1、黃土區(qū)小流域水沙對(duì)降雨及土地利用變化響應(yīng)研究摘要:降雨和土地利用/覆被變化是流域徑流、泥沙的兩個(gè)主要影響因子。本研究采用SWAT模型,用固定其中一個(gè)影響因子而改變另一個(gè)影響因子的方法,對(duì)研究區(qū)降雨變化與土地利用/覆被變化對(duì)徑流泥沙影響進(jìn)行估算,目的在于從年月不同時(shí)間尺度上確定黃土高原小流域水沙對(duì)降雨和土地利用變化的響應(yīng)狀況。結(jié)果表明,在年尺度上降雨變化對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率為84.20%,土地利用變化對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率為28.63%;在月尺度上,降雨對(duì)徑流貢獻(xiàn)率也大于土地利用對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率,尤其在雨季降雨對(duì)徑流的影響程度和土地利用對(duì)徑流影響程度的比值最大可以達(dá)到4.5。因此,不論在年尺度還是月尺度

2、上,降雨對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土地利用對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率。此外,研究結(jié)果也表明流域年降水量和流域森林植被蓋度均與流域徑流模數(shù)或輸沙模數(shù)呈指數(shù)關(guān)系。關(guān)鍵詞:黃土區(qū);小流域;降水;徑流量;產(chǎn)沙量;SWAT模型水土流失是黃土高原的主要環(huán)境問題,盡管影響水土流失的因素有氣候、地形、土壤、生物、人為活動(dòng)等,但黃土高原水土流失加重的主要原因是短歷時(shí)高強(qiáng)度的降水和人類對(duì)土地的不合理利用。因此,研究黃土高原降水和土地利用方式與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系對(duì)治理水土流失十分重要。近年來,土地利用/覆被變化(LUCC)的環(huán)境效應(yīng)研究成為L(zhǎng)UCC領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外較早的研究主要集中在區(qū)域土地利用/土地覆被變化的氣候和水文效應(yīng)方

3、面13。盡管幾十年來許多研究者在這方面已經(jīng)作了大量的工作,但是對(duì)降水和土地利用的耦合作用對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律影響注意不多,而在進(jìn)行流域降水和土地利用對(duì)水土資源的影響評(píng)價(jià)時(shí),有必要把握降水和土地利用分別對(duì)徑流、泥沙的貢獻(xiàn)情況,以提高評(píng)價(jià)土地利用對(duì)水資源的影響精度。本研究以整個(gè)馬家溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象,開展降水和土地利用/覆被變化對(duì)流域主要生態(tài)水文過程研究。1研究區(qū)概況馬家溝流域位于延安市安塞縣內(nèi),距安塞縣城約1 km,是延河的一級(jí)支流,位于延河中下游,流域面積77.5 km2,屬黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū),水土流失十分嚴(yán)重。地貌由峁、梁、坡、溝組成,以梁為主。馬家溝流域溝道呈“Y”字形,主溝道長(zhǎng)17.5 km

4、,溝道平均比降6.5,溝道底平均寬度13 m。流域平均溝壑密度3.2 km/km2,溝道斷面形狀多呈“U”;流域內(nèi)梁峁頂部較緩,一般在515之間,溝坡陡,一般在4560之間。馬家溝流域?qū)倥瘻貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,具有春季干旱多風(fēng)沙,夏季溫?zé)岫嗬子?秋季晴朗降雨快,冬季干冷雨雪少的特點(diǎn),氣溫日差較大。多年平均氣溫8.8,10的年積溫為3 703。多年平均降水量為503.6 mm(19752006年),年際變化大,年內(nèi)分配不均,汛期69月占全年降水量的69.5%。流域內(nèi)植被稀少,主要以喬木林和灌木林為主,喬木主要是刺槐(Robinia pseudoscacia)、山楊(Popu-lus davi

5、dianaDode.)、白樺(Betula platyphallaSak.)、山杏(Prunus armeniacaL.)、棗樹(Zizyphus jujuba.)、柳樹(Salix spp)、遼東櫟(Quercus liaotungensisKoidz.)、側(cè)柏(Platycladus orientalis),灌木主要為檸條(Caragana microphylla)、沙棘(Hippophae rham-noides)、酸棗(Zizyphus jujubaMill.)、虎榛子(Ostryop-sis davidianaDecne.)等。野生草本植物主要有白草(pennisetumflacci

