区域可持续发展[13]。探究太子河流域景观格局对水文过程影响的现有研究中，主要研究方向为景观格局与水质相关性分析[14][15][16]及与水源涵养相关性分析[17]，其主要目的都是为太子河流域生态服务系统的调控与发展提出建议[18]。

目前对太子河流域子流域尺度景观格局对模拟径流量相关性研究较少。为深入探究太子河流域各地类景观分布特征，模拟流域内径流量时空分布规律，模拟分析两者之间的相关关系，可为流域水资源的可持续利用及生态环境保护提供理论支撑[19]。本研究通过建立太子河流域SWAT模型模拟流域长时间序列水文过程，以产水量为模拟径流量，探索子流域尺度上景观格局对模拟径流量的影响。研究结果可以为流域土地利用规划及水资源合理保护与利用提供建议。

2 研究区与数据来源

2.1 研究区概况

太子河流域位于辽宁省东部低山丘陵与辽河冲积平原过渡区，流贯辽阳、本溪、鞍山境内，是大辽河非常重要的支流（图 1）。太子河干流全长约464km，流域面积约为1.38×104km2。流域属温带季风气候，雨热同季，年均温5-10℃，年均降水量600-900mm，降水量由东向西递减。流域上游森林茂密，植被覆盖度高，下游农作物面积较大。

2.2数据来源

本文建立SWAT模型所需数字高程模型DEM下载自地理空间数据云官网（https：//www.gscloud.cn/），分辨率为30米。1980、2000、2020年土地利用数据基于Landsat TM/ETM影像解译而得。影像来源于中国科学院国际科学数据服务平台（http：//www.cnic.cn/ zcfw/sjfw/gjkxsjjx/），分辨率为30m。经解译，将土地利用分为耕地、林地、草地、城镇、水域、未利用地6种类型。土壤数据由中国科学院南京土壤研究所提供（https：//soildata.issas.ac.cn/），分辨率为1km。模型所需所采用的气象数据包括1976-2016年降水、气温、相对湿度、太阳辐射、风速，来源于国家气象科学数据中心（http：//data.cma.cn/），气象站点位置如图1所示。率定SWAT模型所用的水文站实测径流数据（1978-2016）来源于地区水文年鉴，流域内共有7个水文站点：梨庇峪，桥头，本溪，小市，南甸，郝家店，二道河子（图1）。

3 研究方法

3.1 SWAT模型

SWAT模型以DEM模型及流域水网为依据，以土地利用和土壤类型为唯一组合定义为水文响应单元（HRU），一个或多个HRU被定义为子流域。SWAT对水文循环的模拟基于水量平衡方程进行：

本文根据太子河流域DEM数据、气象数据、土地利用数据及土壤数据，将太子河流域划分为90个子流域。模型参数率定以1976-1977年为预热区，1978-1981年为率定期，1982-2016为模型验证期，借助SUFI-2算法实现。对于参数评价借助确定性系数R2和效率系数ENS实现，一般来讲R2≥0.5、ENS≥0.5时可认为模拟结果可信。

3.2 景观指数选取

结合前人研究[20]以及太子河流域的实际情况，本文从景观水平和斑块类型水平两个方面出发，选取了最大斑块指数（LPI）、斑块所占景观面积比（PLAND）、GYRATE_SD（回旋半径指数-标准偏差）、FRAC_MN（面积加权平均分维数）、DIVISION（景观分裂度）5个指标，借以定量反映流域景观格局特征。

4 结果与分析

4.1 SWAT模型模拟结果率定及验证

率定结果表明，率定期各站月径流模拟值与实测值的确定性系数R2几乎均在0.5以上，ENS效率系数除小市站其余均在0.5以上。总体来看，太子河流域SWAT模型月径流模拟效果可信，达到了模型适用性要求，可利用其进一步探索流域水文过程中的空间不均匀性。

4.2 太子河流域模拟径流时空变化

1980-2016年太子河流域产水量如图2所示。太子河流域产水量于1980-2016年间波动变化，多年平均产水量为269.76mm，呈不显著增长趋势（R2=0.0198），增加速率为1.855mm/10a。产水量显著增大的年份为汛期，分别为1985年（591mm）、1995年、（589mm）和2010年（645mm）。

流域产水量空间分布规律为由东南向西北递减。即流域东南地区的上游地区产水量最大，中游地区其次，下游地区最少；产水量范围为138.8mm-625.4mm。

4.3 景观格局与模拟径流相关关系分析

4.3.1景观类型景观格局指数与产水量相关性分析

GYRATE_SD、FRAC_MN与产水量相关分析如表1所示。表中GYRATE_SD与产水量于三期土地利用中都呈显著正相关关系。这代表伴随流域内斑块面积和斑块紧凑度的逐渐增加太子河流域产水量也逐渐增加。且三期土地利用中正相关关系先减弱后增强，但总体来讲其空间正相关关系逐渐增强。FRAC_MN与产水量于三期土地利用中也呈空间正相关关系，且空间正相关关系逐渐增强。即伴随流域内景观斑块形状复杂程度的增强，流域产水量也逐渐增多，即流域产水量伴随景观多样性增加、斑块形状复杂程度和稳定性增强而增加。

