三峽庫(kù)區(qū)喀斯特洼地小流域產(chǎn)沙強(qiáng)度WaTEM/SEDEM模擬
——以巫山縣常家洼洼地流域?yàn)槔?/h1>
2021-05-20 02:43:58張?jiān)破?/span>裴曾莉吳喆虹徐明陽(yáng)張德丞
中國(guó)水土保持科學(xué) 2021年2期
盧 雪，張?jiān)破?，龍 翼，裴曾莉，吳喆虹，徐明陽(yáng)，張德丞
(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，水土保持與荒漠化防治四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，611130，成都； 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610041，成都)
三峽庫(kù)區(qū)是長(zhǎng)江中上游重要生態(tài)屏障，碳酸鹽巖分布廣泛。由于巖溶裂隙發(fā)育，成土速率緩慢，土層淺薄且空間異質(zhì)性大，在樵采墾殖等人類活動(dòng)作用下，坡地土壤易于流失，石漠化問(wèn)題日趨凸顯，影響到庫(kù)區(qū)生態(tài)安全。但三峽庫(kù)區(qū)喀斯特土壤侵蝕研究起步晚，監(jiān)測(cè)資料較少，建立適用的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，可有效預(yù)測(cè)土壤流失，有益于認(rèn)識(shí)石漠化過(guò)程[1]。比利時(shí)魯汶大學(xué)構(gòu)建的WaTEM/SEDEM模型能分析多個(gè)因子對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)沙的影響，模擬水庫(kù)、塘壩及河段等水體對(duì)泥沙的攔截作用，已成功在世界應(yīng)用，在我國(guó)貴州喀斯特區(qū)、黃土高原和東北黑土區(qū)等地也取得較好研究成果。筆者初次嘗試用于三峽庫(kù)區(qū)喀斯特小流域的侵蝕產(chǎn)沙模擬。
常家洼洼地為該區(qū)典型喀斯特峰叢洼地，洼地面積約0.38 hm2，流域面積約11.99 hm2，空間尺度、地貌特征、巖性基礎(chǔ)、土壤類型、人類活動(dòng)和土地利用覆被變化等方面在三峽庫(kù)區(qū)均具有典型性和代表性(圖1)。筆者以三峽庫(kù)區(qū)常家洼流域?yàn)檠芯繉?duì)象，用137Cs做洼地沉積物定年得到洼地沉積速率和流域產(chǎn)沙模數(shù)，以校正WaTEM/SEDEM模型參數(shù)，參考其他已報(bào)道喀斯特流域侵蝕產(chǎn)沙數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型，進(jìn)而開(kāi)展三峽庫(kù)區(qū)喀斯特洼地小流域侵蝕產(chǎn)沙模擬計(jì)算，為庫(kù)區(qū)石漠化防治提供數(shù)據(jù)支撐。
1 材料與方法
1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
WaTEM/SEDEM模型數(shù)據(jù)來(lái)源為：土地利用數(shù)據(jù)由2018年TM影像(空間分辨率為30 m)人工目視解譯和野外實(shí)地勘察得到；91衛(wèi)圖助手下載的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，空間分辨率為30 m；進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，結(jié)合DEM以獲取坡度、坡長(zhǎng)值；重慶市巫山縣降雨數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。用以模型校正的流域產(chǎn)沙模數(shù)，是在以137Cs進(jìn)行洼地沉積物定年基礎(chǔ)上得到[2]。
圖1 常家洼洼地流域及三峽庫(kù)區(qū)巖性分布Fig.1 Changjiawa depression catchment and lithology distribution in the Three Gorges Reservoir region
1.2 WaTEM/SEDEM模型
WaTEM/SEDEM模型基本結(jié)構(gòu)為：年均土壤侵蝕、年均輸沙能力和泥沙流動(dòng)算法模塊。本研究主要利用土壤侵蝕與輸沙能力模塊[3]。模型輸入數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型(DEM)、土壤可蝕性因子、作物覆蓋與管理因子、降雨侵蝕力、土地利用圖等。
