基于SWAT模型的不同土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)流域水沙的影響

朱楠，馬超,2?，王云琦,2，張會(huì)蘭,2，朱錦奇

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.北京林業(yè)大學(xué) 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心，100083，北京)

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基于SWAT模型的不同土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)流域水沙的影響

朱楠1，馬超1,2?，王云琦1,2，張會(huì)蘭1,2，朱錦奇1

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.北京林業(yè)大學(xué) 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心，100083，北京)

為明確不同土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙及其過程的影響，以黃土高原溝壑區(qū)典型小流域羅玉溝流域?yàn)槔?，基?986—2000年氣象資料，以該流域4種主要土地利用類型及調(diào)整后的土地利用結(jié)構(gòu)為假設(shè)情景，通過SWAT模型模擬探討土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)流域水沙的影響。結(jié)果表明：1)與1995年土地利用結(jié)構(gòu)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量相比，極端情景下，林地和梯田可分別減少徑流56.86%、11.97%，減少泥沙達(dá)80%以上；2)林地集中分布較分散分布的水沙量最大可分別減少4%、27%左右，但集中程度可能存在一個(gè)閾值，大于該閾值后流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量無太大變化；3)相同面積比例的土地利用類型在流域中分布位置不同，流域出口的產(chǎn)沙量也較1995年有不同程度減少，最大可減少26.79%，產(chǎn)流量無明顯差異，但流域內(nèi)部產(chǎn)流產(chǎn)沙過程有所不同，林地分布在上游時(shí)，流域上中游的水沙量最低。因此，調(diào)整流域土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)可適當(dāng)提高林地集中程度；重視流域上游尤其是源頭的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在流域產(chǎn)流產(chǎn)沙源頭可采取減水減沙效果更好的植被措施，梯田等受人類活動(dòng)影響的措施盡量布設(shè)在流域中下游。

SWAT模型； 土地利用； 林地； 產(chǎn)流量； 產(chǎn)沙量

開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，布設(shè)水土保持措施，發(fā)展交通，促進(jìn)城鎮(zhèn)化等人類活動(dòng)是導(dǎo)致土地利用類型發(fā)生變化的主要原因[1-2]；土地利用結(jié)構(gòu)變化會(huì)引起土地覆被的變化，從而影響流域的水文循環(huán)過程[3]。土地利用結(jié)構(gòu)的變化或水保措施的布設(shè)是流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量改變的主要因素之一[4]，不合理的土地利用結(jié)構(gòu)及空間變化會(huì)對(duì)氣候區(qū)域產(chǎn)生影響，惡化水文環(huán)境，引發(fā)水土流失，增加土壤侵蝕，尤其易對(duì)生態(tài)脆弱的干旱半干旱區(qū)造成負(fù)面影響[5]。黃土高原作為我國西北部典型的半干旱區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境脆弱敏感，水土流失是其主要的環(huán)境問題[6]。20世紀(jì)中后期黃土高原地區(qū)相繼開展一系列水土保持工作，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變[7]，由此引發(fā)的水土流失變化受到廣泛關(guān)注[8-9]；因此，明確不同土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)流域水文過程的影響，對(duì)理解黃土丘陵溝壑區(qū)產(chǎn)流輸沙具有一定的理論指導(dǎo)意義。

