基于In VEST模型的小流域土地利用優(yōu)化措施研究

張曉光

(遼寧省朝陽縣水土保持局，遼寧 朝陽 122000)

1 流域水土流失狀況

小流域位于朝陽縣境內(nèi)，屬大凌河中游，總面積約27. 03 km2。小流域處于古熱河地塊的東部邊緣地帶，地形總體較為平坦，大部分為坡耕地、土石質(zhì)荒山，林地面積較少，土層厚度適中，適宜水平梯田修建、坡耕地集中連片和水土保持造林。該流域?qū)儆诎霛駶?、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量515 mm，年徑流深112 mm，多集中于7、8、9三個(gè)月，季節(jié)降水變化較大。土壤類型以褐土為主，土壤抗沖蝕性弱、通透性差且腐殖質(zhì)較薄，植被類型主要有人工林，林草覆蓋率34.08%。

自然和人為因素為導(dǎo)致水土流失的主要原因，其中自然因素又包括土壤、降水、地形等。由于流域內(nèi)降雨分布不均，70%降水集中于雨季(7-9月)，且多以暴雨形式?jīng)_刷地表，加劇了土壤侵蝕[1-2]；此外，從地質(zhì)的角度上，地質(zhì)構(gòu)成物質(zhì)多為極易侵蝕的洪積物、殘積物等，其耕作層含有礫質(zhì)且表層土壤多褐土質(zhì)地，土壤保水能力差、質(zhì)地輕；從地形條件上，小流域地處丘陵山區(qū)，地勢(shì)起伏變化、坡度高[3]。人為因素以陡坡開荒為主，坡耕地進(jìn)一步加劇土壤侵蝕，同時(shí)不合理的牛羊放牧、打柴等也會(huì)對(duì)植被造成一定的破壞，減少林草覆蓋率[4]?？傮w而言，小流域地勢(shì)起伏變化、坡度高、降水集中，土壤通透性差、保水保土能力弱、土層薄、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)少，加之人類的不合理開發(fā)利用，在不利降水和地形條件下極易造成水土流失。

2 InVEST模型構(gòu)建

2.1 基本原理

In VEST模型是一款由世界自然基金會(huì)(WWF)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(TNC)與美國斯坦福大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估模型[6-7]，該模型能夠模擬生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值量和物質(zhì)量在不同土地覆蓋情境下的變化，從而為評(píng)價(jià)人類活動(dòng)影響和效益提供決策依據(jù)。In VEST模型可以有效解決以往評(píng)估系統(tǒng)直觀性差、側(cè)重于文字表述等問題，能夠可視化顯示評(píng)估結(jié)果。截止現(xiàn)今，該模型已有7個(gè)版本，可以提供陸地生態(tài)、海洋和淡水系統(tǒng)三大模塊，且不同評(píng)估項(xiàng)目均有相適應(yīng)的模塊。

2.2 坡面侵蝕單元?jiǎng)澐?/h3>

本研究利用GIS水文系統(tǒng)提取流域最小單元，通過水文模型分析坡面侵蝕單元，并為小流域精細(xì)化管理和后續(xù)數(shù)據(jù)的分析提供支持。采用1:1萬DEM數(shù)據(jù)提取盆域、傾斜點(diǎn)、河網(wǎng)水系、水流計(jì)算方向和填洼等數(shù)據(jù)。單元提取時(shí)匯流閾值的合理設(shè)置，應(yīng)充分考慮精度要求和小流域?qū)嶋H情況，通過多次設(shè)置試驗(yàn)獲取最佳匯流閾值為500，經(jīng)反復(fù)運(yùn)行確定坡面侵蝕單元405個(gè)，各單元平均取6.67 hm2。

2.3 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

結(jié)合小流域部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)有學(xué)者的研究成果，計(jì)算獲取泥沙持留率、植物蒸散系數(shù)、植物可利用水含量、水保措施、作物管理與植物覆蓋、坡度坡長、土壤可蝕性、降雨侵蝕力等模型參數(shù)值。根據(jù)已劃分的坡面侵蝕單元構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，整合收集到的地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、表格資料、圖片以及文字等，實(shí)現(xiàn)可視化、一體化管理。

3 小流域水土流失區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)

小流域水土保持和綜合治理的重要依據(jù)為土地的適宜性評(píng)價(jià)，通過科學(xué)合理的評(píng)價(jià)每塊土地適宜性方可充分發(fā)揮其功能作用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本研究借鑒土地利用相關(guān)文獻(xiàn)資料，按照可獲取性、獨(dú)立性、科學(xué)性、系統(tǒng)性等原則合理設(shè)定土地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體如下：

土地利用現(xiàn)狀。以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取小流域土地利用信息，并考慮適宜性程度劃分成建設(shè)用地、草地、林地、園地、耕地及其他用地6種類型。

土壤侵蝕狀況。依據(jù)In VEST模型評(píng)估結(jié)果提取土壤侵蝕數(shù)據(jù)，按照侵蝕強(qiáng)度劃分成強(qiáng)烈、重度、嚴(yán)重、重度、輕度、輕微6個(gè)侵蝕等級(jí)。