由于長(zhǎng)江流域降水近年來(lái)并無(wú)明顯變化，因此采用逐年月平均雨量估算降雨侵蝕力R[4]。已有學(xué)者利用Williams等[5]提出的基于詳細(xì)土壤顆粒組成數(shù)據(jù)在西南喀斯特地區(qū)計(jì)算K值，故本文也采用此法。C、P因子主要通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，再結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況得到(表1)。
表1 研究區(qū)土地管理因子C值和水土保持措施因子P值Tab.1 Land management factor C and soil and water conservation measure factor P in the study area
cNS: Nash-Sutcliffe coefficient. KTC-high: High vegetation cover. KTC-low: Low vegetation cover. 圖2 常家洼流域模型參數(shù)KTC-high與KTC-low校正結(jié)果Fig.2 Calibration results of KTC-high and KTC-low in Changjiawa basin
1.3 WaTEM/SEDEM模型的校正
該模型僅輸沙能力系數(shù)KTC需要校正，KTC值有一定范圍，若地面植被覆蓋較好，KTC值也較低，反之較高。本研究利用137Cs數(shù)據(jù)校正模型，確定KTC低值與高值的取值范圍，得到KTC-low和KTC-high每一參數(shù)組合，將所有可能組合輸入模型，采用Nash等提出的模型有效系數(shù)(cNS)[6]，確定最佳KTC組合值，公式如下：
(1)
式中：n為觀測(cè)數(shù)目；Oi為觀測(cè)值；Omean為觀測(cè)平均值；Pi為預(yù)測(cè)值。
2 結(jié)果與分析
運(yùn)行WaTEM/SEDEM模型前需為參數(shù)KTC賦值，結(jié)合不同地類土壤侵蝕強(qiáng)度分布情況，給不同的土地利用類型賦值，其中：坡耕地賦高值，即KTC-high為12～22；林地賦低值，KTC-low為2～12。將此范圍內(nèi)不同的KTC-high與KTC-low值兩兩組合，得到多個(gè)流域產(chǎn)沙數(shù)據(jù)。結(jié)合137Cs定年所得侵蝕產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，利用式(1)得NS值。由圖2可知最佳KTC-high與KTC-low數(shù)值是18和7，此時(shí)模型有效系數(shù)cNS為0.79。
根據(jù)最佳KTC-high與KTC-low組合值，運(yùn)行WaTEM/SEDEM模型，得到1963年來(lái)常家洼洼地流域產(chǎn)沙模數(shù)為122.91 t/(km2·a)?？偨Y(jié)已發(fā)表文獻(xiàn)中喀斯特地區(qū)侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度研究成果驗(yàn)證137Cs校正后的模型結(jié)果(表2)。由圖3可知：模擬所得產(chǎn)沙模數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)值相關(guān)系數(shù)分別為0.93，相關(guān)性較高。
表2 已發(fā)表文獻(xiàn)中喀斯特地區(qū)小流域產(chǎn)沙模數(shù)Tab.2 Sediment moduli of reported karst catchments in the published literature
圖3 流域產(chǎn)沙模數(shù)與產(chǎn)沙量實(shí)測(cè)值與模擬值Fig.3 Measured and modeled sediment moduli and sediment moduli in the catchment
3 討論
本研究以137Cs進(jìn)行洼地沉積物定年，得到流域產(chǎn)沙模數(shù)，校正模型參數(shù)，并未直接以137Cs示蹤法測(cè)算坡面侵蝕強(qiáng)度。這是因?yàn)榭λ固仄碌囟嗦銕r出露，景觀破碎，是歷史時(shí)期侵蝕產(chǎn)沙已造成的結(jié)果，無(wú)法直接進(jìn)行137Cs示蹤，相比之下，以137Cs進(jìn)行洼地定年反推流域產(chǎn)沙模數(shù)的方法更為可行。洼地137Cs定年得到的產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，用以模型校正得到最佳KTC-high與KTC-low是18和7, 大于李國(guó)強(qiáng)等[15]利用137Cs示蹤法在拜泉縣得到的KTC最佳值(8和4)，Lieskovsky等[16]在斯洛伐克得到的KTC組合值為0.8和0.4，盛美玲等[17]在東北黑土區(qū)得到的KTC組合值為0.55和0.38。這一現(xiàn)象系因喀斯特地區(qū)土層淺薄，侵蝕強(qiáng)度低，也反映出坡地土壤侵蝕對(duì)植被覆蓋狀況更為敏感，植被一旦破壞，侵蝕隨即加速，易于誘發(fā)石漠化。Liu等[3]在黃土高原采用WaTEM/SEDEM模型，得到KTC最佳值(20和15)，大于本研究，系因黃土高原土層厚度一般超過(guò)50 m，而常家洼流域所在喀斯特地區(qū)土層厚度一般少于50 cm，可供流失的土壤存量遠(yuǎn)少于黃土高原。本研究最佳KTC-high與KTC-low組合，得到cNS值為0.79，此時(shí)模型模擬效果最好，WaTEM/SEDEM模型在三峽庫(kù)區(qū)喀斯特地區(qū)的適用性也較好。
