基于N-SPECT模型的膠東半島土壤侵蝕及泥沙入海通量研究

常遠勇, 侯西勇, 于良巨, 毋 亭,3

(1.上海市氣象科學研究所, 上海 200030; 2.中國科學院 煙臺海岸帶研究所, 山東 煙臺 264003; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

基于N-SPECT模型的膠東半島土壤侵蝕及泥沙入海通量研究

常遠勇1,2, 侯西勇2, 于良巨2, 毋 亭2,3

(1.上海市氣象科學研究所, 上海 200030; 2.中國科學院 煙臺海岸帶研究所, 山東 煙臺 264003; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

摘要：[目的] 探討土壤侵蝕與土地利用的關系，為膠東半島海岸帶水環境保護和治理以及流域綜合管理提供必要的技術支持和參考依據。[方法] 在RS-GIS技術支持下，基于N-SPECT模型，對膠東半島2006—2010年土壤侵蝕量及泥沙入海通量進行模擬。[結果] 土壤侵蝕高值區集中于半島東部和南部，低值區主要分布于半島中部和中南部。大沽河流域、五龍河流域和大沽夾河流域3大流域對整個膠東半島的土壤侵蝕貢獻最大。針對3大流域之外的其他半島區域，按照匯水區劃分岸段，各岸段單位長度泥沙入海通量的空間差異顯著，青島市城陽區海岸、青島南端(膠南)海岸、萊州灣東部海岸和威海西南端海岸泥沙通量最大。[結論] 土壤侵蝕和產沙與源區土地利用結構密切相關。總體而言，耕地主導型區域是土壤侵蝕嚴重的區域，而林地和草地具有減輕土壤侵蝕的作用。

關鍵詞：膠東半島; 海岸帶; 土壤侵蝕; 泥沙通量; 土地利用

土壤侵蝕不僅破壞土地資源，引起土地生產力下降和土壤理化性質變劣，而且加劇區域洪澇、干旱、滑坡、泥石流等災害的發生；土壤侵蝕對作物營養元素循環和區域氣候、植被、水文條件的變化有著重要的影響，是陸地生態系統退化的主要影響因子，也是制約經濟社會持續、穩定、健康發展的重要因素[1-2]。對區域土壤侵蝕進行定量評估，分析土壤侵蝕時空變化特征，對于因地制宜采取有效措施保持水土，減輕和控制土壤侵蝕具有重要的意義。泥沙侵蝕、搬運和沉積是一個系統的地表過程。河流搬運泥沙堆積形成廣袤的沖積平原和河口三角洲，然而，泥沙輸運和沉積也會引起災害和環境問題，例如，河道及湖泊淤積、近海水體富營養化等。國內外不少學者對泥沙入海通量進行了模擬研究，例如Syvitski等[3]研究表明全球每年因土壤侵蝕增加河流泥沙，造成的輸沙率是1.70×109～2.80×109t，Walling等[4]對泰國Chao Phraya河徑流量和泥沙入海通量進行定量評估，以及對全球147條河流的水沙輸運進行研究，發現近50%的河流輸沙率有下降趨勢；李國勝等[5]用數值模擬的方法對黃河入海泥沙輸運進行模擬研究；李希寧等[6]根據面積增長率與河流輸沙率的相關圖得出黃河三角洲堆積—侵蝕轉換的臨界河流輸沙率為2.45×l08～2.78×l08t/a；Zhang等[7]利用流量和輸沙的擬合曲線得出珠江流域的輸沙1980年左右達到最大值，1990年后則急劇減少，指出20世紀90年代和21世紀初期由于人類活動的影響珠江的入海泥沙分別下降了26.8和50.46 Mt/a。

N-SPECT(non-point source pollution and erosion comparison tool)模型是由美國NOAA海岸帶服務中心于2004年開發的用于水文—水環境模擬的半分布式集總模型，該模型集成了分布式模型和集總模型的優點，在滿足一定精度要求條件下，大大降低了模型參數準備及設定的復雜性，具有簡單、可操作性強和精度較好等優點。N—SPECT模型基于修正通用土壤侵蝕方程(revised universal soil loss equation， RUSLE)對土壤侵蝕量進行模擬，RUSLE模型是當今土壤侵蝕量定量模擬最普遍采用的模型，在國內外得到了廣泛的研究和應用[8]。目前，基于N-SPECT模型的相關研究主要集中在國外，如Paris等[9]對中美洲區域河流和暗礁連通性進行的研究等。

