基于生態(tài)安全的小流域水土保持措施空間配置研究
——以燈臺(tái)架小流域?yàn)槔?/h1>
2018-08-13 09:39:34張風(fēng)香劉培郎
水利規(guī)劃與設(shè)計(jì) 2018年7期
張風(fēng)香，劉培郎
(河南省舞鋼市水利局，河南 舞鋼 462500)
我國(guó)是水土流失相對(duì)比較嚴(yán)重的國(guó)家之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)約有1/3以上的土地存在不同程度的水土流失，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重影響，也制約著我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展，水土保持的形勢(shì)不容樂(lè)觀[1-4]。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，政府對(duì)水土保持的治理工作越來(lái)越重視，特別是以小流域?yàn)榛A(chǔ)的水土流失治理模式，逐漸成為我國(guó)在水土保持工作中的重要一環(huán)，多年以來(lái)，許多專家學(xué)者均致力于對(duì)小流域的水土保持措施的研究，并已形成一定的理論基礎(chǔ)[5-8]。從最初的定性分析到現(xiàn)在的定量分析，從最初的單因素評(píng)價(jià)到現(xiàn)在的多因素、多目標(biāo)評(píng)價(jià)，小流域的水土保持工作正穩(wěn)步向前推進(jìn)，同時(shí)，一些新方法和新理論也逐漸被引入到該項(xiàng)工作中，給工程的各項(xiàng)效益計(jì)算和評(píng)價(jià)提供了科學(xué)合理的手段[9-10]。
針對(duì)目前小流域水土保持工作多集中于經(jīng)濟(jì)效益及模式、措施等方面，但治理成果理論化程度低、對(duì)減輕水土流失災(zāi)害和改善生態(tài)環(huán)境等研究不足，且不同地區(qū)的水土保持措施的不唯一性，以燈臺(tái)架小流域?yàn)槔?，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)因素，對(duì)該地區(qū)的水土保持措施進(jìn)行了空間上的最佳配置研究，可為類似地區(qū)的水土保持工作提供借鑒。
1 研究區(qū)概況
1.1 水土流失概況
燈臺(tái)架小流域位于舞鋼市楊莊鄉(xiāng)境內(nèi)。該流域由于受地形、地貌、降雨等自然條件及人類不合理的生產(chǎn)活動(dòng)方式的影響，造成水土流失面積較大，范圍較廣，流域內(nèi)水土流失形式以水力侵蝕中的面蝕和溝蝕為主。流域總面積3500hm2，水土流失面積2446hm2，占總面積的70%，其中：輕度侵蝕面積946.47hm2，中度侵蝕面積1218.93hm2，強(qiáng)度侵蝕面積280.23hm2。流域內(nèi)平均土壤侵蝕模數(shù)2174t/(km2·a)，年均土壤流失總量達(dá)7.61萬(wàn)t。
1.2 水土流失對(duì)當(dāng)?shù)貛?lái)的影響
水土流失給當(dāng)?shù)卦斐闪溯^大的危害，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，地表土壤肥力逐步降低，跑水跑肥造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入成本增加，糧食生產(chǎn)低而不穩(wěn)，抗御自然災(zāi)害能力不足；在生態(tài)環(huán)境方面，水土流失使地表土層肥力下降，土層變薄，蓄水保墑效果降低，導(dǎo)致林草植被生長(zhǎng)緩慢，甚至枯死，加之人為活動(dòng)對(duì)植被破壞，使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)植被逐年減少，自然生態(tài)失衡，環(huán)境不斷惡化，洪澇、干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生，河流旱時(shí)斷流，澇時(shí)泛濫成災(zāi)，地下水位不斷下降，造成農(nóng)村人蓄飲水困難。由于連年洪水使大量泥沙沖入河道，河床逐漸抬高，山塘、水庫(kù)淤積嚴(yán)重，河道兩岸農(nóng)田沖刷毀壞嚴(yán)重。
2 水土保持措施配置評(píng)價(jià)分析
2.1 土地適宜性評(píng)價(jià)