常家洼洼地面積為0.38 hm2，2處采樣點(diǎn)位置具有代表性，模型模擬產(chǎn)沙模數(shù)(SSY)與產(chǎn)沙量(SY)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)值相關(guān)性較高，說(shuō)明所得137Cs數(shù)據(jù)可反映該地區(qū)侵蝕產(chǎn)沙情況，利用該數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)的校正效果也較好。根據(jù)已有喀斯特地區(qū)洼地泥沙沉積速率研究, 可知除林地與石質(zhì)坡地，西南喀斯特山地多數(shù)坡地土壤流失速率介于10～100 t/(km2·a)之間。通過(guò)WaTEM/SEDEM模型模擬所得常家洼流域產(chǎn)沙模數(shù)為122.91 t/(km2·a)，高于多數(shù)喀斯特流域，原因在于：1)WaTEM/SEDEM模型結(jié)果準(zhǔn)確性依賴137Cs數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量與校準(zhǔn)精度，本研究利用137Cs核素示蹤法獲得的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度較大，導(dǎo)致模擬結(jié)果也偏大；2)實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)，常家洼流域的巖層并不是純碳酸鹽巖，還存在少量碎屑巖夾層，碎屑巖化學(xué)溶蝕特性不突出，風(fēng)化成土速率較快，成為洼地泥沙的重要來(lái)源；3)當(dāng)?shù)卦?958年曾大規(guī)模樵采，植被破壞，加速侵蝕。
根據(jù)表2得到流域面積與產(chǎn)沙模數(shù)散點(diǎn)圖(圖4)，可知流域面積相近情況下，常家洼小流域侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度較高，且喀斯特地區(qū)小流域產(chǎn)沙模數(shù)隨面積增大有逐漸變小的趨勢(shì)。這與前人的研究一致，即在坡面是泥沙主要來(lái)源的區(qū)域，流域產(chǎn)沙模數(shù)會(huì)隨面積的增大而減少。喀斯特地區(qū)小流域產(chǎn)沙模數(shù)隨面積增大逐漸變小，主要原因是流域連通性和泥沙輸移比一般隨流域面積的增加而降低，這與非喀斯特地區(qū)基本一致[18-19]。
圖4 喀斯特地區(qū)流域面積與產(chǎn)沙模數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between area and sediment modulus of the catchment in karst region
雖然WaTEM/SEDEM模型對(duì)研究區(qū)模擬效果較好，且廣泛應(yīng)用于我國(guó)水蝕區(qū)，但仍有一定的局限性。WaTEM/SEDEM的侵蝕建模方式可能會(huì)限制模型輸出效率，為提高準(zhǔn)確性，要對(duì)盡可能多的侵蝕過(guò)程建模，但這對(duì)西南喀斯特地區(qū)是一個(gè)挑戰(zhàn)。在之后的研究中，需進(jìn)一步完善模型校準(zhǔn)參數(shù)，以保證預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)產(chǎn)沙強(qiáng)度之間侵蝕過(guò)程的一致性，使WaTEM/SEDEM模型成為評(píng)估土壤侵蝕情況的有效工具。
4 結(jié)論
1)1963—2017年常家洼洼地流域產(chǎn)沙模數(shù)為122.91 t/(km2·a)，比一般西南喀斯特地區(qū)高。
2)常家洼小流域產(chǎn)沙模數(shù)和產(chǎn)沙量模擬結(jié)果與已有喀斯特地區(qū)侵蝕產(chǎn)沙數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)較高，WaTEM/SEDEM模型模擬數(shù)據(jù)較為可靠。