4.3.2类型指数景观格局指数与产水量相关性分析

各用地类型PLAND、DIVISION、LPI、FRAC_MN与产水量的皮尔逊相关分析鸡儿如表2所示。表中耕地、林地的景观格局指数与产水量的相关性较为显著；草地、水域和未利用地与产水量几乎无显著相关性；建设用地仅PLAND与产水量于三期土地利用中呈显著性相关。

耕地中，三期土地利用内产水量都与PLAND、DIVISION、LPI、FRAC_MN具有显著相关系。PLAND与三期土地利用内呈先正后负再正的变化趋势，但整体呈显著正相关，这代表伴随流域内耕地占流域面积比的增加，流域产水量也随之增加。DIVISION于三期土地利用中与产水量总体呈显著负相关关系，即伴随流域内耕地景观逐渐完整，流域内产水量逐渐增加。LPI于三期土地利用中整体呈显著正相关，即伴随流域中耕地最大斑块占流域面积比的增大，流域产水量也逐渐增大。即耕地越成为流域内的优势地类，流域内产水量越多。FRAC_MN与产水量于三期土地利用中整体呈显著负相关，即流域内耕地斑块的形状复杂度越弱，流域内产水量越多。这代表流域内耕地耕地斑块形状的复杂化削弱了流域内的产水量。

林地中，三期土地利用内产水量都与PLAND、DIVISION、LPI、FRAC_MN具有显著相关系。林地PLND于三期土地利用中与产水量整体由显著正相关关系转为显著负相关关系。即伴随林地占流域面积比重的增加流域内产流量逐渐减小。DIVISION于三期土地利用中与产水量总体呈显著正相关关系，即伴随流域内林地景观破碎度逐渐增强，流域内产水量也逐渐增加。LPI于三期土地利用中整体呈显著负相关，这代表伴随流域内林地的最大斑块面积占比的增大会削弱流域产水量。林地FRAC_MN与产水量于三期土地利用中整体呈显著负相关，即伴随流域内林地斑块形状的复杂化，流域产水量随之增加。

建筑用地中仅PLAND与产水量呈显著负相关，即建筑用地占流域景观面积比重越大，流域产水量随之逐渐减小。

5 讨论

太子河流域整体景观格局中，各景观的斑块大小和紧凑度共同影响流域产水量以及斑块的复杂程度共同决定着流域的产流量。流域内景观破碎化程度越强、流域斑块形状越复杂、分布越均匀，就会减轻流域内的降水节流，进而加强流域中的产流量[19]，所形成的景观格局有利于水文循环系统的径流拦蓄削减和调控。[20]，有效促进城市良性水循环，减缓内涝的发生。[21]

不同的土地利用类型对流域径流形成的作用不同。耕地和林地是影响流域内产水量的最主要因素。[21]总体来说流域中耕地的增加促进径流；林地的增加削弱径流。[22][23]一般我们认为流域中耕地为透水景观，透水景观越完整，斑块直接越联通，则形成的景观越有利于水文循环系统的径流拦蓄削减和调控。[24]而林地斑块形状的复杂化会降低流域对降水的节流能力，使得流域连通性降低，最终减低水分在流域内的循环能力，导致流域产水量的增加[25]，此外林地斑形状的破碎度的增强也会增加流域对降水的节流能力，增加流域产水量。

城市建设用地面积的增加会减少径流小号，进而促进流域产水量的增多。[19]

6 结论

本文通过对太子河流域建立SWAT模型，对子流域尺度太子河产流量与景观水平与类型水平景观格局指数进行相关性分析，获得以下结论：

（4）太子河流域产水量模拟结果表明，1980-2016年间流域模拟径流量呈不显著增长趋势，且有突变点；模拟径流主要集中在流域东南部及东部的上游地区。

（5）景观水平上，太子河产水量主要伴随流域内斑块面积和紧凑度以及斑块形状的复杂程度增大而增大。

（6）太子河流域用地类型中耕地和林都与产水量的相关关系显著。伴随耕地面积比重增加及景观完整度逐渐增强，流域产水量随之增强；伴随林地面积比重增强以及景观破碎度逐渐减弱，流域产水量也随之减少。

参考文献

[1]刘世荣，孙鹏森，温远光．中国主要森林生态系统水文功能的比较研究（英文）［Ｊ］．植物生态学报，2003（01）：16-22

[2]张建云，王国庆，等. 气候变化对水文水资源影响研究[M]. 北京：科学出版社， 2007.