流域地貌。結(jié)合小流域?qū)嶋H情況，并參考陳道明等研究資料合理劃分地貌類型。

研究區(qū)坡度。采用DEM空間數(shù)據(jù)和小流域部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提取坡度，結(jié)合實(shí)際情況劃分成大于32°、22°～32°、15°～22°、9°～15°、4°～9°、0°～4°等6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

道路和居民點(diǎn)距離緩沖?？紤]道路、居民點(diǎn)距離評(píng)價(jià)單元的遠(yuǎn)近，將其劃分為六個(gè)等級(jí)，即大于250、200～250、150～200、100～150、50～100、0～50。

根據(jù)小流域?qū)嶋H情況和現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，對(duì)所選各指標(biāo)權(quán)重利用AHP法計(jì)算，詳細(xì)流程見文獻(xiàn)，結(jié)果如表1。然后利用Arc GIS軟件對(duì)所有指標(biāo)權(quán)重和各個(gè)圖層的空間化數(shù)據(jù)加權(quán)疊加，從而確定適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)。

表1 AHP法確定的指標(biāo)權(quán)重

柵格化處理小流域各指標(biāo)初始數(shù)據(jù)，并考慮加權(quán)疊加值生成土地適宜性格柵及其占比，如圖1。從評(píng)價(jià)結(jié)果可知，小流域整體呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢(shì)，然而局部地區(qū)的土地適宜性較差，不同區(qū)域的土地適宜性具有明顯的差異。從不同劃分等級(jí)上，交通條件良好、土地坡度較緩、適宜用作農(nóng)用地的土地面積(第一級(jí))所占比例不高為4. 45%；與第一級(jí)相比坡度陡、交通便利，局部適用于農(nóng)用地和果林種植的土地面積(第二級(jí))所占比例為16. 20%；坡度更大、交通不便，比較適用于牧業(yè)生產(chǎn)和林地的土地面積(第三級(jí))所占比例最大70. 05%；坡度陡峭、質(zhì)量較差的其他區(qū)域面積(第四級(jí)、第五級(jí))占9. 30%，故該區(qū)域應(yīng)作為土地利用優(yōu)化調(diào)整的重點(diǎn)。

(a)百分比 (b)面積

4 土地利用優(yōu)化措施分析

充分考慮小流域?qū)嶋H情況及其水土保持基本要求，明確小流域總體治理目標(biāo)：通過優(yōu)化土地利用方式改善小流域生態(tài)狀況，從而解決現(xiàn)階段存在的土壤侵蝕問題；經(jīng)過調(diào)整、優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以更好的保護(hù)有限的耕地資源以及保證流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量；采用合理的方式調(diào)整坡度較陡的耕地，以促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和林果業(yè)特色經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。

根據(jù)前文提取的坡面侵蝕單元和現(xiàn)有水保規(guī)劃技術(shù)規(guī)程，以水保領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)文件以及規(guī)范為依據(jù)，通過合理劃分土地類型和土地適宜性評(píng)價(jià)，科學(xué)規(guī)劃小流域綜合治理?？紤]到研究需求及流域?qū)嶋H情況，僅探究耕作、林草及其他工程技術(shù)措施，按照以下思路優(yōu)化調(diào)整小流域土地利用方式：保留流域內(nèi)大部分農(nóng)田，并對(duì)農(nóng)田土壤侵蝕量利用文中所述模型模擬計(jì)算，優(yōu)化調(diào)整超標(biāo)部分土地類型?？傮w而言，對(duì)于未實(shí)施水保措施且坡度超過25°的旱田采取退耕還林措施；對(duì)于水土流失量超標(biāo)且坡度低于25°的坡耕地，結(jié)合土地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果采取坡改梯或果林化措施，整體規(guī)劃如表2，優(yōu)化調(diào)整后的用地類型如表3。

表2 小流域土地利用規(guī)劃

表3 優(yōu)化調(diào)整后的用地類型 hm2

將小流域土地利用方式利用基于圖斑的精細(xì)化調(diào)整措施和模型計(jì)算成果加以優(yōu)化，結(jié)果顯示土壤侵蝕區(qū)域與優(yōu)化調(diào)整的范圍保持較好一致性，可見優(yōu)化調(diào)整后的土地利用類型能夠較好的抑制土壤侵蝕，為小流域水保治理和生態(tài)保護(hù)創(chuàng)造有利條件。

5 結(jié)語

(1)土地資源是保證國家戰(zhàn)略安全和人類賴以生存的自然資源，受自然條件和人類活動(dòng)影響區(qū)域水土流失不斷加劇，實(shí)施小流域綜合治理對(duì)推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)和區(qū)域發(fā)展發(fā)揮著巨大作用。

(2)本文以朝陽縣某小流域?yàn)槔肐n VEST模型評(píng)價(jià)分析了土地利用方式，并結(jié)合小流域?qū)嶋H情況提出有效的優(yōu)化調(diào)整對(duì)策，為小流域生態(tài)保護(hù)和水土保持規(guī)劃提供指導(dǎo)。

(3)水土保持工作涉及范圍廣、覆蓋因素多，實(shí)施過程中應(yīng)考慮諸多復(fù)雜多變的植被、地形和土地類型等因子，未來還需進(jìn)一步積累相關(guān)信息以提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度。