3)以洼地沉積物137Cs定年得到的流域產(chǎn)沙數(shù)據(jù)校正WaTEM/SEDEM模型，進(jìn)而模擬小流域侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度，在三峽庫(kù)區(qū)喀斯特流域有很好的適用性，未來(lái)可作為評(píng)估該地區(qū)土壤侵蝕情況的有效手段。
感謝蔡強(qiáng)國(guó)等審稿老師提出的寶貴修改意見(jiàn)和建議。
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三峽庫(kù)區(qū)是長(zhǎng)江中上游重要生態(tài)屏障，碳酸鹽巖分布廣泛。由于巖溶裂隙發(fā)育，成土速率緩慢，土層淺薄且空間異質(zhì)性大，在樵采墾殖等人類活動(dòng)作用下，坡地土壤易于流失，石漠化問(wèn)題日趨凸顯，影響到庫(kù)區(qū)生態(tài)安全。但三峽庫(kù)區(qū)喀斯特土壤侵蝕研究起步晚，監(jiān)測(cè)資料較少，建立適用的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，可有效預(yù)測(cè)土壤流失，有益于認(rèn)識(shí)石漠化過(guò)程[1]。比利時(shí)魯汶大學(xué)構(gòu)建的WaTEM/SEDEM模型能分析多個(gè)因子對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)沙的影響，模擬水庫(kù)、塘壩及河段等水體對(duì)泥沙的攔截作用，已成功在世界應(yīng)用，在我國(guó)貴州喀斯特區(qū)、黃土高原和東北黑土區(qū)等地也取得較好研究成果。筆者初次嘗試用于三峽庫(kù)區(qū)喀斯特小流域的侵蝕產(chǎn)沙模擬。
常家洼洼地為該區(qū)典型喀斯特峰叢洼地，洼地面積約0.38 hm2，流域面積約11.99 hm2，空間尺度、地貌特征、巖性基礎(chǔ)、土壤類型、人類活動(dòng)和土地利用覆被變化等方面在三峽庫(kù)區(qū)均具有典型性和代表性(圖1)。筆者以三峽庫(kù)區(qū)常家洼流域?yàn)檠芯繉?duì)象，用137Cs做洼地沉積物定年得到洼地沉積速率和流域產(chǎn)沙模數(shù)，以校正WaTEM/SEDEM模型參數(shù)，參考其他已報(bào)道喀斯特流域侵蝕產(chǎn)沙數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型，進(jìn)而開(kāi)展三峽庫(kù)區(qū)喀斯特洼地小流域侵蝕產(chǎn)沙模擬計(jì)算，為庫(kù)區(qū)石漠化防治提供數(shù)據(jù)支撐。
1 材料與方法
1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
WaTEM/SEDEM模型數(shù)據(jù)來(lái)源為：土地利用數(shù)據(jù)由2018年TM影像(空間分辨率為30 m)人工目視解譯和野外實(shí)地勘察得到；91衛(wèi)圖助手下載的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，空間分辨率為30 m；進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，結(jié)合DEM以獲取坡度、坡長(zhǎng)值；重慶市巫山縣降雨數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。用以模型校正的流域產(chǎn)沙模數(shù)，是在以137Cs進(jìn)行洼地沉積物定年基礎(chǔ)上得到[2]。
圖1 常家洼洼地流域及三峽庫(kù)區(qū)巖性分布Fig.1 Changjiawa depression catchment and lithology distribution in the Three Gorges Reservoir region
1.2 WaTEM/SEDEM模型
WaTEM/SEDEM模型基本結(jié)構(gòu)為：年均土壤侵蝕、年均輸沙能力和泥沙流動(dòng)算法模塊。本研究主要利用土壤侵蝕與輸沙能力模塊[3]。模型輸入數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型(DEM)、土壤可蝕性因子、作物覆蓋與管理因子、降雨侵蝕力、土地利用圖等。
由于長(zhǎng)江流域降水近年來(lái)并無(wú)明顯變化，因此采用逐年月平均雨量估算降雨侵蝕力R[4]。已有學(xué)者利用Williams等[5]提出的基于詳細(xì)土壤顆粒組成數(shù)據(jù)在西南喀斯特地區(qū)計(jì)算K值，故本文也采用此法。C、P因子主要通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，再結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況得到(表1)。
