基于SCS模型的巖溶地區(qū)生態(tài)恢復的水文響應研究

謝曉云，鄧亞東，2，梁 虹

（1.貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院，貴陽 550001；2.中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西 桂林 541004）

基于SCS模型的巖溶地區(qū)生態(tài)恢復的水文響應研究

謝曉云1，鄧亞東1，2，梁 虹1

（1.貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院，貴陽 550001；2.中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西 桂林 541004）

生態(tài)恢復是目前巖溶地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和水土流失治理的主要手段。為尋找相關生態(tài)恢復項目的理論指導，在遙感和地理信息技術的支持下，采用SCS模型對貴州平湖流域進行不同生態(tài)恢復情景下的土地利用覆被變化的徑流深水文響應進行模擬。研究結果表明：平湖流域林地和草地對水源涵養(yǎng)具有重要作用，且林地的涵養(yǎng)作用大于草地，而耕地的增加使徑流深增大，加劇了水土流失，因此巖溶地區(qū)在生態(tài)恢復過程中退耕還林（草）十分必要的。

巖溶地區(qū)；SCS模型；生態(tài)恢復；水文響應；坡耕地

近年來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，生態(tài)破壞的問題日益嚴峻，生態(tài)恢復的研究已經(jīng)成為科學發(fā)展的前沿領域［1］。其中，生態(tài)恢復研究的重要環(huán)境效應之一就是水文效應［2］，而土地利用和土地覆被變化對水循環(huán)過程的水文響應具有深遠影響。土地利用和土地覆被變化對流域下墊面水文特性產生影響，引起水文過程和水文效應的轉變，這些影響主要集中在水循環(huán)的水量平衡方面，表現(xiàn)為流域截流、蒸散發(fā)和下滲的變化、地下水補給和水位的變化，進而對流域產匯流的方式和時間都產生不同程度的影響［3-6］。因此，通過對生態(tài)修復過程中土地利用和覆被變化的研究，特別是在巖溶地區(qū)，地質地貌條件復雜、土層薄、土壤貧瘠、持水能力差、生態(tài)環(huán)境脆弱；是一個雙重含水介質組成的二元三維空間地域結構的物質、能量流開放系統(tǒng)，具有獨特復雜的水文過程［7］，生態(tài)修復對生態(tài)環(huán)境的保護、水資源的開發(fā)利用、人和自然的和諧發(fā)展具有重要意義。本文將美國農業(yè)部水土保持局開發(fā)的SCS模型［8］應用于巖溶流域，對貴州平湖水文站以上流域降水產流機制進行研究，模擬生態(tài)修復的不同土地利用和覆被場景下徑流量的變化情況，為巖溶地區(qū)的耕地生態(tài)修復、水土保持及石漠化治理提供一定的理論指導意義。

1 SCS模型基本原理

SCS模型首先假定流域實際徑流量與潛在最大徑流量之比等于流域實際入滲量和潛在最大入滲量之比［9］，即：

式中 F為降雨的實際入滲量（mm）；S為潛在最大入滲量（mm）；R為實際徑流量（mm）；RM為潛在最大徑流量（mm）。

模型假定潛在最大徑流量RM等于流域降雨量P與初損雨量Ia之差，即：

公式（4）中S是一個介于0～100之間的無量綱參數(shù)，變化幅度很大，模型通過一個無因次的參數(shù)CN（徑流曲線數(shù)）來推求S：

CN是反映土地利用、土壤類型、前期土壤含水量的一個綜合指標，由于CN值受降雨前流域內土壤濕潤程度的影響，SCS模型根據(jù)前5d的降雨總量并考慮植被狀況將土壤濕潤程度劃分為3級：AMCⅠ（干旱）、AMCⅡ（正常）、AMC Ⅲ（濕潤）（見表1），不同濕潤狀況下CN值的轉換用式（6）計算［10］：

式中 CN1、CN2、CN3分別是AMCI、AMCⅡ和AMCⅢ 條件下的CN值。美國國家工程手冊給出了AMCⅡ狀態(tài)下詳細的CN值查算表［11］。

表1 前期土壤濕度等級

Ia是一個與植被截留、入滲、前期土壤含水量等有關的變量。大量研究結果表明，Ia和S之間存在良好的線性關系：

λ表示初損與流域潛在入滲量的比率，SCS模型在實際應用中取λ=0.2進行計算。至此便可得出SCS模型產流量的計算公式：

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

本研究所選取的流域為六棟河平湖水文站以上流域，該流域位于貴州南部黔南州境內，屬于珠江流域西江水系，東經(jīng)107°03′～107°37′、北緯25°51′～26°06′之間，控制面積1418 km2。地勢北高南低，為中山、低山地形，喀斯特地貌。出露地層有石炭、二迭、三迭，碳酸鹽類巖石廣為分布，巖溶洼地、漏斗、落水洞、地下河發(fā)育。植被為馬尾松，薪炭林和碎屑巖灌叢，森林覆蓋率30%。流域氣候類型為亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫17℃，年平均降雨1220mm，多集中在5～8月，占全年61.5%。土地利用類型以林地、耕地、灌木為主。

