刘 岩，张耘菡，李铁男

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

西南岔河流域总面积2755 km2，干流河长85 km。长期以来，随着经济发展和人口增加，西南岔河沿岸的城镇规模日益扩大，社会财富日益聚集，但是由于对西南岔河的治理和保护缺乏投资机制，导致西南岔河沿岸侵蚀加重，河床冲刷加剧，流域泥沙对水利工程的正常运行和水资源开发利用都产生了不利的影响。分析西南岔河流域土地利用空间变化对土壤侵蚀的影响，可为改善汤旺河流域生态环境提供科学依据，具有十分重要意义。

流域土壤侵蚀容易导致土壤肥力减小，河道、水库淤积，地表土壤储水能力下降，以及洪涝灾害发生的强度和频率增加等一系列问题，严重制约当地经济和社会的可持续发展。丘陵地形、高强度的降雨、不合理的耕种方式、某些特定的土壤类型和土地利用类型都能够造成土壤侵蚀[1-2]，在这些因素中土地利用类型是影响土壤侵蚀强度的主要因素之一，土地利用类型的变化能够改变一个流域内的产流特性，从而直接影响产沙的时空分布特性[3-6]。

水文模型作为一种能够概化复杂水文循环过程的工具，在水资源保护、防洪保护、城市规划设计、非点源污染评估以及人类活动对流域水文循环的影响等方面得到了广泛的应用[7-8]。随着计算机技术、GIS、RS技术的发展，具有物理基础的分布式水文模型因其能够反应流域的空间特性而受到越来越多的关注[9-10]。SWAT模型是一个半物理基础的分布式水文模型，能够通过将流域划分成更小的子流域实现高空间精度的模拟，模型综合考虑了水文、环境、生物过程和不同管理措施的相互作用，具有参数数据库获取容易、灵活多变和用户方便性等优点[11-13]。本文采用SWAT模型研究分析西南岔河流域内1995—2015年土地利用时空变化对土壤侵蚀的影响，同时模拟分析了河道两侧不同程度的绿化措施对减少水土流失的作用。

1 研究区概况

西南岔河为汤旺河右岸一级支流，发源于朗乡林业局小白林场境内的小城墙砬子山，流域总面积2755 km2，干流河长85 km。沿途有小白河、半园河、英山河、南沟、永翠河、石头河和木曾河等河流汇入，于南岔区绿谭车站东部汇入汤旺河，流域呈西南东北走向，地势西北高东南低，形状基本为狭长形，地貌属于小兴安岭山地，河道自然落差866 m，支流较短且呈不对称发育。流域属中温带大陆性季风气候，春季较晚多大风，夏季短促而湿热，秋季降温迅速多早霜，冬季严寒而漫长。流域内降水充沛，多年平均降水量668.7 mm，为汤旺河流域降雨高值区，也是山洪易发区，水灾发生频繁，河流泥沙主要来源于河床冲刷，河流含沙量较大，地表侵蚀严重。全年无霜期120 d，多年平均水面蒸发量636.0 mm。

2 数据与方法

2.1 数据来源

利用SWAT模型建立西南岔河流域水沙模型的数据包括：DEM数据、土地利用数据、土壤类型数据、水文观测数据和气象数据。数据来源见表1。

表1 西南岔河流域输入数据的来源和精度

2.2 流域水沙模型建立

建立流域水沙模型的主要步骤：

(1)流域空间离散化。根据获取的DEM数据，选取流域最小汇水阈值为3000 hm2，将流域划分成51个子流域。

(2)土地利用图的处理与转换。将1995年的土地利用类型进行重分类后共有6种：分别是林地、灌木林地、草地、水体、城镇和裸露旱地，它们占西南岔河流域的面积比例分别为81.20%、4.93%、6.62%、0.33%、1.31%和5.61%。

(3)土壤类型图的处理与转换。土壤类型数据包括土壤空间分布信息和土壤物理属性数据，流域内的土壤类型有7种，分别是：弱发育淋溶土、饱和浅层土、普通褐色土、浅育褐色土、松软潜育土、潜育土和饱和土，它们分别占流域面积的69.16%、0.27%、16.94%、3.12%、6.68%、1.47%和2.36%。在土壤物理属性数据中最重要的数据是土壤颗粒级配数据，土壤层水力传导系数、容积密度和有效含水量等数据都是根据它计算出来的。

