土地利用變化對(duì)九龍甸水源區(qū)土壤侵蝕的影響研究

王 杰，黃 英，吳 灝，張 雷

(云南省水利水電科學(xué)研究院，云南 昆明 650021)

水源區(qū)在地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著非常重要的支撐作用，水源區(qū)土地利用變化引起的水土流失不僅會(huì)降低其保水能力，而且會(huì)造成下游水庫(kù)的泥沙淤積和水環(huán)境惡化，降低防洪、灌溉等功能，因此研究不同土地利用方式下水源區(qū)土壤侵蝕變化顯得十分必要。SWAT模型是一種分布式水文模型，具有很強(qiáng)的物理機(jī)制[1]，可用于不同土壤屬性、土地利用類型、氣候狀況以及人類活動(dòng)干擾下的產(chǎn)流模擬分析和土壤侵蝕分析，應(yīng)用效果良好[2-5]。本研究以楚雄市九龍甸水源區(qū)為研究對(duì)象，利用SWAT分布式水文模型研究不同土地利用方式下的土壤侵蝕狀況，以期能為治理水土流失和土地利用管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

九龍甸水庫(kù)興建于1958年，位于楚雄市呂合鎮(zhèn)境內(nèi)、龍川江上游紫甸河的上游，距楚雄市城區(qū)40 km，是一座具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水等多功能的綜合性水利工程，是楚雄彝族自治州最大的水庫(kù)，也是楚雄市人民飲用水的重要來(lái)源。九龍甸水源區(qū)位于楚雄市西北部，地勢(shì)西高東低、北高南低，平均高程2 170 m，土地總面積257.6 km2，河長(zhǎng)47.3 km，河道平均比降9.15‰；屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，山高水深，氣候垂直變化明顯，冬夏短春秋長(zhǎng)，氣溫日較差大，年平均氣溫14.8～21.9 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 450 h，多年平均降水量943.5 mm；土壤類型以紅壤、棕壤、黃棕壤為主，植被多為茂密灌木叢林，并以云南松、華山松、滇油杉、滇橄欖、杜鵑等為主。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 水文和氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)采用楚雄市1953—2009年逐日氣溫(最高/最低)、降水量、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等，其中SWAT模型所需的輻射數(shù)據(jù)由日照時(shí)數(shù)推算得到[6]，露點(diǎn)溫度由溫度和相對(duì)濕度計(jì)算得到[7]。水文資料選用九龍甸水源區(qū)鳳屯站1977—2009年和新房站1978—2009年日降水資料。用鳳屯水文站1978—2009年月流量資料對(duì)構(gòu)建的SWAT模型進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證。

2.2 地理信息數(shù)據(jù)

DEM選用90 m分辨率SRTM 數(shù)字高程模型，原數(shù)據(jù)為地理坐標(biāo)，為滿足模型輸入要求，將其轉(zhuǎn)化為Albers投影。土地利用類型采用的是中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心1986、2000年全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)，2009年土地利用信息由遙感影像解譯得到。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心1 ∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)集，土壤粒徑分級(jí)采用國(guó)際制。應(yīng)用MATLAB軟件編程進(jìn)行三次樣條插值計(jì)算得到以美制標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的土壤粒徑百分含量，并應(yīng)用SPAW模型估算土壤可利用有效水量、飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)。

2.3 SWAT模型模擬

基于SWAT模型，根據(jù)研究區(qū)DEM將九龍甸水源區(qū)劃分為65個(gè)子流域，根據(jù)土地利用、土壤屬性及坡度信息將每個(gè)子流域劃分為若干個(gè)水文響應(yīng)單元(HRU)，最后結(jié)合九龍甸水源區(qū)的日氣溫、降水、輻射、風(fēng)速和相對(duì)濕度等觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建研究區(qū)SWAT水文模型。模型構(gòu)建后，采用Daily rain/CN/Daily算法計(jì)算地表徑流產(chǎn)匯流，P-M公式計(jì)算潛在蒸散量，Variable Storage法進(jìn)行河道演算，USLE方法計(jì)算土壤侵蝕量，并對(duì)每一個(gè)子流域推求凈雨，再進(jìn)行匯流演算，并模擬計(jì)算鳳屯水文站流量。根據(jù)模擬得到的鳳屯水文站流量，用SWAT模型自帶的參數(shù)敏感性分析器分析模型參數(shù)敏感性，并用鳳屯水文站的實(shí)測(cè)月徑流資料對(duì)比較敏感的模型參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。參數(shù)率定和驗(yàn)證的效果用相對(duì)誤差(Re)、相關(guān)系數(shù)(R2)和納什效率系數(shù)(Ens)來(lái)評(píng)價(jià)[8]。最后用率定好的模型分別模擬計(jì)算九龍甸水源區(qū)1986、2000和2009年不同土地利用方式下的土壤侵蝕模數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 參數(shù)敏感性試驗(yàn)

SWAT模型參數(shù)較多，在特定研究區(qū)尋找敏感性高的模型參數(shù)并對(duì)其加以率定，可以提高模型的運(yùn)行效率。本研究采用LH-OAT方法進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，結(jié)果見表1。由表1知，模型參數(shù)中因子值最大的為CN2；其次是ESCO、GWQMN、SOL_K、SLOPE、BLAI、CANMX和SOL_AWC，敏感性較高；最后是GW_REVAP和CH_K2，敏感性較低。因此，選擇CN2、ESCO、GWQMN、SOL_K、SLOPE、BLAI、CANMX和SOL_AWC8個(gè)參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。

