肖軍倉，羅定貴，王忠忠

（1．河南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，鄭州450004；2．廣州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州510006；3．廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣州510080）

土壤侵蝕使土壤和養(yǎng)分流失、土地貧瘠、宜耕地減少；導(dǎo)致地表植被嚴(yán)重破壞，生態(tài)環(huán)境惡化；大量泥沙進(jìn)入水庫、河道和湖泊，造成河床淤塞、抬高，引起河流泛濫，加劇洪澇災(zāi)害的威脅；泥沙中的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)還會加劇水體的富營養(yǎng)化，已經(jīng)成為目前最為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。近年來，隨著GIS技術(shù)和分布式水文模型的發(fā)展，為土壤侵蝕定量研究提供了有效的分析工具，SWAT模型即為其中之一。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）作為典型的分布式水文模型，在世界上已得到廣泛應(yīng)用。如Santhi等［1］對美國德克薩斯州的 West Fork流域在執(zhí)行水質(zhì)管理規(guī)劃（WQMPs）前后兩個情景進(jìn)行模擬，來評價該規(guī)劃對非點(diǎn)源污染的長期影響。Behera等［2］對Kapgari流域的非點(diǎn)源污染關(guān)鍵區(qū)進(jìn)行了識別。Srinivasan等［3］成功模擬了 Richland－Chambers流域的徑流和泥沙輸移量，指出SWAT模型可以用于情景分析以檢測流域的生態(tài)脆弱區(qū)，并提出減少土壤流失的最佳措施。龐靖鵬等［4］利用SWAT模型分析了不同土地利用方式對產(chǎn)沙的影響，結(jié)果表明：流域內(nèi)的土壤侵蝕主要發(fā)生在農(nóng)田。郝芳華等［5］利用情景模擬來分析土地利用變化對產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的影響，模擬結(jié)果顯示：森林的存在能增加徑流量，減少產(chǎn)沙量；草地覆被能減少產(chǎn)沙量；農(nóng)業(yè)用地的增加將會導(dǎo)致產(chǎn)沙量增加。盧愛剛等［6］通過對黃土高原典型區(qū)汭河流域的徑流、侵蝕模數(shù)的模擬研究，對流域的徑流現(xiàn)狀和侵蝕現(xiàn)狀進(jìn)行了空間定量評價。楊巍等［7］利用SWAT模型對水庫匯水區(qū)產(chǎn)沙以及泥沙入庫進(jìn)行了研究，揭示了水庫匯水區(qū)的水土流失規(guī)律。

撫河是鄱陽湖流域第二大水系，撫河流域為典型的農(nóng)業(yè)區(qū)。研究撫河流域不同土地利用方式下的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，定量分析不同土地利用類型的徑流和泥沙響應(yīng)，探索流域的水土保持與生態(tài)恢復(fù)對策，對于撫河流域的生態(tài)保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)，乃至對鄱陽湖流域的水環(huán)境、生態(tài)保護(hù)都有重要的參考價值，可以為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展對策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

本文以撫河流域為研究對象，應(yīng)用SWAT模型對其1999—2005年的產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行模擬，對其土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分級，并分析不同土地利用方式對河道中泥沙負(fù)荷的貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1．1 撫河流域概況

撫河是江西省第二大河流，撫河流域地處江西省東部（圖1），位于115°36′—117°10′E，26°30′—28°20′N，流域面積15 856km2，屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū)，年均降水量1 790mm。境內(nèi)以丘陵山地為主，丘陵占53．1%，山地占29．5%，崗地占10．4%，平原只占7．0%。土壤以紅壤、潴育型水稻土、黃紅壤、酸性紫色土、黃壤等為主［8］。林地占流域總面積的65．93%、水稻田占23．46%，是流域兩種主要的土地利用類型。

1．2 SWAT模型原理

SWAT是美國農(nóng)業(yè)部（USDA）開發(fā)的流域尺度的分布式水文模型，用于模擬預(yù)測一個大型復(fù)雜的流域內(nèi)，土地管理措施對流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙和化學(xué)污染物負(fù)荷的影響［9］。SWAT模型是在SWRRB（Simulator for Water Resources in Rural Basins）模型［10］基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了ARS幾個模型的特點(diǎn)。模型自開發(fā)以來，已經(jīng)在北美、歐洲等地取得了廣泛的應(yīng)用，并在不斷地進(jìn)行改進(jìn)。

應(yīng)用SWAT模型前，須將流域劃分成多個子流域。在流域內(nèi)不同地點(diǎn)，對每個子流域分別預(yù)測徑流，然后通過河道的匯流得到總徑流。SWAT模型采用修正的SCS曲線數(shù)CN值法對降雨量計算得到地表徑流量［11］；采用修正的通用土壤流失方程（MUSLE）來計算每個子流域的土壤侵蝕和泥沙量［12］。

圖1 撫河河域內(nèi)氣象站點(diǎn)、雨量站點(diǎn)位置

1．3 模型輸入數(shù)據(jù)

