黃土高原水土保持措施對下墊面抗蝕力影響分析*

張軍,秦奮,邢昱

（河南大學環境與規劃學院,河南開封 475004）

水土流失是一個全球性的生態環境問題。我國是水土流失最為嚴重的國家之一,特別是黃土高原地區,侵蝕十分嚴重,多年平均輸沙量達16億t。面臨這樣的一個問題,國內有許多學者在黃河流域治理方面做了大量的研究。冉大川等提出了流域坡面措施減水指標體系,研究了黃河中游水土保持措施的減水減沙作用[1]。朱金兆等將水土保持措施逐級細分成若干小措施[2]。趙東波定量分析了各種水土保持措施對于減少徑流和土壤侵蝕產沙的效果,為小流域土壤侵蝕預報、水土保持措施的優化及合理配置、優化土地利用結構等提供了參考依據[3]。李發斌等利用生態經濟評價對王家溝流域的坡改梯和筑壩淤地等工程治理措施的經濟效益進行了定量分析[4]。康玲玲等結合黃土高原溝壑區的自然特征,建立了水土保持措施的蓄水攔沙指標體系,并得出黃土高原溝壑區梯田、造林、種草的攔沙指標都小于黃土丘陵溝壑區相應措施的指標值[5]。熊運阜等研究得出了不同質量的梯田、林地、草地在不同的徑流、泥沙水平年份的減水減沙效益指標,并建立了梯田、林地、草地減水減沙效益指標體系[6]。黎鎖平提出了水土保持綜合治理效益的灰色系統評價方法,為水保效益分析評價探索了一條新的途徑[7]。胡良軍初步確定了區域水土流失定量評價指標體系,用以建立區域水土流失定量評價數學模型[8]。

以往的學者大多是從水土保持措施在黃土高原小流域治理中的減水減沙效益方面進行研究的,而且沒有將建立的水土保持措施指標體系中的各因子層定量化。雖然一部分學者也進行了定量研究,但仍沒有建立起一個比較完整科學的指標體系。另外,很少有人從水土保持措施對下墊面抗蝕力的影響這個方面進行研究。因此,綜合分析前人的研究成果,建立一個完整、科學的水土保持措施對下墊面抗蝕力影響的指標體系,為黃土高原小流域的治理提供科學的依據,是目前亟待解決的問題。本文選取岔巴溝流域為研究區域,在野外調查、采樣和室內分析的基礎上,深入水土保持措施對下墊面抗蝕力的影響進行分析。旨在豐富水土保持措施對水土流失治理影響的理論,為小流域利用和治理提供科學的依據。

1 研究區概況

岔巴溝流域位于東經 109°47′、北緯 37°21′,自然地理區劃屬于黃土丘陵溝壑區第一副區,在無定河流域的西南部與無定河的一級支流大理河相匯,流域面積為203 km2,溝道長24.1 km,流域形狀基本對稱,干溝與支溝相匯夾角約為60°。岔巴溝流域的地貌形態可劃分兩大類:一是河谷階地;二是黃土丘陵溝壑區,其中黃土丘陵溝壑區又分兩個亞區,即梁地溝谷亞區及峁谷亞區,除此以外,尚有崩塌、滑坡、假喀斯特、黃土柱等特殊的地貌景觀。流域上游以梁地溝谷為主,下游以峁地溝谷為土,中游二者皆有。土溝兩岸及一級支溝的溝頭一般都有較開闊的平地,而二級支溝的溝頭切割很深,沿溝兩岸近似垂直,其節理發育,崩塌嚴重。該流域地貌的基本特征是土壤侵蝕嚴重,溝谷發育劇烈,全流域被大小溝道切割成支離破碎、溝壑縱橫的典型黃土地貌景觀。

岔巴溝處于黃河中游多沙粗沙區,流域水土保持綜合治理力度大,主要體現在水土保持工程措施的影響上。流域治理工作始于1959年,治理措施以治溝為主,治坡為輔;工程設施為主,林草生物措施為輔。