表1 研究區(qū)土地管理因子C值和水土保持措施因子P值Tab.1 Land management factor C and soil and water conservation measure factor P in the study area
cNS: Nash-Sutcliffe coefficient. KTC-high: High vegetation cover. KTC-low: Low vegetation cover. 圖2 常家洼流域模型參數(shù)KTC-high與KTC-low校正結(jié)果Fig.2 Calibration results of KTC-high and KTC-low in Changjiawa basin
1.3 WaTEM/SEDEM模型的校正
該模型僅輸沙能力系數(shù)KTC需要校正，KTC值有一定范圍，若地面植被覆蓋較好，KTC值也較低，反之較高。本研究利用137Cs數(shù)據(jù)校正模型，確定KTC低值與高值的取值范圍，得到KTC-low和KTC-high每一參數(shù)組合，將所有可能組合輸入模型，采用Nash等提出的模型有效系數(shù)(cNS)[6]，確定最佳KTC組合值，公式如下：
(1)
式中：n為觀測(cè)數(shù)目；Oi為觀測(cè)值；Omean為觀測(cè)平均值；Pi為預(yù)測(cè)值。
2 結(jié)果與分析
運(yùn)行WaTEM/SEDEM模型前需為參數(shù)KTC賦值，結(jié)合不同地類土壤侵蝕強(qiáng)度分布情況，給不同的土地利用類型賦值，其中：坡耕地賦高值，即KTC-high為12～22；林地賦低值，KTC-low為2～12。將此范圍內(nèi)不同的KTC-high與KTC-low值兩兩組合，得到多個(gè)流域產(chǎn)沙數(shù)據(jù)。結(jié)合137Cs定年所得侵蝕產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，利用式(1)得NS值。由圖2可知最佳KTC-high與KTC-low數(shù)值是18和7，此時(shí)模型有效系數(shù)cNS為0.79。
根據(jù)最佳KTC-high與KTC-low組合值，運(yùn)行WaTEM/SEDEM模型，得到1963年來(lái)常家洼洼地流域產(chǎn)沙模數(shù)為122.91 t/(km2·a)?？偨Y(jié)已發(fā)表文獻(xiàn)中喀斯特地區(qū)侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度研究成果驗(yàn)證137Cs校正后的模型結(jié)果(表2)。由圖3可知：模擬所得產(chǎn)沙模數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)值相關(guān)系數(shù)分別為0.93，相關(guān)性較高。
表2 已發(fā)表文獻(xiàn)中喀斯特地區(qū)小流域產(chǎn)沙模數(shù)Tab.2 Sediment moduli of reported karst catchments in the published literature
圖3 流域產(chǎn)沙模數(shù)與產(chǎn)沙量實(shí)測(cè)值與模擬值Fig.3 Measured and modeled sediment moduli and sediment moduli in the catchment
3 討論
本研究以137Cs進(jìn)行洼地沉積物定年，得到流域產(chǎn)沙模數(shù)，校正模型參數(shù)，并未直接以137Cs示蹤法測(cè)算坡面侵蝕強(qiáng)度。這是因?yàn)榭λ固仄碌囟嗦銕r出露，景觀破碎，是歷史時(shí)期侵蝕產(chǎn)沙已造成的結(jié)果，無(wú)法直接進(jìn)行137Cs示蹤，相比之下，以137Cs進(jìn)行洼地定年反推流域產(chǎn)沙模數(shù)的方法更為可行。洼地137Cs定年得到的產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，用以模型校正得到最佳KTC-high與KTC-low是18和7, 大于李國(guó)強(qiáng)等[15]利用137Cs示蹤法在拜泉縣得到的KTC最佳值(8和4)，Lieskovsky等[16]在斯洛伐克得到的KTC組合值為0.8和0.4，盛美玲等[17]在東北黑土區(qū)得到的KTC組合值為0.55和0.38。這一現(xiàn)象系因喀斯特地區(qū)土層淺薄，侵蝕強(qiáng)度低，也反映出坡地土壤侵蝕對(duì)植被覆蓋狀況更為敏感，植被一旦破壞，侵蝕隨即加速，易于誘發(fā)石漠化。Liu等[3]在黃土高原采用WaTEM/SEDEM模型，得到KTC最佳值(20和15)，大于本研究，系因黃土高原土層厚度一般超過(guò)50 m，而常家洼流域所在喀斯特地區(qū)土層厚度一般少于50 cm，可供流失的土壤存量遠(yuǎn)少于黃土高原。本研究最佳KTC-high與KTC-low組合，得到cNS值為0.79，此時(shí)模型模擬效果最好，WaTEM/SEDEM模型在三峽庫(kù)區(qū)喀斯特地區(qū)的適用性也較好。