為了便于模型的應(yīng)用，將撫河流域劃分為50個子流域，每個子流域再進(jìn)一步劃分為模型所需大小的水文響應(yīng)單元（HRUs），最終劃分為368個水文響應(yīng)單元。模型所需要的數(shù)據(jù)包括地形、土壤、農(nóng)業(yè)土地管理和逐日氣象數(shù)據(jù)。區(qū)域地形圖、土壤屬性數(shù)據(jù)和土地覆蓋／土地利用數(shù)據(jù)均來源于江西省國土資源廳，農(nóng)業(yè)土地管理數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)主管部門及實(shí)地調(diào)查復(fù)核資料。

本研究采用的水文氣象數(shù)據(jù)時段為1986—2005年，包括26個雨量站（含11個氣象站）的日降雨數(shù)據(jù)，11個氣象站的日氣象數(shù)據(jù)（最高／最低氣溫、太陽輻射、風(fēng)速、相對濕度等），4個水文站（南城站、廖家灣站、婁家村站、李家渡站）的徑流量、河道輸沙量數(shù)據(jù)，1座大型水庫（洪門水庫）的日出流量數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)由江西省氣象局和撫州市水文局共同提供。

1．4 模型校準(zhǔn)與驗證

模擬精度的高低決定了模型在研究區(qū)的適應(yīng)性。本次研究選取3個指標(biāo)用于模型適用性評價，分別是相對誤差Re、決定系數(shù)R2和Nash－Suttcliffe效率系數(shù)。相對誤差計算公式為：

式中：Re——模型模擬相對誤差；Qp——模擬值；Qo——實(shí)測值。若Re為正值，說明模型預(yù)測或模擬值偏大；若Re為負(fù)值，則說明模型預(yù)測或模擬值偏?。蝗鬜e＝0，則說明模型模擬結(jié)果與實(shí)測值正好吻合。

決定系數(shù)R2在MS－Excel中應(yīng)用線性回歸法求得，R2也可以進(jìn)一步用于實(shí)測值與模擬值之間的數(shù)據(jù)吻合程度評價，R2＝1表示非常吻合，當(dāng)R2＜1時，其值越小，則表明數(shù)據(jù)的吻合程度越低。

Nash－Suttcliffe效率系數(shù)NSE的計算公式為：

式中：Qp——模擬值；Qo——實(shí)測值；ˉQ——實(shí)測平均值；n——實(shí)測數(shù)據(jù)個數(shù)。當(dāng)Qo＝Qp時，NSE＝1；若NSE為負(fù)值，說明模型模擬平均值比直接使用實(shí)測平均值的可信度低。

模型在運(yùn)行初期需要將模擬初期作為模型運(yùn)行的啟動（Setup）階段，以合理估計模型初始變量，然后再將數(shù)據(jù)系列分為校準(zhǔn)和驗證階段。根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的完整性，選用1998—2005年間的徑流進(jìn)行模擬，其中1998年數(shù)據(jù)用作模型模擬的建立階段，1999—2002年作為校準(zhǔn)階段（Calibration），2003—2005年作為驗證階段（Validation）。

校準(zhǔn)SWAT模型中徑流和泥沙負(fù)荷相關(guān)參數(shù)的步驟為：首先進(jìn)行徑流參數(shù)校準(zhǔn)，若模擬值與實(shí)測值月均誤差小于實(shí)測值的20%，月決定系數(shù)R2＞0．6，且NSE＞0．5，則認(rèn)為達(dá)到滿意精度。其次，對泥沙負(fù)荷進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)，若模擬值與實(shí)測值月均誤差小于實(shí)測值的30%，月決定系數(shù)R2＞0．6，且 NSE＞0．5，則認(rèn)為達(dá)到滿意精度。至此完成對徑流和泥沙負(fù)荷的校準(zhǔn)過程。在此基礎(chǔ)上采用另外一組數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證，最終確定模擬參數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2．1 校準(zhǔn)結(jié)果

利用南城、廖家灣、婁家村和李家渡水文站1999—2002年月徑流實(shí)測數(shù)據(jù)和月泥沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行月尺度校準(zhǔn)。校準(zhǔn)期間月徑流量和月泥沙量的實(shí)測值與模擬值的擬合結(jié)果分別如圖2、圖3所示。校準(zhǔn)統(tǒng)計結(jié)果見表1。

徑流：南城、廖家灣和婁家村3個測站校準(zhǔn)期的相對誤差都小于±5%，李家渡站的相對誤差較大。南城、廖家灣和婁家村3個測站的決定系數(shù)R2分別為0．87，0．89，0．86，李家渡站略低為0．83；各個測站的NSE值都大于0．7，其中李家渡站的NSE值略低，為0．74，其余各站均大于0．80。

泥沙：南城、廖家灣、婁家村和李家渡站校準(zhǔn)期的相對誤差都小于±20%，其中婁家村站的相對誤差較大。南城、廖家灣和婁家村站的決定系數(shù)R2分別為0．80，0．75和0．82，李家渡站略低，為0．70；各個測站的NSE值都大于0．6，其中李家渡站的NSE值略低，為0．64。

