黄土丘陵沟壑区雨水资源化途径及潜力分析

马永强，李梦华，郝姗姗，石 云,2

(1.宁夏大学资源环境学院，银川 750021；2.宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控实验室，银川 750021)

雨水是黄土丘陵沟壑区重要的水资源，精准确定集雨工程位置并修建适宜的工程类型，可以有效的增加雨水资源利用率，解决水资源匮乏的问题[1,2]。利用科学的方法确定潜在的集雨工程位置和类型，掌握可收集雨水资源量和水土保持生态用水量意义重大[3]。确定集雨工程的位置和类型，需要对土地利用现状、土壤类型和质地、坡度、集水路径及地表径流潜力等数据进行空间分析和评价[4-6]。遥感(RS)技术、地理信息科学(GIS)和全球定位系统(GPS)的快速发展，为确定集雨工程位置和类型提供新的技术、丰富的数据源及方法[7]。地表径流潜力需要用径流估测分布式水文模型计算。目前，常见的径流估测分布式水文模型有HEC-1(system hydrologic european)、TOPMODEL(topgraphy based hydrological model)、SCS-CN(soil conservation service curve number method)及HEC-HMS(hydrologic modeling system)等。其中美国农业部设计开发的SCS-CN分布式水文模型具有结构简单、所需参数少、模拟精度高等特点，能够客观、高效的反映土地利用现状、土壤类型及前期土壤湿度等因素对降水径流的影响，被广泛的应用于径流估测[7-10]。近年来，国内外许多学者采用SCS-CN模型对集雨工程位置和类型确定做了研究[9-11]，研究区多为大、中尺度流域，很多研究是对SCS-CN模型参数的修正，对收集的雨水资源在生态恢复空间的价值研究较少，自然环境和地理位置的区域性差异对确定集雨工程位置影响及可收集雨水资源量的研究还在不断的探索中。针对宁南山区黄土丘陵沟壑区，生态环境脆弱、水资源匮乏的情况，集雨工程位置确定是提高区域雨水资源的合理、便捷和低成本利用的重要途径，是该区域亟待研究的问题。

本研究选择彭阳县高建堡小流域为研究区，彭阳县是我国水土流失最严重的县域之一，高建堡小流域包含了目前黄土丘陵沟壑区生态环境恢复及水土保持措施的最基本类型，水资源匮乏和水土流失是当地生态环境恶化、经济落后的主要原因[12]。如何将有限的雨水资源适时、合理的利用，达到发展经济和生态恢复的目的，是区域发展面临的重要问题[13,14]。研究采用RS、GPS和GIS技术处理高分辨率遥感影像、DEM、土壤专题图等基础数据，获取土地利用现状、坡度、土壤类型和质地等信息，运用SCS-CN分布式水文模型估测径流潜力，在集雨工程约束条件分析下，确定适宜的集雨工程位置和类型；通过水土保持生态用水量方法获取研究区生态用水量，进一步计算获取可收集雨水量，为水资源匮乏及水土保持用水提供解决的方法和途径。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

高建堡小流域位于宁夏回族自治区彭阳县，地理位置介于106°32′～106°58′E，35°41′～36°17′N之间，面积为1 076.89 hm2，属黄土丘陵沟壑区Ⅱ副区，沟壑纵横，地形支离破碎[14]。流域内建有王洼水土保持国家级科技示范园区，气候类型为半干旱大陆性季风气候，四季分明，年平均温度为8.3 ℃，多年平均降水量为420 mm，年际降水变化大，降水分布不均匀，多集中在7-9月，且多以暴雨形式出现[15]。土壤类型主要为黄绵土、淡黑垆土和普通黑垆土，其中黄绵土所占比重最大，表土层有机质含量4%～6%，土层深厚在2 m以上，土壤质地主要为壤土和黏壤土[16]，如图1所示。

