西南岔河流域土地利用變化對土壤侵蝕的影響

劉 巖，張耘菡，李鐵男

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

西南岔河流域總面積2755 km2，干流河長85 km。長期以來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和人口增加，西南岔河沿岸的城鎮(zhèn)規(guī)模日益擴大，社會財富日益聚集，但是由于對西南岔河的治理和保護缺乏投資機制，導致西南岔河沿岸侵蝕加重，河床沖刷加劇，流域泥沙對水利工程的正常運行和水資源開發(fā)利用都產(chǎn)生了不利的影響。分析西南岔河流域土地利用空間變化對土壤侵蝕的影響，可為改善湯旺河流域生態(tài)環(huán)境提供科學依據(jù)，具有十分重要意義。

流域土壤侵蝕容易導致土壤肥力減小，河道、水庫淤積，地表土壤儲水能力下降，以及洪澇災(zāi)害發(fā)生的強度和頻率增加等一系列問題，嚴重制約當?shù)亟?jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。丘陵地形、高強度的降雨、不合理的耕種方式、某些特定的土壤類型和土地利用類型都能夠造成土壤侵蝕[1-2]，在這些因素中土地利用類型是影響土壤侵蝕強度的主要因素之一，土地利用類型的變化能夠改變一個流域內(nèi)的產(chǎn)流特性，從而直接影響產(chǎn)沙的時空分布特性[3-6]。

水文模型作為一種能夠概化復雜水文循環(huán)過程的工具，在水資源保護、防洪保護、城市規(guī)劃設(shè)計、非點源污染評估以及人類活動對流域水文循環(huán)的影響等方面得到了廣泛的應(yīng)用[7-8]。隨著計算機技術(shù)、GIS、RS技術(shù)的發(fā)展，具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型因其能夠反應(yīng)流域的空間特性而受到越來越多的關(guān)注[9-10]。SWAT模型是一個半物理基礎(chǔ)的分布式水文模型，能夠通過將流域劃分成更小的子流域?qū)崿F(xiàn)高空間精度的模擬，模型綜合考慮了水文、環(huán)境、生物過程和不同管理措施的相互作用，具有參數(shù)數(shù)據(jù)庫獲取容易、靈活多變和用戶方便性等優(yōu)點[11-13]。本文采用SWAT模型研究分析西南岔河流域內(nèi)1995—2015年土地利用時空變化對土壤侵蝕的影響，同時模擬分析了河道兩側(cè)不同程度的綠化措施對減少水土流失的作用。

1 研究區(qū)概況

西南岔河為湯旺河右岸一級支流，發(fā)源于朗鄉(xiāng)林業(yè)局小白林場境內(nèi)的小城墻砬子山，流域總面積2755 km2，干流河長85 km。沿途有小白河、半園河、英山河、南溝、永翠河、石頭河和木曾河等河流匯入，于南岔區(qū)綠譚車站東部匯入湯旺河，流域呈西南東北走向，地勢西北高東南低，形狀基本為狹長形，地貌屬于小興安嶺山地，河道自然落差866 m，支流較短且呈不對稱發(fā)育。流域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L氣候，春季較晚多大風，夏季短促而濕熱，秋季降溫迅速多早霜，冬季嚴寒而漫長。流域內(nèi)降水充沛，多年平均降水量668.7 mm，為湯旺河流域降雨高值區(qū)，也是山洪易發(fā)區(qū)，水災(zāi)發(fā)生頻繁，河流泥沙主要來源于河床沖刷，河流含沙量較大，地表侵蝕嚴重。全年無霜期120 d，多年平均水面蒸發(fā)量636.0 mm。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

利用SWAT模型建立西南岔河流域水沙模型的數(shù)據(jù)包括：DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、水文觀測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 西南岔河流域輸入數(shù)據(jù)的來源和精度

