土地利用情景对水库上游径流泥沙的响应研究

宋春晖

(北京中水科工程集团有限公司，北京 100048)

1 研究区概况

某水库始建于20世纪70年代，是一座以防洪和供水为主，兼有灌溉、养殖等诸多功能的综合性水利工程。研究区域位于水库上游，总面积264.55 km2。

研究区的平均海拔高度为1320 m，属于山地丘陵地貌，相对高差较小，基本呈西北向东南倾斜的走势。其中，坡度在25°以上的区域占70.78%，20°～25°的区域占7.20%；15°～20°的区域占6.44%，15°以下的区域占15.58%。由于受到长期的水流侵蚀作用，研究区内沟壑纵横，水土流失较为严重[1]。

研究区属于典型的亚热带季风气候区，降水时空分布不均问题比较突出且主要集中于夏季，春秋较为干燥，冬季降雪量相对较少。多年平均降水量为790 mm，年最大降水量为1498 mm，最小降水量为189 mm，年际变化较大。

研究区的土壤类型以黄壤为主，有少部分沙壤、黏土，平均厚度为60～70 mm。流域内的植被主要是暖亚热带阔叶林，典型植物有刺槐、赤松、麻栎等，主要经济林为苹果、板栗、核桃。

2 模型与方法

2.1 模型简介

SWAT模型是美国农业部农业研究中心研制的一款通用分布式水文模型，主要用于模拟不同土地利用和管理模式对大流域水沙影响，是目前国际上较为先进的流域模型体系，其功能和有效性已经得到诸多研究项目的验证。该模型使用的气象、土地利用、土壤等数据一般可以由政府部门的常规观测数据获得；同时，该模型不需要进行额外的时间即可实现大流域或不同流域管理方案组合的计算，具有较高的计算效率。因此，研究中选择SWAT模型展开研究[2-8]。

2.2 数据来源与处理

SWAT模型在建模运行初期需要大量的数据支撑。结合研究区情况和建模的实际需要，使用的基础数据和来源如下：分辨率10 m的研究区高程数据和天地图影像来源于卫星助手，在模型导入之前主要对其进行填洼和投影变换；土壤数据来源于国家科学数据中心，原始数据为grid 栅格格式，采用FAO-90土壤分类系统，研究中依据研究区边界进行裁剪获得研究区土壤类型分布图，研究区的土壤主要包括饱和疏松岩性土、不饱和雏形土，简育高活性淋溶土和饱和雏形土四种类型；气象和水文数据来自水库管理局网站，部分缺失数据通过人工定期检测弥补；研究区的土地利用数据通过研究区影像数据的人工解译获得。具体来看，以研究区的影像为数据源，利用ArcGIS 平台以人机交互方式进行图斑划分，对解译中发现的问题进行实地勘验，以验证解译结果的正确性。结合高程数据和土地类型解译结果，获得不同土地类型坡度分布，详见表1。由表1可知，研究区内的耕地基本分布于坡度为5°～15°的区域，园地、林地和其他用地主要分布在25°以上区域，建设用地和水域主要分布于15°以下区域。

表1 研究区土地利用解译结果

2.3 子流域划分

在SWAT 建模过程中，子流域划分十分关键和重要。显然，子流域的面积过小和过大都不利。因此，研究中选择模型默认值作为子流域面积阈值，然后进行水系生成，并定义好流域出口和水系节点，最终将研究区划分为28个子流域。分布示意图见图1。

图1 研究区子流域划分示意图

2.4 水文响应单元划分

水文响应单元是根据土地使用类型、坡度等因素划分的具有基本相同水文特征的最小水文单元，对保证模型计算结果的准确性具有重要意义。在这一过程中，首先加载土地利用栅格数据，然后利用模型数据库对其进行重新分类和加载，研究中将土地坡度划分为<5°、5°～15°、15°～20°、20°～25°以及>25°等5个不同的等级，然后根据不同因素的阈值将研究区划分为321个水文响应单元。

2.5 计算方案

按照国家林业和草原局的相关要求，退耕还林是山地丘陵区水土保持和生态环境维护的重要手段，力争将25°以上所有坡耕地全部改为林地。在上述政策背景下，研究区的土地利用情况将会发生比较显著的变化。基于此，此次研究以土地利用现状为基础，构建如表2所示的不同土地利用情景进行计算分析，获得土地利用情景对产流产沙的影响。

