钦江流域土地利用/覆被变化对径流产沙的影响

2016-08-15李鸿儒

中国水土保持 2016年4期

关键词：径流水文土地利用

李鸿儒，卢　远，何　文

(广西师范学院地理科学与规划学院北部湾环境演变与资源利用省部共建教育部重点实验室，广西南宁 530001)

钦江流域土地利用/覆被变化对径流产沙的影响

李鸿儒，卢远，何文

(广西师范学院地理科学与规划学院北部湾环境演变与资源利用省部共建教育部重点实验室，广西南宁 530001)

SWAT；土地利用类型；水文效应；钦江流域

以钦江流域为研究对象，在GIS软件的支持下，构建研究区SWAT分布式水文模型，以径流和泥沙实测数据对模型进行校准和验证，结果显示相关系数R2高于0.9，Nash-Sutcliffe系数高于0.8，模型模拟精度较高。在固定天气因子等不变的情况下，基于1990、2008年两期土地利用数据，模拟研究区1968—2008年径流产沙过程，并分析土地利用/覆被变化对水文效应的影响，结果表明：1990—2008年土地利用变化主要表现为林地、水田面积减少，旱地、草地、水域和建设用地面积增加；与1990年土地利用情景相比，2008年土地利用情景下径流和输沙总量均增加，土地利用变化对产流影响较小，对产沙影响较显著；由土地利用变化引起的月均径流产沙变化量为汛期增幅大于非汛期；土地利用变化对枯水年径流产沙过程影响最大，平水年次之，丰水年影响最小。

气候变化和人类活动是影响流域水文过程的两个重要因素，了解自然变化和人类活动对水文行为乃至周边环境的影响是人类社会发展面临的共同问题，其中土地利用/覆被的变化直接反映了人类活动的影响程度[1]。随着经济社会的快速发展，受城市化、人口增长、政府政策等影响，人类对自然资源的利用和改造必然会促使土地利用结构发生改变，不当的土地利用方式将导致流域水量失衡，从而引发水土流失、土地退化等生态环境问题，因此开展土地利用/覆被变化的水文响应研究对流域水资源合理开发与管理、保证水资源可持续利用具有重要意义[2]。SWAT模型是美国农业部农业研究中心1993年为美国水文模型项目开发的大、中尺度流域环境模拟模型，能够利用GIS和RS提供的空间数据信息模拟产水产沙、非点源污染等过程。我国一些学者自2003年开始运用该模型对不同尺度流域展开了大量研究，取得许多有意义的成果[3-12]。考虑到广西境内流域利用分布式水文模型的相关研究成果较少，本研究以钦江流域为研究对象，构建流域分布式水文模型，在固定天气因子、DEM、土壤类型等因素不变的情况下，模拟真实土地利用情景下的径流产沙过程，并分析不同土地利用状况对水文效应的影响，以期为钦江流域水土资源与生态环境的可持续性综合管理提供决策依据和参考。

1　研究区概况

钦江流域位于广西南部，地处E108°34′～109°29′、N21°53′～22°36′，钦江从东北向西南穿过，流域面积2 241.69 km2，主干流全长173.54 km。流域呈狭长状，地势东北高、西南低，地形呈舟状，除流域出口西南部外，其他三面高、中间低，东北部及四周多为低山丘陵地区。该流域属亚热带季风气候区，春夏季多暴雨，受热带气旋影响，雨量丰沛，多年平均降水量在1 600 mm左右，降水年内分配不均，多集中在4—9月，降水量由下游河口向上游河源递减。

2　水文模型构建

2.1数据来源与处理

研究区DEM数据来源于国家1 ∶5万地形图，经ArcGIS数字化后重采样生成30 m×30 m Grid数据；1990和2008年两期土地利用数据通过TM影像人工解译得到，同上将数据转化成Grid格式，网格大小为30 m×30 m，并对土地利用类型进行重分类，以符合SWAT模型模拟要求；土壤类型图来源于中国1 ∶100万土壤数据库，坐标统一为Albers Krasovsky_1940。