6、dum)、鵝冠草(Roegneria kanoji)及青蒿(Artemisia apiacea Hance )、鐵桿蒿( Artemisiagmelinii Wedex Steehm)、艾蒿(Artemisia argyiLevl.)等。流域內(nèi)土地利用類型有林地、草地、坡耕地、裸地、梯田、居民用地等。2方法及資料2.1降雨量安塞縣氣象站提供的19752006年降水資料。2.2DEM圖本研究以110 000比例尺的地形圖為數(shù)據(jù)源,對(duì)研究流域進(jìn)行數(shù)字化制圖,建立等高線矢量圖。通過空間分析模塊(Spatial Analyst)建立了馬家溝流域數(shù)字高程模型。圖1為馬家溝流域DEM圖。2.3土地利用影響

7、圖先根據(jù)1990年和2000年的Landsat ETM+影像數(shù)據(jù),以110000地形圖為依據(jù),按標(biāo)準(zhǔn)分幅應(yīng)用二次多項(xiàng)式分別進(jìn)行幾何校正,控制點(diǎn)中誤差在1個(gè)像元以內(nèi)。再根據(jù)所獲得的統(tǒng)計(jì)資料、地形圖及各種專題圖件,結(jié)合野外調(diào)查資料,建立該區(qū)域解譯標(biāo)志;應(yīng)用圖像處理軟件,采用人機(jī)交互的監(jiān)督分類方法進(jìn)行解譯,并通過野外驗(yàn)證對(duì)其精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在Arc-GIS軟件的支持下,統(tǒng)計(jì)生成1990年和2000年的土地利用/覆被數(shù)據(jù),同時(shí)結(jié)合2007年人工調(diào)繪處理所得土地利用現(xiàn)狀,經(jīng)過空間疊加分析,得到馬家溝流域3期土地利用與覆被變化的動(dòng)態(tài)變化信息,生成相關(guān)專題圖。圖2為馬家溝流域三期土地利用類型圖。2.4模型校準(zhǔn)

8、和驗(yàn)證該研究采用SWAT分布式水文模型模擬流域徑流量和泥沙量,通過模擬數(shù)據(jù)來分析馬家溝流域近年來降水和土地利用/覆被變化對(duì)流域生態(tài)水文過程的影響。該研究采用SWAT模型模擬馬家溝流域徑流量時(shí),由于馬家溝流域徑流數(shù)據(jù)的缺失,因此難以采用本流域的實(shí)測(cè)徑流資料對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。本論文采用的徑流參數(shù)引自尹婧博士論文氣候變化和土地利用/覆被變化對(duì)涇河流域生態(tài)水文過程的影響研究8中的參數(shù)。采用的參數(shù)在尹婧博士論文中對(duì)涇河流域控制水文站張家山19711990年模擬年、月徑流與實(shí)測(cè)年、月徑流已經(jīng)進(jìn)行驗(yàn)證。SWAT模型在馬家溝流域?qū)δ嗌车哪M時(shí),通過馬家溝流域各類壩系實(shí)際攔泥量得到了相應(yīng)子流流域的年實(shí)際產(chǎn)沙量

9、,通過模型模擬得到了子流域的泥沙模擬值,并對(duì)模擬值進(jìn)行驗(yàn)證,從而確定了模型參數(shù)。限于篇幅原因,本文不再詳述參數(shù)的驗(yàn)證過程。3徑流對(duì)土地利用和降雨的響應(yīng)關(guān)于土地利用和降雨對(duì)徑流的影響,傳統(tǒng)的分析考慮的是降雨、土地利用分別和徑流的關(guān)系,但沒有區(qū)別降雨變化及土地利用/覆被變化對(duì)徑流變化的耦合作用,也沒有客觀地反映降雨變化和土地利用對(duì)流域降雨徑流的貢獻(xiàn)。因而很難將二者的貢獻(xiàn)定量化,更難以反映二者的空間演變特征對(duì)水文系統(tǒng)的影響,需尋求新的方法加以解決,如借助有物理機(jī)理的流域分布式水文模型。關(guān)于降雨和土地利用對(duì)徑流量的耦合效應(yīng),以前也有過學(xué)者作過研究,有學(xué)者認(rèn)為,降雨量增大弱化了下墊面條件對(duì)降雨-產(chǎn)流關(guān)系

10、的影響9,10,部分研究11則認(rèn)為退耕還林還草在多雨和多暴雨年份減沙減水效應(yīng)最強(qiáng)。3.1年尺度的相應(yīng)研究將第一階段(19811990年)作為基準(zhǔn)期,第二階段(19912000年)作為變化期,基準(zhǔn)期在實(shí)際降雨與土地利用狀況下(實(shí)際情景1)模擬的徑流與變化期在實(shí)際降雨與土地利用狀況下(實(shí)際情景2)模擬的徑流相比較,二者之間的差值可看作是由降雨變化與土地利用共同作用對(duì)徑流產(chǎn)生的影響;變化期在實(shí)際降雨?duì)顩r和基準(zhǔn)期土地利用狀況下(S-a模擬情景)模擬的徑流,與實(shí)際情景1情形下模擬的徑流相比較,二者之間的差值可看作是降雨變化對(duì)徑流的影響;變化期的實(shí)際土地利用狀況和基準(zhǔn)期的降雨?duì)顩r下(S-b模擬情景)模擬的

