三峽庫區喀斯特洼地小流域產沙強度WaTEM/SEDEM模擬
——以巫山縣常家洼洼地流域為例

盧 雪，張云奇?，龍 翼，裴曾莉，吳喆虹，徐明陽，張德丞

(1.四川農業大學林學院，水土保持與荒漠化防治四川省高校重點實驗室，611130，成都； 2.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所，山地表生過程與生態調控重點實驗室，610041，成都)

三峽庫區是長江中上游重要生態屏障，碳酸鹽巖分布廣泛。由于巖溶裂隙發育，成土速率緩慢，土層淺薄且空間異質性大，在樵采墾殖等人類活動作用下，坡地土壤易于流失，石漠化問題日趨凸顯，影響到庫區生態安全。但三峽庫區喀斯特土壤侵蝕研究起步晚，監測資料較少，建立適用的土壤侵蝕預報模型，可有效預測土壤流失，有益于認識石漠化過程[1]。比利時魯汶大學構建的WaTEM/SEDEM模型能分析多個因子對土壤侵蝕產沙的影響，模擬水庫、塘壩及河段等水體對泥沙的攔截作用，已成功在世界應用，在我國貴州喀斯特區、黃土高原和東北黑土區等地也取得較好研究成果。筆者初次嘗試用于三峽庫區喀斯特小流域的侵蝕產沙模擬。

常家洼洼地為該區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、土壤類型、人類活動和土地利用覆被變化等方面在三峽庫區均具有典型性和代表性(圖1)。筆者以三峽庫區常家洼流域為研究對象，用137Cs做洼地沉積物定年得到洼地沉積速率和流域產沙模數，以校正WaTEM/SEDEM模型參數，參考其他已報道喀斯特流域侵蝕產沙數據驗證模型，進而開展三峽庫區喀斯特洼地小流域侵蝕產沙模擬計算，為庫區石漠化防治提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 數據來源

WaTEM/SEDEM模型數據來源為：土地利用數據由2018年TM影像(空間分辨率為30 m)人工目視解譯和野外實地勘察得到；91衛圖助手下載的數字高程模型(digital elevation model，DEM)，空間分辨率為30 m；進行實地測量，結合DEM以獲取坡度、坡長值；重慶市巫山縣降雨數據來源于中國地面氣候資料日值數據集。用以模型校正的流域產沙模數，是在以137Cs進行洼地沉積物定年基礎上得到[2]。

圖1 常家洼洼地流域及三峽庫區巖性分布Fig.1 Changjiawa depression catchment and lithology distribution in the Three Gorges Reservoir region

1.2 WaTEM/SEDEM模型

WaTEM/SEDEM模型基本結構為：年均土壤侵蝕、年均輸沙能力和泥沙流動算法模塊。本研究主要利用土壤侵蝕與輸沙能力模塊[3]。模型輸入數據包括數字高程模型(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。

由于長江流域降水近年來并無明顯變化，因此采用逐年月平均雨量估算降雨侵蝕力R[4]。已有學者利用Williams等[5]提出的基于詳細土壤顆粒組成數據在西南喀斯特地區計算K值，故本文也采用此法。C、P因子主要通過查閱相關文獻，再結合研究區實際情況得到(表1)。

表1 研究區土地管理因子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KTC-high與KTC-low校正結果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數據校正模型，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(cNS)[6]，確定最佳KTC組合值，公式如下：

(1)

式中：n為觀測數目；Oi為觀測值；Omean為觀測平均值；Pi為預測值。

2 結果與分析

運行WaTEM/SEDEM模型前需為參數KTC賦值，結合不同地類土壤侵蝕強度分布情況，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。將此范圍內不同的KTC-high與KTC-low值兩兩組合，得到多個流域產沙數據。結合137Cs定年所得侵蝕產沙數據，利用式(1)得NS值。由圖2可知最佳KTC-high與KTC-low數值是18和7，此時模型有效系數cNS為0.79。

根據最佳KTC-high與KTC-low組合值，運行WaTEM/SEDEM模型，得到1963年來常家洼洼地流域產沙模數為122.91 t/(km2·a)。總結已發表文獻中喀斯特地區侵蝕產沙強度研究成果驗證137Cs校正后的模型結果(表2)。由圖3可知：模擬所得產沙模數和實測數值相關系數分別為0.93，相關性較高。

