基于SW AT模型土地利用變化對(duì)東江流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響分析1

仇繼忠 王云鵬

（1、中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣州 510640）（2、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

基于SW AT模型土地利用變化對(duì)東江流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響分析1

仇繼忠 王云鵬

（1、中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣州 510640）（2、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

利用地形、土地利用、土壤和氣候氣象等數(shù)據(jù)，構(gòu)建了東江流域SWAT模型。基于流域內(nèi)2001-2012年的土地利用變化，對(duì)不同土地利用情景下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行了計(jì)算模擬。結(jié)果表明：2001-2012年，東江流域的土地利用類型以常綠林、草地和農(nóng)業(yè)用地為主，均占總面積的80%以上。在12a間，土地利用主要變化為常綠林地的增加了14.46%，即4524.79km2，而草地、農(nóng)業(yè)用地以及混交林分別減少了4.78%、4.54%和3.97%，面積為1495.1km2、1422.11km2和1243.09km2。這些變化使得流域內(nèi)月均產(chǎn)流量增加了0.22mm，最大月產(chǎn)流量增加0.36mm，汛期（4月-9月）增加2.39mm。同時(shí)，月均產(chǎn)沙量減少0.79t/ha，最大月產(chǎn)沙量減少2.86t/ ha，汛期減少為6.29t/ha。研究結(jié)果可為東江流域土地利用方案的制定實(shí)施和水資源規(guī)劃管理決策提供科學(xué)參考。

東江流域，土地利用變化，產(chǎn)流量，產(chǎn)沙量

1、引言

土地利用變化是全球變化研究中的主要驅(qū)動(dòng)力之一[1-3]，其不僅需要大尺度的宏觀研究，而且需要中小尺度的中微觀研究。在流域或區(qū)域等中小尺度上，土地利用變化將改變水量平衡狀態(tài)，并影響水質(zhì)變化。因此，開展土地利用變化的水文和泥沙響應(yīng)研究，在促進(jìn)流域區(qū)域內(nèi)水資源的開發(fā)和保證水質(zhì)利用等方面，具有重要的意義。

在國(guó)內(nèi)外，運(yùn)用模型研究土地利用變化對(duì)于流域內(nèi)水文水質(zhì)的影響逐漸受到重視。袁再健等[4]針對(duì)日益加劇的水土流失情況，在四川紫色土地區(qū)選取了南部縣鶴鳴觀小流域作為研究區(qū)，分析荒地、灌木林、坡耕地、梯地、林地等土地利用方式的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，為構(gòu)建產(chǎn)流產(chǎn)沙的小流域分布式模型奠定基礎(chǔ)。傅伯杰等[5]使用校正的土壤侵蝕模型LISEM（Limburg Soil Erosion Model）探討了黃土溝壑區(qū)的林地/灌木地、果園/經(jīng)濟(jì)林地、荒草地、休閑地和耕地等五種土地利用方式的水土流失效應(yīng)。花利忠等[6]利用農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型Ann AGNPS（annualized agricultural non-point source）定量評(píng)價(jià)了三峽庫(kù)區(qū)的大寧河流域流域的徑流與泥沙，顯示了模型在流域徑流與泥沙負(fù)荷估算及其評(píng)價(jià)中的應(yīng)用潛力。

本文利用成熟的分布式水文模型SWAT，構(gòu)建了東江流域空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。基于此，審計(jì)了兩種不同土地利用情景，模擬運(yùn)算出產(chǎn)流產(chǎn)沙量，分析了流域內(nèi)土地利用變化對(duì)兩種產(chǎn)量的影響。研究結(jié)果不僅對(duì)政府部門進(jìn)行水資源管理時(shí)提供決策參考，還對(duì)流域內(nèi)土地可持續(xù)利用科學(xué)方案的制定與實(shí)施提供依據(jù)。

2、研究區(qū)域和SWAT模型

2.1 研究區(qū)概況

東江（圖1）是珠江的三大干流水系之一，發(fā)源于江西省南部山區(qū)，流經(jīng)廣東省河源、惠州等地，在東莞市石龍鎮(zhèn)注入珠江三角洲。流域的地理范圍為北緯，東經(jīng)，總面積約為2.9×104km2。地勢(shì)由北、東、西三面邊緣漸次向中部降低，并向南傾斜，海拔由最高的1470m降低到最低的0m。東江流域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)區(qū)，其氣候受季風(fēng)影響較大，氣溫約為24.5-32.9℃，年均降水約2114.6mm，年均徑流量為33.11×109m3，超過(guò)中國(guó)河流徑流量平均水平[7]，汛期為每年的4月-9月。