常家洼洼地面積為0.38 hm2，2處采樣點(diǎn)位置具有代表性，模型模擬產(chǎn)沙模數(shù)(SSY)與產(chǎn)沙量(SY)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)值相關(guān)性較高，說(shuō)明所得137Cs數(shù)據(jù)可反映該地區(qū)侵蝕產(chǎn)沙情況，利用該數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)的校正效果也較好。根據(jù)已有喀斯特地區(qū)洼地泥沙沉積速率研究, 可知除林地與石質(zhì)坡地，西南喀斯特山地多數(shù)坡地土壤流失速率介于10～100 t/(km2·a)之間。通過(guò)WaTEM/SEDEM模型模擬所得常家洼流域產(chǎn)沙模數(shù)為122.91 t/(km2·a)，高于多數(shù)喀斯特流域，原因在于：1)WaTEM/SEDEM模型結(jié)果準(zhǔn)確性依賴137Cs數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量與校準(zhǔn)精度，本研究利用137Cs核素示蹤法獲得的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度較大，導(dǎo)致模擬結(jié)果也偏大；2)實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)，常家洼流域的巖層并不是純碳酸鹽巖，還存在少量碎屑巖夾層，碎屑巖化學(xué)溶蝕特性不突出，風(fēng)化成土速率較快，成為洼地泥沙的重要來(lái)源；3)當(dāng)?shù)卦?958年曾大規(guī)模樵采，植被破壞，加速侵蝕。
根據(jù)表2得到流域面積與產(chǎn)沙模數(shù)散點(diǎn)圖(圖4)，可知流域面積相近情況下，常家洼小流域侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度較高，且喀斯特地區(qū)小流域產(chǎn)沙模數(shù)隨面積增大有逐漸變小的趨勢(shì)。這與前人的研究一致，即在坡面是泥沙主要來(lái)源的區(qū)域，流域產(chǎn)沙模數(shù)會(huì)隨面積的增大而減少。喀斯特地區(qū)小流域產(chǎn)沙模數(shù)隨面積增大逐漸變小，主要原因是流域連通性和泥沙輸移比一般隨流域面積的增加而降低，這與非喀斯特地區(qū)基本一致[18-19]。
圖4 喀斯特地區(qū)流域面積與產(chǎn)沙模數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between area and sediment modulus of the catchment in karst region
雖然WaTEM/SEDEM模型對(duì)研究區(qū)模擬效果較好，且廣泛應(yīng)用于我國(guó)水蝕區(qū)，但仍有一定的局限性。WaTEM/SEDEM的侵蝕建模方式可能會(huì)限制模型輸出效率，為提高準(zhǔn)確性，要對(duì)盡可能多的侵蝕過(guò)程建模，但這對(duì)西南喀斯特地區(qū)是一個(gè)挑戰(zhàn)。在之后的研究中，需進(jìn)一步完善模型校準(zhǔn)參數(shù)，以保證預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)產(chǎn)沙強(qiáng)度之間侵蝕過(guò)程的一致性，使WaTEM/SEDEM模型成為評(píng)估土壤侵蝕情況的有效工具。
4 結(jié)論
1)1963—2017年常家洼洼地流域產(chǎn)沙模數(shù)為122.91 t/(km2·a)，比一般西南喀斯特地區(qū)高。
2)常家洼小流域產(chǎn)沙模數(shù)和產(chǎn)沙量模擬結(jié)果與已有喀斯特地區(qū)侵蝕產(chǎn)沙數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)較高，WaTEM/SEDEM模型模擬數(shù)據(jù)較為可靠。
3)以洼地沉積物137Cs定年得到的流域產(chǎn)沙數(shù)據(jù)校正WaTEM/SEDEM模型，進(jìn)而模擬小流域侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度，在三峽庫(kù)區(qū)喀斯特流域有很好的適用性，未來(lái)可作為評(píng)估該地區(qū)土壤侵蝕情況的有效手段。
感謝蔡強(qiáng)國(guó)等審稿老師提出的寶貴修改意見(jiàn)和建議。
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