黃英，王杰，黃松柏，朱俊

（1.云南省水利水電科學(xué)研究院，昆明 650228;2.云南省水文水資源局，昆明 650228）

昆明市松華壩水源區(qū)小流域土壤侵蝕分析

黃英1，王杰1，黃松柏1，朱俊2

（1.云南省水利水電科學(xué)研究院，昆明 650228;2.云南省水文水資源局，昆明 650228）

以1993—2009年松華壩水源區(qū)及昆明市的氣象資料、2009年土地利用資料、第二次全國土壤普查資料、水源區(qū)牧羊河小流域的徑流和泥沙觀測資料為基礎(chǔ)，用SWAT模型模擬分析了牧羊流域土壤侵蝕的空間差異。結(jié)果表明:牧羊河小流域輸沙在年際上表現(xiàn)為與年降水量和輸沙量峰谷變化具有較好的一致性，在年內(nèi)表現(xiàn)出，輸沙主要集中在6—9月;空間上牧羊河土壤侵蝕模數(shù)多年平均值介于21.4～4 586.5 t/（km2·a），且以中輕度為主，土壤侵蝕模數(shù)的空間變化與土地利用類型和地形坡度密切相關(guān);土壤侵蝕模數(shù)與降水在年際變化上有較好的一致性。這一研究可為水源區(qū)土壤侵蝕空間分布的掌握和估算，以及制定有針對性的水土保持措施提供重要的理論依據(jù)。

土壤侵蝕;小流域;松華壩水源區(qū)

1 研究背景

水土流失是全球重大環(huán)境問題之一，不僅造成土壤肥力下降、生態(tài)環(huán)境惡化，還會造成調(diào)蓄湖泊及庫塘的泥沙淤積，導(dǎo)致湖庫的防洪、灌溉等功能降低，嚴(yán)重影響水利設(shè)施的安全運(yùn)行和沿線區(qū)域的生態(tài)環(huán)境［1-2］。因此，研究區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度及變化具有非常重要的意義。

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型研制于20世紀(jì)90年代初期，是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)服務(wù)中心研制開發(fā)的。SWAT模型是在吸收了CREAMS，GLEAMS，EPIC，SWRRB等模型的優(yōu)點(diǎn)，并克服了上述模型應(yīng)用于流域模擬不足的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。SWAT模型是目前先進(jìn)的分布式水文-土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報(bào)工具，能夠做時(shí)間連續(xù)的模擬，主要模擬不同土地利用和多種農(nóng)業(yè)管理措施對流域的泥沙、化學(xué)物質(zhì)的長期影響，還能夠用于預(yù)測大尺度復(fù)雜流域土地利用管理、氣候變化對水資源的影響［3-11］。我國已有學(xué)者利用SWAT模型對不同土壤、土地利用類型、氣候區(qū)做出有效的產(chǎn)沙模擬分析，取得較好的效果［3-5，11］。

松華壩水源區(qū)是昆明市主城區(qū)主要的水源地。近年來，水源區(qū)民眾積極響應(yīng)退耕還林等政策，但相應(yīng)生態(tài)補(bǔ)償措施未能落實(shí)到位，迫于生計(jì)，山區(qū)、半山區(qū)開墾種植坡耕地，導(dǎo)致水源區(qū)坡耕地所占比例較高，農(nóng)業(yè)與林業(yè)爭奪用地的現(xiàn)象依然存在，這些處于裸露狀態(tài)的土地，一遇降水可形成水土流失強(qiáng)侵蝕區(qū)。目前水源區(qū)在進(jìn)行生態(tài)建設(shè)的同時(shí)形成新的生態(tài)破壞，新的環(huán)境問題不斷涌現(xiàn)，水源區(qū)內(nèi)社會-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)還沒有步入有序發(fā)展、良性循環(huán)的軌道。因此，本文在分析水源區(qū)牧羊河流域1993—2009年泥沙資料的基礎(chǔ)上，用SWAT模型估算牧羊河流域中和站集水區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布，討論土壤侵蝕強(qiáng)度的空間差異與坡度和土地利用的聯(lián)系。其結(jié)果不僅為水源區(qū)土壤侵蝕空間估算提供依據(jù)，還為制定水源區(qū)水土保持措施提供借鑒。

