DHRFLUT：一个用于将径流响应与土地利用变化脱钩的情景控制框架——以中国渭河流域为案例研究

《Journal of Hydrology》：DHRFLUT: A scenario-controlled framework for decoupling runoff responses from land use transitions – a case study in China’s Wei River basin

本研究提出DHRFLUT框架，通过SWAT模型耦合土地利用转型分情景模拟，量化了亚流域尺度下不同土地利用转型的独立径流效应系数矩阵（RDRC）。在渭河流域案例中，揭示城市扩张主导径流变化，且RDRC空间异质性受地形梯度（如最小海拔、海拔范围）和降水梯度共同调控，为流域土地规划提供量化工具。

　　
该研究针对土地利用转变对径流影响的解耦难题，提出了一套系统化的方法框架并应用于黄土高原典型流域。研究核心在于建立可分离不同土地利用类型影响的量化模型体系，突破传统研究将多类型转变叠加分析的局限。通过构建场景控制与地形耦合的分析机制，实现了从宏观到微观的多尺度径流响应解析。

在方法论层面，研究创新性地设计了三层解耦机制：首先通过PLUS模型模拟不同土地利用转变的孤立场景，构建包含农业用地向林地、草地、城市用地转变的完整场景矩阵；其次采用SWAT模型耦合技术，在亚流域尺度上量化径流响应系数；最后通过地形梯度分解技术，将空间异质性归因于高程变化范围和最小高程值等关键地形参数。这种"场景-模型-地形"的三维解耦体系，有效规避了多转变叠加干扰，使单一土地利用变化的径流效应可以被精确识别。

案例研究选取渭河流域上游中游区作为验证平台，该区域兼具黄土高原生态脆弱性与关中平原城市群发展的典型特征。研究发现：农业用地向城市用地转变的径流响应系数（RDRC）达到8.3mm/%，显著高于其他类型转变（林地转变RDRC为4.1mm/%，草地转变为5.7mm/%）。这种差异主要源于城市用地对下垫面渗透的阻断效应，其不透水面积占比每增加10%，径流深度将提升0.8mm。

地形因素分析揭示，高程梯度对径流响应具有显著调控作用。在海拔500-800米的中高山区，农业转林地的RDRC值呈现指数衰减特征，这主要与植被蒸腾作用增强及地表粗糙度改善相关。而在海拔200-400米的黄土塬区，农业转草地的RDRC值随高程变化范围扩大而显著升高，这与沟道网络密度增加导致的径流集中效应直接相关。

研究构建的RDRC矩阵展现出重要应用价值：在渭河洪水防治规划中，该矩阵明确显示，相同面积的城市化扩张将产生比同等面积林地恢复更剧烈的径流峰值（相差达32%）。这一发现为生态修复与城市建设提供了量化平衡依据——在黄土塬区每0.1平方公里城市用地扩张，需配套至少0.25平方公里林草地恢复才能实现径流总量平衡。

研究提出的空间异质性解耦方法，通过建立地形参数与RDRC的回归模型（R2=0.87），成功将宏观的流域平均数据转化为可操作的亚流域尺度管理参数。这种精细化管理模式在黄土高原多尺度治理中具有重要实践意义，特别是在梯田区（坡度15-25°）与沟壑区（坡度>35°）的土地利用优化方案存在显著差异。

成果对全球类似生态脆弱区具有普适性价值。研究证实，当城市扩张速率超过自然植被恢复速率的1.5倍时，流域出口径流模数将呈现非线性增长（增长曲线斜率β=0.32）。这一发现为"双碳"目标下的国土空间规划提供了重要技术支撑，特别是在生态保护红线与城镇发展约束区（GDCZ）的边界划定中，可依据RDRC矩阵设定0.6mm/ha的年径流增幅阈值，确保生态安全格局下的可持续发展。

在技术实现层面，研究突破性地将PLUS模型的预测精度提升至85%以上，通过引入空间约束算法，使土地转变模拟与真实发展轨迹的匹配度提高至92%。特别是在处理黄土高原特有的梁峁沟壑地形时，研发的分布式地形校正模块将径流模拟误差控制在7%以内，显著优于传统SWAT模型在类似地形中的12-18%误差率。

该成果对水土保持政策具有重要启示：在黄土高原沟壑区，每公里道路建设需配套0.8-1.2公里生态廊道建设以抵消径流增加效应。研究提出的RDRC动态评估模型，可根据不同发展阶段的城市化速率自动生成生态补偿需求量，为"十四五"期间生态保护补偿机制改革提供了量化工具。

未来研究可拓展至水资源承载力评估领域。基于RDRC矩阵，可构建"土地转变-径流响应-水资源阈值"的三维评估体系，特别是在渭河灌区等农业用水密集区，通过精确量化不同土地转变组合的径流影响，为优化灌溉制度、提升水资源利用效率提供决策支持。