1、第32卷第2期2023年2月长江流域资源与环境esources and Environment in the Yangtze BasinVol32 No2Feb 2023洞庭湖流域“径流湖泊水量”关系的土地利用/覆盖变化(LUCC)响应特征吴宏，冯徽徽*，邹滨，王玉龙(中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083)摘要:径流是洞庭湖等长江中下游通江湖泊水量变化的重要驱动因素，土地利用/覆盖变化(Land Use andCover Change，LUCC)通过改变下垫面特征，强烈改变了流域水文过程，并进一步影响了湖泊水量变化。然而，受气候变化等多因子复杂交互作用，LUCC 对“径流湖
2、泊水量”关系的影响方式与贡献特征依然面临较强的不确定性，成为流域水资源规划与管理面临的关键理论瓶颈。针对上述问题，基于 SWAT 水文模型，采用20012019 年 MODIS 遥感数据产品，系统分析了洞庭湖流域 LUCC 对“径流湖泊水量”的影响特征。结果表明:(1)洞庭湖流域多年平均径流和湖泊水量分别为 2 371 亿 m3和 682 亿 m3，季节上均表现为 59 月份较高、104 月份较小的单峰型分布特征，径流年际变化趋势较弱(y=14.926x+2 222.1，2=0.043 9，p0.01)，而湖泊水量则呈现较缓慢的下降趋势(y=4.147 3x+723.880，2=0.066 7
3、，p0.01);(2)洞庭湖湖泊水量与流域径流量呈显著正相关性，年际尺度上可表示为 y=0.173x+272.11(2=0.588 5，p0.01)，月尺度上则可表示为 y=0.249 4x+7.257 4(2=0.565 7，p0.01);(3)LUCC 对“径流湖泊水量”关系具有较强影响，其对多年年均径流量贡献约为 364 亿 m3，约占多年径流总量的 15.4%，对湖泊水量贡献约 63 亿 m3，占总蓄水量的 9.2%。研究结果有助于正确认识与把握洞庭湖等通江湖泊水量变化的内在影响机制，并为流域相关水资源治理与规划提供科学的辅助支撑。关键词:洞庭湖流域;LUCC;径流;湖泊水量;SWAT
4、 模型中图分类号:P02;P09文献标识码:A文章编号:1004-8227(2023)02-0374-10DOI:10.11870/cjlyzyyhj202302013收稿日期:2022-04-04;修回日期:2022-07-05基金项目:国家自然科学基金项目(42071378);湖南省自然科学基金优秀青年项目(2020JJ3045)作者简介:吴宏(1997)，女，硕士研究生，主要研究方向为资源与环境遥感 E-mail:*通讯作者 E-mail:湖泊水量是地表水的主要来源，也是维系地区社会与经济发展的重要物质基础。近年来，在国家和地区经济发展需求的带动下，人类活动不断加剧，对水资源的需求日趋增
5、加。另一方面，在全球气候变化的大背景下，极端气候事件频发，叠加部分人类活动的负面影响(如不合理水利工程、土地开发等)，我国湖泊所面临的水资源危机有进一步加剧与恶化的趋势。在此背景下，开展湖泊水量动态监测及其影响因素解析是理解变化环境下水资源演变规律、合理预估未来演变趋势的重要基础，亦是合理利用水资源、开展水资源管理与规划的首要前提，因而具有重要的理论与实践意义。湖泊水量变化受气候变化与人类活动的综合作用而呈现较复杂的动态变化特征15，前者主要表现 在 降 水、径 流 过 程 等 对 水 源 补 充 的 影响69;后者则突出表现在人类活动(人工填湖、毁林开荒、城市化等)对流域水文过程(尤其是径流
6、)的影响1012。作为人类活动的重要形式，土地利 用/覆 盖 变 化(Land Use and Cover Change，LUCC)通过改变下垫面特征，强烈改变了流域径流等水文过程，并进一步影响了湖泊水量变化，成为 流 域 水 循 环 与 湖 泊 水 量 研 究 的 重 要 内容1315。洞庭湖是长江中下游重要的通江湖泊，其水量变化对长江中下游其它地区水情与生态环境具有较显著的直接与间接作用。随着长江三峡工程的建设运行，长江来水情势发生较大变化，江湖关系显著改变，对洞庭湖流域水资源产生显著影响16，17;另一方面，近年来流域土地利用变化与水土资源开发显著，对流域径流发生强烈影响，进而对洞庭湖蓄