治溝措施以修建小型淤地壩為主。1970年前建有庫壩139座。1970年西北農業會議之后,一場大規模的農田基本建設蓬勃興起,截至1978年的岔壩溝流域壩庫普查測量后,全流域共建壩庫448座,總庫容達2 548萬m3。在全流域范圍內,骨干壩與一般壩結合,大壩和小壩結合,基本是小溝有小壩,大溝有大壩,實現溝溝都有壩。在當時為黃河中游區以庫壩體系治理流域的典型之一。1978年后,庫壩建設工作漸趨低潮[9]。到1993年汛前對該流域壩庫進行了普查,共建庫474座,其中217座壩庫己淤滿,227座被沖毀,僅剩30座。之后又進行了修復沖毀的淤地壩,到目前為止除去已經淤滿和沖毀的大約有60座。流域坡面治理以種草、植樹、修筑水平梯田的形式進行。據陜西省子洲縣水利水保局提供的數據,岔巴溝流域治理程度達70%以上,水土流失基本得到控制。

2 評價指標體系的建立

2.1 評價指標確定的原則

(1)科學性。指標應該建立在一定的科學理論基礎之上、并且是客觀存在的,概念內涵和外延應明確,能反映水土保持措施對流域下墊面抗蝕力直接和間接的影響。

(2)系統性。各評價指標及其各指標的因子層在水土保持措施對下墊面影響中,它們之間應有內在的聯系,只考慮單個指標或單個因子僅僅只能反映水土保持措施的某一方面對下墊面抗蝕力影響,只有相互聯系的指標體系才能全面地反映流域水土保持措施對下墊面抗蝕力的影響。

(3)主導性。黃土高原水土保持措施對下墊面抗蝕力影響在眾多因子中,各種因子的作用過程及作用方式不同。因此,應選擇具有代表性的,能直接反映黃土高原水土保持措施對下墊面抗蝕力影響的主導性指標。

(4)層次性。水土保持措施對下墊面抗蝕力影響的指標體系包括農業耕作、林草措施、工程措施,每種措施可用眾多的指標進行標度,綜合成一個水土保持措施的指標體系。因此,指標體系的建立應該具有層次性。

(5)可操作性。指標體系的建立,應盡可能考慮到數據的易獲性、可采集性和易于量化,遵循簡潔、方便、有效、適用的原則。

2.2 評價指標的選取

水土保持措施是指在水土流失區,為防治水土流失,保護、改良及合理利用水土資源而采用的一切措施的總稱。根據相關研究[10],黃土丘陵溝壑區水土保持綜合治理中所采取的主要措施分為農業耕作措施、生物林草措施、工程措施三大類。

(1)農業耕作措施:是以保水保土保肥為主要目的,以提高農業生產為宗旨,以犁、鋤、耙等為耕(整)地農具所采取的改變局部微地形或地表結構的措施,主要包括等高耕作、帶狀耕作和溝壟耕作。農業耕作措施在黃土高原地區范圍比較小,分布零碎而且年度變化比較大。當地居民一般根據種植的情況采用不同的農業耕作措施。該措施有著隨時間、空間和種植情況的變化不斷變化的特點,不適合作為定量分析的指標。

(2)生物林草措施:是指在水土流失區植樹造林種草,增加地表植被覆蓋,保護地表土壤免遭雨滴直接打擊;攔蓄徑流,涵養水源,調節河川、湖泊和水庫的水文狀況;增加土壤抵抗水流沖刷的能力,防止土壤侵蝕,改良土壤,改善生態環境等為目的而采取的措施。

(3)工程措施:是水土保持綜合治理措施的重要組成部分,指通過改變一定范圍內小地形,攔蓄地表徑流,增加土壤降雨入滲,改善農業生產條件,充分利用光、溫、水土資源,建立良性生態環境,減少或防止土壤侵蝕,合理開發、利用水土資源而采取的措施。

水土保持措施的綜合評價不可能將影響下墊面抗蝕力的所有因子都加以綜合分析,而是找出或篩選出影響的主要或主導因子,在其中又篩選出主要指標的方法。在正確認識和分析水土保持措施,分解水土保持措施構成因子的基礎上選擇正確的評價指標,才有可能制定準確的指標體系,才能保證評價工作的正確進行。建立的水土保持措施對下墊面抗蝕力影響的指標體系分為目標層和指標層,目標層下的水土保持措施分為:淤地壩、梯田、造林種草、封山育林育草4個指標。