表1 九龍甸水源區(qū)參數(shù)敏感性分析

3.2 參數(shù)率定與模型驗(yàn)證

用鳳屯水文站月實(shí)測(cè)徑流量進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證，其中率定期為1978年1月—1993年12月、驗(yàn)證期為1994年1月—2009年12月，結(jié)果見圖1和表2。從這些圖表可以看出，在率定期和驗(yàn)證期，模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流的變化過(guò)程具有很好的對(duì)應(yīng)性，并且與降水的變化過(guò)程相一致?？傮w來(lái)看，率定期模擬流量大于實(shí)測(cè)流量，模擬年平均流量比實(shí)測(cè)流量大5.2%，Ens為0.87，R2為0.91，汛期徑流模擬效果好于枯水期；驗(yàn)證期模擬流量大于實(shí)測(cè)流量，Re為6.3%，Ens為0.83，R2為0.87，汛期徑流模擬效果好于枯水期。根據(jù)Ens評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，SWAT水文模型在九龍甸水源區(qū)模擬達(dá)到乙等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明SWAT水文模型在九龍甸水源區(qū)有較好的適用性。

圖1 九龍甸水源區(qū)率定期與驗(yàn)證期的實(shí)測(cè)和模擬月徑流量

表2 九龍甸水源區(qū)月徑流模擬結(jié)果

3.3 土壤侵蝕變化

1986—2009年九龍甸水源區(qū)土地利用狀況見圖2。圖2顯示了1986、2000、2009年研究區(qū)各土地利用類型占總面積的比例，其中耕地所占比例分別為11.68%、11.38%、30.87%，林地分別為69.8%、70.16%、68.56%，草地分別為18.42%、18.36%、0。由于鳳屯水文站以上水體、居民用地所占比例很小，且在各期土地利用圖上圖斑較為分散破碎難于統(tǒng)計(jì)，因此本研究不予考慮。從圖2中可以看出，2009年耕地面積明顯大于1986年和2000年，并且增加的耕地面積大多來(lái)自草地，導(dǎo)致草地面積幾近消失，而3期土地利用狀況中林地面積變化不大。

圖2 1986、2000、2009年九龍甸水源區(qū)土地利用類型

圖3 不同土地利用方式下九龍甸水源區(qū)土壤侵蝕空間分布

依據(jù)《土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[9]，九龍甸水源區(qū)在1986、2000和2009年不同土地利用方式下各子流域土壤侵蝕空間分布見圖3。1986年九龍甸水源區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為9.69 t/(hm2·a)，其中微度侵蝕面積為127.96 km2，占土地總面積的56.57%；輕度侵蝕為76.76 km2，占33.90%；中度侵蝕17.54 km2，占7.75%；強(qiáng)烈侵蝕4.0 km2，占1.78%。2000年九龍甸水源區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為9.87 t/(hm2·a)，大于1986年，其中微度和輕度侵蝕面積未發(fā)生明顯變化、中度侵蝕面積增加了2.17 km2、強(qiáng)烈侵蝕面積減少了3.961 km2、極強(qiáng)烈侵蝕面積增加了1.79 km2。2009年九龍甸水源區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為1 360 t/(hm2·a)，其中微度侵蝕面積84.28 km2，占土地總面積的37.26%；輕度侵蝕98.18 km2，占43.40%；中度侵蝕38.76 km2，占17.14%；強(qiáng)烈侵蝕4.97km2，占2.2%。1986、2000、2009年3期土地利用方式下研究區(qū)土壤侵蝕類型均以輕、微度侵蝕為主，但相比1986和2000年，2009年中度和強(qiáng)烈土壤侵蝕所占比例有明顯增加，可見在人類活動(dòng)增強(qiáng)導(dǎo)致耕地面積增加、草地面積減少的情況下，水土流失的風(fēng)險(xiǎn)也在加大。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究選用SWAT水文模型對(duì)九龍甸水源區(qū)不同土地利用方式下水文過(guò)程進(jìn)行模擬，選擇LH-OAT方法對(duì)構(gòu)建的水源區(qū)模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析(以1978—1993年為率定期， 1994—2009年為驗(yàn)證期)，并模擬分析了九龍甸水源區(qū)在不同土地利用方式下的土壤侵蝕變化。得出以下結(jié)論：①敏感性分析結(jié)果表明，在九龍甸水源區(qū)CN2、ESCO、GWQMN、SOL_K、SLOPE、BLAI、CANMX和SOL_AWC8個(gè)參數(shù)對(duì)徑流影響最為敏感。②率定期R2為0.91、Ens為0.87，驗(yàn)證期R2為0.87，Ens為0.83。SWAT水文模型在九龍甸水源區(qū)模擬達(dá)到乙等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的適用性。③1986—2009年，九龍甸水源區(qū)不同土地利用方式下土壤侵蝕均以輕、微度侵蝕為主，但人類活動(dòng)增強(qiáng)導(dǎo)致的耕地面積增加、草地面積減少，使得2009年中度和強(qiáng)烈土壤侵蝕所占比例明顯增加。

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