2 研究區(qū)概況

松華壩水源區(qū)屬長江上游金沙江水系，水源區(qū)集水面積629.8 km2。冷水河、牧羊河及其支流和龍?zhí)稑?gòu)成了水源區(qū)水系的基本形態(tài)。牧羊河和冷水河以梁王山為分水嶺，在寺山和獅子山之間匯合注入松華壩水庫。牧羊河為盤龍江正源，發(fā)源于梁王山西北的喳啦箐（圖1），牧羊河小流域中和水文站集水面積357 km2。研究區(qū)海拔介于1 998～2 769 m，土壤類型主要有山原紅壤、棕壤、（黃）紅棕壤、水稻土，研究區(qū)森林植被自上世紀(jì)中期以來，連續(xù)受到人為砍伐破壞，不僅使森林面積急劇減少，而且幸存下來的森林質(zhì)量也急劇退化，使區(qū)內(nèi)的森林植被具有極其明顯的次生性，雖然森林覆蓋率高達(dá)62.97%，但林分質(zhì)量較低，森林涵養(yǎng)功能較差，研究區(qū)屬山地季風(fēng)氣候，年平均氣溫12～26℃，多年平均降水量1 030.5 mm，每年5—10月為雨季，降水量達(dá)872.6 mm，11—4月為干季，降水量僅157.9 mm，降水隨海拔高度增加而增加。水源區(qū)多年平均土壤侵蝕模數(shù)為1 171 t/（km2·a）。

圖1 研究區(qū)水系及地形圖Fig.1The topography and rivers in the research area

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 水文氣象數(shù)據(jù)

驅(qū)動模型所需要的氣象數(shù)據(jù)選用昆明市1951—2009年逐日氣溫（最高、最低）、降水、風(fēng)速、相對濕度、日照時(shí)數(shù)。另選用松華壩水源區(qū)內(nèi)中和站1997—2009年和白邑站1993—2009年日降水資料。徑流和泥沙資料選用中和站1993—2009年月觀測值。

3.2 空間信息數(shù)據(jù)

DEM選用90m分辨率SRTM數(shù)據(jù);土地利用數(shù)據(jù)由2009年Alos遙感影像解譯獲取，并進(jìn)行外業(yè)驗(yàn)證（圖2）。土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供的第二次全國土壤普查1∶1 000 000數(shù)據(jù)。利用地形數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)在SWAT水文模型下對牧羊河中和站集水區(qū)進(jìn)行子流域劃分，可得29個(gè)子流域（圖1）。

3.3 牧羊河SWAT模型構(gòu)建及應(yīng)用

以中和水文站為出水口，結(jié)合研究區(qū)DEM、土地利用類型和土壤類型圖，用SWAT模型對牧羊河流域進(jìn)行子流域劃分，得到牧羊河有29個(gè)子流域，128個(gè)水文響應(yīng)單元。在此基礎(chǔ)上用SCS曲線法模擬徑流，河道徑流演算用馬斯京根法，土壤侵蝕用修正方程計(jì)算。

圖2 2009年牧羊河流域土地利用示意圖Fig.2Spatial distribution of land use in Muyang river watershed in 2009

4 結(jié)果與分析

4.1 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

模型的參數(shù)率定和驗(yàn)證用SUFI2法［10-11］。選用與徑流和泥沙相關(guān)的18個(gè)模型參數(shù)，用中和站1993—2001年的月徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定（1993、1994年為模型預(yù)處理期），用2002—2009年月徑流數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見圖3。模擬效果評價(jià)選擇相對誤差Re、相關(guān)系數(shù)R2和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)Ens。

圖3 牧羊河月徑流模擬和實(shí)測對比Fig.3Comparison of monthly runoff between simulated results and observed data in Muyang river