2.2 土壤類型及土地利用類型提取

將收集的土壤類型圖結合遙感影像進行解譯，根據(jù)SCS產流模型的土壤分類標準［12］（見表2）ArcMap下進行重新分類，從而得到流域土壤類型圖（見圖1）。土地利用類型圖（見圖2）是按照土地利用情況分類標準實際調查所得。

表2 SCS模型土壤分類

2.3 水文資料

水文資料來自于平湖水文站和沙寨、墨沖、兔場、凱口4個具有代表性的雨量站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括2003～2008年的日平均蒸發(fā)、降雨、徑流數(shù)據(jù)。降雨采用泰森多邊形法計算流域平均日雨量（見圖3）。從流域日平均流量過程線上劃分各次降雨徑流過程，對基流進行分割，計算得出各次降雨產生的地面徑流量。

圖1 平湖流域土壤類型

圖2 平湖流域土地利用類型

3 生態(tài)恢復水文響應情景模擬

3.1 平湖流域耕地現(xiàn)狀分析

圖3 湖流域水文站雨量站分布

在貴州巖溶地區(qū)地貌發(fā)育，具有峰叢洼地、峰叢谷地、峰林谷地、峰林溶原及非喀斯特地貌多種地貌類型，并且土層薄，土壤貧瘠，農民為了生存需要，盲目毀林開荒，大量開墾坡耕地，使該地區(qū)的植被和生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，水土流失和石漠化嚴重。根據(jù)國家林業(yè)局［13］對坡耕地等級的劃分標準：坡度不大于2°的土地為平地，6°～15°為緩坡耕地，15°～20°為坡耕地，不小于25°為陡坡耕地。將研究區(qū)平湖流域土地利用(見圖2)和坡度圖（見圖4）疊加進行統(tǒng)計分析：流域現(xiàn)有耕地面積27115.05hm2，占流域總面積的19.12%，其中不大于2°的耕地面積為6905.82hm2，占耕地總面積的25.47%；2°～6°的耕地面積為1564.64hm2，占耕地面積的5.77%；6°～15°的緩坡耕地面積為5730.96hm2，占耕地總面積的21.14%；15°～20°的坡耕地面積為6903.18hm2，占耕地總面積的25.46%；不小于25°為陡坡耕地6010.46hm2，占耕地總面積的22.17%。研究表明，坡度大于15°的坡耕地不利于農作物生產［14］，并且陡坡耕地是水土流失的主要來源［15］。而從流域耕地分布來看，流域內15°以上的坡耕地大約占流域耕地的1/2，這對農業(yè)生產和水土保持非常不利。

3.2 生態(tài)恢復情景模型的建立

為了研究平湖流域不同下墊面下降雨產流的水文過程，尋求現(xiàn)有氣候條件下流域土地利用、土地覆被情景下水文響應的規(guī)律，為巖溶地區(qū)生態(tài)恢復提供參考。本文在現(xiàn)有土地利用基礎上，結合退耕還林調查分析，采用情景研究中的極端土地利用法和土地利用空間配置的方法設計了以下8種土地利用覆被變化及生態(tài)恢復情景模型。

情景1初始土地利用現(xiàn)狀

情景2全流域為耕地

情景3全流域為林地

情景4全流域為高蓋度草地

情景5 25°以上陡坡地退耕還林

情景6 25°以上陡坡地退耕還高覆蓋度草

情景7 15°以上坡耕地和陡坡地退耕還林

情景8 15°以上坡耕地和陡坡地退耕還高覆蓋度草

3.3 不同情景下地表徑流深模擬

借助GIS工具，選取具有代表性的一次降雨過程2007.7.10～12一場降雨為輸入，此次降雨前期土壤濕潤程度為AMCⅡ，降雨量154.71mm，對實測流量過程線分割基流部分，地表徑流深103.85mm，根據(jù)SCS模型的原理，模擬得到此次降雨的徑流深98.13mm，相對誤差為5.5%，能較好地對徑流深進行模擬計算。在此基礎上，對以上8種生態(tài)恢復情景進行模擬，圖5和表3分別為模擬徑流深的變化情況。