分布式水文模型是定量分析土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)流域水沙影響的方法之一，可以對(duì)流域水沙過程的時(shí)空異質(zhì)性進(jìn)行有效模擬[10-11]。其中，SWAT模型在眾多水文模型中的應(yīng)用較為廣泛，可對(duì)流域的徑流、泥沙進(jìn)行長期連續(xù)模擬，適用性強(qiáng)[12]，國內(nèi)已有眾多研究驗(yàn)證SWAT模型在黃土高原的適用性[13-14]。目前，關(guān)于土地利用方式對(duì)流域水沙影響的研究多基于實(shí)際土地利用結(jié)構(gòu)，探究其變化后的流域水沙量及其關(guān)系變化或人類活動(dòng)對(duì)流域水沙的貢獻(xiàn)率[15-16]；但有關(guān)在不同土地利用格局下產(chǎn)流產(chǎn)沙量及流域中間產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的研究相對(duì)較少：因此，本研究利用SWAT水文模型工具，以黃土高原典型小流域羅玉溝流域?yàn)槔?，在?995年實(shí)際土地利用結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，以探究小流域尺度上土地利用結(jié)構(gòu)變化對(duì)流域水沙及中間產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，以期為該地區(qū)土地利用方式的選擇或水保措施的布設(shè)提供參考。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)羅玉溝流域位于甘肅省天水市北部，地理坐標(biāo)為E 105°30′～105°45′，N 34°34′～34°40′，是國家重點(diǎn)典型示范小流域，流域面積約72 km2，海拔范圍在1 165～1 895 m之間，溝壑密度為3.5 km/km2，屬于強(qiáng)烈溝蝕區(qū)，地貌類型以谷坡和溝谷為主。羅玉溝流域?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候，年內(nèi)降雨分配不均，多集中于夏秋兩季，年均降水量540 mm，年均蒸發(fā)量1 290 mm，年均氣溫為10.7 ℃。流域內(nèi)土壤類型的典型代表為山地灰褐土，其面積高達(dá)流域土壤總面積的90%以上。流域內(nèi)林地郁閉度范圍為0.4～0.8，草地蓋度約為0.5；植被類型以落葉闊葉林為主，主要喬木以人工林為主，有側(cè)柏(Platycladus orientalis)、旱柳(Salix matsudana Koidz.)、油松(Pinus tabulaeformis)；主要灌木以天然灌木為主，有長芒草(Stipa bungeana Trin.)、狼牙刺(Sophora davidii)等。

2　研究方法

利用SWAT 2012水文模型對(duì)不同土地利用結(jié)構(gòu)下流域產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行模擬，通過情景假設(shè)法探究土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)流域水沙的影響。

2.1SWAT模型適用性評(píng)價(jià)

利用羅玉溝流域雨量站及氣象站分布圖、30 m精度DEM圖、土地利用類型圖、土壤類型分布圖構(gòu)建流域空間屬性庫；采用搜集的羅玉溝流域土壤物理參數(shù)構(gòu)建土壤屬性數(shù)據(jù)庫；采用流域附近的天水氣象站1986—2000年氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建天氣發(fā)生器，以對(duì)缺失的降雨資料進(jìn)行補(bǔ)充。利用SWAT模型最終將流域劃分為33個(gè)子流域(圖1)及158個(gè)水文響應(yīng)單元(HRUs)，根據(jù)流域?qū)嶋H情況，分別設(shè)定土地利用、土壤及坡度的閾值面積為10%、20%、20%。以1986—2000年羅玉溝流域出口站實(shí)測(cè)的徑流、泥沙資料為基礎(chǔ)，采用SWAT-CUP對(duì)模型進(jìn)行率定，其中1986—1995年為校準(zhǔn)期，1996—2000年為驗(yàn)證期，一般采用因子P(監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含在95%不確定性區(qū)間(95PPU)內(nèi)的比例，范圍為0～1)和因子R(95PPU帶的平均厚度除以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，范圍為0到無窮大)衡量參數(shù)不確定程度，P越接近1，R越接近0，說明模擬值越接近實(shí)測(cè)值；采用相關(guān)系數(shù)和納什效率系數(shù)評(píng)價(jià)模型適用性。

The number stand for sub-basin’s number圖1　羅玉溝流域子流域劃分結(jié)果Fig.1　Sub-basins in Luoyugou Watershed

(1)

當(dāng)P>0.6，R<1.5，R2>0.6，Ens≥0.5時(shí)模型模擬結(jié)果被認(rèn)為可信，當(dāng)Ens≥0.65時(shí)，認(rèn)為模型模擬結(jié)果非常好。徑流、月泥沙校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期的模擬結(jié)果如表1所示。由模擬結(jié)果可知，該模型適用于羅玉溝流域。

表1　SWAT模型在羅玉溝流域適用性評(píng)價(jià)

Note:P:The percentage of measured data bracketed by the 95% prediction uncertainty (95PPU).R:The average thickness of the 95PPU band divided by the standard deviation of the measured data.R2:Coefficient of determination; Ens:Nash-Sutcliffe.

