欽江流域土地利用/覆被變化對徑流產(chǎn)沙的影響

李鴻儒，盧　遠，何　文

(廣西師范學(xué)院 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院 北部灣環(huán)境演變與資源利用省部共建教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001)

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欽江流域土地利用/覆被變化對徑流產(chǎn)沙的影響

李鴻儒，盧遠，何文

(廣西師范學(xué)院 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院 北部灣環(huán)境演變與資源利用省部共建教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001)

SWAT；土地利用類型；水文效應(yīng)；欽江流域

以欽江流域為研究對象，在GIS軟件的支持下，構(gòu)建研究區(qū)SWAT分布式水文模型，以徑流和泥沙實測數(shù)據(jù)對模型進行校準(zhǔn)和驗證，結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)R2高于0.9，Nash-Sutcliffe系數(shù)高于0.8，模型模擬精度較高。在固定天氣因子等不變的情況下，基于1990、2008年兩期土地利用數(shù)據(jù)，模擬研究區(qū)1968—2008年徑流產(chǎn)沙過程，并分析土地利用/覆被變化對水文效應(yīng)的影響，結(jié)果表明：1990—2008年土地利用變化主要表現(xiàn)為林地、水田面積減少，旱地、草地、水域和建設(shè)用地面積增加；與1990年土地利用情景相比，2008年土地利用情景下徑流和輸沙總量均增加，土地利用變化對產(chǎn)流影響較小，對產(chǎn)沙影響較顯著；由土地利用變化引起的月均徑流產(chǎn)沙變化量為汛期增幅大于非汛期；土地利用變化對枯水年徑流產(chǎn)沙過程影響最大，平水年次之，豐水年影響最小。

氣候變化和人類活動是影響流域水文過程的兩個重要因素，了解自然變化和人類活動對水文行為乃至周邊環(huán)境的影響是人類社會發(fā)展面臨的共同問題，其中土地利用/覆被的變化直接反映了人類活動的影響程度[1]。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，受城市化、人口增長、政府政策等影響，人類對自然資源的利用和改造必然會促使土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，不當(dāng)?shù)耐恋乩梅绞綄?dǎo)致流域水量失衡，從而引發(fā)水土流失、土地退化等生態(tài)環(huán)境問題，因此開展土地利用/覆被變化的水文響應(yīng)研究對流域水資源合理開發(fā)與管理、保證水資源可持續(xù)利用具有重要意義[2]。SWAT模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心1993年為美國水文模型項目開發(fā)的大、中尺度流域環(huán)境模擬模型，能夠利用GIS和RS提供的空間數(shù)據(jù)信息模擬產(chǎn)水產(chǎn)沙、非點源污染等過程。我國一些學(xué)者自2003年開始運用該模型對不同尺度流域展開了大量研究，取得許多有意義的成果[3-12]?？紤]到廣西境內(nèi)流域利用分布式水文模型的相關(guān)研究成果較少，本研究以欽江流域為研究對象，構(gòu)建流域分布式水文模型，在固定天氣因子、DEM、土壤類型等因素不變的情況下，模擬真實土地利用情景下的徑流產(chǎn)沙過程，并分析不同土地利用狀況對水文效應(yīng)的影響，以期為欽江流域水土資源與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性綜合管理提供決策依據(jù)和參考。

1　研究區(qū)概況

欽江流域位于廣西南部，地處E108°34′～109°29′、N21°53′～22°36′，欽江從東北向西南穿過，流域面積2 241.69 km2，主干流全長173.54 km。流域呈狹長狀，地勢東北高、西南低，地形呈舟狀，除流域出口西南部外，其他三面高、中間低，東北部及四周多為低山丘陵地區(qū)。該流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，春夏季多暴雨，受熱帶氣旋影響，雨量豐沛，多年平均降水量在1 600 mm左右，降水年內(nèi)分配不均，多集中在4—9月，降水量由下游河口向上游河源遞減。

2　水文模型構(gòu)建

2.1數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)來源于國家1 ∶5萬地形圖，經(jīng)ArcGIS數(shù)字化后重采樣生成30 m×30 m Grid數(shù)據(jù)；1990和2008年兩期土地利用數(shù)據(jù)通過TM影像人工解譯得到，同上將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Grid格式，網(wǎng)格大小為30 m×30 m，并對土地利用類型進行重分類，以符合SWAT模型模擬要求；土壤類型圖來源于中國1 ∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫，坐標(biāo)統(tǒng)一為Albers Krasovsky_1940。

土壤屬性數(shù)據(jù)主要來源于《廣西土種志》，部分通過SPAW軟件計算得到。氣象數(shù)據(jù)采用陸屋、小江、坡郎平、鎮(zhèn)龍、邕寧5個站點1961—2008年長序列數(shù)據(jù)，包括日降雨量、相對濕度、最高最低氣溫、平均風(fēng)速和太陽輻射，其中太陽輻射由日照時數(shù)計算得到。水文數(shù)據(jù)來源于《珠江流域水文資料》，由于獲取和采集的難度較大，因此只收集到陸屋站水文數(shù)據(jù)，時間范圍為2003—2005、2001和2008 年。

