土地利用变化对九龙甸水源区土壤侵蚀的影响研究

王 杰，黄 英，吴 灏，张 雷

(云南省水利水电科学研究院，云南 昆明 650021)

水源区在地区经济社会发展中起着非常重要的支撑作用，水源区土地利用变化引起的水土流失不仅会降低其保水能力，而且会造成下游水库的泥沙淤积和水环境恶化，降低防洪、灌溉等功能，因此研究不同土地利用方式下水源区土壤侵蚀变化显得十分必要。SWAT模型是一种分布式水文模型，具有很强的物理机制[1]，可用于不同土壤属性、土地利用类型、气候状况以及人类活动干扰下的产流模拟分析和土壤侵蚀分析，应用效果良好[2-5]。本研究以楚雄市九龙甸水源区为研究对象，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蚀状况，以期能为治理水土流失和土地利用管理提供参考。

1 研究区概况

九龙甸水库兴建于1958年，位于楚雄市吕合镇境内、龙川江上游紫甸河的上游，距楚雄市城区40 km，是一座具有防洪、灌溉、发电、供水等多功能的综合性水利工程，是楚雄彝族自治州最大的水库，也是楚雄市人民饮用水的重要来源。九龙甸水源区位于楚雄市西北部，地势西高东低、北高南低，平均高程2 170 m，土地总面积257.6 km2，河长47.3 km，河道平均比降9.15‰；属亚热带季风气候区，山高水深，气候垂直变化明显，冬夏短春秋长，气温日较差大，年平均气温14.8～21.9 ℃，年均日照时数2 450 h，多年平均降水量943.5 mm；土壤类型以红壤、棕壤、黄棕壤为主，植被多为茂密灌木丛林，并以云南松、华山松、滇油杉、滇橄榄、杜鹃等为主。

2 数据及方法

2.1 水文和气象数据

气象数据采用楚雄市1953—2009年逐日气温(最高/最低)、降水量、风速、相对湿度、日照时数等，其中SWAT模型所需的辐射数据由日照时数推算得到[6]，露点温度由温度和相对湿度计算得到[7]。水文资料选用九龙甸水源区凤屯站1977—2009年和新房站1978—2009年日降水资料。用凤屯水文站1978—2009年月流量资料对构建的SWAT模型进行参数率定和模型验证。

2.2 地理信息数据

DEM选用90 m分辨率SRTM 数字高程模型，原数据为地理坐标，为满足模型输入要求，将其转化为Albers投影。土地利用类型采用的是中国科学院资源环境科学数据中心1986、2000年全国土地利用数据，2009年土地利用信息由遥感影像解译得到。土壤数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心1 ∶100万土壤数据集，土壤粒径分级采用国际制。应用MATLAB软件编程进行三次样条插值计算得到以美制标准为基础的土壤粒径百分含量，并应用SPAW模型估算土壤可利用有效水量、饱和水力传导系数等参数。

2.3 SWAT模型模拟

基于SWAT模型，根据研究区DEM将九龙甸水源区划分为65个子流域，根据土地利用、土壤属性及坡度信息将每个子流域划分为若干个水文响应单元(HRU)，最后结合九龙甸水源区的日气温、降水、辐射、风速和相对湿度等观测数据构建研究区SWAT水文模型。模型构建后，采用Daily rain/CN/Daily算法计算地表径流产汇流，P-M公式计算潜在蒸散量，Variable Storage法进行河道演算，USLE方法计算土壤侵蚀量，并对每一个子流域推求净雨，再进行汇流演算，并模拟计算凤屯水文站流量。根据模拟得到的凤屯水文站流量，用SWAT模型自带的参数敏感性分析器分析模型参数敏感性，并用凤屯水文站的实测月径流资料对比较敏感的模型参数进行率定和验证。参数率定和验证的效果用相对误差(Re)、相关系数(R2)和纳什效率系数(Ens)来评价[8]。最后用率定好的模型分别模拟计算九龙甸水源区1986、2000和2009年不同土地利用方式下的土壤侵蚀模数。

3 结果与分析

3.1 参数敏感性试验

SWAT模型参数较多，在特定研究区寻找敏感性高的模型参数并对其加以率定，可以提高模型的运行效率。本研究采用LH-OAT方法进行参数敏感性分析，结果见表1。由表1知，模型参数中因子值最大的为CN2；其次是ESCO、GWQMN、SOL_K、SLOPE、BLAI、CANMX和SOL_AWC，敏感性较高；最后是GW_REVAP和CH_K2，敏感性较低。因此，选择CN2、ESCO、GWQMN、SOL_K、SLOPE、BLAI、CANMX和SOL_AWC8个参数进行率定和验证。

表1 九龙甸水源区参数敏感性分析

3.2 参数率定与模型验证

用凤屯水文站月实测径流量进行参数率定和模型验证，其中率定期为1978年1月—1993年12月、验证期为1994年1月—2009年12月，结果见图1和表2。从这些图表可以看出，在率定期和验证期，模拟径流与实测径流的变化过程具有很好的对应性，并且与降水的变化过程相一致。总体来看，率定期模拟流量大于实测流量，模拟年平均流量比实测流量大5.2%，Ens为0.87，R2为0.91，汛期径流模拟效果好于枯水期；验证期模拟流量大于实测流量，Re为6.3%，Ens为0.83，R2为0.87，汛期径流模拟效果好于枯水期。根据Ens评价标准，SWAT水文模型在九龙甸水源区模拟达到乙等级标准，说明SWAT水文模型在九龙甸水源区有较好的适用性。