土地適宜性評(píng)價(jià)是指對(duì)要素稟賦及其空間差異進(jìn)行科學(xué)合理的分析，通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果分析，可在水土保持措施的空間配置中得到各區(qū)域土地的具體適宜的利用方式。評(píng)價(jià)過(guò)程一般遵循以下原則：比較原則、因地制宜原則、可持續(xù)利用原則、農(nóng)林牧地原則。利用GIS對(duì)30m×30m的土地單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)土地利用方式、侵蝕強(qiáng)度、地貌部位、坡度以及坡向等指標(biāo)進(jìn)行具體的量化，最后加權(quán)求和得到評(píng)價(jià)單元的綜合得分率，即可判斷該塊土地的適宜性(見(jiàn)表1)。
表1 土地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重
2.2 水沙響應(yīng)評(píng)價(jià)
水沙響應(yīng)采用小流域侵蝕模型并結(jié)合GIS技術(shù)，對(duì)破面徑流、流域匯流、坡面侵蝕量以及流域產(chǎn)沙等指標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算單元仍舊采用30m×30m的柵格。通過(guò)SCS徑流曲線法計(jì)算得到的CN值如圖1所示，根據(jù)圖中CN值結(jié)果并結(jié)合燈臺(tái)架小流域的實(shí)際情況，確定該地區(qū)的水文土壤為B組。根據(jù)燈臺(tái)架地區(qū)破面徑流資料，監(jiān)測(cè)不同措施下的水保結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各種水土保持措施的效益有很大的差異性，如圖2所示。計(jì)算各單元出口處的徑流總量，并將每個(gè)單元的土壤侵蝕量累加并乘以對(duì)應(yīng)子流域的面積，得到子流域的土壤侵蝕量和侵蝕模數(shù)，見(jiàn)表2。從表2中可以看到，由于水流的動(dòng)力作用，會(huì)帶走原本沉積的泥沙，隨著下游流量的增加，對(duì)土壤的侵蝕能力加大，沖刷和搬運(yùn)能力顯著增強(qiáng)，水土流失越發(fā)嚴(yán)重。
圖1 CN值
圖2 水土保持效益值
表2 水沙響應(yīng)值
2.3 生態(tài)安全評(píng)價(jià)
對(duì)小流域進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)可以更好地辨別當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、脆弱性以及可持續(xù)發(fā)展性。選取年降雨量、土壤類別、坡度、坡向、植被覆蓋率、人類活動(dòng)強(qiáng)度、溝道比降、溝壑密度等8項(xiàng)作為水土流失風(fēng)險(xiǎn)源的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重分別為0.33、0.03、0.22、0.03、0.20、0.03、0.12、0.04；將潛在經(jīng)濟(jì)損失、受影響人口以及生態(tài)服務(wù)價(jià)值作為受體重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)，其權(quán)重分別為0.16、0.58以及0.26。指標(biāo)計(jì)算采用加法公式，即：
(1)
綜合評(píng)價(jià)則采用乘法公式：
Y=p0.75·D0.25
(2)
式中，p—風(fēng)險(xiǎn)源；D—受體重要性；Y—綜合生態(tài)評(píng)價(jià)得分。根據(jù)評(píng)價(jià)計(jì)算的分?jǐn)?shù)即可對(duì)應(yīng)生態(tài)安全重要性等級(jí)，見(jiàn)表3。通過(guò)對(duì)燈臺(tái)架地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)得分為0.47，受體重要性為0.48，綜合得分為0.42，表明燈臺(tái)架地區(qū)的水土流失的可能性較高，遭到破壞的危險(xiǎn)程度較大，風(fēng)險(xiǎn)較高，且生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的地區(qū)主要集中于農(nóng)村居民點(diǎn)。
表3 生態(tài)安全重要性等級(jí)劃分
3 配置過(guò)程分析