图1 流域位置图Fig.1 The basin location map

1.2 数据来源

(1)GF-2号遥感卫星影像(2016年7月30日，融合后分辨率为1 m，传感器为：pms，云量<2%)；

(2)5 m×5 m数字高程模型(DEM) 研究区1∶10 000数字地形图生成的DEM(5 m×5 m)；

(3)1∶50 000土壤专题图(1990年10月)；

(4)1990-2016年气象数据(宁夏气象局)；1990-2016年水文数据(宁夏回族自治区固原市彭阳县王洼水保站)。

1.3 研究方法

1.3.1 SCS-CN分布式水文模型

运用SCS-CN分布式水文模型估算径流潜力，计算公式如下:

(1)

其中：

Ia=λS

式中：Q为径流量，mm；P为多年月平均降雨总量,mm；Ia为多年月平均降雨初损值mm；S为可能最大滞留量；λ是区域参数(0.1≤λ≤0.3)，主要受地质条件和气象因素影响，综合既有的相关研究并分析[14,15]，确定研究区的λ值为0.2。S值的计算公式为：

S=25 400/CN-254

(2)

式中：CN值是一个无量纲参数，值域区间为0～100，主要是由土地利用现状、前期土壤湿度(AMC)及土壤类型和质地数据决定[16,17]。采用湿润指数对研究区多年平均降雨量和蒸发量数据进行计算和统计，用来反映研究区 AMC，对土地利用现状及土壤类型和质地数据进行空间分析和属性查询，根据美国国家工程手册CN值查算表和研究区实际情况，确定CN值。

1.3.2 水土保持措施生态环境用水量

根据研究区水土保持措施分布实际情况，结合研究区内王洼水土保持监测站径流场实验数据，计算各项水土保持措施的生态环境用水量[18],公式如下：

W=λΔW

(3)

式中：W为水土保持生态环境用水量，万m3;λ为修正系数。

ΔW=(1-k)(ΔW1+ΔW2)

(4)

式中：ΔW1和ΔW2为治坡和治沟措施拦蓄的地表径流总量，万m3，由于研究区无淤地坝等治沟措施，ΔW2取值为0;k为地下径流补给系数,取值为0.10。

ΔW1=n1f1ΔR1+n2n3f2ΔR2+n4n5f3ΔR3

(5)

式中：f1、f2、f3分别为梯田、造林、草地的面积，hm2;ΔR1、ΔR2、ΔR3分别为梯田、造林、种草拦蓄的地表径流量，万m3;n1为梯田破坏率修正系数,取值为0.9;n2为小区林地移用至大面积林地的修正系数,取值为0.7;n3为林地面积保存率,取值为0.7;n4为小区草地移用至大面积草地的修正系数,取值为0.8;n5为草地面积保存率，取值为0.7。

1.3.3 集雨模型修正及集雨量估测

研究将高建堡小流域划分为若干子集水区，以径流潜力代替子集水区的年径流量，汇总所有子集水区的年径流潜力，作为研究区可收集雨水资源量[19]。研究区分布有大量的水土保持措施截留部分降水资源，研究据此对模型进行修正，公式如下：

(6)

式中：R为研究区可收集雨水资源量，万m3；Aij为各集水区面积，hm2；Qij为各集水区的年径流量，万m3，以年平均径流潜力代替；N为集水区个数，因为子集水区具有不规则形状，i、j、a、b为1～N中间的任一变量，a

2 数据处理及结果

2.1 土地利用现状

研究利用ENVI对GF-2影像进行校正和自动识别分类，采用目视判读的方法对影像识别分类精细化。2016年8月17-24日及2017年8月16日野外调查和复查研究区土地利用现状，GPS定点及记录，根据野外结果建立解译标志知识库，修正影像判读后存在疑虑或不确认的土地利用分类，最终获取研究区精确的土地利用现状，精度达98%。

2.2 土壤类型和质地数据

研究利用ArcGIS对研究区土壤类型和质地专题图(1∶50 000)进行配准及矢量化处理，获得研究区土壤空间分布图。

2.3 坡 度

在GIS空间分析模块的支持下提取坡度(S)空间分布数据，对提取结果重分类：0°≤S≤5°为微坡，5°≤S≤8°较缓坡，8°≤S≤15°缓坡，15°≤S≤25°较陡坡，25°≤S≤35°为陡坡，S≤35°为急陡坡[20]，如图2所示。

