土地利用變化對九龍甸水源區(qū)土壤侵蝕的影響研究

王 杰，黃 英，吳 灝，張 雷

(云南省水利水電科學研究院，云南 昆明 650021)

水源區(qū)在地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展中起著非常重要的支撐作用，水源區(qū)土地利用變化引起的水土流失不僅會降低其保水能力，而且會造成下游水庫的泥沙淤積和水環(huán)境惡化，降低防洪、灌溉等功能，因此研究不同土地利用方式下水源區(qū)土壤侵蝕變化顯得十分必要。SWAT模型是一種分布式水文模型，具有很強的物理機制[1]，可用于不同土壤屬性、土地利用類型、氣候狀況以及人類活動干擾下的產(chǎn)流模擬分析和土壤侵蝕分析，應(yīng)用效果良好[2-5]。本研究以楚雄市九龍甸水源區(qū)為研究對象，利用SWAT分布式水文模型研究不同土地利用方式下的土壤侵蝕狀況，以期能為治理水土流失和土地利用管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

九龍甸水庫興建于1958年，位于楚雄市呂合鎮(zhèn)境內(nèi)、龍川江上游紫甸河的上游，距楚雄市城區(qū)40 km，是一座具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水等多功能的綜合性水利工程，是楚雄彝族自治州最大的水庫，也是楚雄市人民飲用水的重要來源。九龍甸水源區(qū)位于楚雄市西北部，地勢西高東低、北高南低，平均高程2 170 m，土地總面積257.6 km2，河長47.3 km，河道平均比降9.15‰；屬亞熱帶季風氣候區(qū)，山高水深，氣候垂直變化明顯，冬夏短春秋長，氣溫日較差大，年平均氣溫14.8～21.9 ℃，年均日照時數(shù)2 450 h，多年平均降水量943.5 mm；土壤類型以紅壤、棕壤、黃棕壤為主，植被多為茂密灌木叢林，并以云南松、華山松、滇油杉、滇橄欖、杜鵑等為主。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 水文和氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)采用楚雄市1953—2009年逐日氣溫(最高/最低)、降水量、風速、相對濕度、日照時數(shù)等，其中SWAT模型所需的輻射數(shù)據(jù)由日照時數(shù)推算得到[6]，露點溫度由溫度和相對濕度計算得到[7]。水文資料選用九龍甸水源區(qū)鳳屯站1977—2009年和新房站1978—2009年日降水資料。用鳳屯水文站1978—2009年月流量資料對構(gòu)建的SWAT模型進行參數(shù)率定和模型驗證。

2.2 地理信息數(shù)據(jù)

DEM選用90 m分辨率SRTM 數(shù)字高程模型，原數(shù)據(jù)為地理坐標，為滿足模型輸入要求，將其轉(zhuǎn)化為Albers投影。土地利用類型采用的是中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心1986、2000年全國土地利用數(shù)據(jù)，2009年土地利用信息由遙感影像解譯得到。土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心1 ∶100萬土壤數(shù)據(jù)集，土壤粒徑分級采用國際制。應(yīng)用MATLAB軟件編程進行三次樣條插值計算得到以美制標準為基礎(chǔ)的土壤粒徑百分含量，并應(yīng)用SPAW模型估算土壤可利用有效水量、飽和水力傳導系數(shù)等參數(shù)。

2.3 SWAT模型模擬

基于SWAT模型，根據(jù)研究區(qū)DEM將九龍甸水源區(qū)劃分為65個子流域，根據(jù)土地利用、土壤屬性及坡度信息將每個子流域劃分為若干個水文響應(yīng)單元(HRU)，最后結(jié)合九龍甸水源區(qū)的日氣溫、降水、輻射、風速和相對濕度等觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建研究區(qū)SWAT水文模型。模型構(gòu)建后，采用Daily rain/CN/Daily算法計算地表徑流產(chǎn)匯流，P-M公式計算潛在蒸散量，Variable Storage法進行河道演算，USLE方法計算土壤侵蝕量，并對每一個子流域推求凈雨，再進行匯流演算，并模擬計算鳳屯水文站流量。根據(jù)模擬得到的鳳屯水文站流量，用SWAT模型自帶的參數(shù)敏感性分析器分析模型參數(shù)敏感性，并用鳳屯水文站的實測月徑流資料對比較敏感的模型參數(shù)進行率定和驗證。參數(shù)率定和驗證的效果用相對誤差(Re)、相關(guān)系數(shù)(R2)和納什效率系數(shù)(Ens)來評價[8]。最后用率定好的模型分別模擬計算九龍甸水源區(qū)1986、2000和2009年不同土地利用方式下的土壤侵蝕模數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 參數(shù)敏感性試驗

