三峡库区喀斯特洼地小流域产沙强度WaTEM/SEDEM模拟<br/>——以巫山县常家洼洼地流域为例

三峡库区喀斯特洼地小流域产沙强度WaTEM/SEDEM模拟
——以巫山县常家洼洼地流域为例

2021-05-20张云奇裴曾莉吴喆虹徐明阳张德丞

中国水土保持科学 2021年2期

卢雪，张云奇†，龙翼，裴曾莉，吴喆虹，徐明阳，张德丞

(1.四川农业大学林学院，水土保持与荒漠化防治四川省高校重点实验室，611130，成都； 2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，山地表生过程与生态调控重点实验室，610041，成都)

三峡库区是长江中上游重要生态屏障，碳酸盐岩分布广泛。由于岩溶裂隙发育，成土速率缓慢，土层浅薄且空间异质性大，在樵采垦殖等人类活动作用下，坡地土壤易于流失，石漠化问题日趋凸显，影响到库区生态安全。但三峡库区喀斯特土壤侵蚀研究起步晚，监测资料较少，建立适用的土壤侵蚀预报模型，可有效预测土壤流失，有益于认识石漠化过程[1]。比利时鲁汶大学构建的WaTEM/SEDEM模型能分析多个因子对土壤侵蚀产沙的影响，模拟水库、塘坝及河段等水体对泥沙的拦截作用，已成功在世界应用，在我国贵州喀斯特区、黄土高原和东北黑土区等地也取得较好研究成果。笔者初次尝试用于三峡库区喀斯特小流域的侵蚀产沙模拟。

常家洼洼地为该区典型喀斯特峰丛洼地，洼地面积约0.38 hm2，流域面积约11.99 hm2，空间尺度、地貌特征、岩性基础、土壤类型、人类活动和土地利用覆被变化等方面在三峡库区均具有典型性和代表性(图1)。笔者以三峡库区常家洼流域为研究对象，用137Cs做洼地沉积物定年得到洼地沉积速率和流域产沙模数，以校正WaTEM/SEDEM模型参数，参考其他已报道喀斯特流域侵蚀产沙数据验证模型，进而开展三峡库区喀斯特洼地小流域侵蚀产沙模拟计算，为库区石漠化防治提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

WaTEM/SEDEM模型数据来源为：土地利用数据由2018年TM影像(空间分辨率为30 m)人工目视解译和野外实地勘察得到；91卫图助手下载的数字高程模型(digital elevation model，DEM)，空间分辨率为30 m；进行实地测量，结合DEM以获取坡度、坡长值；重庆市巫山县降雨数据来源于中国地面气候资料日值数据集。用以模型校正的流域产沙模数，是在以137Cs进行洼地沉积物定年基础上得到[2]。

图1 常家洼洼地流域及三峡库区岩性分布Fig.1 Changjiawa depression catchment and lithology distribution in the Three Gorges Reservoir region

1.2 WaTEM/SEDEM模型

WaTEM/SEDEM模型基本结构为：年均土壤侵蚀、年均输沙能力和泥沙流动算法模块。本研究主要利用土壤侵蚀与输沙能力模块[3]。模型输入数据包括数字高程模型(DEM)、土壤可蚀性因子、作物覆盖与管理因子、降雨侵蚀力、土地利用图等。

由于长江流域降水近年来并无明显变化，因此采用逐年月平均雨量估算降雨侵蚀力R[4]。已有学者利用Williams等[5]提出的基于详细土壤颗粒组成数据在西南喀斯特地区计算K值，故本文也采用此法。C、P因子主要通过查阅相关文献，再结合研究区实际情况得到(表1)。

表1 研究区土地管理因子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. 图2 常家洼流域模型参数KTC-high与KTC-low校正结果Fig.2 Calibration results of KTC-high and KTC-low in Changjiawa basin

1.3 WaTEM/SEDEM模型的校正

该模型仅输沙能力系数KTC需要校正，KTC值有一定范围，若地面植被覆盖较好，KTC值也较低，反之较高。本研究利用137Cs数据校正模型，确定KTC低值与高值的取值范围，得到KTC-low和KTC-high每一参数组合，将所有可能组合输入模型，采用Nash等提出的模型有效系数(cNS)[6]，确定最佳KTC组合值，公式如下：

(1)

式中：n为观测数目；Oi为观测值；Omean为观测平均值；Pi为预测值。

2 结果与分析

运行WaTEM/SEDEM模型前需为参数KTC赋值，结合不同地类土壤侵蚀强度分布情况，给不同的土地利用类型赋值，其中：坡耕地赋高值，即KTC-high为12～22；林地赋低值，KTC-low为2～12。将此范围内不同的KTC-high与KTC-low值两两组合，得到多个流域产沙数据。结合137Cs定年所得侵蚀产沙数据，利用式(1)得NS值。由图2可知最佳KTC-high与KTC-low数值是18和7，此时模型有效系数cNS为0.79。