2.2模型構(gòu)建

采用ArcGIS 10.1環(huán)境下的SWAT-2012，首先將研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)輸入ArcSWAT以驅(qū)動模型運行，設(shè)置集水面積閾值為3 500 hm2，輸入水文站點和流域總出口，自動將研究區(qū)劃分為44個子流域；其次疊加不同精度的土地利用、土壤類型和地形圖再將子流域劃分為355個水文響應(yīng)單元；最后將氣象數(shù)據(jù)輸入天氣發(fā)生器，寫入數(shù)據(jù)則完成模型的初步構(gòu)建。

2.3參數(shù)率定與驗證

參數(shù)率定的目的在于盡可能地縮小觀測值與模擬值之間的差距，以提高模型的精準(zhǔn)度。利用SWAT-CUP軟件提供的SUFI2算法對影響水文過程的參數(shù)進行敏感性分析，其中CN2(徑流曲線系數(shù))、SOL_K(土壤飽和水力傳導(dǎo)系數(shù))、ESCO(植物吸收補償因子)和SOL_AWC(土壤可利用有效水)對產(chǎn)流過程影響較大，USLE_C(植被覆蓋因子)、USLE_P(水土保持措施因子)和HRU_SLP(平均坡度)等對輸沙過程影響較大。在此基礎(chǔ)上，對參數(shù)進行有針對性的微調(diào)，使用相關(guān)系數(shù)R2和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)NS對模型參數(shù)率定的合理性進行評價，計算公式為

(1)

(2)

式中：Q1i為模擬值；Q2i為實測值；Qavg為模擬均值；Pavg為實測均值；n為實測數(shù)據(jù)數(shù)量。

R2取值介于0～1，越接近于1，表明擬合效果越好；NS值越接近于1，表明模型的精準(zhǔn)度越高。基于收集到的水文資料，以2003—2005年為率定期，2001年和2008年為驗證期，將校準(zhǔn)期調(diào)整好的參數(shù)代回SWAT模型進行驗證，評價結(jié)果見表1和圖1、2。由圖、表可知，陸屋站徑流、泥沙率定期和驗證期的NS系數(shù)都在0.80以上，且R2都大于0.90， 產(chǎn)流產(chǎn)沙變化趨勢一致，說明模擬精度較高，水文分布式模型適用于欽江流域，可對流域缺失的水文資料進行模擬。

表1　陸屋站產(chǎn)流產(chǎn)沙量月尺度模擬評價

圖1　陸屋站逐月日均流量模擬與實測情況

圖2　陸屋站逐月日均輸沙量模擬與實測情況

3　結(jié)果分析

3.1土地利用類型及其動態(tài)變化

欽江流域主要土地利用類型有水田、旱地、林地、草地、水域、建設(shè)用地等6種，以水田、旱地、林地和草地為主，1990、2008年合計分別占到流域總面積的92.62%、92.40%，尤其林地占比例最高，說明流域植被覆蓋狀況較好。利用ArcGIS和Excel軟件，定量分析各土地利用類型在1990—2008年期間的變化情況，結(jié)果見表2。由表2可知，林地、水田面積減少，旱地、草地、水域、建設(shè)用地面積增加；水田、旱地、林地、草地不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，并出現(xiàn)水域干涸轉(zhuǎn)變?yōu)樗?、旱地和林地的情況。將退耕還林、植樹造林、減少建設(shè)用地等視為正向轉(zhuǎn)移，反之為負(fù)向轉(zhuǎn)移，通過統(tǒng)計可知欽江流域28年間正向轉(zhuǎn)移面積為13.66 km2，負(fù)向轉(zhuǎn)移面積為38.81 km2，總體來看流域1990—2008年植被覆蓋度呈下降趨勢。

表2　欽江流域1990—2008年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣　km2

3.2不同土地覆被對徑流產(chǎn)沙的影響

將2008年土地利用數(shù)據(jù)代入已校準(zhǔn)好的SWAT模型，固定氣候因子等不變，對欽江流域1968—2008年產(chǎn)流產(chǎn)沙量進行模擬。與1990年土地利用情景相比，2008年徑流和輸沙量均增加，其中：徑流增加量較少，為1.19萬m3，變化率為0.17%；輸沙量增加559.89萬t，變化率高達4.01%。通過對比分析不同土地利用類型及真實情景下的產(chǎn)流產(chǎn)沙總量，發(fā)現(xiàn)欽江流域1990—2008年水文效應(yīng)改變與土地利用類型變化有關(guān)，植被覆蓋度下降引起流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量增加，說明土地利用結(jié)構(gòu)改變是影響欽江流域水文效應(yīng)的重要原因。