土壤属性数据主要来源于《广西土种志》，部分通过SPAW软件计算得到。气象数据采用陆屋、小江、坡郎平、镇龙、邕宁5个站点1961—2008年长序列数据，包括日降雨量、相对湿度、最高最低气温、平均风速和太阳辐射，其中太阳辐射由日照时数计算得到。水文数据来源于《珠江流域水文资料》，由于获取和采集的难度较大，因此只收集到陆屋站水文数据，时间范围为2003—2005、2001和2008 年。

2.2模型构建

采用ArcGIS 10.1环境下的SWAT-2012，首先将研究区DEM数据输入ArcSWAT以驱动模型运行，设置集水面积阈值为3 500 hm2，输入水文站点和流域总出口，自动将研究区划分为44个子流域；其次叠加不同精度的土地利用、土壤类型和地形图再将子流域划分为355个水文响应单元；最后将气象数据输入天气发生器，写入数据则完成模型的初步构建。

2.3参数率定与验证

参数率定的目的在于尽可能地缩小观测值与模拟值之间的差距，以提高模型的精准度。利用SWAT-CUP软件提供的SUFI2算法对影响水文过程的参数进行敏感性分析，其中CN2(径流曲线系数)、SOL_K(土壤饱和水力传导系数)、ESCO(植物吸收补偿因子)和SOL_AWC(土壤可利用有效水)对产流过程影响较大，USLE_C(植被覆盖因子)、USLE_P(水土保持措施因子)和HRU_SLP(平均坡度)等对输沙过程影响较大。在此基础上，对参数进行有针对性的微调，使用相关系数R2和Nash-Sutcliffe效率系数NS对模型参数率定的合理性进行评价，计算公式为

(1)

(2)

式中：Q1i为模拟值；Q2i为实测值；Qavg为模拟均值；Pavg为实测均值；n为实测数据数量。

R2取值介于0～1，越接近于1，表明拟合效果越好；NS值越接近于1，表明模型的精准度越高。基于收集到的水文资料，以2003—2005年为率定期，2001年和2008年为验证期，将校准期调整好的参数代回SWAT模型进行验证，评价结果见表1和图1、2。由图、表可知，陆屋站径流、泥沙率定期和验证期的NS系数都在0.80以上，且R2都大于0.90，产流产沙变化趋势一致，说明模拟精度较高，水文分布式模型适用于钦江流域，可对流域缺失的水文资料进行模拟。

表1　陆屋站产流产沙量月尺度模拟评价

图1　陆屋站逐月日均流量模拟与实测情况

图2　陆屋站逐月日均输沙量模拟与实测情况

3　结果分析

3.1土地利用类型及其动态变化

钦江流域主要土地利用类型有水田、旱地、林地、草地、水域、建设用地等6种，以水田、旱地、林地和草地为主，1990、2008年合计分别占到流域总面积的92.62%、92.40%，尤其林地占比例最高，说明流域植被覆盖状况较好。利用ArcGIS和Excel软件，定量分析各土地利用类型在1990—2008年期间的变化情况，结果见表2。由表2可知，林地、水田面积减少，旱地、草地、水域、建设用地面积增加；水田、旱地、林地、草地不同程度地转变为建设用地，并出现水域干涸转变为水田、旱地和林地的情况。将退耕还林、植树造林、减少建设用地等视为正向转移，反之为负向转移，通过统计可知钦江流域28年间正向转移面积为13.66 km2，负向转移面积为38.81 km2，总体来看流域1990—2008年植被覆盖度呈下降趋势。

表2　钦江流域1990—2008年土地利用转移矩阵　km2

3.2不同土地覆被对径流产沙的影响

将2008年土地利用数据代入已校准好的SWAT模型，固定气候因子等不变，对钦江流域1968—2008年产流产沙量进行模拟。与1990年土地利用情景相比，2008年径流和输沙量均增加，其中：径流增加量较少，为1.19万m3，变化率为0.17%；输沙量增加559.89万t，变化率高达4.01%。通过对比分析不同土地利用类型及真实情景下的产流产沙总量，发现钦江流域1990—2008年水文效应改变与土地利用类型变化有关，植被覆盖度下降引起流域产流产沙量增加，说明土地利用结构改变是影响钦江流域水文效应的重要原因。