從圖3（a）中可以看出，在參數(shù)率定期干季的模擬效果總體好于雨季，另率定期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)Ens和R2分別為0.77，0.83。驗(yàn)證期結(jié)果（圖3 （b））表明:在干季模擬的徑流與實(shí)測值較接近。驗(yàn)證期模擬的徑流偏大于實(shí)測，為9.2%，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.79，R2為0.80。

總體來說牧羊河流域模擬的誤差在±10%以內(nèi)，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)在模型參數(shù)率定期和驗(yàn)證期均大于0.75，可見構(gòu)建的模型有較好的適用性。

4.2 牧羊河輸沙量變化

1993—2009年牧羊河降水量與輸沙量觀測（圖4（a））表明:降水在年際上呈波動變化，沒有明顯的變化趨勢，1999年和2009年為近17年來降水量最大和最小年份，其值分別為1 043.8 mm和590.1 mm;近17年平均輸沙量為34 610.74 t，其年變化表現(xiàn)出，1993—1998年呈增加趨勢，而1998—2003年呈明顯的下降趨勢，2003—2009年呈波動變化，輸沙量出現(xiàn)極值的年份分別為1998年和2009年，最大、最小年輸沙量分別為87 835.45 t和3 513.2 t;盡管年降水量和輸沙量峰谷變化具有較好的一致性，但年降水量相近的年份，年輸沙量仍有較大的差異，如1995年比2003年的降水量多10.7 mm，但是年輸沙量相差達(dá)22 749.12 t。可見，盡管降水量是輸沙量的主要驅(qū)動因素，但當(dāng)年土地利用狀況以及降水的年內(nèi)分配也可能是影響輸沙量的主要因素。

圖4 牧羊河1993—2009年輸沙量和降水量年際變化和年內(nèi)變化Fig.4Interannual and annual variations of sediment discharge and precipitation in Muyang river from 1993 to 2009

牧羊河輸沙量的年內(nèi)變化（圖4（b））表現(xiàn)為，降水和輸沙量年內(nèi)變化一致，7月份輸沙量達(dá)最大，其值為14 159.13 t，5月份最小，輸沙量為29.11 t，侵蝕主要發(fā)生在6—9月份，最大4個(gè)月輸沙量占年輸沙量的96.5%。

4.3 牧羊河土壤侵蝕變化

牧羊河土壤侵蝕模數(shù)空間變化（圖5）表現(xiàn)出，流域最大和最小土壤侵蝕模數(shù)分別為4 586.5 t/（km2·a）和21.4 t/（km2·a），微度侵蝕的子流域有4個(gè)，其面積合計(jì)達(dá)42.16 km2;輕度侵蝕的子流域有15個(gè)，其面積合計(jì)140.22 km2;中度侵蝕的子流域有10個(gè)，面積合計(jì)為163.95 km2;可見在牧羊河小流域土壤侵蝕以中、輕度侵蝕為主。另外，土壤侵蝕模數(shù)的空間變化與土地利用方式有密切的聯(lián)系，見圖6。

圖5 牧羊河土壤侵蝕模數(shù)空間分布Fig.5Spatial distribution of soil erosion modulus in Muyang river

圖6 牧羊河子流域土壤侵蝕模數(shù)與土地利用類型及坡度的關(guān)系Fig.6Relationship of soil erosion modulus respectively with land use and slope in Muyang river

從圖6中可見，總體表現(xiàn)為:土壤侵蝕模數(shù)與林草面積所占比例呈反向關(guān)系，而與耕地面積所占比例呈正向關(guān)系。如第2，3和7子流域是29個(gè)流域中林草面積比例最高的3個(gè)子流域，值分別為80.1%，84.62%和88.39%，且其耕地面積比例最低，對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)均小于25 t/（km2·a）。第5子流域，林草面積比例為32.22%，而耕地面積比例高達(dá)54.42%，其對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)也達(dá)到4 060.9 t/（km2·a）（圖6（a））;在土地利用類型相近的情況下，子流域間的土壤侵蝕量也有可能有較大的差異，這是地形坡度差異所引起的。如第5和21子流域，林草面積所占比例分別為32.22%和30.46%，耕地面積所占比例分別為54.42%和56.8%，可見2個(gè)子流域的土地利用類型相近。但是第5子流域的土壤侵蝕模數(shù)是第21子流域的2倍多，這是因?yàn)樵诘?子流域中坡度為15°以下的地形占81.46%，少于第21子流域的88.65%;而第5子流域坡度為15°以上的地形較第21子流域多7.17%，另外第5子流域中坡度為25°以上地形占了1.26%，第21子流域中沒有坡度為25°以上的地形。因此在土地利用類型相近的情況下，坡度是決定土壤侵蝕模數(shù)的主要因素（圖6（b））。由此可見，土壤侵蝕量的大小是土地利用類型和坡度類型共同決定的。