2.2 流域水沙模型建立

建立流域水沙模型的主要步驟：

(1)流域空間離散化。根據(jù)獲取的DEM數(shù)據(jù)，選取流域最小匯水閾值為3000 hm2，將流域劃分成51個子流域。

(2)土地利用圖的處理與轉(zhuǎn)換。將1995年的土地利用類型進行重分類后共有6種：分別是林地、灌木林地、草地、水體、城鎮(zhèn)和裸露旱地，它們占西南岔河流域的面積比例分別為81.20%、4.93%、6.62%、0.33%、1.31%和5.61%。

(3)土壤類型圖的處理與轉(zhuǎn)換。土壤類型數(shù)據(jù)包括土壤空間分布信息和土壤物理屬性數(shù)據(jù)，流域內(nèi)的土壤類型有7種，分別是：弱發(fā)育淋溶土、飽和淺層土、普通褐色土、淺育褐色土、松軟潛育土、潛育土和飽和土，它們分別占流域面積的69.16%、0.27%、16.94%、3.12%、6.68%、1.47%和2.36%。在土壤物理屬性數(shù)據(jù)中最重要的數(shù)據(jù)是土壤顆粒級配數(shù)據(jù)，土壤層水力傳導系數(shù)、容積密度和有效含水量等數(shù)據(jù)都是根據(jù)它計算出來的。

(4)建立水文數(shù)據(jù)庫。徑流和懸移質(zhì)泥沙數(shù)據(jù)采用流域出口附近的南岔水文站1987—2014年的實測數(shù)據(jù)。

(5)建立氣象數(shù)據(jù)庫。采用流域內(nèi)南岔氣象站1984—2014年的觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)庫，包括：日降水量、最高最低氣溫、太陽輻射數(shù)據(jù)、風速數(shù)據(jù)和相對濕度數(shù)據(jù)。

(6)建立土壤屬性數(shù)據(jù)庫。SWAT模型采用很多物理和化學方程來描述各種各樣的物理和化學現(xiàn)象，由于這些方程中的參數(shù)眾多，很難十分精確的確定每一個參數(shù)的數(shù)值，而參數(shù)敏感性分析能夠幫助確定哪些輸入?yún)?shù)的變化對于徑流和泥沙的變化有較大的影響，從而提高參數(shù)調(diào)整的效率。本文采用基于蒙特卡洛模型的全局參數(shù)敏感性分析方法最終確定徑流曲線數(shù)(CN2)、土壤有效含水量(SOL_AWC)、基流α系數(shù)(ALPHA_BF)、土壤蒸發(fā)補償因子(ESCO)、河道有效傳導率(CH_K2)和泥沙輸移線性系數(shù)(SPCON)、泥沙輸移指數(shù)系數(shù)(SPEXP)和耕作管理因子(USLE_C)排序靠前的敏感參數(shù)作為主要率定參數(shù)。

(7)模型參數(shù)的校準與驗證。基于確定的敏感性參數(shù)，采用粒子群優(yōu)化算法尋求敏感性參數(shù)的最優(yōu)解。選取1987—1990年共計4 a為模型的預熱期，1991—2002年共計12 a為模型的率定期，2003—2014年共計12 a為模型的驗證期。將模擬值與實測徑流量和懸移質(zhì)泥沙數(shù)據(jù)進行對比，如果模型的模擬精度能夠達到要求，則認為建立的模型適用于西南岔河流域。

2.3 模型模擬精度的評價

為了評價SWAT模型的模擬精度，采用相關(guān)系數(shù)(R2)和納什系數(shù)(Ens)來評價模擬值和實測值的線性相關(guān)性。如果R2>0.6，Ens>0.5，則說明SWAT模型的模擬結(jié)果是令人滿意的。

R2由式(1)計算：

(1)

Ens由式(2)計算：

(2)

2.4 不同土地利用變化情景下的模擬

土地利用變化主要通過影響水分的再分配來影響水循環(huán)和泥沙輸移。本文首先模擬1995年土地利用情景下的多年平均土壤侵蝕模數(shù)，然后固定氣候因子和土壤因子，保持氣象數(shù)據(jù)庫和土壤屬性數(shù)據(jù)庫不變，保持確定的敏感性參數(shù)不變，只改變土地覆被因子，建立不同的土地利用情景，從而進行產(chǎn)沙模擬。