图2 坡度分级图Fig.2 Slope classification map

2.4 集水路径及集水区

研究通过GIS水文分析获取研究区集水路径和集水区空间分布数据。研究区集水路径和集水区分析的重点是确定最小集水面积阈值，高程值相近且集水区面积等于该阈值的栅格就可以定义为河源，当集水面积大于该阈值时，就可形成径流。根据研究区面积和DEM数据(5 m×5 m)的情况，利用Strahler河流分级法对河网进行分级[20,21]，确定最适宜阈值为200，将集水路径和子集水区划分为5个等级制作专题图如图3所示。

图3 集水路径和子集水区等级图Fig.3 Catchment path and sub-catchment level map

2.5 径流潜力

运用SCS-CN分布式水文模型估测径流潜力，首先要确定CN值。

(1)前期土壤湿度(AMC)：SCS-CN分布式水文模型将AMC划分为3类，研究采用湿润指数计算和统计多年月平均降水量和蒸发量数据，结合前期土壤湿度实测数据，划定7,8月为平均(AMCⅡ)状态，4-6月及10月为干(AMCⅠ)状态，9月为湿润(AMCⅢ)状态，如表1所示。

表1 研究区月平均土壤湿度判读表Tab.1 Monthly average soil moisture in the study area interpretation table

(2)水文土壤组(HSG)：SCS-CN分布式水文模型根据土壤最小下渗率数据及土壤质地资料，将HSG 分为 A、B、C、D 4 种类型[13,15]。研究区土壤类型主要有黄绵土和黑垆土，根据两种土壤类型的土壤质地和下渗率等特征，结合已有研究成果和资料，将研究区HSG分为A(黄绵土)、B(黑垆土)两种类型[23,24]，如表2所示。

表2 径流潜力计算表Tab.2 Runoff potential calculation table

(3)研究利用ArcGIS对研究区土地利用现状和水文土壤组(HSG)数据求交获得土地利用现状-HSG矢量和统计数据；根据美国国家工程手册CN值查算表和给定的转换公式，结合研究区实际情况，分别获取AMCⅠ、AMCⅡ和AMCⅢ状态下的CN值[17,25]，代入公式(1)和(2)，计算获得月径流量Q和径流潜力数据。结合集雨工程建设的要求和研究区实际降水情况，将径流潜力数据划分为3个等级：低(<200 mm)占6.9%；中(200～400 mm)占92.25%；高(>400 mm)占0.9%，如图4所示。

3 结果与分析

3.1 约束集构建

根据雨水集蓄工程技术规范，结合既有集雨工程建设经验对选址的一般要求，确定适合研究区的塘坝、水窖、蓄水池及庭院集雨区等集雨工程类型，设定约束条件，构建集雨工程位置约束集。构建约束集需要考虑土地利用现状、土壤类型、径流潜力空间分布、坡度及集雨工程与需水地的经济差距。研究区沟壑纵横、人口分布不集中、耕地集中在居民地周围以及园地与居民地距离较远等特点，地形复杂，远距离输水成本高、技术难。因此，对研究区构建雨水集蓄工程位置选择及不同雨水集蓄工程的规格约束集，如表3和表4所示。

图4 径流潜力分级图Fig.4 Runoff potential classification diagram

表3 确定集雨工程位置约束集Tab.3 Determine rainwater collection location constraints

3.2 潜在位置确定

研究利用ArcGIS提取土地利用现状中的居民地、耕地和园地空间分布数据，根据约束条件分别建立100、200和500 m范围的缓冲区，与土壤类型、坡度、径流潜力和集水路径分级数据求交分析，结合不同集雨工程的约束条件对结果分析，精准确定不同类型集雨工程的潜在位置，结果如下：①适宜修建塘坝的位置1处，面积为8.29 hm2；②适宜修建蓄水池的位置15处；③适宜修建水窖的位置52处；④适宜修建庭院集雨区的面积为22.27 hm2，分布在居民区范围内，如图5所示。