根据最佳KTC-high与KTC-low组合值，运行WaTEM/SEDEM模型，得到1963年来常家洼洼地流域产沙模数为122.91 t/(km2·a)。总结已发表文献中喀斯特地区侵蚀产沙强度研究成果验证137Cs校正后的模型结果(表2)。由图3可知：模拟所得产沙模数和实测数值相关系数分别为0.93，相关性较高。

表2 已发表文献中喀斯特地区小流域产沙模数Tab.2 Sediment moduli of reported karst catchments in the published literature

图3 流域产沙模数与产沙量实测值与模拟值Fig.3 Measured and modeled sediment moduli and sediment moduli in the catchment

3 讨论

本研究以137Cs进行洼地沉积物定年，得到流域产沙模数，校正模型参数，并未直接以137Cs示踪法测算坡面侵蚀强度。这是因为喀斯特坡地多裸岩出露，景观破碎，是历史时期侵蚀产沙已造成的结果，无法直接进行137Cs示踪，相比之下，以137Cs进行洼地定年反推流域产沙模数的方法更为可行。洼地137Cs定年得到的产沙数据，用以模型校正得到最佳KTC-high与KTC-low是18和7, 大于李国强等[15]利用137Cs示踪法在拜泉县得到的KTC最佳值(8和4)，Lieskovsky等[16]在斯洛伐克得到的KTC组合值为0.8和0.4，盛美玲等[17]在东北黑土区得到的KTC组合值为0.55和0.38。这一现象系因喀斯特地区土层浅薄，侵蚀强度低，也反映出坡地土壤侵蚀对植被覆盖状况更为敏感，植被一旦破坏，侵蚀随即加速，易于诱发石漠化。Liu等[3]在黄土高原采用WaTEM/SEDEM模型，得到KTC最佳值(20和15)，大于本研究，系因黄土高原土层厚度一般超过50 m，而常家洼流域所在喀斯特地区土层厚度一般少于50 cm，可供流失的土壤存量远少于黄土高原。本研究最佳KTC-high与KTC-low组合，得到cNS值为0.79，此时模型模拟效果最好，WaTEM/SEDEM模型在三峡库区喀斯特地区的适用性也较好。

常家洼洼地面积为0.38 hm2，2处采样点位置具有代表性，模型模拟产沙模数(SSY)与产沙量(SY)数据和实测数值相关性较高，说明所得137Cs数据可反映该地区侵蚀产沙情况，利用该数据对模型参数的校正效果也较好。根据已有喀斯特地区洼地泥沙沉积速率研究, 可知除林地与石质坡地，西南喀斯特山地多数坡地土壤流失速率介于10～100 t/(km2·a)之间。通过WaTEM/SEDEM模型模拟所得常家洼流域产沙模数为122.91 t/(km2·a)，高于多数喀斯特流域，原因在于：1)WaTEM/SEDEM模型结果准确性依赖137Cs数据的采集质量与校准精度，本研究利用137Cs核素示踪法获得的侵蚀产沙强度较大，导致模拟结果也偏大；2)实地踏勘发现，常家洼流域的岩层并不是纯碳酸盐岩，还存在少量碎屑岩夹层，碎屑岩化学溶蚀特性不突出，风化成土速率较快，成为洼地泥沙的重要来源；3)当地在1958年曾大规模樵采，植被破坏，加速侵蚀。

根据表2得到流域面积与产沙模数散点图(图4)，可知流域面积相近情况下，常家洼小流域侵蚀产沙强度较高，且喀斯特地区小流域产沙模数随面积增大有逐渐变小的趋势。这与前人的研究一致，即在坡面是泥沙主要来源的区域，流域产沙模数会随面积的增大而减少。喀斯特地区小流域产沙模数随面积增大逐渐变小，主要原因是流域连通性和泥沙输移比一般随流域面积的增加而降低，这与非喀斯特地区基本一致[18-19]。

图4 喀斯特地区流域面积与产沙模数的关系Fig.4 Relationship between area and sediment modulus of the catchment in karst region

虽然WaTEM/SEDEM模型对研究区模拟效果较好，且广泛应用于我国水蚀区，但仍有一定的局限性。WaTEM/SEDEM的侵蚀建模方式可能会限制模型输出效率，为提高准确性，要对尽可能多的侵蚀过程建模，但这对西南喀斯特地区是一个挑战。在之后的研究中，需进一步完善模型校准参数，以保证预测与实测产沙强度之间侵蚀过程的一致性，使WaTEM/SEDEM模型成为评估土壤侵蚀情况的有效工具。