劉 巖，張?jiān)泡?，李鐵男

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

西南岔河流域總面積2755 km2，干流河長(zhǎng)85 km。長(zhǎng)期以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，西南岔河沿岸的城鎮(zhèn)規(guī)模日益擴(kuò)大，社會(huì)財(cái)富日益聚集，但是由于對(duì)西南岔河的治理和保護(hù)缺乏投資機(jī)制，導(dǎo)致西南岔河沿岸侵蝕加重，河床沖刷加劇，流域泥沙對(duì)水利工程的正常運(yùn)行和水資源開(kāi)發(fā)利用都產(chǎn)生了不利的影響。分析西南岔河流域土地利用空間變化對(duì)土壤侵蝕的影響，可為改善湯旺河流域生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，具有十分重要意義。

流域土壤侵蝕容易導(dǎo)致土壤肥力減小，河道、水庫(kù)淤積，地表土壤儲(chǔ)水能力下降，以及洪澇災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度和頻率增加等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。丘陵地形、高強(qiáng)度的降雨、不合理的耕種方式、某些特定的土壤類型和土地利用類型都能夠造成土壤侵蝕[1-2]，在這些因素中土地利用類型是影響土壤侵蝕強(qiáng)度的主要因素之一，土地利用類型的變化能夠改變一個(gè)流域內(nèi)的產(chǎn)流特性，從而直接影響產(chǎn)沙的時(shí)空分布特性[3-6]。

水文模型作為一種能夠概化復(fù)雜水文循環(huán)過(guò)程的工具，在水資源保護(hù)、防洪保護(hù)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、非點(diǎn)源污染評(píng)估以及人類活動(dòng)對(duì)流域水文循環(huán)的影響等方面得到了廣泛的應(yīng)用[7-8]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS、RS技術(shù)的發(fā)展，具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型因其能夠反應(yīng)流域的空間特性而受到越來(lái)越多的關(guān)注[9-10]。SWAT模型是一個(gè)半物理基礎(chǔ)的分布式水文模型，能夠通過(guò)將流域劃分成更小的子流域?qū)崿F(xiàn)高空間精度的模擬，模型綜合考慮了水文、環(huán)境、生物過(guò)程和不同管理措施的相互作用，具有參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取容易、靈活多變和用戶方便性等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。本文采用SWAT模型研究分析西南岔河流域內(nèi)1995—2015年土地利用時(shí)空變化對(duì)土壤侵蝕的影響，同時(shí)模擬分析了河道兩側(cè)不同程度的綠化措施對(duì)減少水土流失的作用。

1 研究區(qū)概況

西南岔河為湯旺河右岸一級(jí)支流，發(fā)源于朗鄉(xiāng)林業(yè)局小白林場(chǎng)境內(nèi)的小城墻砬子山，流域總面積2755 km2，干流河長(zhǎng)85 km。沿途有小白河、半園河、英山河、南溝、永翠河、石頭河和木曾河等河流匯入，于南岔區(qū)綠譚車站東部匯入湯旺河，流域呈西南東北走向，地勢(shì)西北高東南低，形狀基本為狹長(zhǎng)形，地貌屬于小興安嶺山地，河道自然落差866 m，支流較短且呈不對(duì)稱發(fā)育。流域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春季較晚多大風(fēng)，夏季短促而濕熱，秋季降溫迅速多早霜，冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)。流域內(nèi)降水充沛，多年平均降水量668.7 mm，為湯旺河流域降雨高值區(qū)，也是山洪易發(fā)區(qū)，水災(zāi)發(fā)生頻繁，河流泥沙主要來(lái)源于河床沖刷，河流含沙量較大，地表侵蝕嚴(yán)重。全年無(wú)霜期120 d，多年平均水面蒸發(fā)量636.0 mm。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

利用SWAT模型建立西南岔河流域水沙模型的數(shù)據(jù)包括：DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、水文觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 西南岔河流域輸入數(shù)據(jù)的來(lái)源和精度