小流域的綜合治理要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、水土流失的現(xiàn)狀來(lái)決定，分層次有序?qū)ι舷掠芜M(jìn)行水土保持措施的構(gòu)筑，主要包括水土流失治理區(qū)、生態(tài)環(huán)境改善區(qū)一級(jí)其他區(qū)域，見(jiàn)表4。
表4 小流域措施配置區(qū)劃
根據(jù)上文分析結(jié)果，采取多種措施對(duì)燈臺(tái)架地區(qū)的對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)行空間措施的布置，主要布設(shè)措施有：在水土保持治理區(qū)(占總面積的71.5%)坡度大于25°的地方進(jìn)行封山育林，充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)能力，在坡度小于25°的人口聚居區(qū)域，因地制宜，選擇當(dāng)?shù)剡m合的樹(shù)種，進(jìn)行生物工程治理，包括刺柏、五角楓、女貞和麻櫟等；在生態(tài)改善區(qū)(占總面積的1.9%)，以預(yù)防為主，防治結(jié)合的方式進(jìn)行改善，同時(shí)采取一定的工程措施，如新修梯田、堰壩、山塘、谷坊、蓄水池、疏溪固堤、排水溝、生產(chǎn)道路等綜合設(shè)施；在措施的空間配置上，注重水文的反復(fù)耦合計(jì)算，考慮各類措施之間的影響和銜接性。
依據(jù)上述水土保持措施，對(duì)經(jīng)過(guò)工程和生物工程治理的區(qū)域進(jìn)行減水和減沙效益值的分析，如圖3所示。
圖3 減水減沙效益值
從圖3中可以看出，治理過(guò)后的燈臺(tái)架地區(qū)的減水減沙作用明顯，平均減水率達(dá)到了22.6%，平均減沙率達(dá)到49.3%，表明水土保持治理治理效果逐步顯現(xiàn)，水土流失得到遏制，生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)，流域內(nèi)山青水秀一派生機(jī)盎然，逐步發(fā)展成適合人居、修閑旅游的好去處，也為今后清潔型小流域綜合治理找到了一條成功模式。
4 結(jié)論
以燈臺(tái)架小流域?yàn)槔酝恋剡m宜性為約束條件、以水沙響應(yīng)為決策依據(jù)，構(gòu)建了基于生態(tài)安全評(píng)價(jià)的水土保持措施空間配置體系，通過(guò)治理后的效果表明：該地區(qū)水土流失得到明顯遏制，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)良好，研究分析結(jié)果可為類似小流域地區(qū)的水土保持工作提供借鑒。
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隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，政府對(duì)水土保持的治理工作越來(lái)越重視，特別是以小流域?yàn)榛A(chǔ)的水土流失治理模式，逐漸成為我國(guó)在水土保持工作中的重要一環(huán)，多年以來(lái)，許多專家學(xué)者均致力于對(duì)小流域的水土保持措施的研究，并已形成一定的理論基礎(chǔ)[5-8]。從最初的定性分析到現(xiàn)在的定量分析，從最初的單因素評(píng)價(jià)到現(xiàn)在的多因素、多目標(biāo)評(píng)價(jià)，小流域的水土保持工作正穩(wěn)步向前推進(jìn)，同時(shí)，一些新方法和新理論也逐漸被引入到該項(xiàng)工作中，給工程的各項(xiàng)效益計(jì)算和評(píng)價(jià)提供了科學(xué)合理的手段[9-10]。
針對(duì)目前小流域水土保持工作多集中于經(jīng)濟(jì)效益及模式、措施等方面，但治理成果理論化程度低、對(duì)減輕水土流失災(zāi)害和改善生態(tài)環(huán)境等研究不足，且不同地區(qū)的水土保持措施的不唯一性，以燈臺(tái)架小流域?yàn)槔?，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)因素，對(duì)該地區(qū)的水土保持措施進(jìn)行了空間上的最佳配置研究，可為類似地區(qū)的水土保持工作提供借鑒。
1 研究區(qū)概況
1.1 水土流失概況