2.2 SWAT模型簡(jiǎn)介

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是Jeff Arnold為美國(guó)農(nóng)業(yè)部下屬的農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的分布式流域模型[8]。該模型以年、月和日等為時(shí)間步長(zhǎng)，以水循環(huán)為基礎(chǔ)，對(duì)流域內(nèi)的一系列復(fù)雜物理現(xiàn)象進(jìn)行模擬計(jì)算，如匯流產(chǎn)水、泥沙產(chǎn)生和營(yíng)養(yǎng)物遷移等等。并能在不同氣候條件和土地利用類型的情景下進(jìn)行上述流域內(nèi)過(guò)程的預(yù)測(cè)。

建模時(shí)，SWAT首先跟據(jù)DEM和實(shí)際水系等數(shù)據(jù)把研究流域劃分為若干個(gè)子流域。當(dāng)子流域內(nèi)因不同的土地利用、土壤類型和管理措施影響到水文過(guò)程時(shí)，模型就進(jìn)一步把子流域繼續(xù)劃分為不同的水文響應(yīng)單元（Hydrologic Response Units,HRUs）。在SWAT模型里，同一個(gè)HRU中具有相同水文特性。

流域中的所有模擬過(guò)程均基于水量平衡。SWAT模型采用的水量平衡方程為[9]

式中,SWt表示土壤最終含水量，SW0表示土壤的初始含水量，t表示時(shí)間，Rday表示降水量，Qsurf表示地表徑流，Ea表示蒸散發(fā)量，Wseep表示土壤剖面底層的滲透量和側(cè)流量，Qgw表示回歸流的水量。上述符號(hào)，除了時(shí)間t的單位為d外，其他均為mm。在本研究中，地表徑流量的估算使用修正的SCS曲線數(shù)法(Modified SCS Curve Number)[10]，產(chǎn)沙量則使用MUSLE方程（Modified Universal Soil Loss Equation）[11]來(lái)計(jì)算。具體細(xì)節(jié)可查看相關(guān)文獻(xiàn)，此處則不再展開。

2.3 SWAT模型構(gòu)建

在運(yùn)行SWAT模型前需要收集大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如地形、土地利用、土壤和氣候氣象等等，并根據(jù)模型的運(yùn)行條件和要求進(jìn)行整理和預(yù)處理，建立起模型所需的空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3.1 DEM數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)來(lái)自90m空間分辨率的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）DEM數(shù)據(jù)集，從網(wǎng)站（http∶//srtm.csi.cgiar.org/）下載。

2.3.2 氣象數(shù)據(jù)

模型所需的氣象數(shù)據(jù)包括氣溫、降水、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速和相對(duì)濕度等。東江流域內(nèi)共有4個(gè)國(guó)家氣象站（圖1和表1）。從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http∶// data.cma.cn）的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集V3.0版本可獲取其數(shù)據(jù)，時(shí)段為1970-2012年，其中1970-2000年等30年數(shù)據(jù)作為模型運(yùn)行的氣候背景值，用于建立天氣發(fā)生器數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3.3 土地利用數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)采用兩景MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品MCD12Q1，獲取時(shí)間分別為2001年和2012年，空間分辨率為500m。其原有的IGBP土地分類經(jīng)過(guò)如表2的轉(zhuǎn)換后方可適合SWAT模型的使用。

2.3.4 土壤數(shù)據(jù)

土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧食和農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）的和諧世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（Harmonized World Soil Database，HWSD）。然而，HWSD的土壤粒徑級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際制，而SWAT模型是USDA簡(jiǎn)化的美制標(biāo)準(zhǔn)，所以需要使用土壤水文特性軟件SPAW[12]對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才得到模型需要的土壤屬性[13]。

2.4 情景設(shè)定

研究[14，15]表明，氣候變化和土地利用方式的改變會(huì)影響到流域內(nèi)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。為了評(píng)估土地利用變化的影響，本研究設(shè)定了以下兩種模擬情景，只改變土地利用而保持氣候變化變量不動(dòng)：

2001年情景：2000-2012年氣象數(shù)據(jù)、2001年土地利用數(shù)據(jù)；

2012年情景：2000-2012年氣象數(shù)據(jù)、2012年土地利用數(shù)據(jù)。

3、結(jié)果和分析

3.1 土地利用時(shí)空變化特征

基于兩期(2001年和2012年)MODIS土地利用影像，本研究使用ArcGIS軟件對(duì)東江流域的土地利用進(jìn)行分析，得到2001-2012年土地利用變化情況（表3）。