2.2 流域水沙模型建立

建立流域水沙模型的主要步驟：

(1)流域空間離散化。根據(jù)獲取的DEM數(shù)據(jù)，選取流域最小匯水閾值為3000 hm2，將流域劃分成51個(gè)子流域。

(2)土地利用圖的處理與轉(zhuǎn)換。將1995年的土地利用類型進(jìn)行重分類后共有6種：分別是林地、灌木林地、草地、水體、城鎮(zhèn)和裸露旱地，它們占西南岔河流域的面積比例分別為81.20%、4.93%、6.62%、0.33%、1.31%和5.61%。

(3)土壤類型圖的處理與轉(zhuǎn)換。土壤類型數(shù)據(jù)包括土壤空間分布信息和土壤物理屬性數(shù)據(jù)，流域內(nèi)的土壤類型有7種，分別是：弱發(fā)育淋溶土、飽和淺層土、普通褐色土、淺育褐色土、松軟潛育土、潛育土和飽和土，它們分別占流域面積的69.16%、0.27%、16.94%、3.12%、6.68%、1.47%和2.36%。在土壤物理屬性數(shù)據(jù)中最重要的數(shù)據(jù)是土壤顆粒級(jí)配數(shù)據(jù)，土壤層水力傳導(dǎo)系數(shù)、容積密度和有效含水量等數(shù)據(jù)都是根據(jù)它計(jì)算出來(lái)的。

(4)建立水文數(shù)據(jù)庫(kù)。徑流和懸移質(zhì)泥沙數(shù)據(jù)采用流域出口附近的南岔水文站1987—2014年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

(5)建立氣象數(shù)據(jù)庫(kù)。采用流域內(nèi)南岔氣象站1984—2014年的觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，包括：日降水量、最高最低氣溫、太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。

(6)建立土壤屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。SWAT模型采用很多物理和化學(xué)方程來(lái)描述各種各樣的物理和化學(xué)現(xiàn)象，由于這些方程中的參數(shù)眾多，很難十分精確的確定每一個(gè)參數(shù)的數(shù)值，而參數(shù)敏感性分析能夠幫助確定哪些輸入?yún)?shù)的變化對(duì)于徑流和泥沙的變化有較大的影響，從而提高參數(shù)調(diào)整的效率。本文采用基于蒙特卡洛模型的全局參數(shù)敏感性分析方法最終確定徑流曲線數(shù)(CN2)、土壤有效含水量(SOL_AWC)、基流α系數(shù)(ALPHA_BF)、土壤蒸發(fā)補(bǔ)償因子(ESCO)、河道有效傳導(dǎo)率(CH_K2)和泥沙輸移線性系數(shù)(SPCON)、泥沙輸移指數(shù)系數(shù)(SPEXP)和耕作管理因子(USLE_C)排序靠前的敏感參數(shù)作為主要率定參數(shù)。

(7)模型參數(shù)的校準(zhǔn)與驗(yàn)證?；诖_定的敏感性參數(shù)，采用粒子群優(yōu)化算法尋求敏感性參數(shù)的最優(yōu)解。選取1987—1990年共計(jì)4 a為模型的預(yù)熱期，1991—2002年共計(jì)12 a為模型的率定期，2003—2014年共計(jì)12 a為模型的驗(yàn)證期。將模擬值與實(shí)測(cè)徑流量和懸移質(zhì)泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果模型的模擬精度能夠達(dá)到要求，則認(rèn)為建立的模型適用于西南岔河流域。

2.3 模型模擬精度的評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)SWAT模型的模擬精度，采用相關(guān)系數(shù)(R2)和納什系數(shù)(Ens)來(lái)評(píng)價(jià)模擬值和實(shí)測(cè)值的線性相關(guān)性。如果R2>0.6，Ens>0.5，則說(shuō)明SWAT模型的模擬結(jié)果是令人滿意的。

R2由式(1)計(jì)算：

(1)

Ens由式(2)計(jì)算：

(2)

2.4 不同土地利用變化情景下的模擬

土地利用變化主要通過(guò)影響水分的再分配來(lái)影響水循環(huán)和泥沙輸移。本文首先模擬1995年土地利用情景下的多年平均土壤侵蝕模數(shù)，然后固定氣候因子和土壤因子，保持氣象數(shù)據(jù)庫(kù)和土壤屬性數(shù)據(jù)庫(kù)不變，保持確定的敏感性參數(shù)不變，只改變土地覆被因子，建立不同的土地利用情景，從而進(jìn)行產(chǎn)沙模擬。