燈臺(tái)架小流域位于舞鋼市楊莊鄉(xiāng)境內(nèi)。該流域由于受地形、地貌、降雨等自然條件及人類不合理的生產(chǎn)活動(dòng)方式的影響，造成水土流失面積較大，范圍較廣，流域內(nèi)水土流失形式以水力侵蝕中的面蝕和溝蝕為主。流域總面積3500hm2，水土流失面積2446hm2，占總面積的70%，其中：輕度侵蝕面積946.47hm2，中度侵蝕面積1218.93hm2，強(qiáng)度侵蝕面積280.23hm2。流域內(nèi)平均土壤侵蝕模數(shù)2174t/(km2·a)，年均土壤流失總量達(dá)7.61萬(wàn)t。
1.2 水土流失對(duì)當(dāng)?shù)貛?lái)的影響
水土流失給當(dāng)?shù)卦斐闪溯^大的危害，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，地表土壤肥力逐步降低，跑水跑肥造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入成本增加，糧食生產(chǎn)低而不穩(wěn)，抗御自然災(zāi)害能力不足；在生態(tài)環(huán)境方面，水土流失使地表土層肥力下降，土層變薄，蓄水保墑效果降低，導(dǎo)致林草植被生長(zhǎng)緩慢，甚至枯死，加之人為活動(dòng)對(duì)植被破壞，使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)植被逐年減少，自然生態(tài)失衡，環(huán)境不斷惡化，洪澇、干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生，河流旱時(shí)斷流，澇時(shí)泛濫成災(zāi)，地下水位不斷下降，造成農(nóng)村人蓄飲水困難。由于連年洪水使大量泥沙沖入河道，河床逐漸抬高，山塘、水庫(kù)淤積嚴(yán)重，河道兩岸農(nóng)田沖刷毀壞嚴(yán)重。
2 水土保持措施配置評(píng)價(jià)分析
2.1 土地適宜性評(píng)價(jià)
土地適宜性評(píng)價(jià)是指對(duì)要素稟賦及其空間差異進(jìn)行科學(xué)合理的分析，通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果分析，可在水土保持措施的空間配置中得到各區(qū)域土地的具體適宜的利用方式。評(píng)價(jià)過(guò)程一般遵循以下原則：比較原則、因地制宜原則、可持續(xù)利用原則、農(nóng)林牧地原則。利用GIS對(duì)30m×30m的土地單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)土地利用方式、侵蝕強(qiáng)度、地貌部位、坡度以及坡向等指標(biāo)進(jìn)行具體的量化，最后加權(quán)求和得到評(píng)價(jià)單元的綜合得分率，即可判斷該塊土地的適宜性(見(jiàn)表1)。
表1 土地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重
2.2 水沙響應(yīng)評(píng)價(jià)
水沙響應(yīng)采用小流域侵蝕模型并結(jié)合GIS技術(shù)，對(duì)破面徑流、流域匯流、坡面侵蝕量以及流域產(chǎn)沙等指標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算單元仍舊采用30m×30m的柵格。通過(guò)SCS徑流曲線法計(jì)算得到的CN值如圖1所示，根據(jù)圖中CN值結(jié)果并結(jié)合燈臺(tái)架小流域的實(shí)際情況，確定該地區(qū)的水文土壤為B組。根據(jù)燈臺(tái)架地區(qū)破面徑流資料，監(jiān)測(cè)不同措施下的水保結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各種水土保持措施的效益有很大的差異性，如圖2所示。計(jì)算各單元出口處的徑流總量，并將每個(gè)單元的土壤侵蝕量累加并乘以對(duì)應(yīng)子流域的面積，得到子流域的土壤侵蝕量和侵蝕模數(shù)，見(jiàn)表2。從表2中可以看到，由于水流的動(dòng)力作用，會(huì)帶走原本沉積的泥沙，隨著下游流量的增加，對(duì)土壤的侵蝕能力加大，沖刷和搬運(yùn)能力顯著增強(qiáng)，水土流失越發(fā)嚴(yán)重。
圖1 CN值
圖2 水土保持效益值
表2 水沙響應(yīng)值
2.3 生態(tài)安全評(píng)價(jià)