表4 集雨工程应用方向及条件Tab.4 rainwater collection project applicationdirection and conditions

图5 潜在集雨工程位置及类型图Fig.5 potential catchment project location and type map

3.3 集雨量估测及应用

研究通过已修正的集雨量方法和水土保持措施生态用水方法获得研究区可收集雨水资源量和水土保持措施生态用水量，结果表明，高建堡小流域年均水土保持措施生态用水量约为204.76 万m3，年均可收集雨水资源量约为158.95 万m3，在发生特大干旱或病虫灾害等紧急状况时，收集的雨水资源量可作为备用水资源利用。

4 讨 论

(1)研究将3S技术方法和SCS-CN分布式水文模型集成应用于确定黄土丘陵沟壑区集雨工程位置和类型，该方法及数据处理过程适用于高建堡小流域及各种尺度流域，不同区域需要根据空间尺度和实际情况选取适宜的集雨工程类型，如涝池、拦水坝和大口井等。

(2)流域地形复杂，沟壑纵横，分布有大量的水土保持措施，包含王洼水土保持科技示范园区的水平沟治理示范区，对径流产生及可收集雨水资源量产生极大的影响[26]。因此研究针对该情况对雨水收集方法进行了修正。该方法仅适用于该研究区，其他区域需进一步验证。

(3)研究采用高分辨率影像获取土地利用数据，利用1∶10 000地形图提取DEM(5 m×5 m)数据，保证图斑提取、坡度等地形因子精度，满足分析黄土丘陵沟壑区径流和地表水运动的小流域尺度精度需求。小尺度、高精度的设计方案能够更精准的确定集雨工程的位置和类型，可为当地水土流失治理提供精确的集雨措施信息，进一步优化小流域水土流失治理。

(4)高建堡小流域内已建有1座塘坝，5座涝池及210处蓄水池及井窖，建设时期为满足居民生活和农业需求，以农户数和农田面积为分配衡量标准，对修建位置进行了简易勘测，科学性及适宜性有待商榷。研究对修建位置的精准确定，在节约成本及能效上实现最大化，可为已有小型水利设施优化提供科学理论依据和方法。

(5)在对可收集雨水资源量进行计算时，研究对集雨工程的规格、满载水量和施工要求考虑不甚详尽，可能在雨水收集过程中产生雨水溢流或泥沙堆积等情况，有待进一步研究。

(6)宁南山区是国家重点扶贫对象，水资源短缺制约当地社会经济发展，如何合理、高效的利用集蓄雨水资源，将集雨工程位置的确定在扶贫空间上合理设计和规划，优先为贫困人群配置集雨工程和小型水利设施，提高当地人民经济水平，实现精准扶贫，还需探究。

5 结 语

(1)研究以国产高分辨率遥感影像GF-2(1 m)和DEM(5 m×5 m)等高精度空间数据为数据源，集成利用3S和SCS-CN分布式水文模型确定集雨工程位置的方法、数据处理过程，能够精准确定潜在集雨工程位置和类型，适用于黄土丘陵沟壑区小流域，采用水土保持生态用水量计算方法和可收集雨水资源量方法获取研究区可收集雨水资源量和生态用水量，可以为当地雨水资源的合理开发利用提供科学指导。

(2)高建堡小流域径流潜力等级主要以中级为主，面积为855.41 hm2，占研究区总面积的92.20%，高、低等级的面积分别为8.29和64.12 hm2，占比分别为0.89%和6.91%；

(3)适宜的集雨工程类型有水窖、蓄水池、塘坝和庭院集雨区；其中适宜修建水窖的位置为52处；修建蓄水池的位置为15处；可以布置庭院集雨区的面积为22.27 hm2；适宜修建塘坝的位置为1处，面积为8.29 hm2。

(4)研究区年均水土保持措施生态用水量约为204.76 万m3，年均可收集雨水资源量约为158.95 万m3。在发生特大干旱或病虫灾害等紧急状况时，收集的雨水资源量可作为备用水资源利用。