3 水土保持措施的抗蝕力計算

3.1 計算評價方法

(1)層次分析法(AHP)。該方法較完整地體現了系統分析和系統綜合的思想。應用這種方法有利于對各個因素因子進行解剖分析并給因素因子的定量研究提供了一個很好的方法。

(2)灰色系統評價法[7]。水土保持措施的各因素因子之間在對下墊面抗蝕力的影響中是錯綜復雜的,各因子之間有一定的關聯,共同影響下墊面的抗蝕力。這就需要運用灰色系統評價的方法對水土保持措施體系中的因素因子之間進行關聯度分析以便于量化。

(3)Delphi咨詢方法[11]。在黃土高原水土保持措施對下墊面抗蝕力的影響研究中,各因素因子之間存在一定的關聯,而且各個因子對下墊面抗蝕力的影響程度也有很大的區別。在定量確定這種影響程度時,根據個人主觀意見來確定是沒有說服力的。但是,運用Delphi咨詢的方法咨詢一定數量專家的意見,根據專家多年的研究經驗給各個因子一定的評分。再綜合各個專家的評分結果去進行定量,這就可以得出一個相對準確的結果。

3.2 建立層次模型

根據前面對岔巴溝小流域水土保持指標選取的研究,將岔巴溝小流域水土流失措施抗蝕力評價指標體系分為目標層A、指標層B兩個層次。具體層次模型圖見圖1。

圖1 水土保持措施對下墊面抗蝕力影響指標的層次結構

3.3 構造判斷矩陣

層次分析法要求逐層計算有關相互聯系的元素間影響的相對重要性,并予以量化,組成判斷矩陣,作為分析的基礎。構造判斷矩陣是層次分析法最關鍵的步驟。在構造判斷矩陣過程中,對于兩個元素之間重要性程度的標度也將對評價結果的好壞產生直接影響。常用的是Satty提出的標度方法[12],即分別以1,3,5,7,9來標度兩個元素之間的重要性程度(如表1所示),最后建立相應的判斷矩陣。

表1 因子間相對重要性標度參照表

3.4 確定權重系數并一致性檢驗

表2 RI平均隨機一致性指標值

如CR≤0.1,則認為判斷矩陣有滿意的一致性;當CR＞0.1,則必須對判斷矩陣進行自修正,修正公式為

后得完全一致化矩陣B,再對B求權重即得原矩陣各指標所對應的權重數。通過以上方法,可計算準則層、指標層中各指標所對應的權重數,進而確定各指標的組合權重。設準則層中各指標權重為指標層中各指標權重為則各指標的組合權重為其中i=1,2,3,為準則數;而 j=1,2,3,…,k,為指標數)。通過對指標體系的分析,得出指標體系中因子的權重。各指標層因子的權重為:淤地壩0.262 9,梯田0.170 3,造林種草0.315 7,封山育林育草0.251 1。

3.5 水土保持信息提取

研究所用的數據包括岔巴溝流域2004年的2.5 m分辨率的SPOT5遙感影像和1990年TM影像以及1∶1萬地形圖。SPOT5數據的精度比較高,通過人機交互進行目視解譯可以將淤地壩和梯田信息提取出來。淤地壩信息的提取是根據淤地壩控制范圍的分水嶺進行提取(附圖3)。梯田的信息在影像上也能明顯反映出來,直接進行提取(附圖4)。林草措施用監督分類的方法結合土地利用圖進行提取。

1990年的TM數據分辨率較SPOT5要低,因此,通過非監督分類的方法提取梯田和林草措施。提取出的水土保持信息(如圖2)。淤地壩信息提取的方法仍是用人機交互目視解譯。在查詢該地區兩個年份的規劃報告發現,岔巴溝流域并未采用過封禁措施。所以在該研究區域不用考慮封禁措施的影響。