2.2情景假設(shè)法

采用極端情景假設(shè)法分析羅玉溝流域4種主要土地利用類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，根據(jù)極端情景分析結(jié)果及流域1995年實(shí)際土地利用情況，在保持原有用地類型比例不變的前提下，調(diào)整主要用地類型的位置模擬相同比例不同結(jié)構(gòu)下的土地利用對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

2.2.1極端情景假設(shè)法以羅玉溝流域1995年土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，在保持原有的城鎮(zhèn)用地、裸地、水體面積及位置不變的情況下，依次調(diào)整流域其他用地類型全部為草地、梯田、林地或坡耕地。

2.2.2不同土地利用結(jié)構(gòu)情景假設(shè)法根據(jù)極端情景模擬結(jié)果對(duì)1995年土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)遵循“四項(xiàng)原則”：1)保持原有土地利用類型面積的比例不變，只調(diào)整其位置，主要調(diào)整對(duì)流域減水減沙效果較好的用地類型。2)調(diào)整林地、草地時(shí)，使其主要分布在坡度>25°的位置，且盡量從坡度較陡處開始調(diào)整。調(diào)整坡耕地、梯田時(shí)，使其主要分布在坡度<25°的位置，且盡量從坡度較緩處開始調(diào)整；3)保持流域內(nèi)城鎮(zhèn)用地、裸地及水體的面積、位置不變。4)盡量使減水減沙效果較好的用地類型分布在流域中更易產(chǎn)流產(chǎn)沙的地區(qū)。采用羅玉溝流域1986—2000年15年的降雨資料對(duì)在調(diào)整后的土地利用結(jié)構(gòu)下，流域產(chǎn)流產(chǎn)沙情況分別進(jìn)行模擬。

3　結(jié)果與分析

3.1羅玉溝流域1995年土地利用類型分析

根據(jù)子流域劃分結(jié)果將羅玉溝流域分為上、中、下游，結(jié)果如表2所示。1995年是羅玉溝流域土地利用類型變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，主要表現(xiàn)為大部分坡耕地轉(zhuǎn)化為梯田[17]。由表2可知羅玉溝流域1995年主要用地類型為梯田、林地、坡耕地和草地，其面積比約為6∶2∶1∶2，4種土地利用類型面積之和占流域總面積的94.84%。由圖2可知：梯田是流域內(nèi)面積最大的土地利用類型，從流域上游至下游廣泛分布；林地和坡耕地面積相似，林地從上游至下游分布較分散，坡耕地大部分集中在流域中上游；草地在4種主要用地類型中面積最小，主要分布在流域中部。

表2　羅玉溝流域1995年土地利用類型

圖2　羅玉溝流域1995年土地利用分布圖Fig.2　Distribution of land use in Luoyugou Watershed in 1995

3.2羅玉溝流域4種主要土地利用類型產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬

以1995年土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，通過極端情景假設(shè)，模擬羅玉溝流域坡耕地、梯田、草地、林地4種主要用地類型對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。由圖3可知，4種土地利用類型月均徑流變化規(guī)律較為一致，均呈單峰變化趨勢(shì)，峰值一般出現(xiàn)在7月份。坡耕地多年平均產(chǎn)流量較1995年約增加1倍，月均產(chǎn)流量一般高于其他3種用地，其最大產(chǎn)流量分別是草地、林地、梯田最大產(chǎn)流量的2.8、6.3、2.3倍；草地、梯田及林地多年平均產(chǎn)流量較1995年分別減少25.85%、11.97%、56.86%，其中草地和梯田的產(chǎn)流量差異不大，林地月均產(chǎn)流量最小。4種土地利用類型多年平均產(chǎn)沙量以坡耕地和草地最高，比1995年增加了2.7倍左右，二者月均產(chǎn)沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于林地和梯田；林地和梯田的多年平均產(chǎn)沙量較1995年均減小80%以上，林地的月均產(chǎn)沙量最小，其最大月均產(chǎn)沙量僅為梯田最大月均產(chǎn)沙量的3.6%。因此，從水沙兩方面考慮，梯田和林地的減水減沙效果更好，土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整以梯田和林地為主。

圖3　極端情景下4種土地利用類型月均水沙變化趨勢(shì)Fig.3　Monthly variation trend of runoff and sediment in 4 types of land use under extreme scenario simulation

