黃土丘陵溝壑區(qū)雨水資源化途徑及潛力分析

馬永強(qiáng)，李夢華，郝姍姍，石 云,2

(1.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評價(jià)與環(huán)境調(diào)控實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021)

雨水是黃土丘陵溝壑區(qū)重要的水資源，精準(zhǔn)確定集雨工程位置并修建適宜的工程類型，可以有效的增加雨水資源利用率，解決水資源匱乏的問題[1,2]。利用科學(xué)的方法確定潛在的集雨工程位置和類型，掌握可收集雨水資源量和水土保持生態(tài)用水量意義重大[3]。確定集雨工程的位置和類型，需要對土地利用現(xiàn)狀、土壤類型和質(zhì)地、坡度、集水路徑及地表徑流潛力等數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析和評價(jià)[4-6]。遙感(RS)技術(shù)、地理信息科學(xué)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的快速發(fā)展，為確定集雨工程位置和類型提供新的技術(shù)、豐富的數(shù)據(jù)源及方法[7]。地表徑流潛力需要用徑流估測分布式水文模型計(jì)算。目前，常見的徑流估測分布式水文模型有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。其中美國農(nóng)業(yè)部設(shè)計(jì)開發(fā)的SCS-CN分布式水文模型具有結(jié)構(gòu)簡單、所需參數(shù)少、模擬精度高等特點(diǎn)，能夠客觀、高效的反映土地利用現(xiàn)狀、土壤類型及前期土壤濕度等因素對降水徑流的影響，被廣泛的應(yīng)用于徑流估測[7-10]。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者采用SCS-CN模型對集雨工程位置和類型確定做了研究[9-11]，研究區(qū)多為大、中尺度流域，很多研究是對SCS-CN模型參數(shù)的修正，對收集的雨水資源在生態(tài)恢復(fù)空間的價(jià)值研究較少，自然環(huán)境和地理位置的區(qū)域性差異對確定集雨工程位置影響及可收集雨水資源量的研究還在不斷的探索中。針對寧南山區(qū)黃土丘陵溝壑區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源匱乏的情況，集雨工程位置確定是提高區(qū)域雨水資源的合理、便捷和低成本利用的重要途徑，是該區(qū)域亟待研究的問題。

本研究選擇彭陽縣高建堡小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，彭陽縣是我國水土流失最嚴(yán)重的縣域之一，高建堡小流域包含了目前黃土丘陵溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)及水土保持措施的最基本類型，水資源匱乏和水土流失是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境惡化、經(jīng)濟(jì)落后的主要原因[12]。如何將有限的雨水資源適時(shí)、合理的利用，達(dá)到發(fā)展經(jīng)濟(jì)和生態(tài)恢復(fù)的目的，是區(qū)域發(fā)展面臨的重要問題[13,14]。研究采用RS、GPS和GIS技術(shù)處理高分辨率遙感影像、DEM、土壤專題圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取土地利用現(xiàn)狀、坡度、土壤類型和質(zhì)地等信息，運(yùn)用SCS-CN分布式水文模型估測徑流潛力，在集雨工程約束條件分析下，確定適宜的集雨工程位置和類型；通過水土保持生態(tài)用水量方法獲取研究區(qū)生態(tài)用水量，進(jìn)一步計(jì)算獲取可收集雨水量，為水資源匱乏及水土保持用水提供解決的方法和途徑。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

高建堡小流域位于寧夏回族自治區(qū)彭陽縣，地理位置介于106°32′～106°58′E，35°41′～36°17′N之間，面積為1 076.89 hm2，屬黃土丘陵溝壑區(qū)Ⅱ副區(qū)，溝壑縱橫，地形支離破碎[14]。流域內(nèi)建有王洼水土保持國家級科技示范園區(qū)，氣候類型為半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均溫度為8.3 ℃，多年平均降水量為420 mm，年際降水變化大，降水分布不均勻，多集中在7-9月，且多以暴雨形式出現(xiàn)[15]。土壤類型主要為黃綿土、淡黑壚土和普通黑壚土，其中黃綿土所占比重最大，表土層有機(jī)質(zhì)含量4%～6%，土層深厚在2 m以上，土壤質(zhì)地主要為壤土和黏壤土[16]，如圖1所示。

