梯田建设、植被恢复与城市扩张对径流的响应：以伊洛河与渭河上游流域为例

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Runoff response to terrace construction, vegetation restoration, and urban expansion: Case studies in the Yiluo and Upper Wei River basins

　　

研究区域：本研究选取中国两个典型的半干旱黄土流域——伊洛河流域和渭河上游流域作为研究对象，在这些区域，梯田改造、植被恢复和城市化显著改变了流域水文过程。 研究焦点：传统的基于SWAT的土地利用研究通常采用极端土地利用情景，并过度简化了景观异质性。梯田被视为具有固定曲线数（Curve Number, CN）的静态最佳管理实践（Best Management Practices, BMPs），忽略了降雨驱动的CN变化，降低了梯田主导的黄土区域的模拟精度。本研究采用现实的空间土地利用配置而非极端情景，并通过基于坡度的梯田精细划分和依赖于降雨强度的动态CN校准来改进SWAT模型，以评估土地利用的水文影响及动态CN的条件适用性。 对该区域的新水文见解：2000年土地利用数据集产生了最佳的模型性能（NSE = 0.8837, R2 = 0.8865, PBIAS = ?7.83%），优于2010年和2020年的数据集。草地扩张使径流减少12.97%，远高于森林扩张带来的2.49%的减少量，而城市扩张则产生不稳定的年际径流响应。动态CN方法改善了干旱和强降雨条件下的日径流模拟，而静态CN在温和稳定降雨条件下表现更佳。梯田将地表径流重新分配为壤中流和基流，但对年总径流量影响甚微。

论文解读：《梯田建设、植被恢复与城市扩张对径流的响应：以伊洛河与渭河上游流域为例》

一、研究背景与研究问题

土地利用变化是全球变化的重要组成部分，在过去60年间影响了全球近三分之一的陆地面积，对气候、水文和生态系统产生了深远影响。梯田建设、植被恢复和城市扩张是土地利用变化的三种重要表现形式。梯田能够延长水分滞留时间，增强局部水分入渗，从而提高土壤含水量；同时，梯田也可能增加水分蒸散发。然而，由于观测数据有限，定量分析梯田建设对径流影响的研究较少。植被作为陆地生态系统的关键组成部分，通过改变地表反照率、植被覆盖度和土壤湿度等生物地球物理属性，影响蒸散发和径流过程。城市扩张则会扰动原始的大气热量分布和水分平衡，导致蒸散发、土壤含水量和径流的变化。

尽管已知梯田建设、植被恢复和城市扩张会影响流域径流，但当前研究对其具体作用机制和影响程度缺乏共识。黄河中游地区降水相对较少，植被覆盖稀疏，土壤疏松，侵蚀严重，呈现出水量低、含沙量高、水沙来源分明的特点。干旱、缺水和土壤侵蚀并存是该地区社会经济和生态发展的瓶颈。为改善植被覆盖和控制水土流失，中国实施了综合性的坡耕地治理及其他水土保持工程，修建了大量梯田，并将大量坡耕地转变为草地和林地。其中，渭河上游流域拥有最高比例的梯田，且自1980年以来比例显著上升。同时，伊洛河流域的城市面积在1985年至2015年间增长了160%。这些变化显著改变了流域的径流过程。因此，本研究选取伊洛河流域和渭河上游流域作为研究对象，旨在探究梯田建设、植被恢复和城市扩张对径流的影响。

以往关于土地利用变化对径流影响的研究多采用建模与非建模方法，分布式或半分布式水文模型已成为主流。然而，大多数基于SWAT模型的土地利用研究依赖传统的极端土地利用情景模拟，这过度简化了流域实际异质性的景观特征，从而限制了径流响应评估的准确性。此外，SWAT模型将土地利用分为六类，难以进一步识别耕地中的梯田，且静态曲线数（Curve Number, CN）假设降低了模拟梯田变化对径流影响的精度。一些研究将梯田归类为应用于农业用地或牧场的最佳管理实践（Best Management Practices, BMPs），通过降低梯田地块的CN值来改善径流模拟。然而，这种传统的基于BMP的梯田模拟方法采用固定的静态CN值，忽略了不同降雨强度下径流曲线数的动态变化特征，无法准确反映可变气象条件下梯田的真实水文调节效应。此外，以往研究大多将梯田设置为辅助管理措施，缺乏独立的精细识别与分类，无法适应梯田占耕地比例高且分布广泛的黄土半干旱流域。