3.3不同土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬

The DU,CU,DM,CM,DD,and CD below stand for the same meanings as in this figure圖4　羅玉溝流域調(diào)整后的不同土地利用結(jié)構(gòu)Fig.4　Different land use structure in Luoyugou Watershed after adjustment

在保持1995年原有土地利用類型面積比例不變的情況下，調(diào)整流域內(nèi)林地和梯田的位置，使林地以分散或集中的形式分布在流域上、中、下游。草地和坡耕地位置略有調(diào)整，主要是為避免梯田和坡耕地分布在坡度>25°的坡面上，調(diào)整時(shí)遵循“四項(xiàng)原則”，即調(diào)整林地主要分布在坡度較陡且易產(chǎn)流產(chǎn)沙區(qū)域，調(diào)整梯田主要分布在坡度較緩區(qū)域，當(dāng)林地或梯田不滿足調(diào)整需要時(shí)，采用草地或坡耕地進(jìn)行彌補(bǔ)，最終調(diào)整結(jié)果如圖4所示。以“林上分散”“林上集中”“林中分散”“林中集中”“林下分散”“林下集中”分別代表6種調(diào)整后的土地利用結(jié)構(gòu)。6種土地利用結(jié)構(gòu)中，林地面積分別占上、中、下游的56%、41%、54%，梯田經(jīng)調(diào)整后仍然集中分布。

3.3.1不同土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響采用羅玉溝流域1986—2000年15年的降水資料，模擬6種用地結(jié)構(gòu)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，并將多年平均模擬結(jié)果與原用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。由表3可知，徑流方面，林地在流域上、中、下游分散與集中分布時(shí)產(chǎn)生的徑流量差異不大，6種用地結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的徑流量較原用地結(jié)構(gòu)下減少2%～4%左右。泥沙方面，在流域上、中、下游不同位置，林地分散和集中2種分布結(jié)構(gòu)下的產(chǎn)沙量各不相同且規(guī)律不一致：在上、中游時(shí)，分散分布的林地產(chǎn)沙量比集中分布的林地產(chǎn)沙量分別大27.63%、9.73%；在下游時(shí)，分散分布的林地產(chǎn)沙量比集中分布的林地產(chǎn)沙量小2.34%。但與原用地結(jié)構(gòu)相比，6種調(diào)整后的用地結(jié)構(gòu)下產(chǎn)沙量均有不同程度的減少，最大可減少26.79%。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因可能是調(diào)整后的林地面積均已接近甚至超過流域上、中、下游面積的一半；從整個(gè)流域尺度看，與1995年土地利用結(jié)構(gòu)中林地的分散程度相比，調(diào)整后的分散林地仍屬于較集中型，因此反映在徑流上差異不大。雖然在6種調(diào)整后的土地利用結(jié)構(gòu)中，林地集中與分散結(jié)構(gòu)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量大小未在流域的不同位置處表現(xiàn)出一致的規(guī)律；但與羅玉溝流域1995年原用地結(jié)構(gòu)相比，6種結(jié)構(gòu)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量均有明顯的減少，因此可以認(rèn)為林地集中分布比分散分布時(shí)的減水減沙效果更好，但分布的集中程度可能存在1個(gè)閾值，大于該閾值后減水減沙效果將沒有明顯變化甚至有增加趨勢(shì)。

表3　6種土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)流產(chǎn)沙增加比例

圖5　6種土地利用結(jié)構(gòu)下流域上游及上中游年均水沙模擬結(jié)果Fig.5　Simulated annual average of runoff and sediment at upstream,upstream and midstream under 6 kinds of land use structure