圖1 流域位置圖Fig.1 The basin location map

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1)GF-2號遙感衛(wèi)星影像(2016年7月30日，融合后分辨率為1 m，傳感器為：pms，云量<2%)；

(2)5 m×5 m數(shù)字高程模型(DEM) 研究區(qū)1∶10 000數(shù)字地形圖生成的DEM(5 m×5 m)；

(3)1∶50 000土壤專題圖(1990年10月)；

(4)1990-2016年氣象數(shù)據(jù)(寧夏氣象局)；1990-2016年水文數(shù)據(jù)(寧夏回族自治區(qū)固原市彭陽縣王洼水保站)。

1.3 研究方法

1.3.1 SCS-CN分布式水文模型

運(yùn)用SCS-CN分布式水文模型估算徑流潛力，計(jì)算公式如下:

(1)

其中：

Ia=λS

式中：Q為徑流量，mm；P為多年月平均降雨總量,mm；Ia為多年月平均降雨初損值mm；S為可能最大滯留量；λ是區(qū)域參數(shù)(0.1≤λ≤0.3)，主要受地質(zhì)條件和氣象因素影響，綜合既有的相關(guān)研究并分析[14,15]，確定研究區(qū)的λ值為0.2。S值的計(jì)算公式為：

S=25 400/CN-254

(2)

式中：CN值是一個(gè)無量綱參數(shù)，值域區(qū)間為0～100，主要是由土地利用現(xiàn)狀、前期土壤濕度(AMC)及土壤類型和質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)決定[16,17]。采用濕潤指數(shù)對研究區(qū)多年平均降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，用來反映研究區(qū) AMC，對土地利用現(xiàn)狀及土壤類型和質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行空間分析和屬性查詢，根據(jù)美國國家工程手冊CN值查算表和研究區(qū)實(shí)際情況，確定CN值。

1.3.2 水土保持措施生態(tài)環(huán)境用水量

根據(jù)研究區(qū)水土保持措施分布實(shí)際情況，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)王洼水土保持監(jiān)測站徑流場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算各項(xiàng)水土保持措施的生態(tài)環(huán)境用水量[18],公式如下：

W=λΔW

(3)

式中：W為水土保持生態(tài)環(huán)境用水量，萬m3;λ為修正系數(shù)。

ΔW=(1-k)(ΔW1+ΔW2)

(4)

式中：ΔW1和ΔW2為治坡和治溝措施攔蓄的地表徑流總量，萬m3，由于研究區(qū)無淤地壩等治溝措施，ΔW2取值為0;k為地下徑流補(bǔ)給系數(shù),取值為0.10。

ΔW1=n1f1ΔR1+n2n3f2ΔR2+n4n5f3ΔR3

(5)

式中：f1、f2、f3分別為梯田、造林、草地的面積，hm2;ΔR1、ΔR2、ΔR3分別為梯田、造林、種草攔蓄的地表徑流量，萬m3;n1為梯田破壞率修正系數(shù),取值為0.9;n2為小區(qū)林地移用至大面積林地的修正系數(shù),取值為0.7;n3為林地面積保存率,取值為0.7;n4為小區(qū)草地移用至大面積草地的修正系數(shù),取值為0.8;n5為草地面積保存率，取值為0.7。

1.3.3 集雨模型修正及集雨量估測

研究將高建堡小流域劃分為若干子集水區(qū)，以徑流潛力代替子集水區(qū)的年徑流量，匯總所有子集水區(qū)的年徑流潛力，作為研究區(qū)可收集雨水資源量[19]。研究區(qū)分布有大量的水土保持措施截留部分降水資源，研究據(jù)此對模型進(jìn)行修正，公式如下：