3.3不同土地覆被對汛期和非汛期徑流產(chǎn)沙的影響

為分析研究區(qū)土地利用變化對汛期(4—9月)和非汛期產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，計算了1968—2008年各月產(chǎn)流產(chǎn)沙平均增量(表3)。由表3可知，與1990年相比，2008年土地利用情景下流域汛期和非汛期各月平均產(chǎn)流產(chǎn)沙變化量趨勢基本一致，即均有所增加，且汛期增幅大于非汛期。汛期產(chǎn)流產(chǎn)沙量平均增量分別為243.91 m3、10.04萬t，非汛期分別為46.29 m3、3.62萬t，月平均輸沙增量較明顯，而徑流增量甚微。由此可見，土地利用覆被條件的變化是引起流域汛期產(chǎn)流產(chǎn)沙量增加的重要原因。由于植被具有巨大的保持水土功能，特別是枯枝落葉層阻礙消耗了降雨濺蝕的動能，減少了面層徑流的擾動和挾沙能力，因此恢復(fù)流域植被能起到滯洪和減少洪峰流量的作用，從而有助于減少汛期洪水、泥石流等災(zāi)害的發(fā)生。

表3　1990、2008年土地利用情景下各月產(chǎn)流產(chǎn)沙平均增量

3.4不同土地覆被對不同降水年型徑流產(chǎn)沙的影響

依據(jù)欽江流域陸屋站1961—2008年的降雨資料，用保證率進行統(tǒng)計分析確定不同降水年型，以分析不同土地利用情景下各典型水文年份對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響(表4)。豐水年(降雨頻率10%)、平水年(降雨頻率50%)、枯水年(降雨頻率90%)分別選取與之相接近的1970、1978和2005年作為典型水文年份，降雨量分別為2 162.9、1 652.0、1 101.1 mm，平水年降雨量與48年的平均降雨量1 632.72 mm相近。從徑流量來看，2005年變化率最大，增幅為0.19%，1978和1970年次之，增幅分別為0.18%和0.12%。從輸沙量來看，2005年變化率最大，1978和1970年次之，趨勢與徑流量一致，增幅分別為6.01%、4.20%和3.34%。由此推斷，土地覆被變化對枯水年影響最大，平水年次之，豐水年影響最小。

表4　1990、2008年土地利用情景下不同降水年型產(chǎn)流產(chǎn)沙量

4　結(jié)　論

本研究基于SWAT分布式水文模型，利用DEM、土地利用和土壤屬性數(shù)據(jù)、氣象水文數(shù)據(jù)，構(gòu)建欽江流域水文分布式模型，在固定天氣因子等因素不變的情況下，對1990、2008年兩期不同土地利用情景下的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程進行模擬，結(jié)論如下：

(1)基于欽江流域陸屋站的實測徑流輸沙數(shù)據(jù)，采用R2、NS系數(shù)對模型的可用性進行評價，陸屋站徑流、泥沙率定期和驗證期的NS系數(shù)都在0.8以上，R2都大于0.9，模擬精度較好，徑流和輸沙變化趨勢趨于一致，表明模型校準(zhǔn)較成功，模擬精度滿足研究的需要，可對流域缺失的徑流泥沙數(shù)據(jù)進行模擬和分析。固定天氣因子等不變的情況下，在校準(zhǔn)好的模型中輸入2008年土地利用數(shù)據(jù)，模擬流域1968—2008年徑流、輸沙量。

(2)對1990、2008年兩期土地利用數(shù)據(jù)進行對比分析可知，主要地類水田、旱地、林地和草地占到流域總面積的92%以上，其中林地分別占到40.83%和39.84%，流域植被覆蓋度整體較高。相對于1990年，2008年土地利用變化表現(xiàn)為林地、水田面積減少，旱地、草地、水域、建設(shè)用地面積增加，流域植被覆蓋度總體呈下降趨勢。

(3)根據(jù)1968—2008年的模擬結(jié)果，與1990年相比，2008年土地利用情景下徑流和輸沙總量均增加，其中：徑流增加量較少，為1.19萬m3，變化率為0.17%；輸沙量增加559.89萬t，變化率高達4.01%。2008年土地利用情景下的流域汛期和非汛期各月平均產(chǎn)流產(chǎn)沙變化量趨勢基本一致，即均有所增加，且汛期增幅大于非汛期，土地覆被變化對枯水年影響最大，平水年次之，豐水年影響最小。

(4)本研究在固定天氣因子等不變的情況下，定量分析了欽江流域土地利用/覆被變化對徑流產(chǎn)沙的影響，未能考慮天氣變化、人類活動等因素影響，具有一定的局限性。今后進一步分析流域的水文效應(yīng)，還需綜合考慮天氣、河道外取用水、水土保持措施等因素的影響。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

2015-07-15

廣西自然科學(xué)基金項目(2015GXNSFAA139234)

P332；S157

A

1000-0941(2016)04-0040-04

李鴻儒(1991—)，女(壯族)，廣西河池市人，碩士研究生，研究方向為流域水文變化；通信作者盧遠(1971—)，男，廣西橫縣人，副研究員，博士，從事GIS應(yīng)用、環(huán)境遙感研究。