欽江流域土地利用/覆被變化對徑流產沙的影響

李鴻儒，盧　遠，何　文

(廣西師范學院 地理科學與規劃學院 北部灣環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/覆被變化對徑流產沙的影響

李鴻儒，盧遠，何文

(廣西師范學院 地理科學與規劃學院 北部灣環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；欽江流域

以欽江流域為研究對象，在GIS軟件的支持下，構建研究區SWAT分布式水文模型，以徑流和泥沙實測數據對模型進行校準和驗證，結果顯示相關系數R2高于0.9，Nash-Sutcliffe系數高于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年兩期土地利用數據，模擬研究區1968—2008年徑流產沙過程，并分析土地利用/覆被變化對水文效應的影響，結果表明：1990—2008年土地利用變化主要表現為林地、水田面積減少，旱地、草地、水域和建設用地面積增加；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，土地利用變化對產流影響較小，對產沙影響較顯著；由土地利用變化引起的月均徑流產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境的影響是人類社會發展面臨的共同問題，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]。隨著經濟社會的快速發展，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構發生改變，不當的土地利用方式將導致流域水量失衡，從而引發水土流失、土地退化等生態環境問題，因此開展土地利用/覆被變化的水文響應研究對流域水資源合理開發與管理、保證水資源可持續利用具有重要意義[2]。SWAT模型是美國農業部農業研究中心1993年為美國水文模型項目開發的大、中尺度流域環境模擬模型，能夠利用GIS和RS提供的空間數據信息模擬產水產沙、非點源污染等過程。我國一些學者自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]。考慮到廣西境內流域利用分布式水文模型的相關研究成果較少，本研究以欽江流域為研究對象，構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沙過程，并分析不同土地利用狀況對水文效應的影響，以期為欽江流域水土資源與生態環境的可持續性綜合管理提供決策依據和參考。

1　研究區概況

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。該流域屬亞熱帶季風氣候區，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　水文模型構建

2.1數據來源與處理

研究區DEM數據來源于國家1 ∶5萬地形圖，經ArcGIS數字化后重采樣生成30 m×30 m Grid數據；1990和2008年兩期土地利用數據通過TM影像人工解譯得到，同上將數據轉化成Grid格式，網格大小為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 ∶100萬土壤數據庫，坐標統一為Albers Krasovsky_1940。

土壤屬性數據主要來源于《廣西土種志》，部分通過SPAW軟件計算得到。氣象數據采用陸屋、小江、坡郎平、鎮龍、邕寧5個站點1961—2008年長序列數據，包括日降雨量、相對濕度、最高最低氣溫、平均風速和太陽輻射，其中太陽輻射由日照時數計算得到。水文數據來源于《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據，時間范圍為2003—2005、2001和2008 年。

2.2模型構建

采用ArcGIS 10.1環境下的SWAT-2012，首先將研究區DEM數據輸入ArcSWAT以驅動模型運行，設置集水面積閾值為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個水文響應單元；最后將氣象數據輸入天氣發生器，寫入數據則完成模型的初步構建。

2.3參數率定與驗證

參數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，以提高模型的精準度。利用SWAT-CUP軟件提供的SUFI2算法對影響水文過程的參數進行敏感性分析，其中CN2(徑流曲線系數)、SOL_K(土壤飽和水力傳導系數)、ESCO(植物吸收補償因子)和SOL_AWC(土壤可利用有效水)對產流過程影響較大，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。在此基礎上，對參數進行有針對性的微調，使用相關系數R2和Nash-Sutcliffe效率系數NS對模型參數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為實測數據數量。

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，將校準期調整好的參數代回SWAT模型進行驗證，評價結果見表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系數都在0.80以上，且R2都大于0.90， 產流產沙變化趨勢一致，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　陸屋站產流產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　結果分析

3.1土地利用類型及其動態變化

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、建設用地面積增加；水田、旱地、林地、草地不同程度地轉變為建設用地，并出現水域干涸轉變為水田、旱地和林地的情況。將退耕還林、植樹造林、減少建設用地等視為正向轉移，反之為負向轉移，通過統計可知欽江流域28年間正向轉移面積為13.66 km2，負向轉移面積為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年土地利用轉移矩陣　km2

3.2不同土地覆被對徑流產沙的影響

將2008年土地利用數據代入已校準好的SWAT模型，固定氣候因子等不變，對欽江流域1968—2008年產流產沙量進行模擬。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流產沙總量，發現欽江流域1990—2008年水文效應改變與土地利用類型變化有關，植被覆蓋度下降引起流域產流產沙量增加，說明土地利用結構改變是影響欽江流域水文效應的重要原因。

3.3不同土地覆被對汛期和非汛期徑流產沙的影響

為分析研究區土地利用變化對汛期(4—9月)和非汛期產流產沙過程的影響，計算了1968—2008年各月產流產沙平均增量(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流產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。汛期產流產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流產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、泥石流等災害的發生。

表3　1990、2008年土地利用情景下各月產流產沙平均增量

3.4不同土地覆被對不同降水年型徑流產沙的影響

依據欽江流域陸屋站1961—2008年的降雨資料，用保證率進行統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流產沙的影響(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流產沙量

4　結　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據、氣象水文數據，構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流產沙過程進行模擬，結論如下：

(1)基于欽江流域陸屋站的實測徑流輸沙數據，采用R2、NS系數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據進行模擬和分析。固定天氣因子等不變的情況下，在校準好的模型中輸入2008年土地利用數據，模擬流域1968—2008年徑流、輸沙量。

(2)對1990、2008年兩期土地利用數據進行對比分析可知，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為林地、水田面積減少，旱地、草地、水域、建設用地面積增加，流域植被覆蓋度總體呈下降趨勢。

(3)根據1968—2008年的模擬結果，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流產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，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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(責任編輯李楊楊)

2015-07-15

廣西自然科學基金項目(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應用、環境遙感研究。