基于SCS模型的岩溶地区生态恢复的水文响应研究

谢晓云，邓亚东，2，梁 虹

（1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵阳 550001；2.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西 桂林 541004）

基于SCS模型的岩溶地区生态恢复的水文响应研究

谢晓云1，邓亚东1，2，梁 虹1

（1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵阳 550001；2.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西 桂林 541004）

生态恢复是目前岩溶地区生态环境保护和水土流失治理的主要手段。为寻找相关生态恢复项目的理论指导，在遥感和地理信息技术的支持下，采用SCS模型对贵州平湖流域进行不同生态恢复情景下的土地利用覆被变化的径流深水文响应进行模拟。研究结果表明：平湖流域林地和草地对水源涵养具有重要作用，且林地的涵养作用大于草地，而耕地的增加使径流深增大，加剧了水土流失，因此岩溶地区在生态恢复过程中退耕还林（草）十分必要的。

岩溶地区；SCS模型；生态恢复；水文响应；坡耕地

近年来，随着经济社会的发展，生态破坏的问题日益严峻，生态恢复的研究已经成为科学发展的前沿领域［1］。其中，生态恢复研究的重要环境效应之一就是水文效应［2］，而土地利用和土地覆被变化对水循环过程的水文响应具有深远影响。土地利用和土地覆被变化对流域下垫面水文特性产生影响，引起水文过程和水文效应的转变，这些影响主要集中在水循环的水量平衡方面，表现为流域截流、蒸散发和下渗的变化、地下水补给和水位的变化，进而对流域产汇流的方式和时间都产生不同程度的影响［3-6］。因此，通过对生态修复过程中土地利用和覆被变化的研究，特别是在岩溶地区，地质地貌条件复杂、土层薄、土壤贫瘠、持水能力差、生态环境脆弱；是一个双重含水介质组成的二元三维空间地域结构的物质、能量流开放系统，具有独特复杂的水文过程［7］，生态修复对生态环境的保护、水资源的开发利用、人和自然的和谐发展具有重要意义。本文将美国农业部水土保持局开发的SCS模型［8］应用于岩溶流域，对贵州平湖水文站以上流域降水产流机制进行研究，模拟生态修复的不同土地利用和覆被场景下径流量的变化情况，为岩溶地区的耕地生态修复、水土保持及石漠化治理提供一定的理论指导意义。

1 SCS模型基本原理

SCS模型首先假定流域实际径流量与潜在最大径流量之比等于流域实际入渗量和潜在最大入渗量之比［9］，即：

式中 F为降雨的实际入渗量（mm）；S为潜在最大入渗量（mm）；R为实际径流量（mm）；RM为潜在最大径流量（mm）。

模型假定潜在最大径流量RM等于流域降雨量P与初损雨量Ia之差，即：

公式（4）中S是一个介于0～100之间的无量纲参数，变化幅度很大，模型通过一个无因次的参数CN（径流曲线数）来推求S：

CN是反映土地利用、土壤类型、前期土壤含水量的一个综合指标，由于CN值受降雨前流域内土壤湿润程度的影响，SCS模型根据前5d的降雨总量并考虑植被状况将土壤湿润程度划分为3级：AMCⅠ（干旱）、AMCⅡ（正常）、AMC Ⅲ（湿润）（见表1），不同湿润状况下CN值的转换用式（6）计算［10］：

式中 CN1、CN2、CN3分别是AMCI、AMCⅡ和AMCⅢ 条件下的CN值。美国国家工程手册给出了AMCⅡ状态下详细的CN值查算表［11］。

表1 前期土壤湿度等级

Ia是一个与植被截留、入渗、前期土壤含水量等有关的变量。大量研究结果表明，Ia和S之间存在良好的线性关系：

λ表示初损与流域潜在入渗量的比率，SCS模型在实际应用中取λ=0.2进行计算。至此便可得出SCS模型产流量的计算公式：

2 研究区概况和数据处理

2.1 研究区概况

本研究所选取的流域为六栋河平湖水文站以上流域，该流域位于贵州南部黔南州境内，属于珠江流域西江水系，东经107°03′～107°37′、北纬25°51′～26°06′之间，控制面积1418 km2。地势北高南低，为中山、低山地形，喀斯特地貌。出露地层有石炭、二迭、三迭，碳酸盐类岩石广为分布，岩溶洼地、漏斗、落水洞、地下河发育。植被为马尾松，薪炭林和碎屑岩灌丛，森林覆盖率30%。流域气候类型为亚热带湿润季风气候，年平均气温17℃，年平均降雨1220mm，多集中在5～8月，占全年61.5%。土地利用类型以林地、耕地、灌木为主。