3.3.2不同土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙中間過程的影響6種土地利用結(jié)構(gòu)下徑流中間過程的多年平均模擬結(jié)果如圖5(a)和(b)所示，可知林地在流域不同位置分布時(shí)，上游或上中游的產(chǎn)流量有所差異。由圖5(a)可知：林地在流域中游或下游分布時(shí)，上游產(chǎn)流量較林地在上游分布時(shí)增加31%左右；而林地在中游和下游分布時(shí)，上游產(chǎn)流量差異不大。這是因?yàn)椤傲种小焙汀傲窒隆?種用地結(jié)構(gòu)的上游下墊面條件相似，因此上游的產(chǎn)流量不會(huì)發(fā)生太大變化。由圖5(b)可知：林地在流域不同位置分布時(shí)，“林下分散”“林下集中”結(jié)構(gòu)的上中游產(chǎn)流量較其他4種用地結(jié)構(gòu)時(shí)分別增加14%、12%左右；“林中分散”“林中集中”結(jié)構(gòu)的上中游產(chǎn)流量略高于“林上分散”及“林上集中”結(jié)構(gòu)，前者比后者最大可增加1.8%。由以上分析可知，林地在流域不同位置分布時(shí)會(huì)導(dǎo)致流域中間產(chǎn)流過程不同，但對(duì)流域最終出口處產(chǎn)生的徑流量影響不大。

泥沙方面，由表3可知：林地分散時(shí)，產(chǎn)沙量由大到小為林中>林下>林上；林地集中時(shí)，產(chǎn)沙量由大到小為林下>林中>林上。由圖5(c)可知“林上分散”較“林上集中”的上游產(chǎn)沙量增加73.41%；其他4種土地利用結(jié)構(gòu)由于上游下墊面條件相似，在同樣的氣候條件下上游的產(chǎn)沙量差異不大。由圖5(d)可知，林地分布在上、中游時(shí)，分散結(jié)構(gòu)下的上中游產(chǎn)沙量均大于集中分布時(shí)，“林上”結(jié)構(gòu)下分散比集中增大33.19%，“林中”結(jié)構(gòu)下分散比集中增大15.39%。林地分布在上游時(shí)的產(chǎn)沙量較中游時(shí)小，這可能是由于上游為產(chǎn)沙源頭，此時(shí)的產(chǎn)沙量相對(duì)較小，林地可起到很好的阻攔作用，到達(dá)中游的泥沙量相對(duì)較小，可被梯田等措施進(jìn)一步阻攔；而林地在中游時(shí)，上游梯田等對(duì)泥沙的阻攔作用較林地弱，隨著泥沙的輸送，到達(dá)中游的泥沙量相對(duì)較大，同樣面積的林地其阻攔作用有限。“林下分散”與“林下集中”結(jié)構(gòu)的產(chǎn)沙量相似且大于前4種土地利用結(jié)構(gòu)，這與其上中游下墊面條件相似且無林地分布有關(guān)。

4　結(jié)論與討論

1)羅玉溝流域1995年主要土地利用類型為梯田、草地、林地及坡耕地。其中：林地的減水減沙效果最好；坡耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量最大；梯田的減水減沙效果次于林地；草地的減水效果較好，但產(chǎn)沙量較大。這與前人在其他地區(qū)的研究相似：陳鵬飛[18]采用SWAT模型在安家溝流域的模擬研究認(rèn)為單位面積上耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量最大，其次為草地，林地產(chǎn)流產(chǎn)沙量最小；張海斌[19]在張家沖流域的研究結(jié)果表明梯田產(chǎn)流量高于林地，二者在小流域水土保持中均占有重要地位，尤其是林地。因此，羅玉溝流域內(nèi)可盡量實(shí)行坡改梯工程，在滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展需要的基礎(chǔ)上增加林地的面積。

2)在梯田面積占流域面積一半以上且梯田分布較集中的土地利用結(jié)構(gòu)中，同樣面積的林地呈集中分布時(shí)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量小于呈分散分布時(shí)，但集中程度可能存在一個(gè)閾值，大于該閾值后流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量不再發(fā)生明顯變化；因此，在調(diào)整小流域土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)，可考慮將林地集中布設(shè)，避免其過于分散而不能更有效地發(fā)揮減水減沙效果。

3)同等面積比例的用地類型在流域內(nèi)的結(jié)構(gòu)不同，流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量也有差異。雖然林地分布在流域不同位置時(shí)，流域最終出口的產(chǎn)流量無明顯變化，產(chǎn)沙量各不相同，但中間水沙過程存在差異。當(dāng)林地分布在流域上游時(shí)，到達(dá)流域中游出口的水沙量最小，此時(shí)下游只需合理優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)就可起到有效的減水減沙效果。如果流域上游、中游的土地利用結(jié)構(gòu)布設(shè)不合理，未能有效減少來水來沙量，則當(dāng)大量水沙至下游時(shí)，有限的措施將很難達(dá)到減水減沙目的；因此，小流域治理應(yīng)注重土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，尤其要重視流域上游產(chǎn)流產(chǎn)沙源頭的治理。這與王偉等[20]的觀點(diǎn)，即把源頭區(qū)域作為小流域治理的重點(diǎn)是一致的。