2.4.1 土地利用空間變化對土壤侵蝕的影響

為定量化分析1995—2015年土地利用變化對流域土壤侵蝕的影響，本文分別模擬了西南岔河流域1995年和2015年土地利用情景下的多年平均土壤侵蝕模數(shù)，排查出流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)變化較大的子流域，分析其土地利用轉(zhuǎn)換過程，從而明確子流域內(nèi)土地利用類型的轉(zhuǎn)換對侵蝕產(chǎn)沙的影響。

2.4.2 河道兩岸邊坡綠化措施設(shè)定

在河岸兩側(cè)種植植被，可以有效地減少河流對岸坡的沖刷，減輕水土流失。本文設(shè)置兩種綠化措施，將西南岔河干流及其一級支流的干流作為研究對象，分別在岸坡上種植10 m寬和20 m寬的灌木林。通過模型模擬這兩種情景下的多年平均產(chǎn)沙量，為當?shù)厮亮魇е卫硖峁┮欢ǖ膮⒖肌?/p>

3 產(chǎn)沙模擬與分析

3.1 水沙模型參數(shù)的率定和驗證

應(yīng)用收集到的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)建立流域水沙模型后，采用南岔水文站1987—2014年的實測徑流和懸移質(zhì)泥沙數(shù)據(jù)對敏感性參數(shù)進行率定和驗證。表2為率定期與驗證期徑流、泥沙相關(guān)系數(shù)(R2)和納什系數(shù)(Ens)指標值，圖1～圖4為率定期與驗證期徑流、泥沙模擬值和實測值對比圖。結(jié)果表明，徑流、泥沙的相關(guān)系數(shù)(R2)和納什系數(shù)(Ens)無論是在率定期還是驗證期均滿足R2>0.6，Ens>0.5，說明建立的西南岔河流域水沙模型在該流域具有較好的適用性。

表2 率定期和驗證期徑流、泥沙參數(shù)指標

圖1 率定期徑流實測值和模擬值對比

圖2 驗證期徑流實測值和模擬值對比

圖3 率定期泥沙實測值和模擬值對比

圖4 驗證期泥沙實測值和模擬值對比

3.2 土地利用空間變化對土壤侵蝕影響模擬分析

模擬兩期土地利用情景下的流域多年平均土壤侵蝕模數(shù)，整個流域的多年平均土壤侵蝕模數(shù)分別為46 t/km2和140 t/km2，屬于微度侵蝕區(qū)。再通過對比兩種土地利用情景下的子流域多年平均土壤侵蝕模數(shù)發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)的中度、強度侵蝕區(qū)均位于西南岔河干流兩側(cè)，如圖5、圖6所示。1995年時，西南岔河干流兩側(cè)分布的主要是未開墾的荒地，到了2015年所有荒地逐漸轉(zhuǎn)換為農(nóng)田、城鎮(zhèn)和水域。現(xiàn)以圖中標號為6、7、15、21、28和32的子流域為例分析前后兩期土地利用情景下的土壤侵蝕模數(shù)。通過對比發(fā)現(xiàn)，在2015年的土地利用情景下這些子流域的土壤侵蝕模數(shù)要比1995年的土地利用情景下的土壤侵蝕模數(shù)大1倍。

圖5 1995年土地利用情景下各子流域土壤侵蝕模數(shù)

圖6 2015年土地利用情景下各子流域土壤侵蝕模數(shù)

Sub6：子流域面積64.00 km2，從1995—2015年，流域內(nèi)的4.00 km2草地(占子流域面積的6.3%，下同)轉(zhuǎn)換為農(nóng)田，流域內(nèi)的7.00 km2荒地(10.9%)轉(zhuǎn)換為2.00 km2農(nóng)田、2.00 km2水域和3.00 km2城鎮(zhèn)用地。土壤侵蝕強度由微度984 t/km2變?yōu)橹卸?939 t/km2。