牧羊河流域1993—2009年土壤侵蝕模數(shù)在118.8～3704 t/（km2·a）之間變化，土壤侵蝕模數(shù)的最大和最小值分別出現(xiàn)在2005年和2009年。另外土壤侵蝕模數(shù)在時(shí)間上變化，還表現(xiàn)為1993—1999年呈增加趨勢;2000年降水較少，為639.3 mm，土壤侵蝕模數(shù)也減少到388 t/（km2·a）;此后一直到2005年，土壤侵蝕模數(shù)又呈增加趨勢，2005—2009年，土壤侵蝕模數(shù)呈減少趨勢。

5 結(jié)論

基于1993—2009年氣象數(shù)據(jù)和2009年土地利用數(shù)據(jù)，利用SWAT模型系統(tǒng)分析了近17年來昆明市松華壩水源地牧羊河小流域土壤侵蝕的變化，其主要結(jié)論有:

（1）近17年來，牧羊河輸沙變化在年際上表現(xiàn)為3個(gè)階段，1998年以前為增加趨勢，1998—2003年呈減少趨勢，2003—2009年呈波動變化。6—9月4個(gè)月最大輸沙量占全年輸沙量的96.5%。

（2）多年平均來看，牧羊河小流域土壤侵蝕以中輕度為主。土壤侵蝕模數(shù)的空間分布總體表現(xiàn)為，土壤侵蝕模數(shù)與林草面積所占比例呈反向關(guān)系，而與耕地面積所占比例呈正向關(guān)系。土地利用類型相近的情況下，坡度15°以上地形所占比例是決定土壤侵蝕模數(shù)大小的主要因素。

（3）1993—2009年土壤侵蝕模數(shù)在118.8～3 704 t/（km2·a）之間變化。

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（編輯:曾小漢）

Spatial Difference of Soil Erosion in the Small Watershed of Songhuaba Water Source Area in Kunming City

HUANG Ying1，WANG Jie1，HUANG Song-bai1，ZHU Jun2
（1.Yunnan Institute of Water Resources and Hydropower Research，Kunming650228，China; 2.Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau，Kunming650228，China）

Spatial difference of soil erosion in Muyang river watershed was analyzed by SWAT hydrological model. The research was carried out based on the meteorological data from 1993 to 2009 and land use data in 2009 in Songhuaba water source area and Kunming city，and the second national general soil survey data as well as the observed data of runoff and sediment discharge in the small watershed.Results showed that the interannual peak and valley values of precipitation and sediment discharge were in good coherence.While within the year，the sediment discharge occurred mainly from June to September.The average soil erosion modulus varied from 21.4 t/（km2·a） to 4 586.5 t/（km2·a），indicating that the soil erosion is mainly between middle to moderate levels.The spatial variation of soil erosion is closely related with land use type and topography and slope angle.Interannual variations of soil erosion modulus and precipitation were also in consistency.The research provides basis for estimating the spatial distribution of soil erosion and making targeted conservation measures.

soil erosion;small watershed;Songhuaba water source area

P338.2

A

1001-5485（2013）04-0021-04

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.0052013，30（04）:21-24，28

2012-10-31;

2013-01-07

水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201001058，201101042）

黃英（1959-），女，云南普洱人，教授級高級工程師，主要從事水文水資源等相關(guān)研究工作，（電話）13708859130（電子信箱）swhhyy@126.com。