11、徑流,與實(shí)際情景1情形下模擬的徑流相比較,二者之間的差值可看作是土地利用對(duì)徑流的影響。由此,可以計(jì)算出氣候變化和土地利用變化分別對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率。20世紀(jì)8090年代馬家溝流域降雨和土地利用對(duì)年徑流影響的貢獻(xiàn)率見表1。從不同情形模擬的結(jié)果可以看出:實(shí)際情景1下模擬的徑流量為43.24 mm,實(shí)際情景2下模擬的徑流量為50.33 mm,二者相差7.09 mm,說明相對(duì)基準(zhǔn)期,變化期的徑流量增加了7.09 mm。模擬情景S-a下模擬的徑流量為49.21,與實(shí)際情景1下模擬的徑流量相比,變化了5.97 mm,說明降雨變化使得年均徑流增加了5.97 mm,占徑流變化總量(7.09)的84.20%,即

12、降雨變化對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率為84.20%。模擬情景S-b下模擬的徑流量為45.27 mm,與實(shí)際情景1下模擬的徑流量相比,徑流量變化了2.03 mm,說明因?yàn)橥恋乩米兓淖饔?使得年徑流增加了2.03 mm,占徑流變化總量(7.09 mm)的28.63%,即土地利用變化對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率為28.63%。降雨對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率和土地利用對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率之和不等于100%,其原因可能在于模型的誤差或其他條件如林草地等土地利用類型的質(zhì)量下降或流域內(nèi)水土保持工程措施的實(shí)施造成的。3.2月尺度的響應(yīng)研究圖3為19801990年降雨與LUCC共同作用對(duì)月徑流量的影響,由圖可以看出,在降雨和土地利用共同作用下,

13、不論80年代還是90年代,59月徑流量都是最大的,尤其是降雨量相對(duì)較充沛的7月份徑流量達(dá)到了峰值。模擬情景(s-a)下與實(shí)際情景1模擬的各月平均徑流的比較,揭示了降雨變化對(duì)月徑流產(chǎn)生的影響。因此,圖4可以反映19801990年降雨對(duì)月徑流量的影響。模擬情景(s-b)下與實(shí)際情景1模擬的各月平均徑流的比較,說明了土地利用對(duì)月徑流的影響,圖5可以表達(dá)19801990年土地利用對(duì)月徑流量的影響。從圖3可以看出,馬家溝流域雨季5、6、7、8、9月份,在19912000年較19811990年徑流量分別增加了1.2、1.4、1.4、0.76、1.1 mm;而模擬情景(s-a)與實(shí)際情景1的徑流量分別增加了

14、0.9、0.9、1.2、0.56、1 mm;模擬情景(s-b)下與實(shí)際情景1模擬的平均徑流增加量分別為0.2、0.4、0.5、0.26、0.3 mm。以上數(shù)據(jù)也表明模擬情景(s-a)與實(shí)際情景1的徑流變化量較模擬情景(s-b)與實(shí)際情景1的徑流變化量大得多,尤其在雨季降雨對(duì)徑流的影響程度和土地利用對(duì)徑流影響程度的比值最大可以達(dá)到4.5。因此得出,降雨對(duì)徑流影響較土地利用對(duì)徑流的影響要大。因此,可以看出不論在年尺度還是月尺度,土地利用的變化對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率都大于降雨對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)率。4土地利用及降雨對(duì)徑流泥沙的耦合效應(yīng)為了進(jìn)一部分析土地利用及降雨對(duì)徑流泥沙的耦合效應(yīng),本研究以馬家溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象

15、,分析其在19812007年森林植被面積比例與年降水、徑流模數(shù)的關(guān)系,可建立流域年降水量、森林植被覆蓋率和年徑流模數(shù)的回歸關(guān)系。W=984e0.002P-0.121LR2=0.910式中: W為流域年徑流模數(shù)m3/(km2a); P為流域年降水量(mm); L為森林植被覆蓋率(%)。由此可見,流域年徑流量隨著流域年降水量的增加而增加,隨著流域森林植被覆蓋率的增加而減少。5結(jié)論1)在年尺度上即降雨變化對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率為84.20%,因?yàn)橥恋乩米兓淖饔?使得年徑流增加了2.03 mm,占徑流變化總量(7.09 mm)的28.63%,即土地利用變化對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率為28.63%。在月尺度上,尤其在雨季降雨對(duì)徑流的影響程度和土地利用對(duì)徑流影響程度的比值最大可以達(dá)到4