7、水量产生明显变化18，19。研究洞庭湖水资源的时空演化特征及其影响因素成为保护洞庭湖流域水资源、促进区域可持续发展的重要议题。已有研究较多关注全球与区域气候变化的影响，以及三峡工程建设前后洞庭湖水量的响应特征2022，然而对径流的流域来水影响研究还较匮乏，成为洞庭湖水量监测与分析不确定性的重要来源。因此，有必要加强流域过程对湖泊水量的研究，强化对洞庭湖水量变化的认识与理解。本文针对上述问题，拟基于 SWAT 水文模型，采用 2001 2019 年 MODIS 遥感数据产品，系统分析洞庭湖流域 LUCC 对“径流湖泊水量”的影响特征，以系统认识洞庭湖水量变化特征及其影响因素，并为流域水资源规划与
8、管理提供科学的理论支持。1研究区与数据源1.1研究区域洞庭湖流域(2438N3024N，10716E11415E)地处长江中下游区域(图 1)，多年平均温度为 17，降水量达 1 427 mm，全年雨水充沛，具有典型的亚热带季风气候。该区水系资源丰富，湘、资、沅、澧四条河流横贯其中，洞庭图 1洞庭湖流域示意图Fig.1Description of Dongting Lake Basin湖更是重要的通江湖泊，对长江中下游水文具有重要调节作用23。流域地势北、东较低，西、南较高。土地利用类型以林地为主，其次是耕地、水体、建设用地和草地。土壤类型有红壤、黄壤、水稻土、黄红壤等，以红壤分布最广。1.2
9、数据源与预处理本文收集了系列土地利用、数字高程模型(DEM)、气象水文等遥感与 GIS 时空数据，用以开展 LUCC 及其“径流变化湖泊水量”关系影响特征研究，数据特点与数据预处理流程如下:(1)土地利用数据。主要用于提取洞庭湖水面以及流域土地利用分布等信息。其中，水面提取数据选取 2001 2019 年间的 8d 合成地表反射率数据 MOD09Q1 和 16 d 植被产品数据 MOD13Q1进行洞 庭 湖 水 面 淹 没 范 围 提 取，数 据 来 源 于EATHDATA 网站(https:/search earthdata nasagov/)，空间分辨率为 250 m，共 228 期影像。
10、流域土地利用数据来源于武汉大学遥感院遥感信息处理研究所(http:/irsipwhueducn/)，空间分辨率为 30 m，时间跨度为 2000 2019 年，经裁剪和重分类得到耕地、林地、草地、水体、建设用地 5 种类型24。(2)DEM 数据。主要用于洞庭湖湖盆地形提取以及流域 DEM 水文过程分析。其中，湖底地形高程数据(DEM)来自于中国科学院亚热带农业生态研究所 1995 年 DEM 高程数据，分辨率为15 m;流域 DEM 来源于地理空间数据云(http:/wwwgscloudcn/search)，空间分辨率为 30 m。(3)其它数据。包括土壤数据、气象水文数据等径流模拟相关输入
11、参数。其中，土壤数据来源于国家青藏高原科学数据中心基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集(v1.2)，经裁剪、分类处理，共得到 75 种数据。研究区域以红壤、黄壤、水稻土、黄红壤分布为主。水文数据来源于长江水利网(http:/wwwcjwgovcn/)，包括“四水三口”及洞庭湖出口控制站。气象数据来源于国家气象科学数据中心，包括降水量、气温、相对湿度、太阳辐射、风速等数据。所有数据利用 ArcGIS 软件，经投影变换转成 WGS-1984-UTM-zone-49N 坐标系，并按照流域、湖区边界统一裁剪，对遥感产品进行融合、重采样、重分类等处理，最后将其他来源数据进行空间化、标准化，为后