(6)

式中：R為研究區(qū)可收集雨水資源量，萬m3；Aij為各集水區(qū)面積，hm2；Qij為各集水區(qū)的年徑流量，萬m3，以年平均徑流潛力代替；N為集水區(qū)個(gè)數(shù)，因?yàn)樽蛹畢^(qū)具有不規(guī)則形狀，i、j、a、b為1～N中間的任一變量，a

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

2.1 土地利用現(xiàn)狀

研究利用ENVI對GF-2影像進(jìn)行校正和自動(dòng)識別分類，采用目視判讀的方法對影像識別分類精細(xì)化。2016年8月17-24日及2017年8月16日野外調(diào)查和復(fù)查研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀，GPS定點(diǎn)及記錄，根據(jù)野外結(jié)果建立解譯標(biāo)志知識庫，修正影像判讀后存在疑慮或不確認(rèn)的土地利用分類，最終獲取研究區(qū)精確的土地利用現(xiàn)狀，精度達(dá)98%。

2.2 土壤類型和質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)

研究利用ArcGIS對研究區(qū)土壤類型和質(zhì)地專題圖(1∶50 000)進(jìn)行配準(zhǔn)及矢量化處理，獲得研究區(qū)土壤空間分布圖。

2.3 坡 度

在GIS空間分析模塊的支持下提取坡度(S)空間分布數(shù)據(jù)，對提取結(jié)果重分類：0°≤S≤5°為微坡，5°≤S≤8°較緩坡，8°≤S≤15°緩坡，15°≤S≤25°較陡坡，25°≤S≤35°為陡坡，S≤35°為急陡坡[20]，如圖2所示。

圖2 坡度分級圖Fig.2 Slope classification map

2.4 集水路徑及集水區(qū)

研究通過GIS水文分析獲取研究區(qū)集水路徑和集水區(qū)空間分布數(shù)據(jù)。研究區(qū)集水路徑和集水區(qū)分析的重點(diǎn)是確定最小集水面積閾值，高程值相近且集水區(qū)面積等于該閾值的柵格就可以定義為河源，當(dāng)集水面積大于該閾值時(shí)，就可形成徑流。根據(jù)研究區(qū)面積和DEM數(shù)據(jù)(5 m×5 m)的情況，利用Strahler河流分級法對河網(wǎng)進(jìn)行分級[20,21]，確定最適宜閾值為200，將集水路徑和子集水區(qū)劃分為5個(gè)等級制作專題圖如圖3所示。

圖3 集水路徑和子集水區(qū)等級圖Fig.3 Catchment path and sub-catchment level map

2.5 徑流潛力

運(yùn)用SCS-CN分布式水文模型估測徑流潛力，首先要確定CN值。

(1)前期土壤濕度(AMC)：SCS-CN分布式水文模型將AMC劃分為3類，研究采用濕潤指數(shù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)多年月平均降水量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，結(jié)合前期土壤濕度實(shí)測數(shù)據(jù)，劃定7,8月為平均(AMCⅡ)狀態(tài)，4-6月及10月為干(AMCⅠ)狀態(tài)，9月為濕潤(AMCⅢ)狀態(tài)，如表1所示。

表1 研究區(qū)月平均土壤濕度判讀表Tab.1 Monthly average soil moisture in the study area interpretation table

(2)水文土壤組(HSG)：SCS-CN分布式水文模型根據(jù)土壤最小下滲率數(shù)據(jù)及土壤質(zhì)地資料，將HSG 分為 A、B、C、D 4 種類型[13,15]。研究區(qū)土壤類型主要有黃綿土和黑壚土，根據(jù)兩種土壤類型的土壤質(zhì)地和下滲率等特征，結(jié)合已有研究成果和資料，將研究區(qū)HSG分為A(黃綿土)、B(黑壚土)兩種類型[23,24]，如表2所示。

