土地利用情景對水庫上游徑流泥沙的響應(yīng)研究

宋春暉

(北京中水科工程集團有限公司，北京 100048)

1 研究區(qū)概況

某水庫始建于20世紀(jì)70年代，是一座以防洪和供水為主，兼有灌溉、養(yǎng)殖等諸多功能的綜合性水利工程。研究區(qū)域位于水庫上游，總面積264.55 km2。

研究區(qū)的平均海拔高度為1320 m，屬于山地丘陵地貌，相對高差較小，基本呈西北向東南傾斜的走勢。其中，坡度在25°以上的區(qū)域占70.78%，20°～25°的區(qū)域占7.20%；15°～20°的區(qū)域占6.44%，15°以下的區(qū)域占15.58%。由于受到長期的水流侵蝕作用，研究區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，水土流失較為嚴(yán)重[1]。

研究區(qū)屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水時空分布不均問題比較突出且主要集中于夏季，春秋較為干燥，冬季降雪量相對較少。多年平均降水量為790 mm，年最大降水量為1498 mm，最小降水量為189 mm，年際變化較大。

研究區(qū)的土壤類型以黃壤為主，有少部分沙壤、黏土，平均厚度為60～70 mm。流域內(nèi)的植被主要是暖亞熱帶闊葉林，典型植物有刺槐、赤松、麻櫟等，主要經(jīng)濟林為蘋果、板栗、核桃。

2 模型與方法

2.1 模型簡介

SWAT模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心研制的一款通用分布式水文模型，主要用于模擬不同土地利用和管理模式對大流域水沙影響，是目前國際上較為先進的流域模型體系，其功能和有效性已經(jīng)得到諸多研究項目的驗證。該模型使用的氣象、土地利用、土壤等數(shù)據(jù)一般可以由政府部門的常規(guī)觀測數(shù)據(jù)獲得；同時，該模型不需要進行額外的時間即可實現(xiàn)大流域或不同流域管理方案組合的計算，具有較高的計算效率。因此，研究中選擇SWAT模型展開研究[2-8]。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

SWAT模型在建模運行初期需要大量的數(shù)據(jù)支撐。結(jié)合研究區(qū)情況和建模的實際需要，使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和來源如下：分辨率10 m的研究區(qū)高程數(shù)據(jù)和天地圖影像來源于衛(wèi)星助手，在模型導(dǎo)入之前主要對其進行填洼和投影變換；土壤數(shù)據(jù)來源于國家科學(xué)數(shù)據(jù)中心，原始數(shù)據(jù)為grid 柵格格式，采用FAO-90土壤分類系統(tǒng)，研究中依據(jù)研究區(qū)邊界進行裁剪獲得研究區(qū)土壤類型分布圖，研究區(qū)的土壤主要包括飽和疏松巖性土、不飽和雛形土，簡育高活性淋溶土和飽和雛形土四種類型；氣象和水文數(shù)據(jù)來自水庫管理局網(wǎng)站，部分缺失數(shù)據(jù)通過人工定期檢測彌補；研究區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)通過研究區(qū)影像數(shù)據(jù)的人工解譯獲得。具體來看，以研究區(qū)的影像為數(shù)據(jù)源，利用ArcGIS 平臺以人機交互方式進行圖斑劃分，對解譯中發(fā)現(xiàn)的問題進行實地勘驗，以驗證解譯結(jié)果的正確性。結(jié)合高程數(shù)據(jù)和土地類型解譯結(jié)果，獲得不同土地類型坡度分布，詳見表1。由表1可知，研究區(qū)內(nèi)的耕地基本分布于坡度為5°～15°的區(qū)域，園地、林地和其他用地主要分布在25°以上區(qū)域，建設(shè)用地和水域主要分布于15°以下區(qū)域。

表1 研究區(qū)土地利用解譯結(jié)果

2.3 子流域劃分

在SWAT 建模過程中，子流域劃分十分關(guān)鍵和重要。顯然，子流域的面積過小和過大都不利。因此，研究中選擇模型默認(rèn)值作為子流域面積閾值，然后進行水系生成，并定義好流域出口和水系節(jié)點，最終將研究區(qū)劃分為28個子流域。分布示意圖見圖1。

圖1 研究區(qū)子流域劃分示意圖

2.4 水文響應(yīng)單元劃分

水文響應(yīng)單元是根據(jù)土地使用類型、坡度等因素劃分的具有基本相同水文特征的最小水文單元，對保證模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要意義。在這一過程中，首先加載土地利用柵格數(shù)據(jù)，然后利用模型數(shù)據(jù)庫對其進行重新分類和加載，研究中將土地坡度劃分為<5°、5°～15°、15°～20°、20°～25°以及>25°等5個不同的等級，然后根據(jù)不同因素的閾值將研究區(qū)劃分為321個水文響應(yīng)單元。

2.5 計算方案

按照國家林業(yè)和草原局的相關(guān)要求，退耕還林是山地丘陵區(qū)水土保持和生態(tài)環(huán)境維護的重要手段，力爭將25°以上所有坡耕地全部改為林地。在上述政策背景下，研究區(qū)的土地利用情況將會發(fā)生比較顯著的變化。基于此，此次研究以土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，構(gòu)建如表2所示的不同土地利用情景進行計算分析，獲得土地利用情景對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