2.4.1 土地利用空間變化對(duì)土壤侵蝕的影響

為定量化分析1995—2015年土地利用變化對(duì)流域土壤侵蝕的影響，本文分別模擬了西南岔河流域1995年和2015年土地利用情景下的多年平均土壤侵蝕模數(shù)，排查出流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)變化較大的子流域，分析其土地利用轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而明確子流域內(nèi)土地利用類型的轉(zhuǎn)換對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響。

2.4.2 河道兩岸邊坡綠化措施設(shè)定

在河岸兩側(cè)種植植被，可以有效地減少河流對(duì)岸坡的沖刷，減輕水土流失。本文設(shè)置兩種綠化措施，將西南岔河干流及其一級(jí)支流的干流作為研究對(duì)象，分別在岸坡上種植10 m寬和20 m寬的灌木林。通過(guò)模型模擬這兩種情景下的多年平均產(chǎn)沙量，為當(dāng)?shù)厮亮魇е卫硖峁┮欢ǖ膮⒖肌?/p>

3 產(chǎn)沙模擬與分析

3.1 水沙模型參數(shù)的率定和驗(yàn)證

應(yīng)用收集到的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)建立流域水沙模型后，采用南岔水文站1987—2014年的實(shí)測(cè)徑流和懸移質(zhì)泥沙數(shù)據(jù)對(duì)敏感性參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。表2為率定期與驗(yàn)證期徑流、泥沙相關(guān)系數(shù)(R2)和納什系數(shù)(Ens)指標(biāo)值，圖1～圖4為率定期與驗(yàn)證期徑流、泥沙模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖。結(jié)果表明，徑流、泥沙的相關(guān)系數(shù)(R2)和納什系數(shù)(Ens)無(wú)論是在率定期還是驗(yàn)證期均滿足R2>0.6，Ens>0.5，說(shuō)明建立的西南岔河流域水沙模型在該流域具有較好的適用性。

表2 率定期和驗(yàn)證期徑流、泥沙參數(shù)指標(biāo)

圖1 率定期徑流實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

圖2 驗(yàn)證期徑流實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

圖3 率定期泥沙實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

圖4 驗(yàn)證期泥沙實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

3.2 土地利用空間變化對(duì)土壤侵蝕影響模擬分析

模擬兩期土地利用情景下的流域多年平均土壤侵蝕模數(shù)，整個(gè)流域的多年平均土壤侵蝕模數(shù)分別為46 t/km2和140 t/km2，屬于微度侵蝕區(qū)。再通過(guò)對(duì)比兩種土地利用情景下的子流域多年平均土壤侵蝕模數(shù)發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)的中度、強(qiáng)度侵蝕區(qū)均位于西南岔河干流兩側(cè)，如圖5、圖6所示。1995年時(shí)，西南岔河干流兩側(cè)分布的主要是未開(kāi)墾的荒地，到了2015年所有荒地逐漸轉(zhuǎn)換為農(nóng)田、城鎮(zhèn)和水域。現(xiàn)以圖中標(biāo)號(hào)為6、7、15、21、28和32的子流域?yàn)槔治銮昂髢善谕恋乩们榫跋碌耐寥狼治g模數(shù)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在2015年的土地利用情景下這些子流域的土壤侵蝕模數(shù)要比1995年的土地利用情景下的土壤侵蝕模數(shù)大1倍。

圖5 1995年土地利用情景下各子流域土壤侵蝕模數(shù)

圖6 2015年土地利用情景下各子流域土壤侵蝕模數(shù)

Sub6：子流域面積64.00 km2，從1995—2015年，流域內(nèi)的4.00 km2草地(占子流域面積的6.3%，下同)轉(zhuǎn)換為農(nóng)田，流域內(nèi)的7.00 km2荒地(10.9%)轉(zhuǎn)換為2.00 km2農(nóng)田、2.00 km2水域和3.00 km2城鎮(zhèn)用地。土壤侵蝕強(qiáng)度由微度984 t/km2變?yōu)橹卸?939 t/km2。