對(duì)小流域進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)可以更好地辨別當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、脆弱性以及可持續(xù)發(fā)展性。選取年降雨量、土壤類別、坡度、坡向、植被覆蓋率、人類活動(dòng)強(qiáng)度、溝道比降、溝壑密度等8項(xiàng)作為水土流失風(fēng)險(xiǎn)源的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重分別為0.33、0.03、0.22、0.03、0.20、0.03、0.12、0.04；將潛在經(jīng)濟(jì)損失、受影響人口以及生態(tài)服務(wù)價(jià)值作為受體重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)，其權(quán)重分別為0.16、0.58以及0.26。指標(biāo)計(jì)算采用加法公式，即：
(1)
綜合評(píng)價(jià)則采用乘法公式：
Y=p0.75·D0.25
(2)
式中，p—風(fēng)險(xiǎn)源；D—受體重要性；Y—綜合生態(tài)評(píng)價(jià)得分。根據(jù)評(píng)價(jià)計(jì)算的分?jǐn)?shù)即可對(duì)應(yīng)生態(tài)安全重要性等級(jí)，見(jiàn)表3。通過(guò)對(duì)燈臺(tái)架地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)得分為0.47，受體重要性為0.48，綜合得分為0.42，表明燈臺(tái)架地區(qū)的水土流失的可能性較高，遭到破壞的危險(xiǎn)程度較大，風(fēng)險(xiǎn)較高，且生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的地區(qū)主要集中于農(nóng)村居民點(diǎn)。
表3 生態(tài)安全重要性等級(jí)劃分
3 配置過(guò)程分析
小流域的綜合治理要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、水土流失的現(xiàn)狀來(lái)決定，分層次有序?qū)ι舷掠芜M(jìn)行水土保持措施的構(gòu)筑，主要包括水土流失治理區(qū)、生態(tài)環(huán)境改善區(qū)一級(jí)其他區(qū)域，見(jiàn)表4。
表4 小流域措施配置區(qū)劃
根據(jù)上文分析結(jié)果，采取多種措施對(duì)燈臺(tái)架地區(qū)的對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)行空間措施的布置，主要布設(shè)措施有：在水土保持治理區(qū)(占總面積的71.5%)坡度大于25°的地方進(jìn)行封山育林，充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)能力，在坡度小于25°的人口聚居區(qū)域，因地制宜，選擇當(dāng)?shù)剡m合的樹(shù)種，進(jìn)行生物工程治理，包括刺柏、五角楓、女貞和麻櫟等；在生態(tài)改善區(qū)(占總面積的1.9%)，以預(yù)防為主，防治結(jié)合的方式進(jìn)行改善，同時(shí)采取一定的工程措施，如新修梯田、堰壩、山塘、谷坊、蓄水池、疏溪固堤、排水溝、生產(chǎn)道路等綜合設(shè)施；在措施的空間配置上，注重水文的反復(fù)耦合計(jì)算，考慮各類措施之間的影響和銜接性。
依據(jù)上述水土保持措施，對(duì)經(jīng)過(guò)工程和生物工程治理的區(qū)域進(jìn)行減水和減沙效益值的分析，如圖3所示。
圖3 減水減沙效益值
從圖3中可以看出，治理過(guò)后的燈臺(tái)架地區(qū)的減水減沙作用明顯，平均減水率達(dá)到了22.6%，平均減沙率達(dá)到49.3%，表明水土保持治理治理效果逐步顯現(xiàn)，水土流失得到遏制，生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)，流域內(nèi)山青水秀一派生機(jī)盎然，逐步發(fā)展成適合人居、修閑旅游的好去處，也為今后清潔型小流域綜合治理找到了一條成功模式。
4 結(jié)論
以燈臺(tái)架小流域?yàn)槔酝恋剡m宜性為約束條件、以水沙響應(yīng)為決策依據(jù)，構(gòu)建了基于生態(tài)安全評(píng)價(jià)的水土保持措施空間配置體系，通過(guò)治理后的效果表明：該地區(qū)水土流失得到明顯遏制，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)良好，研究分析結(jié)果可為類似小流域地區(qū)的水土保持工作提供借鑒。
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