表2 土地利用情景預(yù)設(shè)方案

3 計算結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)流分析

利用構(gòu)建的模型對不同土地利用情景下的流域產(chǎn)流進行模擬計算，結(jié)果見表3。從計算結(jié)果可以看出，在情景1條件下，年均每日徑流量呈現(xiàn)出減小的趨勢，與現(xiàn)狀相比減少7.37%，由此可見，雖然研究區(qū)的耕地占比不大，但是通過退耕還林仍舊可以發(fā)揮明顯的地表徑流抑制作用。情景2條件下的年均每日徑流量呈現(xiàn)出減小的趨勢更為顯著，與現(xiàn)狀相比減少16.03%，由此可見，與園地相比，林地對地表徑流的抑制作用更為顯著，特別是對于坡度較大的區(qū)域，林地在消減徑流、防止山洪暴發(fā)方面作用顯著。情景3屬于一種極端情況，在將耕地和園地全部轉(zhuǎn)化為林地之后，年均每日徑流量減少了約20.83%，由于該情景的林地面積相較于情景2有大幅增加，但是徑流消減率增加不多，說明隨著林地面積的增大，其對研究區(qū)的徑流消減率在逐漸降低。情景4是將園地和林地均轉(zhuǎn)化為耕地的極端情況，計算結(jié)果顯示，該情景下的年均每日徑流量增加了16.35%，由此可見，耕地會增加研究區(qū)的徑流，其保水效果要低于園地和林地，容易引發(fā)洪澇災(zāi)害。

表3 不同土地利用情景產(chǎn)流計算結(jié)果

鑒于研究區(qū)屬于典型的暖亞熱帶季風(fēng)氣候，其主汛期的降水量一般占全年的5成以上，且多短時強降雨，對研究區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙影響最為顯著。因此，研究中專門提取了主汛期的產(chǎn)流模擬結(jié)果。從計算結(jié)果來看，研究區(qū)主汛期的日均徑流量是年均每日徑流量的2～4倍左右。從具體的計算結(jié)果來看，在情景1條件下日平均徑流量與現(xiàn)狀相比減少11.68%；情景2條件下的日平均徑流量與現(xiàn)狀相比減少27.24%；情景3年的日均徑流量減少了約33.84%；情景4的日均徑流量增加了18.70%，由此可見，主汛期各情景下的日均徑流量變化特點與年均每日徑流量的變化特征基本一致，不同的是主汛期的日均徑流量變化率更大。由此可見，土地利用情景的變化對主汛期的產(chǎn)流影響更為顯著，特別是退耕還林等環(huán)保措施可以發(fā)揮更顯著的作用。

3.2 產(chǎn)沙分析

利用構(gòu)建的模型對不同土地利用情景下的流域產(chǎn)沙進行模擬計算，結(jié)果見表4。從計算結(jié)果可以看出，在情景1條件下，年產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出減小的趨勢，與現(xiàn)狀相比減少15.57%，由此可見，通過退耕還林在抑制地表徑流的同時可以顯著消減研究區(qū)的產(chǎn)沙量，對防止水土流失具有重要作用。情景2條件下的年產(chǎn)沙量減小幅度更大，與現(xiàn)狀相比減少28.42%，因此，和園地相比，林地的抗水蝕作用更為顯著。情景3的年產(chǎn)沙量減少了約39.89%，說明增大林地面積對提高研究區(qū)的水土保持效果具有重要意義，但是隨著林地面積的大幅增加，其在消減產(chǎn)沙量方面的作用也表現(xiàn)出趨于減弱的變化特點。情景4條件下的年產(chǎn)沙量增加了79.42%，由此可見，耕地對研究區(qū)的水土保持不利，增加耕地面積會導(dǎo)致研究區(qū)年產(chǎn)沙量的大幅增加，這也從側(cè)面印證了國家實施退耕還林政策的積極意義。

表4 不同土地利用情景產(chǎn)沙計算結(jié)果

鑒于研究區(qū)汛期降水量相對較大且多短時強降雨，其對地表的沖刷作用更為強烈，研究中專門提取了主汛期的產(chǎn)沙模擬結(jié)果。從計算結(jié)果來看，研究區(qū)主汛期的產(chǎn)沙量占年均產(chǎn)沙量的95%以上，說明汛期強降雨是導(dǎo)致研究區(qū)地表侵蝕的主要原因。從具體的計算結(jié)果來看，在情景1條件下主汛期產(chǎn)沙量與現(xiàn)狀相比減少16.24%；情景2條件下的主汛期產(chǎn)沙量與現(xiàn)狀相比減少29.84%；情景3年的主汛期產(chǎn)沙量減少了約40.22%；情景4的主汛期產(chǎn)沙量減少了80.53%。由此可見，主汛期各情景下的產(chǎn)沙量變化特點與年產(chǎn)沙量變化特征基本一致。不同的是主汛期的產(chǎn)沙量變化率更大。因此，土地利用情景的變化對主汛期的產(chǎn)沙影響更為顯著。

4 結(jié) 語

在水利工程運行過程中，水庫淤積是不可回避的問題，其淤積特點和變化規(guī)律與上游產(chǎn)流產(chǎn)沙特征存在密切關(guān)系，而產(chǎn)流產(chǎn)沙又和土地利用情況密切相關(guān)。基于此，此次研究以某水庫上游匯水區(qū)為例，探討了土地利用情景變化對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。計算結(jié)果顯示，與耕地和園地相比，林地對產(chǎn)流產(chǎn)沙均有較強的抑制作用，且這種作用在主汛期的表現(xiàn)更為明顯。同時，隨著林地面積的增加，其對產(chǎn)流產(chǎn)沙的抑制作用會趨于減弱。因此，在當(dāng)前的社會經(jīng)濟條件下，建議研究區(qū)進一步推進高坡度區(qū)域園地和耕地的還林工作，同時增加園地地表的植被覆蓋度，以提高水源涵養(yǎng)和水土保持效果，不斷提高研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。