2.2 土壤类型及土地利用类型提取

将收集的土壤类型图结合遥感影像进行解译，根据SCS产流模型的土壤分类标准［12］（见表2）ArcMap下进行重新分类，从而得到流域土壤类型图（见图1）。土地利用类型图（见图2）是按照土地利用情况分类标准实际调查所得。

表2 SCS模型土壤分类

2.3 水文资料

水文资料来自于平湖水文站和沙寨、墨冲、兔场、凯口4个具有代表性的雨量站的监测数据，包括2003～2008年的日平均蒸发、降雨、径流数据。降雨采用泰森多边形法计算流域平均日雨量（见图3）。从流域日平均流量过程线上划分各次降雨径流过程，对基流进行分割，计算得出各次降雨产生的地面径流量。

图1 平湖流域土壤类型

图2 平湖流域土地利用类型

3 生态恢复水文响应情景模拟

3.1 平湖流域耕地现状分析

图3 湖流域水文站雨量站分布

在贵州岩溶地区地貌发育，具有峰丛洼地、峰丛谷地、峰林谷地、峰林溶原及非喀斯特地貌多种地貌类型，并且土层薄，土壤贫瘠，农民为了生存需要，盲目毁林开荒，大量开垦坡耕地，使该地区的植被和生态环境遭到严重破坏，水土流失和石漠化严重。根据国家林业局［13］对坡耕地等级的划分标准：坡度不大于2°的土地为平地，6°～15°为缓坡耕地，15°～20°为坡耕地，不小于25°为陡坡耕地。将研究区平湖流域土地利用(见图2)和坡度图（见图4）叠加进行统计分析：流域现有耕地面积27115.05hm2，占流域总面积的19.12%，其中不大于2°的耕地面积为6905.82hm2，占耕地总面积的25.47%；2°～6°的耕地面积为1564.64hm2，占耕地面积的5.77%；6°～15°的缓坡耕地面积为5730.96hm2，占耕地总面积的21.14%；15°～20°的坡耕地面积为6903.18hm2，占耕地总面积的25.46%；不小于25°为陡坡耕地6010.46hm2，占耕地总面积的22.17%。研究表明，坡度大于15°的坡耕地不利于农作物生产［14］，并且陡坡耕地是水土流失的主要来源［15］。而从流域耕地分布来看，流域内15°以上的坡耕地大约占流域耕地的1/2，这对农业生产和水土保持非常不利。

3.2 生态恢复情景模型的建立

为了研究平湖流域不同下垫面下降雨产流的水文过程，寻求现有气候条件下流域土地利用、土地覆被情景下水文响应的规律，为岩溶地区生态恢复提供参考。本文在现有土地利用基础上，结合退耕还林调查分析，采用情景研究中的极端土地利用法和土地利用空间配置的方法设计了以下8种土地利用覆被变化及生态恢复情景模型。

情景1初始土地利用现状

情景2全流域为耕地

情景3全流域为林地

情景4全流域为高盖度草地

情景5 25°以上陡坡地退耕还林

情景6 25°以上陡坡地退耕还高覆盖度草

情景7 15°以上坡耕地和陡坡地退耕还林

情景8 15°以上坡耕地和陡坡地退耕还高覆盖度草

3.3 不同情景下地表径流深模拟

借助GIS工具，选取具有代表性的一次降雨过程2007.7.10～12一场降雨为输入，此次降雨前期土壤湿润程度为AMCⅡ，降雨量154.71mm，对实测流量过程线分割基流部分，地表径流深103.85mm，根据SCS模型的原理，模拟得到此次降雨的径流深98.13mm，相对误差为5.5%，能较好地对径流深进行模拟计算。在此基础上，对以上8种生态恢复情景进行模拟，图5和表3分别为模拟径流深的变化情况。

