晉江西溪流域土地利用變化的輸沙響應(yīng)

吳慧鳳, 陳 瑩

(1.福建師范大學(xué) 地理研究所， 福建 福州 350007; 2.福建師范大學(xué) 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地， 福建 福州 350007; 3.福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測評估工程技術(shù)研究中心， 福建 福州 350007)

輸沙量是河流水文特征和地球化學(xué)循環(huán)的重要參數(shù)之一[1]，也是土壤侵蝕過程的一個(gè)總體度量[2]。輸沙量變化直接影響流域水資源的合理配置、開發(fā)與利用，可對流域地貌演變、產(chǎn)流產(chǎn)沙特性及水域生態(tài)系統(tǒng)等產(chǎn)生重要影響[3]。輸沙量變化的主導(dǎo)影響因素之一是土地利用變化。土地利用變化(如水利工程建設(shè)、毀林造林、城市化等)顯著改變了下墊面條件，如地表蒸發(fā)、土壤水分狀況及地表覆被截留量，從而導(dǎo)致輸沙量相應(yīng)發(fā)生變化[4]。世界范圍內(nèi)由于土地利用變化引起的輸沙量明顯增長，給人類生存環(huán)境帶來諸如土壤侵蝕嚴(yán)重等問題[5]。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和“3S”技術(shù)的廣泛使用，流域水文水質(zhì)模型己從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒏拍钚约偰Ｐ桶l(fā)展到基于物理基礎(chǔ)的分布式水文模型[6]，從而有效提高了流域尺度的輸沙研究。借助水文模型進(jìn)行情景模擬，能夠根據(jù)需要設(shè)立不同土地利用變化情景，評價(jià)其對輸沙量的影響[7]。對此國外相關(guān)研究起步較早[8]，但近年來國內(nèi)已有眾多學(xué)者相繼分析農(nóng)用地[5]、林地[9]、城鎮(zhèn)快速擴(kuò)張區(qū)域[10]等與輸沙量的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上探討土地利用變化下的流域優(yōu)化管理模式及措施。由于土地利用變化對輸沙量影響的復(fù)雜性和多樣性，相關(guān)機(jī)理和規(guī)律仍是流域水文模擬、流域開發(fā)治理研究的薄弱環(huán)節(jié)[5]。為此，本研究選擇福建省泉州市西溪流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用“3S”技術(shù)和HSPF模型(hydrological simulation program in Fortran)，研究現(xiàn)狀情景下不同子流域的產(chǎn)沙情況，并設(shè)計(jì)不同的極端土地利用情景，定量分析單一土地利用類型對流域輸沙量的影響，旨在為晉江流域水資源管理和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西溪發(fā)源于福建省泉州市安溪縣的感德鄉(xiāng)達(dá)新村，為晉江的正源，經(jīng)過安溪縣和永春縣等行政區(qū)，屬于山區(qū)性河流[11]。本研究以安溪水文站控制區(qū)為研究區(qū)，流域面積2 450 km2，并根據(jù)其水系特征劃分出54個(gè)子流域(圖1)。該流域地處低緯度帶，氣候?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候；地形以山地丘陵為主，坡耕地面積占比較大；植被屬中亞熱帶常綠闊葉林植被帶；土壤主要為紅壤和磚紅壤性紅壤，風(fēng)化殼深厚疏松；降水量豐富且集中在7—9月，其間降水量可占全年的37%～39%；由于降水集中，坡度較大，加上人為活動頻繁，因而水土流失分布較廣[12]；2006年研究區(qū)建設(shè)用地、水域、園地、耕地、林地、草地和未利用地的面積比例分別為7.77%，1.23%，20.97%，12.25%，55.65%，0.78%和1.35%。

圖1 研究區(qū)水文臺站和子流域劃分

2 研究方法

2.1 HSPF模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

HSPF模型構(gòu)建所必須的數(shù)據(jù)主要包括： ①流域的數(shù)字高程模型(DEM)。來自“中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺”(http:∥datamiffor.csdb.cn/admin/datademMain/jsp)，空間分辨率為30 m，用于劃分子流域和確定水系； ②土地利用數(shù)據(jù)。解譯自研究區(qū)2006年TM遙感影像[13]，其土地利用類型分為耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地7種； ③氣象數(shù)據(jù)。包括2006—2010年永春和德化兩個(gè)氣象站日最高氣溫及最低氣溫、相對濕度和風(fēng)速，降水、蒸散發(fā)、潛在蒸散發(fā)、太陽輻射、露點(diǎn)溫度、云量，雨量站日降雨量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于福建省氣象局，并利用HSPF模型的Jensen PET方法離散成小時(shí)尺度的數(shù)據(jù)； ④徑流和泥沙數(shù)據(jù)。包括2006—2010年安溪水文站的日徑流和輸沙量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于福建省水文局。