膠東半島是中國第一大半島，區位優越、資源豐富，是中國重要的特色農業區和海洋經濟區。改革開放以來，受氣候、人文、經濟活動等的影響，膠東半島經濟迅速發展，成為中國最具經濟活力和競爭力的地區之一。但是，伴隨著土地資源的高強度開發、農業集約化生產等，區域水土流失嚴重，土壤侵蝕造成的營養元素伴隨泥沙等沉積物通過河流系統輸送至近岸海域，對海岸帶環境和生態造成極大的沖擊。因此，本文以膠東半島為案例區，應用RS，GIS技術，結合土壤侵蝕模型，對膠東半島2006—2010年土壤侵蝕與泥沙入海通量進行模擬，分析土壤侵蝕空間格局特征，探索土壤侵蝕與土地利用結構的關系。研究可為膠東半島海岸帶水環境保護和治理以及流域綜合管理提供必要的技術支持和參考依據。

1研究區介紹

膠東半島是山東省膠萊河以東的區域，西北臨渤海，東北和南部臨黃海，西部與華北平原連接，是中國最大的半島[10]。膠東半島屬中朝準地臺膠遼臺隆，全區分為半島北部侵蝕低山丘陵區、半島中部侵蝕平原區、半島北部濱海沖積平原區、膠萊河沖積平原區、半島東部侵蝕低山丘陵區、蠟山侵蝕中低山丘陵區等地貌類型區，丘陵地貌廣泛分布，面積占60%以上。屬暖溫帶濕潤季風氣候，四季分明，1月(最冷月)均溫-3~-1 ℃，8月(最熱月)均溫約25 ℃，年降水量650～850 mm，約60%的降水集中于夏季。地帶性土壤為典型棕色森林土，多分布在緩坡地和排水良好的平地，主要是辟為農田和果園，低山丘陵中上部殘積、坡積物上的粗骨棕壤土層淺薄、質地較粗，多種植花生、甘薯等作物。半島中部由大澤山、艾山、昆崳山、偉德山等構成一個西南東北向的天然分水嶺，形成南北分流的不對稱水系，界河、黃水河、大沽夾河、沁水河、辛安河等北流入渤、黃海；大沽河、五龍河、母豬河、乳山河等南流入黃海。大部分河流呈南北流向，河道彎曲、比降較大，雨季行洪期間水深流急，枯水季節水淺流緩甚至斷流。

為便于研究，首先基于SRTM—DEM數據，借助ArcGIS 9.3軟件中的流域分析功能，依據匯流量大小將膠東半島劃分為3個主要流域及29個小流域(對若干面積很小的流域進行了合并處理)，進而，依據流域邊界確定半島的西部邊界，所劃定的膠東半島的空間范圍與傳統意義差異不大，涵蓋煙臺和威海兩市的全部、青島市的大部以及濰坊市的局部，面積為2.79×104km2。

2研究方法

2.1　土壤侵蝕模型

Wischmeier等[11]于20世紀60年代提出通用土壤侵蝕模型(USLE)，經Renard等[12]發展為修正通用土壤侵蝕模型(RUSLE)，該模型形式簡潔，是目前預測土壤侵蝕最為廣泛使用的方法。該方程將影響土壤侵蝕的6個因子連乘，其定型模式為：

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A——土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨和徑流因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕；L，S——坡度坡長因子；C，P——地表覆蓋和水土保持措施因子。

N—SPECT模型計算土壤侵蝕產沙量的關鍵是土壤侵蝕量的計算和泥沙輸移比(sediment delivery ratio，SDR)的計算，二者相乘即得到對應的土壤侵蝕產沙量。模型基于RUSLE方程估算土壤侵蝕量，利用Williams[13]提出的方法計算泥沙輸移如下：

SDR=13.66-11·da-0.197 2·zl·CN

(2)

式中：SDR——泥沙輸移比；da——柵格像元面積；zl——基于DEM得到，其在數值上等于沿著水流方向，相鄰像元的高程之差與相鄰像元中心點距離之比； CN——SCS曲線數，其確定分為3個步驟[14]：

(1) 根據土壤水分的最小滲透率劃分4組水文土壤類型，以此來確定研究區土壤的水文土壤組屬性。

(2) 考慮土壤的前期濕度條件，參照AMCⅢ級劃分指標來客觀定義土壤前期濕度。AMCⅢ級劃分指標的具體內容如下：AMC I：土壤干旱，但未達到植物萎蔫點，有良好的耕作及耕種；AMC Ⅱ：發生洪泛時的平均情況，即許多流域洪水發生前夕的土壤水分平均狀況；AMC Ⅲ：暴雨前的5 d內有大雨或小雨及低溫出現，土壤水分幾乎呈飽和狀況。