图1 九龙甸水源区率定期与验证期的实测和模拟月径流量

表2 九龙甸水源区月径流模拟结果

3.3 土壤侵蚀变化

1986—2009年九龙甸水源区土地利用状况见图2。图2显示了1986、2000、2009年研究区各土地利用类型占总面积的比例，其中耕地所占比例分别为11.68%、11.38%、30.87%，林地分别为69.8%、70.16%、68.56%，草地分别为18.42%、18.36%、0。由于凤屯水文站以上水体、居民用地所占比例很小，且在各期土地利用图上图斑较为分散破碎难于统计，因此本研究不予考虑。从图2中可以看出，2009年耕地面积明显大于1986年和2000年，并且增加的耕地面积大多来自草地，导致草地面积几近消失，而3期土地利用状况中林地面积变化不大。

图2 1986、2000、2009年九龙甸水源区土地利用类型

图3 不同土地利用方式下九龙甸水源区土壤侵蚀空间分布

依据《土壤侵蚀强度分级标准》[9]，九龙甸水源区在1986、2000和2009年不同土地利用方式下各子流域土壤侵蚀空间分布见图3。1986年九龙甸水源区平均土壤侵蚀模数为9.69 t/(hm2·a)，其中微度侵蚀面积为127.96 km2，占土地总面积的56.57%；轻度侵蚀为76.76 km2，占33.90%；中度侵蚀17.54 km2，占7.75%；强烈侵蚀4.0 km2，占1.78%。2000年九龙甸水源区平均土壤侵蚀模数为9.87 t/(hm2·a)，大于1986年，其中微度和轻度侵蚀面积未发生明显变化、中度侵蚀面积增加了2.17 km2、强烈侵蚀面积减少了3.961 km2、极强烈侵蚀面积增加了1.79 km2。2009年九龙甸水源区平均土壤侵蚀模数为1 360 t/(hm2·a)，其中微度侵蚀面积84.28 km2，占土地总面积的37.26%；轻度侵蚀98.18 km2，占43.40%；中度侵蚀38.76 km2，占17.14%；强烈侵蚀4.97km2，占2.2%。1986、2000、2009年3期土地利用方式下研究区土壤侵蚀类型均以轻、微度侵蚀为主，但相比1986和2000年，2009年中度和强烈土壤侵蚀所占比例有明显增加，可见在人类活动增强导致耕地面积增加、草地面积减少的情况下，水土流失的风险也在加大。

4 结 语

本研究选用SWAT水文模型对九龙甸水源区不同土地利用方式下水文过程进行模拟，选择LH-OAT方法对构建的水源区模型参数进行敏感性分析(以1978—1993年为率定期， 1994—2009年为验证期)，并模拟分析了九龙甸水源区在不同土地利用方式下的土壤侵蚀变化。得出以下结论：①敏感性分析结果表明，在九龙甸水源区CN2、ESCO、GWQMN、SOL_K、SLOPE、BLAI、CANMX和SOL_AWC8个参数对径流影响最为敏感。②率定期R2为0.91、Ens为0.87，验证期R2为0.87，Ens为0.83。SWAT水文模型在九龙甸水源区模拟达到乙等级标准，具有较好的适用性。③1986—2009年，九龙甸水源区不同土地利用方式下土壤侵蚀均以轻、微度侵蚀为主，但人类活动增强导致的耕地面积增加、草地面积减少，使得2009年中度和强烈土壤侵蚀所占比例明显增加。

[参考文献]

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[2] Arnel N W. Climate change and global water resource[J]. Global Environmental Change,1999,9(supplement 1):31-49.

[3] 王中根,刘昌明,黄友波.SWAT模型的原理、结构及应用研究[J].地理科学进展,2003,22(1):79-86.

[4] 穆婧，史明昌，郭宏忠，等.基于SWAT模型的小流域面源污染负荷时空分异研究——以重庆市万州区陈家沟小流域为例[J].中国水土保持,2013(9):49-52.

[5] 刘孝利，陈求稳，曾昭霞,等.典型黑土区非点源污染控制途径研究[J].中国水土保持,2009(5):31-33.

[6] Arnold J G,Srinivasan R,Muttiah R S,et al.Large area hydrologic modeling and assessment part Ⅰ: Model development[J]. Journal of the American Water Resources Association,1998,34(1):73-89.

[7] Liersch S. The programs dew.exe and dew02.exe user's manual[EB/OL].http://www.brc.tamus.edu/swat/manual_dew.pdf,2006-09.

[8] 庞靖鹏,徐宗学,刘昌明.SWAT模型中天气发生器与数据库构建及其验证[J].水文,2007,27(5):25-30.

[9] SL 190—2007，土壤侵蚀分类分级标准[S].