表2 土地利用情景预设方案

3 计算结果与分析

3.1 产流分析

利用构建的模型对不同土地利用情景下的流域产流进行模拟计算，结果见表3。从计算结果可以看出，在情景1条件下，年均每日径流量呈现出减小的趋势，与现状相比减少7.37%，由此可见，虽然研究区的耕地占比不大，但是通过退耕还林仍旧可以发挥明显的地表径流抑制作用。情景2条件下的年均每日径流量呈现出减小的趋势更为显著，与现状相比减少16.03%，由此可见，与园地相比，林地对地表径流的抑制作用更为显著，特别是对于坡度较大的区域，林地在消减径流、防止山洪暴发方面作用显著。情景3属于一种极端情况，在将耕地和园地全部转化为林地之后，年均每日径流量减少了约20.83%，由于该情景的林地面积相较于情景2有大幅增加，但是径流消减率增加不多，说明随着林地面积的增大，其对研究区的径流消减率在逐渐降低。情景4是将园地和林地均转化为耕地的极端情况，计算结果显示，该情景下的年均每日径流量增加了16.35%，由此可见，耕地会增加研究区的径流，其保水效果要低于园地和林地，容易引发洪涝灾害。

表3 不同土地利用情景产流计算结果

鉴于研究区属于典型的暖亚热带季风气候，其主汛期的降水量一般占全年的5成以上，且多短时强降雨，对研究区的产流产沙影响最为显著。因此，研究中专门提取了主汛期的产流模拟结果。从计算结果来看，研究区主汛期的日均径流量是年均每日径流量的2～4倍左右。从具体的计算结果来看，在情景1条件下日平均径流量与现状相比减少11.68%；情景2条件下的日平均径流量与现状相比减少27.24%；情景3年的日均径流量减少了约33.84%；情景4的日均径流量增加了18.70%，由此可见，主汛期各情景下的日均径流量变化特点与年均每日径流量的变化特征基本一致，不同的是主汛期的日均径流量变化率更大。由此可见，土地利用情景的变化对主汛期的产流影响更为显著，特别是退耕还林等环保措施可以发挥更显著的作用。

3.2 产沙分析

利用构建的模型对不同土地利用情景下的流域产沙进行模拟计算，结果见表4。从计算结果可以看出，在情景1条件下，年产沙量呈现出减小的趋势，与现状相比减少15.57%，由此可见，通过退耕还林在抑制地表径流的同时可以显著消减研究区的产沙量，对防止水土流失具有重要作用。情景2条件下的年产沙量减小幅度更大，与现状相比减少28.42%，因此，和园地相比，林地的抗水蚀作用更为显著。情景3的年产沙量减少了约39.89%，说明增大林地面积对提高研究区的水土保持效果具有重要意义，但是随着林地面积的大幅增加，其在消减产沙量方面的作用也表现出趋于减弱的变化特点。情景4条件下的年产沙量增加了79.42%，由此可见，耕地对研究区的水土保持不利，增加耕地面积会导致研究区年产沙量的大幅增加，这也从侧面印证了国家实施退耕还林政策的积极意义。

表4 不同土地利用情景产沙计算结果

鉴于研究区汛期降水量相对较大且多短时强降雨，其对地表的冲刷作用更为强烈，研究中专门提取了主汛期的产沙模拟结果。从计算结果来看，研究区主汛期的产沙量占年均产沙量的95%以上，说明汛期强降雨是导致研究区地表侵蚀的主要原因。从具体的计算结果来看，在情景1条件下主汛期产沙量与现状相比减少16.24%；情景2条件下的主汛期产沙量与现状相比减少29.84%；情景3年的主汛期产沙量减少了约40.22%；情景4的主汛期产沙量减少了80.53%。由此可见，主汛期各情景下的产沙量变化特点与年产沙量变化特征基本一致。不同的是主汛期的产沙量变化率更大。因此，土地利用情景的变化对主汛期的产沙影响更为显著。

4 结 语

在水利工程运行过程中，水库淤积是不可回避的问题，其淤积特点和变化规律与上游产流产沙特征存在密切关系，而产流产沙又和土地利用情况密切相关。基于此，此次研究以某水库上游汇水区为例，探讨了土地利用情景变化对产流产沙的影响。计算结果显示，与耕地和园地相比，林地对产流产沙均有较强的抑制作用，且这种作用在主汛期的表现更为明显。同时，随着林地面积的增加，其对产流产沙的抑制作用会趋于减弱。因此，在当前的社会经济条件下，建议研究区进一步推进高坡度区域园地和耕地的还林工作，同时增加园地地表的植被覆盖度，以提高水源涵养和水土保持效果，不断提高研究区的生态环境质量。