(3) 綜合研究區的土地利用類型、水文土壤組特征和土壤前期濕度條件，在美國農業部土壤保持局提出的CN表中查找并確定適用的CN值[15]。本研究所得CN值如表1所示。

表1　膠東半島區域SCS曲線CN值

2.2　模型參數計算方法

2.2.1降雨可蝕性因子降雨侵蝕力因子R值與降雨量、降雨強度、降雨歷時、雨滴大小及下降速度有關，它反映了降雨對土壤的潛在侵蝕能力。本文利用楊娟等[16]提出的利用多年平均降雨量和多年月平均降雨量計算降雨侵蝕力的經驗如公式(3)：

(3)

式中：Pi——每年的月降水量(mm)；p——每年的年降水總量(mm)。

膠東半島氣象臺站數量有限，且空間分布不均勻，因此，降水信息選用TRMM3B42降水產品，該數據是1998年以來全球(180°W—180°E，50°S—50°N)格點降水資料，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為3 h[17]。匯總膠東半島2006—2010年各月和各年的降水量，用于計算該時段降雨可蝕性因子。

2.2.2土壤可蝕性因子土壤可蝕性是指土壤遭受侵蝕的敏感程度，是土壤抵抗由降雨、徑流產生的侵蝕能力的綜合體現，也可表示土壤受侵蝕的潛在可能性。本研究采用1990年Zhang等[18]在侵蝕—生產力影響評價模型(EPIC)中發展形成的土壤可蝕性因子K值計算公式：

K={0.2+0.3exp{-0.025 6San(1-Sil/100)}}/〔Sil/(Cla+Sil)〕0.3×{1-0.25C/〔C+exp(3.72-2.95C)〕}×{1-0.75SN1/〔SN1+exp(-5.51+22.9×SN1)〕}

(4)

式中：San——砂粒含量(%);Sil——粉砂含量(%);Cla——黏粒含量(%);C——有機碳含量(%)；SN1=1-San/100。其中，砂粒(0.1～2 mm)，粉砂(0.002～0.1 mm)，黏粒(<0.002 mm)。

土壤信息來自于《山東土壤》，是全省第二次土壤調查的匯編成果，統計膠東半島土壤采樣點的粒徑、質地、有機質含量等信息，通過土壤級配[19]得到各土壤粒徑百分比含量，進而對采樣點K值進行空間插值得到膠東半島K值空間分布。

2.2.3坡度坡長因子坡度、坡長因子(L，S因子)反映地形地貌對土壤侵蝕的影響，可基于數字高程模型(DEM)提取。本文選用Aster Gdem數據，該數據是基于美國航天局(NASA)新一代對地觀測衛星TERRA的觀測結果制作完成，數據覆蓋北緯83°到南緯83°之間的所有陸地區域，空間分辨率30 m[20]。根據Renard等[12]提出的方法計算L，S因子，如公式(5—7)：

L=(λ/72.6)m

(5)

S=10.8×sinθ+0.03(θ<9%)

(6)

S=16.8×sinθ-0.50(θ>9%)

(7)

式中：L，S——坡長、坡度；λ——坡長；θ——坡度角；m——待定參數。與地形有關，可查閱模型技術手冊確定。

2.2.4地表覆蓋和水土保持因子N-SPECT模型中，地表覆蓋和水土保持因子(C，P因子)由土地利用類型決定，根據不同的土地利用類型，通過查閱模型技術手冊確定對應的C，P因子值。本文基于2005年的Landsat ETM+影像信息解譯得到土地利用數據，分為耕地、林地、草地、水體、城鎮、村莊和交通工礦7個類型(如表2所示)。

表2　流域土地利用類型及CP因子值

3結果與分析

3.1　膠東半島土壤侵蝕量分析

3.1.1土壤侵蝕量空間格局在像元尺度計算膠東半島2006—2010年土壤侵蝕模數，如附圖8所示。可見，土壤侵蝕模數空間差異顯著、格局復雜，總體來看，高值區主要分布于半島東部，低值區主要分布于半島中部和中南部，膠州灣北部和東部區域形成一個明顯的環狀低值區；對照各年份土地利用狀況，發現高值區土地利用類型多為耕地，中部低值區土地利用類型多為林地和草地，中南部區域土地利用類型雖為耕地，但是地勢平坦，坡面水流能量較小，不易產生土壤侵蝕。