表2 徑流潛力計(jì)算表Tab.2 Runoff potential calculation table

(3)研究利用ArcGIS對研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀和水文土壤組(HSG)數(shù)據(jù)求交獲得土地利用現(xiàn)狀-HSG矢量和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；根據(jù)美國國家工程手冊CN值查算表和給定的轉(zhuǎn)換公式，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，分別獲取AMCⅠ、AMCⅡ和AMCⅢ狀態(tài)下的CN值[17,25]，代入公式(1)和(2)，計(jì)算獲得月徑流量Q和徑流潛力數(shù)據(jù)。結(jié)合集雨工程建設(shè)的要求和研究區(qū)實(shí)際降水情況，將徑流潛力數(shù)據(jù)劃分為3個(gè)等級：低(<200 mm)占6.9%；中(200～400 mm)占92.25%；高(>400 mm)占0.9%，如圖4所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 約束集構(gòu)建

根據(jù)雨水集蓄工程技術(shù)規(guī)范，結(jié)合既有集雨工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)對選址的一般要求，確定適合研究區(qū)的塘壩、水窖、蓄水池及庭院集雨區(qū)等集雨工程類型，設(shè)定約束條件，構(gòu)建集雨工程位置約束集。構(gòu)建約束集需要考慮土地利用現(xiàn)狀、土壤類型、徑流潛力空間分布、坡度及集雨工程與需水地的經(jīng)濟(jì)差距。研究區(qū)溝壑縱橫、人口分布不集中、耕地集中在居民地周圍以及園地與居民地距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，地形復(fù)雜，遠(yuǎn)距離輸水成本高、技術(shù)難。因此，對研究區(qū)構(gòu)建雨水集蓄工程位置選擇及不同雨水集蓄工程的規(guī)格約束集，如表3和表4所示。

圖4 徑流潛力分級圖Fig.4 Runoff potential classification diagram

表3 確定集雨工程位置約束集Tab.3 Determine rainwater collection location constraints

3.2 潛在位置確定

研究利用ArcGIS提取土地利用現(xiàn)狀中的居民地、耕地和園地空間分布數(shù)據(jù)，根據(jù)約束條件分別建立100、200和500 m范圍的緩沖區(qū)，與土壤類型、坡度、徑流潛力和集水路徑分級數(shù)據(jù)求交分析，結(jié)合不同集雨工程的約束條件對結(jié)果分析，精準(zhǔn)確定不同類型集雨工程的潛在位置，結(jié)果如下：①適宜修建塘壩的位置1處，面積為8.29 hm2；②適宜修建蓄水池的位置15處；③適宜修建水窖的位置52處；④適宜修建庭院集雨區(qū)的面積為22.27 hm2，分布在居民區(qū)范圍內(nèi)，如圖5所示。

表4 集雨工程應(yīng)用方向及條件Tab.4 rainwater collection project applicationdirection and conditions

圖5 潛在集雨工程位置及類型圖Fig.5 potential catchment project location and type map

3.3 集雨量估測及應(yīng)用

研究通過已修正的集雨量方法和水土保持措施生態(tài)用水方法獲得研究區(qū)可收集雨水資源量和水土保持措施生態(tài)用水量，結(jié)果表明，高建堡小流域年均水土保持措施生態(tài)用水量約為204.76 萬m3，年均可收集雨水資源量約為158.95 萬m3，在發(fā)生特大干旱或病蟲災(zāi)害等緊急狀況時(shí)，收集的雨水資源量可作為備用水資源利用。

4 討 論

(1)研究將3S技術(shù)方法和SCS-CN分布式水文模型集成應(yīng)用于確定黃土丘陵溝壑區(qū)集雨工程位置和類型，該方法及數(shù)據(jù)處理過程適用于高建堡小流域及各種尺度流域，不同區(qū)域需要根據(jù)空間尺度和實(shí)際情況選取適宜的集雨工程類型，如澇池、攔水壩和大口井等。