2.2 輸沙模擬

在HSPF模型中，徑流模擬是以Stanford Ⅳ模型為基礎(chǔ)，主要包括產(chǎn)流和匯流，其中匯流部分主要通過RCHRES模塊進(jìn)行模擬。輸沙模擬是在校準(zhǔn)好的徑流模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行，主要分為兩部分：泥沙與土壤基質(zhì)之間的吸附和分離過程及泥沙在地表的搬遷過程[14]。HSPF模型考慮了雨滴濺蝕，徑流沖刷和泥沙在河道中的輸移、淤積和沖蝕過程；透水地面的模擬是在SEDIMNT模塊中完成，主要包括由降水引起泥沙與土壤基質(zhì)的分離過程和地表徑流對泥沙的搬遷過程[15]；不透水地面對泥沙的模擬是在SOLIDS模塊中完成，僅涉及地表徑流對泥沙的搬遷[15]；河道中泥沙的模擬是在SEDTRN模塊中進(jìn)行，主要考慮水流演進(jìn)中泥沙在河道的傳輸。泥沙進(jìn)入河道后，不同粒徑(沙粒、粉粒和黏粒)泥沙在河床不同區(qū)域沉降，因此沙粒負(fù)荷計(jì)算采用冪級數(shù)函數(shù)法，粉沙和黏粒的傳輸、沉降及沖刷是依據(jù)臨界剪切應(yīng)力原理進(jìn)行計(jì)算[14]。

2.3 模型的率定和驗(yàn)證

本研究在日產(chǎn)流模型的基礎(chǔ)上[16]，參考相關(guān)文獻(xiàn)中泥沙的18個(gè)敏感性參數(shù)及其相應(yīng)范圍[14](表1)，通過手動率定的方式，選取相關(guān)系數(shù)(R2)、Nash-Suttcliffe效率系數(shù)(Ens)和相對誤差(Re)等評價(jià)模型模擬精度，建立西溪流域的月輸沙模型。其中，2006—2008年作為模型的率定期，2009—2010年作為模型的驗(yàn)證期。R2，Ens和Re表達(dá)式分別為[14]：

(1)

(2)

(3)

式中：Qsim,i——模擬值；Qobs,i——觀測值；Qobs,ave——觀測值的平均值；Qsim,ave——模擬值的平均值。R2，Ens——模擬值與實(shí)測值的吻合程度；Re——模擬值與實(shí)測值的偏離程度。通常，R2與Ens越接近1，即實(shí)測值與模擬值越接近，則模擬效果越好。R2與Ens表征模擬效果的劃分標(biāo)準(zhǔn)為：Ens或R2>0.9，優(yōu)秀；0.75

表1 HSPF模型泥沙參數(shù)率定結(jié)果

注：①隨土地利用類型變化取值不同。

2.4 極端土地利用變化情景設(shè)置

研究區(qū)的主要土地利用類型為園地、耕地和林地，三者占流域面積的比例共計(jì)88.87%。因此，本研究設(shè)計(jì)了三種極端土地利用情景，即保留研究區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地及水域，將其余土地利用類型分別設(shè)置為園地、耕地和林地(表2)?；?006—2010年的氣象資料，移植已率定好的相關(guān)泥沙參數(shù)值，對不同情景下的月輸沙過程進(jìn)行模擬。

表2 研究區(qū)極端土地利用情景的面積比例 %

3 結(jié)果與討論

3.1 模型率定與驗(yàn)證

采用HSPF模型對研究區(qū)月輸沙過程進(jìn)行模擬，并對該流域2006—2010年的月輸沙量進(jìn)行率定與驗(yàn)證，模擬結(jié)果如圖2所示。該流域率定期的R2和Ens分別為0.849和0.789，同時(shí)驗(yàn)證期的R2和Ens分別為0.836和0.837，均大于0.75，表示運(yùn)用該模型對該流域的月輸沙量進(jìn)行模擬達(dá)到了優(yōu)良水平；率定期和驗(yàn)證期的 均小于20%，相對誤差較小(表3)。

表3 研究區(qū)月輸沙量模擬精度

圖2 研究區(qū)2006-2010年月輸沙量模擬值與實(shí)測值

3.2 現(xiàn)狀情景下各子流域的產(chǎn)沙情況分析

2006—2010年研究區(qū)年平均產(chǎn)沙量較高的地區(qū)主要分布在流域中下游的子流域，即6，26，54，56，63，75，30，44，49，80號等，主要覆蓋安溪縣的鳳城鎮(zhèn)、魁斗鎮(zhèn)、劍斗鎮(zhèn)、官橋鎮(zhèn)和龍門鎮(zhèn)，永春縣的坑仔口鎮(zhèn)及玉斗鎮(zhèn)等地區(qū)(圖3)。與研究區(qū)其他區(qū)域相比，上述區(qū)域的園地和耕地的比例均相對較高(圖4)。