12、续的数据处理提供基础。573第 2 期吴宏，等:洞庭湖流域“径流湖泊水量”关系的土地利用/覆盖变化(LUCC)响应特征2研究方法2.1SWAT 水文模型径流模拟本文采用 SWAT 模型开展径流模拟研究，该模型是在 1994 年由美国农业部研究所(USDA)基于 GIS 软件开发而成的用于模拟预测大中型尺度流域水文水质、泥沙、径流、营养物质等的分布式水文模型，模型能够充分反映流域内降水和下垫面要素空间变化对水文过程的影响，是研究流域水文过程的重要工具。SWAT 模型基于陆面和水面两部分进行流域水循环过程模拟，陆面过程控制各物质如水、沙、营养物质等向子流域的输入量，水面过程决定各物质沿河网向流域出
13、口的输移运动。模型具备很强的物理机制，能基于年、月、日时间尺度进行长时序时空模拟25，26。2.2湖泊水量计算方法湖泊水量(V)计算如式(1)和图 2 所示。具体而言，将水面细分为不同规划格网，对其面积(A)及水深(h)进行积分即可得到湖泊水量，其中 A 可以通过遥感水面提取结果进行获取，水深h 可以将水体面积与 DEM 的交线处高程作为水面高程，进而通过与湖底高程的差值获得。V=h0A(h)dh=A0h(A)dA(1)图 2湖泊水量提取示意图Fig.2Schematic diagram of lake water extraction2.3LUCC 对径流贡献率定量解析方法为定量解析 LUC
14、C 对流域径流的影响，本研究采用控制变量法，通过设置 SWAT 基准情景与真实 LUCC 情景下的径流差异，分析 LUCC 的贡献特征。具体流程为:以 2000 年土地利用分布为基准，模拟 LUCC 不变情景下的研究区径流变化情况，继而基于真实土地利用情景开展逐年径流模拟，对比分析两者之间的差值，分析 LUCC对径流贡献程度，最终结合流域“径流湖泊水量”定量关系，系统研究 LUCC 影响特征。2.4参数敏感性分析及率定利用 SWAT-CUP 软件，结合 2000 2019 年洞庭湖流域水文站逐月径流观测数据，重复率定和验证与径流量相关的参数，利用决定系数 2与纳什效率系数 Ens 对模型进行验
15、证，直到模拟结果通过检验为止。当 20.50，Ens0.50 时认为模拟结果合格。3结果与分析3.1流域 LUCC 与水文过程时空变化特征洞庭湖流域 20002019 年主要用地类型面积如表 1 所示。统计结果表明，洞庭湖流域用地类型以林地(1.69105km2)、耕地(8.51104km2)为主，水体(5.09103km2)和建设用地(3.78103km2)次之，草地面积(1.22102km2)最少，分别占流域总面积 64.19%、32.38%、1.94%、1.44%、0.05%。在过去 20 年时间里，建设用地作为经济发展的重要体现，增加趋势显著，与已有文献研究结果较符合27;其它用地类型
16、变化特征较复杂，其中流域耕地呈现先急剧增加后缓慢减少，总体增加的趋势;林地与水体总体呈现减少趋势;草地面积不大，呈波动变化趋势。洞庭表 120002019 年洞庭湖流域各用地类型面积表(km2)Tab.1Land use area of Dongting LakeBasin from 2000 to 2019年份耕地林地草地水体建设用地200082 148172 4071365 3092 627200182 509171 8931285 4062 692200283 146171 2221225 3722 767200384 109170 3911105 1722 845200483 581170 8571085 1302 952200583 979170 4691025 0323 046200684 615169 836984 9323 146200785 525168 795984 9073 302200886 087168 018984 9653 460200986 863167 0151045 0143 631201086 669167 1421124 9313 7742011