3.1.2不同流域土壤侵蝕量附圖9a展示了2006—2010年不同流域的年平均土壤侵蝕量，32個流域中，大沽河流域(流域1)、五龍河流域(流域2)和大沽夾河流域(流域3)的土壤侵蝕貢獻量最大，3個流域土壤侵蝕量占整個膠東半島土壤侵蝕量的比例分別達15.9%，10.7%和8.0%。統計不同流域單位面積輸出負荷，如附圖9b，數值最高的是西乳山口(流域17)，最低的是桃園河流域(流域27)，單位面積輸出負荷高的流域多位于膠東半島東部沿海和膠州灣南部區域，低值區大都位于半島北部環渤海周邊，大沽河流域作為膠東半島最大的流域，其單位面積土壤侵蝕負荷也相對較小。

3.2　泥沙入海通量分析

3.2.1膠東半島泥沙入海通量膠東半島內陸腹地較小，降水和徑流的季節性顯著，夏季多暴雨洪水，較短時間內徑流和泥沙即可入海。對于29個較小的流域，暴雨過程中大量泥沙伴隨坡面漫流經過岸線排入海中，而對于大沽河、五龍河、大沽夾河3個主要的流域，泥沙則通過3個河流入海口直接排入海中，造成嚴重的水環境問題。因此，針對32個流域，分別統計其年平均泥沙入海通量(圖1)，在此基礎上，針對29個較小的流域，計算單位長度岸線的泥沙通量，并分等定級(表3)，用于分析內陸土壤侵蝕所導致的海岸帶水體環境風險特征(圖2)。

圖1　河口及岸段泥沙入海通量注：河口及岸段編號分別代表：1.大沽河河口； 2.大沽夾河河口； 3.東萊州灣； 4.廟島海峽； 5.金山港； 6.雞鳴島； 7.桑溝灣； 8.靖海灣； 9.浪暖口； 10.西乳山口； 11.北丁字灣； 12.大橋灣； 13.東膠州灣； 14.西北膠州灣； 15.靈山灣； 16.利根灣； 17.瑯琊(臺灣)。下同。

圖2　土壤侵蝕所導致的海岸帶水體環境風險特征

表3　泥沙通量分級與對應的水體環境風險級別

注：Ⅰ級指低通量； Ⅱ級指中等通量； Ⅲ級指較高通量； Ⅳ級指高通量。

平均每年分別約有1 590，1 220和770 kg的泥沙通過大沽河、五龍河、大沽夾河河口排入近岸海域；29個岸段泥沙年入海通量差異較大，膠東半島東南部岸段泥沙入海通量最高，如岸段16，17，19等，泥沙年入海通量都在400 kg以上，半島南部岸段年泥沙入海通量最小，如岸段29，31，32，泥沙年入海通量都在90 kg以下。

各岸段泥沙通量差異明顯，高通量岸段主要是城市化過程突出的青島城陽區海岸、農業活動密集的青島最南端(膠南市)海岸、萊州灣東部海岸以及威海西南端海岸，這些岸段的泥沙通量及其對水環境的壓力大，瑯琊臺灣和膠州灣東北部岸段(岸段32和26)單位長度泥沙通量最高，水環境風險最突出；較高通量岸段空間分布較為分散，如岸段4，13，22，水環境風險較為突出；中等通量岸段主要位于半島北部海岸和青島市東北部海岸；低通量岸段則主要分布于膠東半島東部(威海段)和東南部(青島段)岸段，如岸段12，14，29，其泥沙入海對水環境影響較小。

3.2.2泥沙入海通量與源區土地利用結構的關系

為了進一步探討膠東半島泥沙入海通量與源區土地利用結構的關系，統計每個通量級別岸段對應源區的土地利用結構(圖3)，總體而言，各個通量級別對應源區的土地利用結構差異較大。其中，Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ級別源區的耕地比重突出，林、草地比例較小，居民地和工礦用地極少，例如，Ⅳ級流域中耕地比重普遍大于60%，居民地和工礦用地則均在10%以下。I級源區土地利用結構呈現兩大類型，一類是居民地—交通工礦主導型，如岸段25，27對應源區的居民地和交通工礦用地超過50%，耕地和林草地面積比例較小；另一類是耕地優勢不明顯，但林、草地比例較高的區域，如岸段12，29，31等對應源區的林、草地比例在30%左右。Ⅳ與Ⅲ級別源區土地利用結構中，耕地都占很大比例，這些區域受人工耕作等影響，土壤松軟，在雨水、徑流的帶動下，很容易發生土壤侵蝕，造成泥沙輸移；Ⅱ級源區雖然耕地也占較大的比例，然而林草地、交通工礦用地也有較高的比例，減輕了土壤侵蝕強度；I級源區中居民地、交通工礦、林草地廣泛分布，大大減輕了土壤侵蝕強度，泥沙產量較少，對近岸水體的影響較小。