(4)建立水文数据库。径流和悬移质泥沙数据采用流域出口附近的南岔水文站1987—2014年的实测数据。

(5)建立气象数据库。采用流域内南岔气象站1984—2014年的观测数据构建气象数据库，包括：日降水量、最高最低气温、太阳辐射数据、风速数据和相对湿度数据。

(6)建立土壤属性数据库。SWAT模型采用很多物理和化学方程来描述各种各样的物理和化学现象，由于这些方程中的参数众多，很难十分精确的确定每一个参数的数值，而参数敏感性分析能够帮助确定哪些输入参数的变化对于径流和泥沙的变化有较大的影响，从而提高参数调整的效率。本文采用基于蒙特卡洛模型的全局参数敏感性分析方法最终确定径流曲线数(CN2)、土壤有效含水量(SOL_AWC)、基流α系数(ALPHA_BF)、土壤蒸发补偿因子(ESCO)、河道有效传导率(CH_K2)和泥沙输移线性系数(SPCON)、泥沙输移指数系数(SPEXP)和耕作管理因子(USLE_C)排序靠前的敏感参数作为主要率定参数。

(7)模型参数的校准与验证。基于确定的敏感性参数，采用粒子群优化算法寻求敏感性参数的最优解。选取1987—1990年共计4 a为模型的预热期，1991—2002年共计12 a为模型的率定期，2003—2014年共计12 a为模型的验证期。将模拟值与实测径流量和悬移质泥沙数据进行对比，如果模型的模拟精度能够达到要求，则认为建立的模型适用于西南岔河流域。

2.3 模型模拟精度的评价

为了评价SWAT模型的模拟精度，采用相关系数(R2)和纳什系数(Ens)来评价模拟值和实测值的线性相关性。如果R2>0.6，Ens>0.5，则说明SWAT模型的模拟结果是令人满意的。

R2由式(1)计算：

(1)

Ens由式(2)计算：

(2)

2.4 不同土地利用变化情景下的模拟

土地利用变化主要通过影响水分的再分配来影响水循环和泥沙输移。本文首先模拟1995年土地利用情景下的多年平均土壤侵蚀模数，然后固定气候因子和土壤因子，保持气象数据库和土壤属性数据库不变，保持确定的敏感性参数不变，只改变土地覆被因子，建立不同的土地利用情景，从而进行产沙模拟。

2.4.1 土地利用空间变化对土壤侵蚀的影响

为定量化分析1995—2015年土地利用变化对流域土壤侵蚀的影响，本文分别模拟了西南岔河流域1995年和2015年土地利用情景下的多年平均土壤侵蚀模数，排查出流域内土壤侵蚀模数变化较大的子流域，分析其土地利用转换过程，从而明确子流域内土地利用类型的转换对侵蚀产沙的影响。

2.4.2 河道两岸边坡绿化措施设定

在河岸两侧种植植被，可以有效地减少河流对岸坡的冲刷，减轻水土流失。本文设置两种绿化措施，将西南岔河干流及其一级支流的干流作为研究对象，分别在岸坡上种植10 m宽和20 m宽的灌木林。通过模型模拟这两种情景下的多年平均产沙量，为当地水土流失治理提供一定的参考。

3 产沙模拟与分析

3.1 水沙模型参数的率定和验证

应用收集到的空间数据和属性数据建立流域水沙模型后，采用南岔水文站1987—2014年的实测径流和悬移质泥沙数据对敏感性参数进行率定和验证。表2为率定期与验证期径流、泥沙相关系数(R2)和纳什系数(Ens)指标值，图1～图4为率定期与验证期径流、泥沙模拟值和实测值对比图。结果表明，径流、泥沙的相关系数(R2)和纳什系数(Ens)无论是在率定期还是验证期均满足R2>0.6，Ens>0.5，说明建立的西南岔河流域水沙模型在该流域具有较好的适用性。

