模拟与采煤沉陷相关的土地利用变化的水文响应：流域尺度的PLUS–SWAT分析

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Modeling hydrological responses to land-use changes associated with coal-mining subsidence: A watershed-scale PLUS–SWAT analysis

　　

研究区域：中国济宁市白马河流域，是一个受地下采煤沉陷影响的高地下水位地区。研究焦点：为量化与采煤沉陷相关的土地利用变化的水文响应，将PLUS模型与SWAT模型耦合，在四种未来土地利用情景（自然发展、城市化、湿地保护、土地复垦）下模拟水文响应。区域新水文认识：历史数据（1990–2020年）表明土地利用结构由耕地向建设用地和沉陷诱导湿地转变。未来预测显示，地表径流（SURQ）增加（年增幅最高达6.51%），地下水对河川径流的贡献（GWQ）减少（年降幅最高达9.72%），尤其是在城市化情景下。这些偏差集中于主要湿季及其后的退水月份。在所选的回归周期降雨事件中，城市化导向和湿地保护导向的土地利用变化使平均七日累计地表径流（SURQ-7d）分别增加3.39%和3.06%，而土地复垦情景相对基线情景的偏离最小。子流域差异往往超过流域平均情景响应，表明流域尺度结果反映情景的综合效应，而受采矿影响的子流域可能表现出更强的局地响应。这些发现支持将适宜土地复垦与稳定沉陷湿地保护相结合的分区管理。

研究背景与意义：土地利用与土地覆被变化（LULC）是全球环境变化的重要组成部分，与气候变化共同驱动流域水文过程。已有研究多关注河流、湖泊、沼泽等自然湿地，而由人类活动诱导的次生湿地——尤其采煤沉陷湿地——研究不足。在中国高地下水位地区，长期地下采煤形成大面积沉陷区，常演变为水文条件动态、景观重组迅速的采煤沉陷湿地；其形成与演化具有偶发性与不确定性，并受开采强度、土地复垦和生态修复等人类干预的强烈影响。因此，需要基于情景的集成方法，将土地利用动态与水文过程显式关联。该研究以中国山东省济宁市白马河流域为对象，耦合斑块生成土地利用模拟（PLUS）与土壤和水评估工具（SWAT）模型，评估2035年四种发展情景下的水文响应，为采煤沉陷流域的土地利用优化、生态修复和水资源综合管理提供科学依据。论文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

主要技术方法：研究人员利用1990、2005、2020年Landsat影像及实地调查生成土地利用数据，并用合成孔径雷达干涉测量（InSAR）沉陷指标辅助识别沉陷湿地；选取19个空间驱动与约束因子，通过PLUS模型中的土地利用扩张分析策略（LEAS）和基于多类型随机斑块种子的元胞自动机（CARS）模块，模拟自然发展（ND）、湿地保护优先（WCP）、土地复垦优先（LRP）和城市化优先（UP）四种情景。SWAT模型基于30 m SRTM高程、HWSD土壤、气象与月径流数据构建，采用顺序不确定性拟合第二版（SUFI-2）算法率定，并以决定系数（R²）、纳什-萨特克利夫效率（NSE）和百分比偏差（PBIAS）评价。统计上使用变异系数（CV）和普通最小二乘回归分析水文稳定性与土地利用构成的关系。

研究结果：
4.1 基于PLUS的土地利用变化与情景预测
通过1990–2020年转移矩阵分析，发现耕地由80.73%降至59.05%，建设用地由11.82%增至21.46%，林地由2.77%增至10.30%，采煤沉陷湿地由0.89%增至4.07%。至2035年，UP情景建设用地增幅最大（+70.28 km²），耕地余量最低；WCP情景沉陷湿地扩张41.43 km²，较2020年增加96.46%；LRP情景耕地保留最多（620.11 km²），沉陷湿地仅增加4.30 km²。采矿核心区贡献了各情景流域沉陷湿地净增量的63.65%–100.00%。