2001-2012年?yáng)|江流域的土地利用以常綠林、草地和農(nóng)業(yè)用地為主。這些土地利用類型均占流域總面積的80%以上(2001年為81.16%，2012年為86.29%)；而水域、落葉林、灌木林和裸地等類型的比例較小，不超過(guò)2%。與2001年相比較，2012年的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化。2012年土地利用變化主要表現(xiàn)為常綠林地的增加。該種土地類型的面積比2001年增加了14.46%，即4524.79km2。而草地、農(nóng)業(yè)用地和混交林減少的比例較大，分別為4.78%、4.54%和3.97%，減少的面積分別為1495.1km2、1422.11km2和1243.09km2。

繼續(xù)利用ArcGIS軟件處理這兩景土地利用影像，得到2001-2012年?yáng)|江流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表4），以進(jìn)一步分析各種土地利用類型的轉(zhuǎn)化情況。

常綠林地的增加主要由混交林和草地轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)，其中混交林約轉(zhuǎn)移了1846.49km2，草地約為3333.01km2。同時(shí)，常綠林地只轉(zhuǎn)移給混交林1008.68km2,轉(zhuǎn)移給草地只有358.48km2。農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)移了543.52km2給常綠林，但更多轉(zhuǎn)給了草地，達(dá)2093.35km2。這些土地利用方式的變化導(dǎo)致了東江流域下墊面狀況的改變，進(jìn)一步作用于流域內(nèi)水循環(huán)，必定對(duì)研究流域內(nèi)的產(chǎn)流產(chǎn)沙產(chǎn)生一定的影響。

3.2 土地利用變化對(duì)產(chǎn)流的影響

表5顯示了2001年和2012年兩個(gè)時(shí)期的土地利用方式對(duì)東江流域產(chǎn)流量的改變起到一定的作用。利用方式的改變使得流域內(nèi)三種產(chǎn)流量都有不同程度的增加。與2001年情景相比，2012年情景的月均產(chǎn)流量增加了0.22mm，最大月產(chǎn)流量在5月份，增加了0.36mm，汛期（4月-9月）的增加程度尤其明顯，達(dá)2.39mm。前面分析可知，在2001-2012年的12a里，流域內(nèi)土地利用變化以常綠林地的增加、草地、農(nóng)業(yè)用地和混交林減少為主要特點(diǎn)。結(jié)果說(shuō)明了在降水充沛的濕潤(rùn)條件下，在具有較好的水源涵養(yǎng)能力、較少的蒸散發(fā)耗水以及林地土壤良好的滲透作用，常綠林地的增加使得流域內(nèi)產(chǎn)流量增加。

3.3 土地利用變化對(duì)產(chǎn)沙的影響

與產(chǎn)流量相反，土地利用方式的變化削減了東江流域的產(chǎn)沙量（表6）。與2001年情景相比，2012年情景的月均產(chǎn)沙量減少了0.79t/ha，最大月產(chǎn)沙量在4月份，減少了2.86t/ha，汛期（4月-9月）的削減程度很大，為6.29t/ha。因?yàn)槌＞G林地的增加，林冠的密實(shí)減少降雨動(dòng)能，林木根系穩(wěn)定坡體，林地地表糙率阻延地被物流失等等諸多因素均能有效地防止土壤侵蝕，有效地削減了東江河道的泥沙來(lái)源。

4、結(jié)論

本文選取東江流域2001年和2012年的土地利用為研究對(duì)象，使用SWAT分布式流域模型，對(duì)兩種不同土地利用情景下的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量進(jìn)行了模擬，得出以下結(jié)論∶

①東江流域的土地利用類型以常綠林、草地和農(nóng)業(yè)用地為主，均占流域總面積的80%以上。2001-2012年的12a的土地利用變化主要為常綠林地的增加和草地、農(nóng)業(yè)用地以及混交林減少。

②常綠林地的增加以及其他土地利用類型的減少使得東江流域內(nèi)月均產(chǎn)流量、最大產(chǎn)流量和汛期產(chǎn)流量有著不同程度的增加，月均產(chǎn)沙量、最大產(chǎn)沙量和汛期產(chǎn)沙量有著不同程度的減少。

土地利用變化具有時(shí)效性。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，東江流域內(nèi)土地利用隨著時(shí)間的推移而在變化。這種變化影響到流域內(nèi)水循環(huán)，最終影響到了產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的變化，尤其是在4月-7月的汛期階段，這會(huì)在某種程度上加大洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，值得當(dāng)?shù)卣腿嗣褡⒁狻?/p>

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