表2 已發表文獻中喀斯特地區小流域產沙模數Tab.2 Sediment moduli of reported karst catchments in the published literature

圖3 流域產沙模數與產沙量實測值與模擬值Fig.3 Measured and modeled sediment moduli and sediment moduli in the catchment

3 討論

本研究以137Cs進行洼地沉積物定年，得到流域產沙模數，校正模型參數，并未直接以137Cs示蹤法測算坡面侵蝕強度。這是因為喀斯特坡地多裸巖出露，景觀破碎，是歷史時期侵蝕產沙已造成的結果，無法直接進行137Cs示蹤，相比之下，以137Cs進行洼地定年反推流域產沙模數的方法更為可行。洼地137Cs定年得到的產沙數據，用以模型校正得到最佳KTC-high與KTC-low是18和7, 大于李國強等[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]在東北黑土區得到的KTC組合值為0.55和0.38。這一現象系因喀斯特地區土層淺薄，侵蝕強度低，也反映出坡地土壤侵蝕對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50 m，而常家洼流域所在喀斯特地區土層厚度一般少于50 cm，可供流失的土壤存量遠少于黃土高原。本研究最佳KTC-high與KTC-low組合，得到cNS值為0.79，此時模型模擬效果最好，WaTEM/SEDEM模型在三峽庫區喀斯特地區的適用性也較好。

常家洼洼地面積為0.38 hm2，2處采樣點位置具有代表性，模型模擬產沙模數(SSY)與產沙量(SY)數據和實測數值相關性較高，說明所得137Cs數據可反映該地區侵蝕產沙情況，利用該數據對模型參數的校正效果也較好。根據已有喀斯特地區洼地泥沙沉積速率研究, 可知除林地與石質坡地，西南喀斯特山地多數坡地土壤流失速率介于10～100 t/(km2·a)之間。通過WaTEM/SEDEM模型模擬所得常家洼流域產沙模數為122.91 t/(km2·a)，高于多數喀斯特流域，原因在于：1)WaTEM/SEDEM模型結果準確性依賴137Cs數據的采集質量與校準精度，本研究利用137Cs核素示蹤法獲得的侵蝕產沙強度較大，導致模擬結果也偏大；2)實地踏勘發現，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，碎屑巖化學溶蝕特性不突出，風化成土速率較快，成為洼地泥沙的重要來源；3)當地在1958年曾大規模樵采，植被破壞，加速侵蝕。

根據表2得到流域面積與產沙模數散點圖(圖4)，可知流域面積相近情況下，常家洼小流域侵蝕產沙強度較高，且喀斯特地區小流域產沙模數隨面積增大有逐漸變小的趨勢。這與前人的研究一致，即在坡面是泥沙主要來源的區域，流域產沙模數會隨面積的增大而減少。喀斯特地區小流域產沙模數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，這與非喀斯特地區基本一致[18-19]。

圖4 喀斯特地區流域面積與產沙模數的關系Fig.4 Relationship between area and sediment modulus of the catchment in karst region

雖然WaTEM/SEDEM模型對研究區模擬效果較好，且廣泛應用于我國水蝕區，但仍有一定的局限性。WaTEM/SEDEM的侵蝕建模方式可能會限制模型輸出效率，為提高準確性，要對盡可能多的侵蝕過程建模，但這對西南喀斯特地區是一個挑戰。在之后的研究中，需進一步完善模型校準參數，以保證預測與實測產沙強度之間侵蝕過程的一致性，使WaTEM/SEDEM模型成為評估土壤侵蝕情況的有效工具。

4 結論

1)1963—2017年常家洼洼地流域產沙模數為122.91 t/(km2·a)，比一般西南喀斯特地區高。

2)常家洼小流域產沙模數和產沙量模擬結果與已有喀斯特地區侵蝕產沙數據的相關系數較高，WaTEM/SEDEM模型模擬數據較為可靠。

3)以洼地沉積物137Cs定年得到的流域產沙數據校正WaTEM/SEDEM模型，進而模擬小流域侵蝕產沙強度，在三峽庫區喀斯特流域有很好的適用性，未來可作為評估該地區土壤侵蝕情況的有效手段。

感謝蔡強國等審稿老師提出的寶貴修改意見和建議。