4.2 基于SWAT的水文模拟结果分析
4.2.1 年际水文响应
在统一气候驱动下，各情景水文过程时间动态高度同步；土地利用变化主要改变径流分配。UP情景因建设用地扩张31.07%，年均增加SURQ 17.23 mm（6.51%），减少GWQ 7.82 mm（9.72%）；WCP情景SURQ增加11.42 mm、蒸散发（ET）增加6.65 mm、GWQ减少7.55 mm；LRP情景偏离最小。CV与回归分析显示，耕地比例增加会加剧SURQ和产水量（WYLD）的年际波动，而林地、水体和建设用地比例增加则降低波动。

4.2.2 季节分布与年内水文动态
各情景季节格局一致，差异集中在6–9月主汛期及之后。SURQ峰值出现在7月，汛期占全年78.48%–80.01%；WYLD滞后至8月，汛期占71.53%–72.27%；GWQ峰值在9月，汛期仅占50.22%–50.80%，显示地表径流、产水量和地下水贡献的年内响应存在明显时序滞后。未来情景中UP的SURQ增幅最大，LRP最小；GWQ在8–10月普遍下降。

4.2.3 重现期降雨事件下的非线性水文响应
对T=2、5、10、20、30年重现期降雨事件的七日累计地表径流（SURQ-7d）分析显示，SURQ-7d随重现期呈非单调变化（T2>T5、T20>T30），受事件雨型、前期土壤湿度和汇流过程共同影响。相对2020年基线，UP和WCP情景平均SURQ-7d分别增加3.39%和3.06%，LRP仅增加0.27%，偏离最小。

4.3 子流域尺度的空间异质性与情景差异
子流域间水文差异普遍大于情景间差异。SUB1、SUB3、SUB5对情景变化最敏感，其中SUB1在UP情景下SURQ增加31.66 mm，明显高于流域平均17.23 mm；SUB2、SUB4、SUB6结构稳定，各指标变化一般低于8.0 mm；SUB7在WCP情景下ET增加54.81 mm、GWQ减少37.94 mm、WYLD减少20.97 mm，呈现地下水主导子流域的蒸散发权衡。

讨论与结论：
讨论部分指出，UP与WCP情景虽都增加SURQ、减少GWQ，但主导土地利用变化不同：城市化通过不透水面扩张限制入渗，湿地保护情景的响应是沉陷湿地扩张与耕地、建设用地变化共同构成的综合效应。基于子流域空间异质性，管理应优先关注高敏感汇流单元；在采矿沉陷区，应将湿地保护与适宜土地复垦相结合，避免单一复垦或单一保水。研究局限包括：PLUS的10类土地利用被重分类为SWAT的6类，沉陷湿地以WATR开放水体表征，未单独参数化其蓄泄过程；动态沉陷过程（如变形、裂缝、矿井排水）未显式表达，但一致的气候与模型设置保证了情景间比较的内部一致性。

研究结论：
(1) 历史土地利用变化以耕地向建设用地和沉陷诱导湿地转移为特征；WCP情景下沉陷湿地预计较2020年扩张96.46%，矿区贡献流域净增量的63.65%，但该类土地仅占流域面积约8.00%，其空间集中性凸显了靶向管理的重要性。
(2) UP与WCP情景均增加地表径流并减少地下水对径流的贡献，但对应不同土地利用结构：UP情景建设用地扩张31.07%，使年均SURQ增加6.51%、GWQ减少9.72%；WCP情景以沉陷湿地大幅扩张及耕地、建设用地同步变化为特征，产生SURQ和ET增加、GWQ减少（ET增加2.20%）的集成水文响应。
(3) 事件尺度响应不与降雨重现期简单成正比，SURQ-7d呈非单调变化；子流域空间异质性显著，径流敏感区SURQ变化更大，地下水主导子流域（如SUB7）的GWQ和ET变化更强。在五个重现期降雨事件中，LRP情景平均SURQ-7d相对2020年仅增加0.27%，为最小事件尺度偏离。
(4) 未来情景中，LRP情景最接近2020年基线，水文偏离最小；其管理含义不是统一复垦，而是分区干预：稳定沉陷湿地应予以保育优化，仍适宜复垦的沉陷区应优先复垦。这些发现揭示了采煤沉陷相关土地利用重组在替代发展路径下对流域和子流域尺度水文分配的影响，并强调将湿地保护、适宜土地复垦和水文响应评估纳入未来流域管理。