SWAT模型參數(shù)較多，在特定研究區(qū)尋找敏感性高的模型參數(shù)并對其加以率定，可以提高模型的運行效率。本研究采用LH-OAT方法進行參數(shù)敏感性分析，結(jié)果見表1。由表1知，模型參數(shù)中因子值最大的為CN2；其次是ESCO、GWQMN、SOL_K、SLOPE、BLAI、CANMX和SOL_AWC，敏感性較高；最后是GW_REVAP和CH_K2，敏感性較低。因此，選擇CN2、ESCO、GWQMN、SOL_K、SLOPE、BLAI、CANMX和SOL_AWC8個參數(shù)進行率定和驗證。

表1 九龍甸水源區(qū)參數(shù)敏感性分析

3.2 參數(shù)率定與模型驗證

用鳳屯水文站月實測徑流量進行參數(shù)率定和模型驗證，其中率定期為1978年1月—1993年12月、驗證期為1994年1月—2009年12月，結(jié)果見圖1和表2。從這些圖表可以看出，在率定期和驗證期，模擬徑流與實測徑流的變化過程具有很好的對應(yīng)性，并且與降水的變化過程相一致。總體來看，率定期模擬流量大于實測流量，模擬年平均流量比實測流量大5.2%，Ens為0.87，R2為0.91，汛期徑流模擬效果好于枯水期；驗證期模擬流量大于實測流量，Re為6.3%，Ens為0.83，R2為0.87，汛期徑流模擬效果好于枯水期。根據(jù)Ens評價標準，SWAT水文模型在九龍甸水源區(qū)模擬達到乙等級標準，說明SWAT水文模型在九龍甸水源區(qū)有較好的適用性。

圖1 九龍甸水源區(qū)率定期與驗證期的實測和模擬月徑流量

表2 九龍甸水源區(qū)月徑流模擬結(jié)果

3.3 土壤侵蝕變化

1986—2009年九龍甸水源區(qū)土地利用狀況見圖2。圖2顯示了1986、2000、2009年研究區(qū)各土地利用類型占總面積的比例，其中耕地所占比例分別為11.68%、11.38%、30.87%，林地分別為69.8%、70.16%、68.56%，草地分別為18.42%、18.36%、0。由于鳳屯水文站以上水體、居民用地所占比例很小，且在各期土地利用圖上圖斑較為分散破碎難于統(tǒng)計，因此本研究不予考慮。從圖2中可以看出，2009年耕地面積明顯大于1986年和2000年，并且增加的耕地面積大多來自草地，導致草地面積幾近消失，而3期土地利用狀況中林地面積變化不大。

圖2 1986、2000、2009年九龍甸水源區(qū)土地利用類型

圖3 不同土地利用方式下九龍甸水源區(qū)土壤侵蝕空間分布

依據(jù)《土壤侵蝕強度分級標準》[9]，九龍甸水源區(qū)在1986、2000和2009年不同土地利用方式下各子流域土壤侵蝕空間分布見圖3。1986年九龍甸水源區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為9.69 t/(hm2·a)，其中微度侵蝕面積為127.96 km2，占土地總面積的56.57%；輕度侵蝕為76.76 km2，占33.90%；中度侵蝕17.54 km2，占7.75%；強烈侵蝕4.0 km2，占1.78%。2000年九龍甸水源區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為9.87 t/(hm2·a)，大于1986年，其中微度和輕度侵蝕面積未發(fā)生明顯變化、中度侵蝕面積增加了2.17 km2、強烈侵蝕面積減少了3.961 km2、極強烈侵蝕面積增加了1.79 km2。2009年九龍甸水源區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為1 360 t/(hm2·a)，其中微度侵蝕面積84.28 km2，占土地總面積的37.26%；輕度侵蝕98.18 km2，占43.40%；中度侵蝕38.76 km2，占17.14%；強烈侵蝕4.97km2，占2.2%。1986、2000、2009年3期土地利用方式下研究區(qū)土壤侵蝕類型均以輕、微度侵蝕為主，但相比1986和2000年，2009年中度和強烈土壤侵蝕所占比例有明顯增加，可見在人類活動增強導致耕地面積增加、草地面積減少的情況下，水土流失的風險也在加大。

4 結(jié) 語

本研究選用SWAT水文模型對九龍甸水源區(qū)不同土地利用方式下水文過程進行模擬，選擇LH-OAT方法對構(gòu)建的水源區(qū)模型參數(shù)進行敏感性分析(以1978—1993年為率定期， 1994—2009年為驗證期)，并模擬分析了九龍甸水源區(qū)在不同土地利用方式下的土壤侵蝕變化。得出以下結(jié)論：①敏感性分析結(jié)果表明，在九龍甸水源區(qū)CN2、ESCO、GWQMN、SOL_K、SLOPE、BLAI、CANMX和SOL_AWC8個參數(shù)對徑流影響最為敏感。②率定期R2為0.91、Ens為0.87，驗證期R2為0.87，Ens為0.83。SWAT水文模型在九龍甸水源區(qū)模擬達到乙等級標準，具有較好的適用性。③1986—2009年，九龍甸水源區(qū)不同土地利用方式下土壤侵蝕均以輕、微度侵蝕為主，但人類活動增強導致的耕地面積增加、草地面積減少，使得2009年中度和強烈土壤侵蝕所占比例明顯增加。

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