2．2 驗證結(jié)果

校準(zhǔn)完成后，使用2003—2005年的徑流和泥沙觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。驗證期間月徑流量和月泥沙量的實(shí)測值與模擬值的擬合結(jié)果分別見圖4、圖5，驗證期的評價參數(shù)見表1。

圖2 撫河流域各測站1999－2002年徑流實(shí)測值和模擬值月擬合曲線

圖3 撫河流域各測站1999－2002年泥沙實(shí)測值和模擬值月擬合曲線

圖4 撫河流域各測站2003－2005年徑流實(shí)測值和模擬值月擬合曲線

表1 SWAT模型校準(zhǔn)和驗證所用的最佳標(biāo)準(zhǔn)

徑流：南城、廖家灣和婁家村3個測站驗證期的相對誤差都小于±10%，李家渡站的相對誤差則較大，不滿足評價標(biāo)準(zhǔn)，其原因是：李家渡處于贛撫平原，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，人口較多，取水口一般都設(shè)在撫河，其取水量占整個撫河總?cè)∷康?5%多［13］，對撫河徑流有重要影響，所以造成實(shí)際流量較模擬值偏小。南城、廖家灣、婁家村和李家渡站的決定系數(shù)R2分別為0．93，0．93，0．86，0．86；各個測站的NSE值都大于0．7，其中李家渡站的NSE值略低，為0．74，其余各站均大于0．78。

泥沙：各個測站驗證期的相對誤差都小于±15%。南城、廖家灣、婁家村和李家渡站的決定系數(shù)R2分別為0．81，0．83，0．84，0．85；各個測站的 NSE值都大于0．81。以上校準(zhǔn)與檢驗證明，除了李家渡外（未考慮取水量對模擬結(jié)果的影響），SWAT模型對研究區(qū)所有站點(diǎn)的徑流、泥沙模擬都達(dá)到了滿意的精度。表明了模型在撫河流域的適宜性。

2．3 土壤侵蝕分析

基于SWAT模型的模擬結(jié)果，對研究區(qū)土壤侵蝕狀況進(jìn)行了分析。（1）土壤侵蝕強(qiáng)度分級。根據(jù)SWAT模型模擬的1999—2005年各子流域泥沙負(fù)荷的平均值來計算各子流域的侵蝕模數(shù)，然后按照土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)，對各子流域內(nèi)的土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行了分級。從模型模擬結(jié)果來看，撫河流域內(nèi)微度侵蝕區(qū)域面積為8 029．53km2，占流域面積的51．9%，主要分布在支流—臨水流域及流域北部出口處；輕度侵蝕區(qū)域總面積為7 434．83km2，占流域總面積的48．1%，主要分布在流域南部撫河上游和東部的黎灘河小流域。（2）不同土地利用類型對產(chǎn)沙的影響。通過對流域內(nèi)定義的368個水文響應(yīng)單元的泥沙負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計，得到模擬年份1999—2005年不同土地利用類型的泥沙負(fù)荷及平均侵蝕模數(shù)（表2）。前期土地利用分類時，將裸地歸入了城鄉(xiāng)及工礦用地類型中，因此從結(jié)果來看，受人為擾動因素、植被覆蓋度的影響，城鄉(xiāng)及工礦用地的土壤侵蝕模數(shù)比耕地要大；在當(dāng)?shù)?，果園主要位于山區(qū)的山坡上，其作物主要是南豐金桔，受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動，金桔在區(qū)域內(nèi)的種植范圍一直在擴(kuò)大，對土壤侵蝕的影響也很巨大。而從產(chǎn)沙量的絕對量來看，林地的產(chǎn)沙量是最大的，這與該類型在區(qū)域內(nèi)的面積占較大比重有關(guān)。

圖5 撫河流域各測站2003－2005年泥沙實(shí)測值和模擬值月擬合曲線

表2 撫河流域不同土地利用類型泥沙負(fù)荷

3 結(jié) 論

本文選擇撫河流域為研究區(qū)，應(yīng)用SWAT模型對研究區(qū)的徑流、產(chǎn)沙狀況進(jìn)行了校準(zhǔn)和驗證，結(jié)果表明：流域內(nèi)4個測站月徑流、月輸沙量的校準(zhǔn)期和驗證期的決定系數(shù)在0．7～0．93之間，Nash－Sutteliffe系數(shù)在0．64～0．92之間，徑流、泥沙模擬結(jié)果達(dá)到滿意精度，SWAT模型在本區(qū)域具有良好的適用性。在此基礎(chǔ)上分析了撫河流域土壤侵蝕強(qiáng)度特征，探討了不同土地利用條件對產(chǎn)沙的影響，結(jié)果表明：撫河流域的土壤侵蝕以微度侵蝕和輕度侵蝕為主；受人為擾動因素、植被覆蓋度的影響較大，城鄉(xiāng)及工礦用地的土壤侵蝕模數(shù)比耕地要大；而從產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)來看，林地的產(chǎn)沙量絕對值是最大的，這與區(qū)域內(nèi)林地面積占較大比重有關(guān)。

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