[3]DU J， RUI H， ZUO T， et al. Hydrological Simulation by SWAT Model with Fixed and Varied Parameterization Approaches Under Land Use Change[J]. Water Resources Management， 2013， 27（8）：2823-2838.

[4]王国庆，张建云，贺瑞敏. 环境变化对黄河中游汾河径流情势的影响研究[J].水科学进展， 2006， 17（6）：853-858.

[5]景珂星， 毛欢， 宋进喜， 黄鹏， 吴琼， 庞国伟.2023. 岔巴沟流域汛期径流模拟及地表产流特征分析. 水土保持研究，30（01）： 62～69[Jing K X， Mao H， Song J X， Huang P， Wu Q， Pang G W. 2023. Simulation of Runoff in Flood Season and Analysis of Surface Runoff Characteristics in Chabagou Watershed. Rssearch of Soiland Water Conservation， 30（01）： 62～69（in Chinese）]

[6]杨勇.2022. 植被分布与景观格局对东江流域水源涵养功能影响研究. 硕士学位论文. 辽宁： 辽宁师范大学[Yang Y. 2022. Effects of vegetation distribution and landscape pattern on water conservation in the Dongjiang River Basin.  Master Dissertation.LiaoNing： Liaoning Normal University（in Chinese）]

[7]Li S， Li J， Xia J， Hao G. 2021. Optimal control of nonpoint source pollution in the Bahe River Basin， Northwest China， based on the SWAT model. ENVIRON SCI POLLUT R， 28（39）： 55330～55343.

[8]吕乐婷， 乔皓， 郑德凤， 杨勇. 太子河流域景观格局时空演变及其对水源涵养的影响[J]. 水资源保护， 2023， 39 （06）： 111-120+159.

[9]郑莉萍， 胡煜佳， 张森林， 邵景安， 郭跃. 基于SWAT模型的璧南河流域径流模拟分析[J]. 重庆师范大学学报（自然科学版）， 2023， 40 （03）： 31-47.

[10]石建杨， 李向新. 基于SWAT模型的滇池流域不同时间尺度径流模拟[J]. 水电能源科学， 2022， 40 （08）： 37-40+53.

[11]刘琨， 李梦杰， 牟海磊， 吕振豫， 刘攀， 殷兆凯， 刘志武， 梁犁丽. SWAT模型在大尺度流域径流模拟影响因素分析——以巴拉那河上游流域为例[J]. 水利与建筑工程学报， 2023， 21 （05）： 191-198.

[12]张丽娜， 孙颖娜， 申智鹏. 基于SWAT模型的寒区小流域径流模拟及径流成分研究[J]. 吉林水利， 2023， （03）： 31-35+40.

[13]Jianguo W. Landscape sustainability science： ecosystem services and human well-being in changing landscapes[J]. Landscape Ecology， 2013，28（6）.

[14]康建. 太子河流域水质时空演变及污染源探析[J]. 水利技术监督， 2023， （12）： 238-242.

[15]张悦. 太子河流域水质模型的构建及应用研究[J]. 吉林水利， 2023， （08）： 17-20.

[16]全占东. 太子河辽阳段水质时空分布特征研究及水质评价[J]. 东北水利水电， 2023， 41      （03）： 41-45+72.

[17]乔皓. 太子河流域景观格局演变及其对水源涵养的影响[D]. 辽宁师范大学， 2023.

[18]白少杰. 太子河流域生态系统服务价值评估及预测研究[D]. 辽宁师范大学， 2023.

[19]严青青. 基于SWAT模型的景观格局对地表径流量的影响[D]. 华中师范大学， 2020.

[20]徐怡宁. 郑州市景观格局演变对地表径流的影响[D]. 河南农业大学， 2022.

[21]吴江华， 刘康， 张红娟， 李颖辉. 西安市主城区景观格局演变对地表径流的影响[J]. 水土保持通报， 2021， 41 （04）： 83-92.

[22]刘蕴瑶， 殷有， 温一博， 周永斌， 温福双. 基于SWAT模型社河流域径流对流域景观格局变化的响应[J]. 沈阳农业大学学报， 2021， 52 （03）： 295-305.

[23]许文旭， 毕华兴， 王亚娟. 晋西黄土区流域景观格局对径流及其组分的影响[J]. 北京林业大学学报， 2023， 45 （10）： 118-126.

[24]潘建军， 潘雪倩， 杨海军. 基于SWAT模型的岷江上游水文模拟及径流响应研究[J]. 人民黄河， 2023， 45 （S1）： 1-2.

[25]林炳青， 陈兴伟， 陈莹， 刘梅冰. 流域景观格局变化对洪枯径流影响的SWAT模型模拟分析[J]. 生态学报， 2014， 34 （07）： 1772-1780.、