针对上述研究空白，本研究构建了经过优化方法改进的SWAT模型。核心创新在于采用空间土地利用配置情景替代传统的极端土地利用情景，以准确评估植被恢复和城市扩张的水文效应；并整合基于坡度的梯田精细划分和依赖于降雨强度的动态CN校准，实现对梯田水文调节效应的精细化模拟。

二、关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   SWAT模型设置：使用ArcSWAT软件，结合数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）、土地利用、土壤和气象数据，为伊洛河和渭河上游流域建立半分布式水文模型。模型将流域离散化为子流域和水文响应单元（Hydrologic Response Units, HRUs）。
2. 2.
   敏感性分析与参数校准：应用SWAT-CUP程序中的SUFI-2算法进行参数敏感性分析和校准验证。通过多元回归分析和t检验确定参数敏感性，最终筛选出10个高敏感指标作为主要校准参数，包括SCS径流曲线数（CN2）、地表径流滞后系数（SURLAG）、土壤湿容重（SOL_BD）、土壤有效含水量（SOL_AWC）、土壤水力传导度（SOL_K）、主河道曼宁糙率系数（CH_N2）、最大冠层指数（CANMX）、坡面漫流曼宁糙率系数（OV_N）、土壤蒸发补偿系数（ESCO）和地下水蒸发恢复系数（GW_REVAP）。采用纳什效率系数（NSE）、决定系数（R2）和百分比偏差（PBIAS）三个指标评估模型模拟效率。
3. 3.
   精细化土地利用配置方法：区别于以往基于整体模式和极端情景的研究框架，本研究采用精细化的空间土地利用配置方法，充分刻画实际土地利用转变的空间分异特征，更真实地反映区域土地利用变化差异化的水文影响。
4. 4.
   梯田精细划分与动态CN校准：基于坡度对梯田进行精细识别和分类，并引入依赖于降雨强度的动态曲线数（CN）校准方法，以替代传统静态CN假设，实现对梯田水文调节效应的精细化模拟。

三、研究结果

1. 土地利用转换模式识别

研究人员识别了伊洛河和渭河上游流域的主要土地利用转换模式。研究表明，渭河上游流域拥有最高比例的梯田，且自1980年以来比例显著上升。伊洛河流域的城市化进程突出，城市面积在1985年至2015年间增长了160%。

2. 植被恢复与城市扩张对径流的影响

通过对比极端土地利用法和空间土地利用配置法，研究发现：

• •
  2000年土地利用数据集产生了最佳的模型性能（NSE = 0.8837, R2 = 0.8865, PBIAS = ?7.83%），优于2010年和2020年的数据集。
• •
  草地扩张使径流减少12.97%，远高于森林扩张带来的2.49%的减少量。
• •
  城市扩张产生不稳定的年际径流响应。

3. 梯田建设对径流的影响

通过识别梯田建设区域，并基于降雨强度改进SWAT模型中的径流曲线数（CN），研究发现：

• •
  动态CN方法改善了干旱和强降雨条件下的日径流模拟，而静态CN在温和稳定降雨条件下表现更佳。
• •
  梯田将地表径流重新分配为壤中流和基流，但对年总径流量影响甚微。

四、研究结论与意义

本研究的结论表明，采用现实的空间土地利用配置情景和动态CN校准方法，能显著提升半干旱黄土区水文模拟的精度。研究量化了不同土地利用变化（植被恢复、城市扩张、梯田建设）对径流的具体影响程度和机制，发现草地恢复比森林恢复更能有效减少径流，而梯田主要起到径流再分配的作用而非减少总量。这些研究成果深化了对人类活动驱动下流域水文响应的理解，为黄土高原地区的水资源管理和水土保持规划提供了重要的科学依据。该论文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。