通過對提取的水土保持信息進行分析和實際調查,發現淤地壩控制的區域內也有部分梯田和林草措施。這就需要對這些組合區域重新考慮抗蝕力的權重。實地調查時發現這些組合區域的侵蝕比單措施區域要小,因此,將組合區域里的各措施的權重進行相加便可得到組合區域抗蝕力的權重。組合后的各個區域抗蝕力的權重(如表3)。

圖2 1990年TM影像提取的水土保持信息

表3 各區域類型權重表

3.6 各種措施分值的無量綱化

評價指標的種類不同,指標間的性質差異比較大,如果直接進行綜合評價是不科學的,也缺乏可比性。所以,在對小流域下墊面抗蝕力進行綜合評價之前需要對各個指標進行無量綱化處理。

由表4可以看出,水土保持措施這個圖層包含了6種不同類型的分區,每個類型分區的抗侵蝕能力是不相同的。這就需要給每種類型區的抗侵蝕能力給予定量計算。通過加權極差標準化的方法將各個類型區的相對抗侵蝕能力歸一化為0～100,將抗侵蝕能力最好的區域給分值100,最差的為0。具體計算方法運用如下公式:

式中:S——相對抗侵蝕能力;X——區域的權重;Wmax和Wmin——區域權重的最大值和最小值。例如淤地壩的分值為

根據以上計算得出淤地壩的相對抗侵蝕能力為45。將6種類型區的相對侵蝕能力計算出來(表4):

3.7 結果分析

通過以上的分析,得出岔巴溝流域抗蝕力等級圖(如圖3,4)。

表4 各個類型區的相對抗侵蝕能力分值

圖3 2004年水土保持措施相對抗侵蝕能力分類圖

圖4 1990年水土保持措施相對抗侵蝕能力分類圖

表5 2004年與1990年水土保持措施影響面積統計

統計分析各種措施影響面積時發現淤地壩和造林種草措施對該區域影響的面積最大。兩個年份的各個措施的統計情況見表5。

由表5可以看出淤地壩影響的范圍最廣,這與實際相符合。實際當中,淤地壩影響了整個壩的上游區域,在黃土高原水土流失的治理中有著不可替代的作用。其次造林種草在小流域治理中也起著非常重要的作用。岔巴溝地區造林種草分布廣泛,也是一項非常重要的措施。黃土高原梯田比較分散,而且面積比較小,一般在少數山的坡面分布,對水土流失的影響面積比較小。通過兩個年份數據的對比可以發現淤地壩控制的面積有所減少,減少的比例較大。這與1993年的洪水有關,沖毀了部分淤地壩,90年代以后建的淤地壩較少,十幾年的時間一部分已經淤滿。所以淤地壩的減少是符合實際情況的。梯田的增加與生產力水平有很大的關系,90年代以前黃土高原地區生產力水平相對落后,因此,興建梯田還需要耗費很大的人力物力和財力。生物措施的覆蓋面積有很大程度的增加,黃土高原水土流失的治理中,生物措施是非常重要的一項措施。政府也比較看重這項措施,在治理過程中造林種草起著及其重要的作用。從整體上來看,水土保持措施對黃土高原下墊面抗侵蝕能力的增強有著不可替代的作用。兩個年份的對比也說明了黃土高原小流域治理水平在不斷提高,也充分說明了人類活動對下墊面抗蝕力有著很大的影響。

4 結語

通過對黃土高原小流域水土保持措施對下墊面抗蝕力的影響進行了深入的分析。建立了水土保持措施對下墊面抗蝕力影響的定量研究指標體系,并建立了水土保持措施對小流域抗蝕力研究的一套評價方法。這個指標體系也可以用于多個影響因素對下墊面抗蝕力的研究。將該研究方法應用于岔巴溝地區具有典型性。在該地區應用后得出的結論與實地考察得出的結論相符合。因此,該方法在黃土高原小流域下墊面抗蝕力的研究中具有一定的科學性和有效性。由于數據的限制,未能將一些小措施加入到該評價體系中。隨著科學技術的發展和黃土高原小流域治理的不斷完善,對黃土高原小流域抗蝕力的研究有待進一步的探索。

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