圖3 研究區(qū)2006-2010年各子流域的年平均產(chǎn)沙量分布

圖4 研究區(qū)2006年各子流域園地和耕地比例

3.3 不同土地利用變化情景的輸沙響應(yīng)分析

從年尺度上看，與2006—2010年基期情境下的輸沙量模擬值相比，園地情景的輸沙量增加了23.56%，耕地情景的輸沙量增加了20.39%，林地情景的輸沙量減少了17.42%(表4和圖5)。從月尺度上看，所有情景在豐水期(4—10月)的輸沙量都大于枯水期(11月至次年3月)，其中5月和7月3種土地利用情景的輸沙量表現(xiàn)為：耕地>園地>林地，6月和8月3種土地利用情景的輸沙量表現(xiàn)為：園地>耕地>林地。

表4 研究區(qū)極端土地利用情景2006-2010年 總輸沙量模擬結(jié)果

圖5 研究區(qū)2006-2010年極端土地利用情景的月輸沙量變化

3.4 土地利用變化對輸沙量影響的原因

研究區(qū)內(nèi)安溪縣和永春縣占流域面積的74.39%，是該流域的主要行政區(qū)。由于研究區(qū)的海洋性季風(fēng)氣候明顯，溫暖濕潤、雨量充沛，水熱資源豐富，兩地廣泛種植水稻、茶葉和蘆柑等作物，耕地和園地的比重較大。已有研究發(fā)現(xiàn)，安溪縣2007年和2012年園地水土流失率最大，分別為50.29%和55.87%。山地茶果園不合理開發(fā)是水土流失的主要原因，尤以新開墾的茶果園為主[17]。近年來，安溪縣山地新建茶園普遍存在機(jī)械開挖建園、超坡度開墾、一墾到頂、“三面光”清耕作業(yè)及缺乏有效的水土保持措施等問題，使其幼齡茶園廣泛種植[18]。陳小英等[19]表明，幼齡茶園年土壤流失量可達(dá)4 500 t/km2以上，土壤侵蝕強(qiáng)度為中度甚至極強(qiáng)烈[20]。 ①在耕地情景方面。本研究結(jié)果表明耕地面積增加導(dǎo)致年輸沙量上升。研究區(qū)坡耕地(6°～25°)面積占耕地面積的55.50%，其中坡耕地(15°～25°)占耕地面積的24.04%，且多采取順坡開墾方式，沒有采取合適的水土保持措施，因而產(chǎn)生較大的輸沙量，這一結(jié)果與林文嬌和陳興偉在晉江流域東溪流域的研究結(jié)果較為一致。并且該文獻(xiàn)的結(jié)果表明耕地是造成土壤侵蝕的主要因素之一[21]。②在林地情景方面。本研究表明林地情景導(dǎo)致年輸沙量減少，但僅減少17.42%。已有學(xué)者[22]研究表明，輸沙量隨森林覆蓋率的增大呈下降趨勢，森林覆蓋率分別增加到46.98%，68.12%和89.8%時(shí)，輸沙量可分別減小18.73%，68.40%和76.98%。長期以來重伐輕撫，過度砍伐，造成大量原生植被遭到破壞，天然闊葉林減少，代之以次生林和人工林，幼林比重明顯偏大，林種結(jié)構(gòu)上針葉林比重過大，森林涵養(yǎng)水源能力明顯下降，削弱了森林調(diào)節(jié)徑流的能力[23]。吳彩蓮[24]研究安溪縣官橋鎮(zhèn)林地針葉化發(fā)現(xiàn)，馬尾松純林地土壤保持量最小，比闊葉林地多流失土壤7 442.7 t/(km2·a)。因此，即使部分區(qū)域森林覆蓋率較高，但由于樹種結(jié)構(gòu)不合理以及人為干擾，土壤裸露程度較高，易造成中度甚至強(qiáng)烈以上的水土流失[25]。由于研究區(qū)位于東南沿海，豐水期的降水量占全年的77.41%，且豐水期也是臺風(fēng)多發(fā)時(shí)期，高強(qiáng)度降水使其土壤侵蝕較為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致高輸沙量[26]。5月和7月耕地情景下的輸沙量大于園地，6月和8月則反之，這一原因還需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

本研究基于HSPF模型構(gòu)建了西溪流域產(chǎn)沙模型，分析實(shí)際情況下的產(chǎn)沙情況，再通過設(shè)置3種極端土地利用情景，定量分析了園地、耕地和林地情景下流域的輸沙量。結(jié)果表明，HSPF模型在流域輸沙量模擬中具有較高精度；年平均產(chǎn)沙量較高的地區(qū)主要分布在園地和耕地比例相對較高區(qū)域；從年尺度上看，園地和耕地情景均導(dǎo)致年輸沙量上升，而林地情景導(dǎo)致年輸沙量下降，但減少的幅度相對較小。從月尺度上看，所有情景在豐水期的輸沙量都大于枯水期；山地茶果園不合理開發(fā)和坡耕地比重較大且沒有采取合適的水土保持措施分別是園地和耕地情景年輸沙量上升的主要原因，林地遭受破壞且林種結(jié)構(gòu)不合理是林地情景降低輸沙量有限的主要原因。