3.3不同土地覆被对汛期和非汛期径流产沙的影响

为分析研究区土地利用变化对汛期(4—9月)和非汛期产流产沙过程的影响，计算了1968—2008年各月产流产沙平均增量(表3)。由表3可知，与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产流产沙变化量趋势基本一致，即均有所增加，且汛期增幅大于非汛期。汛期产流产沙量平均增量分别为243.91 m3、10.04万t，非汛期分别为46.29 m3、3.62万t，月平均输沙增量较明显，而径流增量甚微。由此可见，土地利用覆被条件的变化是引起流域汛期产流产沙量增加的重要原因。由于植被具有巨大的保持水土功能，特别是枯枝落叶层阻碍消耗了降雨溅蚀的动能，减少了面层径流的扰动和挟沙能力，因此恢复流域植被能起到滞洪和减少洪峰流量的作用，从而有助于减少汛期洪水、泥石流等灾害的发生。

表3　1990、2008年土地利用情景下各月产流产沙平均增量

3.4不同土地覆被对不同降水年型径流产沙的影响

依据钦江流域陆屋站1961—2008年的降雨资料，用保证率进行统计分析确定不同降水年型，以分析不同土地利用情景下各典型水文年份对流域产流产沙的影响(表4)。丰水年(降雨频率10%)、平水年(降雨频率50%)、枯水年(降雨频率90%)分别选取与之相接近的1970、1978和2005年作为典型水文年份，降雨量分别为2 162.9、1 652.0、1 101.1 mm，平水年降雨量与48年的平均降雨量1 632.72 mm相近。从径流量来看，2005年变化率最大，增幅为0.19%，1978和1970年次之，增幅分别为0.18%和0.12%。从输沙量来看，2005年变化率最大，1978和1970年次之，趋势与径流量一致，增幅分别为6.01%、4.20%和3.34%。由此推断，土地覆被变化对枯水年影响最大，平水年次之，丰水年影响最小。

表4　1990、2008年土地利用情景下不同降水年型产流产沙量

4　结　论

本研究基于SWAT分布式水文模型，利用DEM、土地利用和土壤属性数据、气象水文数据，构建钦江流域水文分布式模型，在固定天气因子等因素不变的情况下，对1990、2008年两期不同土地利用情景下的产流产沙过程进行模拟，结论如下：

(1)基于钦江流域陆屋站的实测径流输沙数据，采用R2、NS系数对模型的可用性进行评价，陆屋站径流、泥沙率定期和验证期的NS系数都在0.8以上，R2都大于0.9，模拟精度较好，径流和输沙变化趋势趋于一致，表明模型校准较成功，模拟精度满足研究的需要，可对流域缺失的径流泥沙数据进行模拟和分析。固定天气因子等不变的情况下，在校准好的模型中输入2008年土地利用数据，模拟流域1968—2008年径流、输沙量。

(2)对1990、2008年两期土地利用数据进行对比分析可知，主要地类水田、旱地、林地和草地占到流域总面积的92%以上，其中林地分别占到40.83%和39.84%，流域植被覆盖度整体较高。相对于1990年，2008年土地利用变化表现为林地、水田面积减少，旱地、草地、水域、建设用地面积增加，流域植被覆盖度总体呈下降趋势。

(3)根据1968—2008年的模拟结果，与1990年相比，2008年土地利用情景下径流和输沙总量均增加，其中：径流增加量较少，为1.19万m3，变化率为0.17%；输沙量增加559.89万t，变化率高达4.01%。2008年土地利用情景下的流域汛期和非汛期各月平均产流产沙变化量趋势基本一致，即均有所增加，且汛期增幅大于非汛期，土地覆被变化对枯水年影响最大，平水年次之，丰水年影响最小。

(4)本研究在固定天气因子等不变的情况下，定量分析了钦江流域土地利用/覆被变化对径流产沙的影响，未能考虑天气变化、人类活动等因素影响，具有一定的局限性。今后进一步分析流域的水文效应，还需综合考虑天气、河道外取用水、水土保持措施等因素的影响。

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