表2 率定期和验证期径流、泥沙参数指标

图1 率定期径流实测值和模拟值对比

图2 验证期径流实测值和模拟值对比

图3 率定期泥沙实测值和模拟值对比

图4 验证期泥沙实测值和模拟值对比

3.2 土地利用空间变化对土壤侵蚀影响模拟分析

模拟两期土地利用情景下的流域多年平均土壤侵蚀模数，整个流域的多年平均土壤侵蚀模数分别为46 t/km2和140 t/km2，属于微度侵蚀区。再通过对比两种土地利用情景下的子流域多年平均土壤侵蚀模数发现，流域内的中度、强度侵蚀区均位于西南岔河干流两侧，如图5、图6所示。1995年时，西南岔河干流两侧分布的主要是未开垦的荒地，到了2015年所有荒地逐渐转换为农田、城镇和水域。现以图中标号为6、7、15、21、28和32的子流域为例分析前后两期土地利用情景下的土壤侵蚀模数。通过对比发现，在2015年的土地利用情景下这些子流域的土壤侵蚀模数要比1995年的土地利用情景下的土壤侵蚀模数大1倍。

图5 1995年土地利用情景下各子流域土壤侵蚀模数

图6 2015年土地利用情景下各子流域土壤侵蚀模数

Sub6：子流域面积64.00 km2，从1995—2015年，流域内的4.00 km2草地(占子流域面积的6.3%，下同)转换为农田，流域内的7.00 km2荒地(10.9%)转换为2.00 km2农田、2.00 km2水域和3.00 km2城镇用地。土壤侵蚀强度由微度984 t/km2变为中度2939 t/km2。

Sub7：子流域面积24.30 km2，流域内的4.00 km2荒地(16.5%)转换为2.00 km2农田和2.00 km2水域，其余土地利用类型面积基本保持不变。土壤侵蚀强度由中度2549 t/km2变为强度5575 t/km2。

Sub15：子流域面积70.30 km2，流域内的12.00 km2荒地(17.1%)转换为10.00 km2农田和2.00 km2水域，其余土地利用类型面积基本保持不变。土壤侵蚀强度由微度815 t/km2变为轻度2313 t/km2。

Sub21：子流域面积69.41 km2，流域内的11.00 km2荒地(15.8%)转换为10.00 km2农田和1.00 km2城镇用地，其余土地利用类型面积基本保持不变。土壤侵蚀强度由微度697 t/km2变为轻度1663 t/km2。

Sub28：子流域面积42.10 km2，流域内的11.00 km2荒地(26.1%)转换为10.00 km2农田和1.00 km2水域，其余土地利用类型面积基本保持不变。土壤侵蚀强度由微度793 t/km2变为轻度1593 t/km2。

Sub32：子流域面积62.00 km2，流域内的6.00 km2荒地(9.7%)全部转换为农田，其余土地利用类型面积基本保持不变。土壤侵蚀强度由微度511 t/km2变为轻度1067 t/km2。

由此发现，这些子流域土壤侵蚀模数的增大均是因为农田、水域和城镇面积的增加。当西南岔河干流两侧的荒地被开垦成为农田时，水域面积增大的同时，河水冲刷农田携带大量的泥沙入河，造成河道变宽。

3.3 河道两岸边坡绿化措施的模拟

保持已经构建好的SWAT模型各项参数不变，分别在模型中设置水系两侧种植10 m和20 m宽的灌木林地。模拟发现，当灌木林地种植宽度为10 m 时，多年平均入河泥沙量可减少37.27%，当灌木林种植宽度20 m时，多年平均入河泥沙量可减少69.32%。可见，随着河道两侧灌木林地宽度的增加，能够有效地减少水土流失，起到保护土地的作用；同时也表明将河道两侧临河耕地退耕还林还湿能够有效地减少入河泥沙量。

4 结 论

(1)土地利用空间变化会改变流域内产沙过程。通过对1995年和2015年的土地利用空间信息进行分析，得出研究区域内沿西南岔河干流的原有未开垦荒地逐渐转换为农田、城镇和水域，导致西南岔河流域整体土壤侵蚀程度为微度侵蚀。沿干流的子流域土壤侵蚀程度和原来相比提高了1～2个等级。

(2)临河耕地进行退耕还林还湿可有效减少水土流失。本研究采用1∶100 000土地利用图，模拟西南岔河流域干流两侧灌木林地种植宽度为10 m 时，多年平均入河泥沙量可减少37.27%，当灌木林种植宽度为20 m时，多年平均入河泥沙量可减少69.32%。

(3)SWAT模型适用性较强，针对不同空间数据条件，可模拟河道两侧不同绿化带宽度对防治水土流失的效果。