(2)流域地形復(fù)雜，溝壑縱橫，分布有大量的水土保持措施，包含王洼水土保持科技示范園區(qū)的水平溝治理示范區(qū)，對徑流產(chǎn)生及可收集雨水資源量產(chǎn)生極大的影響[26]。因此研究針對該情況對雨水收集方法進(jìn)行了修正。該方法僅適用于該研究區(qū)，其他區(qū)域需進(jìn)一步驗(yàn)證。

(3)研究采用高分辨率影像獲取土地利用數(shù)據(jù)，利用1∶10 000地形圖提取DEM(5 m×5 m)數(shù)據(jù)，保證圖斑提取、坡度等地形因子精度，滿足分析黃土丘陵溝壑區(qū)徑流和地表水運(yùn)動(dòng)的小流域尺度精度需求。小尺度、高精度的設(shè)計(jì)方案能夠更精準(zhǔn)的確定集雨工程的位置和類型，可為當(dāng)?shù)厮亮魇е卫硖峁┚_的集雨措施信息，進(jìn)一步優(yōu)化小流域水土流失治理。

(4)高建堡小流域內(nèi)已建有1座塘壩，5座澇池及210處蓄水池及井窖，建設(shè)時(shí)期為滿足居民生活和農(nóng)業(yè)需求，以農(nóng)戶數(shù)和農(nóng)田面積為分配衡量標(biāo)準(zhǔn)，對修建位置進(jìn)行了簡易勘測，科學(xué)性及適宜性有待商榷。研究對修建位置的精準(zhǔn)確定，在節(jié)約成本及能效上實(shí)現(xiàn)最大化，可為已有小型水利設(shè)施優(yōu)化提供科學(xué)理論依據(jù)和方法。

(5)在對可收集雨水資源量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，研究對集雨工程的規(guī)格、滿載水量和施工要求考慮不甚詳盡，可能在雨水收集過程中產(chǎn)生雨水溢流或泥沙堆積等情況，有待進(jìn)一步研究。

(6)寧南山區(qū)是國家重點(diǎn)扶貧對象，水資源短缺制約當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展，如何合理、高效的利用集蓄雨水資源，將集雨工程位置的確定在扶貧空間上合理設(shè)計(jì)和規(guī)劃，優(yōu)先為貧困人群配置集雨工程和小型水利設(shè)施，提高當(dāng)?shù)厝嗣窠?jīng)濟(jì)水平，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)扶貧，還需探究。

5 結(jié) 語

(1)研究以國產(chǎn)高分辨率遙感影像GF-2(1 m)和DEM(5 m×5 m)等高精度空間數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，集成利用3S和SCS-CN分布式水文模型確定集雨工程位置的方法、數(shù)據(jù)處理過程，能夠精準(zhǔn)確定潛在集雨工程位置和類型，適用于黃土丘陵溝壑區(qū)小流域，采用水土保持生態(tài)用水量計(jì)算方法和可收集雨水資源量方法獲取研究區(qū)可收集雨水資源量和生態(tài)用水量，可以為當(dāng)?shù)赜晁Y源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)指導(dǎo)。

(2)高建堡小流域徑流潛力等級主要以中級為主，面積為855.41 hm2，占研究區(qū)總面積的92.20%，高、低等級的面積分別為8.29和64.12 hm2，占比分別為0.89%和6.91%；

(3)適宜的集雨工程類型有水窖、蓄水池、塘壩和庭院集雨區(qū)；其中適宜修建水窖的位置為52處；修建蓄水池的位置為15處；可以布置庭院集雨區(qū)的面積為22.27 hm2；適宜修建塘壩的位置為1處，面積為8.29 hm2。

(4)研究區(qū)年均水土保持措施生態(tài)用水量約為204.76 萬m3，年均可收集雨水資源量約為158.95 萬m3。在發(fā)生特大干旱或病蟲災(zāi)害等緊急狀況時(shí)，收集的雨水資源量可作為備用水資源利用。