Sub7：子流域面積24.30 km2，流域內(nèi)的4.00 km2荒地(16.5%)轉(zhuǎn)換為2.00 km2農(nóng)田和2.00 km2水域，其余土地利用類型面積基本保持不變。土壤侵蝕強度由中度2549 t/km2變?yōu)閺姸?575 t/km2。

Sub15：子流域面積70.30 km2，流域內(nèi)的12.00 km2荒地(17.1%)轉(zhuǎn)換為10.00 km2農(nóng)田和2.00 km2水域，其余土地利用類型面積基本保持不變。土壤侵蝕強度由微度815 t/km2變?yōu)檩p度2313 t/km2。

Sub21：子流域面積69.41 km2，流域內(nèi)的11.00 km2荒地(15.8%)轉(zhuǎn)換為10.00 km2農(nóng)田和1.00 km2城鎮(zhèn)用地，其余土地利用類型面積基本保持不變。土壤侵蝕強度由微度697 t/km2變?yōu)檩p度1663 t/km2。

Sub28：子流域面積42.10 km2，流域內(nèi)的11.00 km2荒地(26.1%)轉(zhuǎn)換為10.00 km2農(nóng)田和1.00 km2水域，其余土地利用類型面積基本保持不變。土壤侵蝕強度由微度793 t/km2變?yōu)檩p度1593 t/km2。

Sub32：子流域面積62.00 km2，流域內(nèi)的6.00 km2荒地(9.7%)全部轉(zhuǎn)換為農(nóng)田，其余土地利用類型面積基本保持不變。土壤侵蝕強度由微度511 t/km2變?yōu)檩p度1067 t/km2。

由此發(fā)現(xiàn)，這些子流域土壤侵蝕模數(shù)的增大均是因為農(nóng)田、水域和城鎮(zhèn)面積的增加。當西南岔河干流兩側(cè)的荒地被開墾成為農(nóng)田時，水域面積增大的同時，河水沖刷農(nóng)田攜帶大量的泥沙入河，造成河道變寬。

3.3 河道兩岸邊坡綠化措施的模擬

保持已經(jīng)構(gòu)建好的SWAT模型各項參數(shù)不變，分別在模型中設(shè)置水系兩側(cè)種植10 m和20 m寬的灌木林地。模擬發(fā)現(xiàn)，當灌木林地種植寬度為10 m 時，多年平均入河泥沙量可減少37.27%，當灌木林種植寬度20 m時，多年平均入河泥沙量可減少69.32%。可見，隨著河道兩側(cè)灌木林地寬度的增加，能夠有效地減少水土流失，起到保護土地的作用；同時也表明將河道兩側(cè)臨河耕地退耕還林還濕能夠有效地減少入河泥沙量。

4 結(jié) 論

(1)土地利用空間變化會改變流域內(nèi)產(chǎn)沙過程。通過對1995年和2015年的土地利用空間信息進行分析，得出研究區(qū)域內(nèi)沿西南岔河干流的原有未開墾荒地逐漸轉(zhuǎn)換為農(nóng)田、城鎮(zhèn)和水域，導致西南岔河流域整體土壤侵蝕程度為微度侵蝕。沿干流的子流域土壤侵蝕程度和原來相比提高了1～2個等級。

(2)臨河耕地進行退耕還林還濕可有效減少水土流失。本研究采用1∶100 000土地利用圖，模擬西南岔河流域干流兩側(cè)灌木林地種植寬度為10 m 時，多年平均入河泥沙量可減少37.27%，當灌木林種植寬度為20 m時，多年平均入河泥沙量可減少69.32%。

(3)SWAT模型適用性較強，針對不同空間數(shù)據(jù)條件，可模擬河道兩側(cè)不同綠化帶寬度對防治水土流失的效果。