分析徑流深模擬結果可以看出，各種情景下的模擬徑流深存在以下規(guī)律：情景2>情景1>情景6>情景8>情景4>情景5>情景7>情景3。表明，隨著林地和高覆蓋度草地面積的增加，流域徑流深較初始土地利用覆被減少，而耕地的增加導致流域徑流深增大，下墊面以林地、高覆蓋度草為主及15°以上耕地向林地或高覆蓋度草轉移為主的情景3～8徑流深均比初始值小，而全流域為耕地情景2的徑流深有所增加。

圖5 不同生態(tài)恢復情景下的徑流深模擬結果柱狀圖

表3 不同生態(tài)恢復場景下徑流深模擬結果情景模擬徑流深

從情景1～4的極端情景來看，全流域為耕地增加了11.17mm，增長了11.38%，全流域為林地和全流域為高覆蓋度草地分別減少了17.02mm和2.08mm，增長率為-15.57%和-2.56%，可以看模擬徑流深耕地>高覆蓋度草地>林地；在情景5～8幾種不同退耕方式的情景下，25°以上陡坡地退耕還林和15°以上坡耕地和陡坡地退耕還林徑流深分別減少了2.09mm和3.3mm，比25°和15°以上退耕為高覆蓋度草下減少的徑流深大。

究其原因，在土地利用覆被變化的過程中，主要是SCS模型中CN值的變化，根據(jù)式（5），CN越大滯留參數(shù)S就越小，意味著降雨轉化為徑流的比例（地表徑流深）越大［16］。而在相同土壤質地下，CN值耕地＞高覆蓋度草地＞林地，因此呈現(xiàn)以上規(guī)律。

4 結語

（1）針對巖溶地區(qū)，基于SCS模型下的徑流深模擬可以達到降雨徑流模擬的基本要求，并以平湖流域為例，得出了不同土地利用覆被下徑流深分布的規(guī)律：耕地>高覆蓋度草地>林地，模擬結果顯示出草地和森林植被在涵養(yǎng)水源、調節(jié)河川徑流的作用，也說明在平湖流域林地比草地涵養(yǎng)水源的作用更強。

（2）生態(tài)恢復對水文的響應與土地利用覆被變化的類型和結構有著密切聯(lián)系，不同的生態(tài)恢復手段產生不同效果，從地表徑流深的角度出發(fā)，以退耕還林為主對區(qū)域的水源涵養(yǎng)，防治水土流失有比較明顯的效果，效果優(yōu)于退耕還草，為巖溶地區(qū)生態(tài)恢復提供一定參考。

（3）在資料需缺條件下，應用SCS模型進行流域尺度的生態(tài)恢復和水文響應研究是可行的，但模型本身比較簡單，僅從水量平衡的角度對徑流深進行模擬研究，未能充分考慮巖溶地區(qū)復雜地形地貌因素及地表地下的空間異質性，也不能模擬土地利用覆變對土壤及蒸散發(fā)的影響。生態(tài)恢復的場景建立僅從坡度角度分析，在以后的研究中，應重點結合巖溶地區(qū)地形地貌、土地利用規(guī)劃和經(jīng)濟社會發(fā)展等多種因素進行考慮，建立更加合理的生態(tài)恢復情景并進行模擬研究。

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Study on the Hydrological Responses to Ecological Restoration by SCS Model in Karst Area

XIE Xiao-yun1， DENG Ya-dong1，2， LIANG Hong1
（1.School of Geography and Environment Science， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China;
2.Institute of Karst Geology， CAGS， Guiling 541004，China）

The ecological restoration is currently a major means of protecting ecological environmental and controlling soil and water loss.In order to search for the the theories about ecological restoration，s ome restoration scenarios with different land covers were simulated for the pinghu basin，using the SCS model under the GIS and RS environment.The results demonstrate that forest result in lower runoff compared to grassland，and the water conservation function of forest is greater than the grassland， but the cropland result in greater runoff depth and stronger soil and water loss.Therefore，conversion of cropland to forest（grassland） is necessary in ecological restoration practices in Pinghu River.

karst area;SCS model;ecological restoration;hydrological responses;sloping fields

P334+.92

A

1672-9900（2011）03-0043-04

2011-04-06

中國地質科學院巖溶地質研究所資助項目（2007015）；中國地質科學院巖溶地質研究所資助項目（2009021）

謝曉云（1985—），男（漢族），福建建寧人，碩士，主要從事巖溶水文水資源與GIS方向研究，（Tel）13985535593。