本研究利用SWAT模型，通過情景模擬的方法，對(duì)不同土地利用結(jié)構(gòu)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況及流域中間產(chǎn)流產(chǎn)沙過程進(jìn)行初步探究，可以為小流域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整及優(yōu)化提供一定的借鑒意義；但為了更好地滿足實(shí)際應(yīng)用需要，還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，在控制一定的產(chǎn)流產(chǎn)沙目標(biāo)下深入研究林地配置與坡耕地最大允許規(guī)模，為小流域合理配置提供充足的理論基礎(chǔ)。

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Effects of varied land use structures on runoff-sediment yield based on SWAT model

Zhu Nan1，Ma Chao1,2，Wang Yunqi1,2，Zhang Huilan1,2，Zhu Jinqi1

(1.School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University,100083，Beijing，China；2.Soil and Water Conservation of Beijing Engineering Research Center，Beijing Forestry University,100083,Beijing，China)

[Background] An unreasonable land use structure causes severe soil erosion and increases runoff-sediment yield or even major environment problems,especially brings huge negative effects on ecologically fragile arid and semiarid area.The objectives of this study were to model the effects of the changes of land use structure on reducing runoff-sediment yield in the Luoyugou watershed,a typical case of gully region of the Loess Plateau.[Methods] The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was used to model daily runoff and sediment data from this basin collected from 1986 to 2000.First,the model was used to determine acceptable values of the P-factor,R-factor,coefficient of determination (R2),and the Nash-Sutcliffe coefficient (Ens) during both the calibration and validation periods.Then,the model was used to determine which kind of major land use in Luoyugou watershed can be chosen with the least runoff and sediment yield.Next,the land use structure of Luoyugou Watershed were adjusted to six types,and the model was used to simulate the six scenarios with 1986—2000 meteorological data of this basin.[Results] 1) Compared with those in 1995,the effect on reducing runoff and sediment yield of forest and terraced fields were better than the grassland and slope farmlands.Under extreme scenario simulation,runoff under forest and terraced fields decreased about 56.86% and 11.97% respectively,while the sediment decreased about 80% of corresponding runoff-sediment yield in 1995.2) The runoff-sediment yield was influenced by the concentration of forest land.Compared with the low concentration of forest,runoff amount and sediment under high concentrated forest decreased at most of 4% and 27% respectively.However,there was probably a threshold of concentration,and if the concentration degree was greater than the threshold value,the watershed runoff-sediment yield was almost invariable,but it remains to be further validated.3) The runoff and sediment yield under various land use types with the same area proportion were related to their distributive location.Different structures resulted in varying reduction of sediment yield and almost undifferentiated runoff.The sediment yield in the drainage of the watershed reduced in a varied level in 1995,and maximum reduced proportion of sediment yield was 26.79%.Moreover,when forest land locates in upstream,runoff-sediment yield at upstream and midstream were the least.[Conclusions] Therefore,concentration degree of forest should be more considered in adjusting the land use structure.More attention should be paid to optimize the land use structure of upstream especially the source of the watershed.Vegetation measures should be implemented in the source areas producing runoff and sediment,and the terraced fields should be placed in the midstream and downstream as much as possible.

SWAT model； land use； forest land； runoff yield； sediment yield

2016-01-08

2016-06-07

項(xiàng)目名稱：青年教師科學(xué)研究中長期項(xiàng)目“土壤侵蝕過程與機(jī)理”(2015ZCQ-SB-01)

朱楠(1992—)，女，碩士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail：grzhunan@163.com

簡介：馬超(1986—)，男，博士，講師。主要研究方向：山地災(zāi)害與水土保持。E-mail：sanguoxumei@163.com

S157.1

A

1672-3007(2016)04-0105-08

10.16843/j.sswc.2016.04.013