Sub7：子流域面積24.30 km2，流域內(nèi)的4.00 km2荒地(16.5%)轉(zhuǎn)換為2.00 km2農(nóng)田和2.00 km2水域，其余土地利用類型面積基本保持不變。土壤侵蝕強(qiáng)度由中度2549 t/km2變?yōu)閺?qiáng)度5575 t/km2。

Sub15：子流域面積70.30 km2，流域內(nèi)的12.00 km2荒地(17.1%)轉(zhuǎn)換為10.00 km2農(nóng)田和2.00 km2水域，其余土地利用類型面積基本保持不變。土壤侵蝕強(qiáng)度由微度815 t/km2變?yōu)檩p度2313 t/km2。

Sub21：子流域面積69.41 km2，流域內(nèi)的11.00 km2荒地(15.8%)轉(zhuǎn)換為10.00 km2農(nóng)田和1.00 km2城鎮(zhèn)用地，其余土地利用類型面積基本保持不變。土壤侵蝕強(qiáng)度由微度697 t/km2變?yōu)檩p度1663 t/km2。

Sub28：子流域面積42.10 km2，流域內(nèi)的11.00 km2荒地(26.1%)轉(zhuǎn)換為10.00 km2農(nóng)田和1.00 km2水域，其余土地利用類型面積基本保持不變。土壤侵蝕強(qiáng)度由微度793 t/km2變?yōu)檩p度1593 t/km2。

Sub32：子流域面積62.00 km2，流域內(nèi)的6.00 km2荒地(9.7%)全部轉(zhuǎn)換為農(nóng)田，其余土地利用類型面積基本保持不變。土壤侵蝕強(qiáng)度由微度511 t/km2變?yōu)檩p度1067 t/km2。

由此發(fā)現(xiàn)，這些子流域土壤侵蝕模數(shù)的增大均是因?yàn)檗r(nóng)田、水域和城鎮(zhèn)面積的增加。當(dāng)西南岔河干流兩側(cè)的荒地被開(kāi)墾成為農(nóng)田時(shí)，水域面積增大的同時(shí)，河水沖刷農(nóng)田攜帶大量的泥沙入河，造成河道變寬。

3.3 河道兩岸邊坡綠化措施的模擬

保持已經(jīng)構(gòu)建好的SWAT模型各項(xiàng)參數(shù)不變，分別在模型中設(shè)置水系兩側(cè)種植10 m和20 m寬的灌木林地。模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌木林地種植寬度為10 m 時(shí)，多年平均入河泥沙量可減少37.27%，當(dāng)灌木林種植寬度20 m時(shí)，多年平均入河泥沙量可減少69.32%。可見(jiàn)，隨著河道兩側(cè)灌木林地寬度的增加，能夠有效地減少水土流失，起到保護(hù)土地的作用；同時(shí)也表明將河道兩側(cè)臨河耕地退耕還林還濕能夠有效地減少入河泥沙量。

4 結(jié) 論

(1)土地利用空間變化會(huì)改變流域內(nèi)產(chǎn)沙過(guò)程。通過(guò)對(duì)1995年和2015年的土地利用空間信息進(jìn)行分析，得出研究區(qū)域內(nèi)沿西南岔河干流的原有未開(kāi)墾荒地逐漸轉(zhuǎn)換為農(nóng)田、城鎮(zhèn)和水域，導(dǎo)致西南岔河流域整體土壤侵蝕程度為微度侵蝕。沿干流的子流域土壤侵蝕程度和原來(lái)相比提高了1～2個(gè)等級(jí)。

(2)臨河耕地進(jìn)行退耕還林還濕可有效減少水土流失。本研究采用1∶100 000土地利用圖，模擬西南岔河流域干流兩側(cè)灌木林地種植寬度為10 m 時(shí)，多年平均入河泥沙量可減少37.27%，當(dāng)灌木林種植寬度為20 m時(shí)，多年平均入河泥沙量可減少69.32%。

(3)SWAT模型適用性較強(qiáng)，針對(duì)不同空間數(shù)據(jù)條件，可模擬河道兩側(cè)不同綠化帶寬度對(duì)防治水土流失的效果。