圖3　各通量級別岸段源區土地利用結構

4結 論

(1) 土壤侵蝕高值區集中于半島東部和南部，低值區主要分布于半島中部和中南部，大沽河流域、五龍河流域、大沽夾河流域對整個膠東半島區域土壤侵蝕量的貢獻最大；單位面積土壤侵蝕輸出負荷高的流域主要分布于半島東部沿海和膠州灣南部區域，低值區大都位于環渤海區域。

(2) 各岸段單位長度泥沙通量差異明顯，高通量岸段主要位于城市化突出的青島城陽區海岸、農業活動密集的青島最南端海岸、萊州灣東部以及威海西南部海岸，對沿岸水環境影響較大，膠東半島東北部(威海段)和東南部(青島段)單位長度岸段泥沙通量最小，對沿岸水環境壓力最小。

(3) 土壤侵蝕強度與土地利用結構密切相關，各通量級別對應源區土地利用結構差異顯著，總體而言，耕地主導型區域是土壤侵蝕的關鍵源區，而林地和草地具有減輕土壤侵蝕和泥沙入海通量的作用。

基于通用土壤侵蝕模型模擬土壤侵蝕和泥沙通量是一種行之有效的研究方法，尤其適合于實測數據缺失或嚴重不足區域的研究。本文基于GIS技術將膠東半島劃分為32個流域單元，并對其土壤侵蝕以及河口和岸段的泥沙通量進行模擬，受水庫泥沙沉積數據缺失等因素影響，對部分流域泥沙通量的評估尚存在一定的偏差，盡管如此，從土壤侵蝕和泥沙源區空間格局、河口和海岸帶水環境風險等級與格局等角度出發，本文研究仍具有很強的指導意義和現勢性特征，能夠為膠東半島海岸帶水環境的保護與治理以及流域綜合管理和海岸帶綜合管理的結合提供有效的技術支持和參考依據。

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A Study on Soil Erosion and Sediment Flux to Coastal Waters in Jiaodong Peninsula Based on N-SPECT Model

CHANG Yuanyong1,2, HOU Xiyong2, YU Liangju2, WU Ting2,3

(1.ShanghaiMeteorologicalScienceResearchInstitute,Shanghai200030,China;

2.YantaiInstituteofCoastalZoneResearch,ChineseAcademyofSciences,Yantai,

Shandong264003,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：[Objective] To study the relation between soil erosion and landuse patterns, in order to provide useful information for coastal water environment protection and the integrated river basin management in Jiaodong peninsula.[Methods] Taking Jiaodong Peninsula as the case study area, we evaluated soil erosion and sediment flux into coastal waters by using N-SPECT model and RS and GIS techniques.[Results] The high loads of soil erosion were found in eastern and southern coastal areas in Jiaodong peninsula, while low loads were mainly distributed in the middle and central region of the study area. The three watersheds (Dagu, Wulong and Dagujia river) contributed most to the soil erosion and sediment transportation. The sediment flux to coastal waters through shorelines exhibited high complicated spatial patterns, coastal areas in Yangcheng District, Southern Qingdao(Jiaonan City), Eastern Laizhou bay and the southwest of Weihai City have the highest sediment flux. [Conclusion] Both soil erosion and sediment were closely related to watershed land use, generally, farmland dominated areas have the most severe soil erosion, while woodland and grassland could prevent soil erosion to a great extent.

Keywords:Jiaodong peninsula; coastal zone; soil erosion; sediment flux; land use.

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)01-0187-06

中圖分類號：S157.1

通信作者：侯西勇(1976—),男(漢族),山東省泰安市人,博士,研究員,主要從事海岸帶土地利用變化、海岸帶綜合管理研究。E-mail:xyhou@yic.ac.cn。

收稿日期：2014-01-06修回日期：2014-03-07

資助項目：國家自然科學基金項目“膠東半島土地利用變化對近岸海域陸源非點源污染的影響效應研究”(40801016)； 中國科學院知識創新工程重要方向項目(KZCX2-YW-224)； 中國科學院戰略性先導科技專項(XDA05130703)

第一作者：常遠勇(1987—),男(漢族),河南省信陽市人,碩士，助理工程師,研究方向為城市氣象、海岸帶環境遙感。E-mail:yychang@yic.ac.cn。