分析径流深模拟结果可以看出，各种情景下的模拟径流深存在以下规律：情景2>情景1>情景6>情景8>情景4>情景5>情景7>情景3。表明，随着林地和高覆盖度草地面积的增加，流域径流深较初始土地利用覆被减少，而耕地的增加导致流域径流深增大，下垫面以林地、高覆盖度草为主及15°以上耕地向林地或高覆盖度草转移为主的情景3～8径流深均比初始值小，而全流域为耕地情景2的径流深有所增加。

图5 不同生态恢复情景下的径流深模拟结果柱状图

表3 不同生态恢复场景下径流深模拟结果情景模拟径流深

从情景1～4的极端情景来看，全流域为耕地增加了11.17mm，增长了11.38%，全流域为林地和全流域为高覆盖度草地分别减少了17.02mm和2.08mm，增长率为-15.57%和-2.56%，可以看模拟径流深耕地>高覆盖度草地>林地；在情景5～8几种不同退耕方式的情景下，25°以上陡坡地退耕还林和15°以上坡耕地和陡坡地退耕还林径流深分别减少了2.09mm和3.3mm，比25°和15°以上退耕为高覆盖度草下减少的径流深大。

究其原因，在土地利用覆被变化的过程中，主要是SCS模型中CN值的变化，根据式（5），CN越大滞留参数S就越小，意味着降雨转化为径流的比例（地表径流深）越大［16］。而在相同土壤质地下，CN值耕地＞高覆盖度草地＞林地，因此呈现以上规律。

4 结语

（1）针对岩溶地区，基于SCS模型下的径流深模拟可以达到降雨径流模拟的基本要求，并以平湖流域为例，得出了不同土地利用覆被下径流深分布的规律：耕地>高覆盖度草地>林地，模拟结果显示出草地和森林植被在涵养水源、调节河川径流的作用，也说明在平湖流域林地比草地涵养水源的作用更强。

（2）生态恢复对水文的响应与土地利用覆被变化的类型和结构有着密切联系，不同的生态恢复手段产生不同效果，从地表径流深的角度出发，以退耕还林为主对区域的水源涵养，防治水土流失有比较明显的效果，效果优于退耕还草，为岩溶地区生态恢复提供一定参考。

（3）在资料需缺条件下，应用SCS模型进行流域尺度的生态恢复和水文响应研究是可行的，但模型本身比较简单，仅从水量平衡的角度对径流深进行模拟研究，未能充分考虑岩溶地区复杂地形地貌因素及地表地下的空间异质性，也不能模拟土地利用覆变对土壤及蒸散发的影响。生态恢复的场景建立仅从坡度角度分析，在以后的研究中，应重点结合岩溶地区地形地貌、土地利用规划和经济社会发展等多种因素进行考虑，建立更加合理的生态恢复情景并进行模拟研究。

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Study on the Hydrological Responses to Ecological Restoration by SCS Model in Karst Area

XIE Xiao-yun1， DENG Ya-dong1，2， LIANG Hong1
（1.School of Geography and Environment Science， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China;
2.Institute of Karst Geology， CAGS， Guiling 541004，China）

The ecological restoration is currently a major means of protecting ecological environmental and controlling soil and water loss.In order to search for the the theories about ecological restoration，s ome restoration scenarios with different land covers were simulated for the pinghu basin，using the SCS model under the GIS and RS environment.The results demonstrate that forest result in lower runoff compared to grassland，and the water conservation function of forest is greater than the grassland， but the cropland result in greater runoff depth and stronger soil and water loss.Therefore，conversion of cropland to forest（grassland） is necessary in ecological restoration practices in Pinghu River.

karst area;SCS model;ecological restoration;hydrological responses;sloping fields

P334+.92

A

1672-9900（2011）03-0043-04

2011-04-06

中国地质科学院岩溶地质研究所资助项目（2007015）；中国地质科学院岩溶地质研究所资助项目（2009021）

谢晓云（1985—），男（汉族），福建建宁人，硕士，主要从事岩溶水文水资源与GIS方向研究，（Tel）13985535593。