基于InVEST模型的復(fù)雜環(huán)境水土保持治理研究

馮璐璐

(山東省聊城市水利局，山東 聊城 252000)

我國是水資源大國，水土流失是影響我國部分地區(qū)生態(tài)水環(huán)境健康發(fā)展的重要因素。目前，我國西部黃土地區(qū)水土流失十分嚴(yán)重，治理工作耗資巨大，而對于中部地區(qū)，水流域環(huán)境則更為復(fù)雜，同時(shí)區(qū)域工業(yè)化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展也對水土流失造成了惡劣的影響[1- 3]。

我國水土流失情形不容樂觀。劉國華[4]對中國生態(tài)退化的主要類型即:森林生態(tài)系統(tǒng)的退化、土地沙漠化和水土流失等重大問題進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了各個(gè)類型的現(xiàn)狀、特征及分布。為我國自然資源的合理利用以及退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建提供基礎(chǔ)資料；王效科[5]以水土流失通用方程為理論基礎(chǔ)，利用我國已有的水土流失研究成果及地貌、土壤和植被分布圖，分析了降水、土壤質(zhì)地、地形坡度坡長和地表覆蓋因子對我國水土流失敏感性的影響及其形成的區(qū)域差異。在綜合評價(jià)我國水土流失敏感性區(qū)域差異基礎(chǔ)上，提出了中國水土流失敏感性區(qū)劃方案；李占斌[6]對土壤侵蝕與水土保持科學(xué)今后的研究方向提出見解，指出了加強(qiáng)對土壤侵蝕過程與機(jī)理、大尺度土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型、土壤侵蝕與水土流失治理環(huán)境效應(yīng)評價(jià)和水土流失調(diào)控技術(shù)的科技轉(zhuǎn)化等亟待解決問題的研究深度和廣度。

國內(nèi)外對水土流失治理工作的研究已比較成熟。李孝娟[7]對于低山丘陵區(qū)小流域水土流失治理工作進(jìn)行研究，提出在進(jìn)行治理方案的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)實(shí)際，還要與居民的實(shí)際需要相結(jié)合，并引導(dǎo)當(dāng)?shù)厝藗兎e極參與到治理的過程中去，才能真正達(dá)到效果；王丹陽等[8]依據(jù)已有區(qū)劃實(shí)踐和相關(guān)理論，提出縣域尺度水土保持區(qū)劃方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合定性分析將每個(gè)評價(jià)單元按其不同的三維組合類型劃分到不同的水土保持區(qū)；常志勇等[9]指出了我國目前所存在的生態(tài)環(huán)境問題包括環(huán)境問題和經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩者之間的矛盾，水土保持生態(tài)修復(fù)顯得尤為重要，闡述了水土保持生態(tài)修復(fù)的特點(diǎn)、規(guī)律和原則，分析了當(dāng)前生態(tài)環(huán)境存在的問題，由此提出了生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃與水土保持生態(tài)環(huán)境的方法。目前，受限于環(huán)境及工藝技術(shù)，對于復(fù)雜環(huán)境下流域水土流失治理工作的開展仍處于研究階段。本文將以山東省某流域?yàn)槔鐖D1所示。基于InVEST模型基本理論，研究復(fù)雜環(huán)境下流域水土流失的主要成因及治理工作。

1 流域InVEST模型建立

InVEST模型[10- 11]是一種基于模擬不同土地覆被情景下，生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)質(zhì)量和價(jià)值量變化從而為區(qū)域環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估模型，通過將所得數(shù)據(jù)定量化、空間可視化使得區(qū)域生態(tài)流域環(huán)境展示更為直觀。

圖1 流域遙感影像圖

InVEST水量模型基于“水量平衡法”，通過分析降水、土地利用、蒸騰量等多重參數(shù)，基于模型基本計(jì)算方法得出水量的產(chǎn)生或者消耗的過程與機(jī)制。以格柵區(qū)塊為基本運(yùn)算單元，將上述多因素帶入模型，其輸出結(jié)果具有空間性、多方位綜合性、合理性等突出優(yōu)勢。InVEST水量模型的基本計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Yxj—某土地類型j的計(jì)算單元x(即單位格柵區(qū)塊)的年供水量；AETxj—某土地類型j的計(jì)算單元x(即單位格柵區(qū)塊)的年水分蒸散量；Px—某土地類型j的計(jì)算單元x(即單位格柵區(qū)塊)的年降水量。式中各參數(shù)的計(jì)算方式如下：

(2)

PETxj=Kc(lx)×ET0(x)

(3)

(4)

AWCx=min(maxSoil.depth，root.depth)×PAWC

(5)

AET=min(Kc(lx)×ET0(x)，Px)

(6)

式中，PETxj—潛在可能蒸散量；ET0(x)—計(jì)算單元x內(nèi)的潛在可能蒸散量；maxSoil.depth、root.depth—最大土壤深度與植物根深數(shù)；Kc(lx)—植被柵格蒸散系數(shù)；AWCx—土壤有效含水量，mm；PAWC—植物可利用水量；Z—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，和區(qū)域條件有關(guān)。

2 基于InVEST模型的區(qū)域水土保持研究

根據(jù)InVEST模型基本計(jì)算原理，綜合考慮復(fù)雜環(huán)境流域降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長、植被覆蓋、潛在蒸散量、泥沙持留率以及所采取的水土保持措施等多重、復(fù)雜因素，導(dǎo)入ARCGIS軟件運(yùn)算得出usle單元格柵圖，根據(jù)流域水力侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)對侵蝕區(qū)域進(jìn)行劃分見表1，最終輸出流域土壤侵蝕現(xiàn)狀空間分布情況如圖2所示。

圖2 流域土壤侵蝕空間分布圖

侵蝕強(qiáng)度平均侵蝕模數(shù)/(t/(hm2·a))平均流失厚度/(mm/a)微度<5<0.37輕度5～250.37～1.9中度25～501.9～3.7強(qiáng)烈50～803.7～5.9極強(qiáng)烈80～1505.9～11.1劇烈>150>11.1

由圖2可以看出，該流域土壤侵蝕主要分布在北部邊界處、東北部外伸邊緣處以及流域中南部，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)地貌、植被分布以及居民區(qū)域分布等多重因素分析，認(rèn)為北部劇烈侵蝕是由于其處于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育帶附近，巖石、土壤等較為松散，強(qiáng)度低，在降雨環(huán)境下容易發(fā)生水土流失；東北部區(qū)域發(fā)生劇烈侵蝕主要是受植被覆蓋影響，由于其地勢較低，植被發(fā)育以灌木為主，不能很好地抑制水土流失問題；流域中部劇烈侵蝕則主要是由于人為因素帶來的負(fù)面作用：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，區(qū)域土地資源不斷被開發(fā)利用，植被覆蓋面積不斷下降，同時(shí)，工業(yè)發(fā)展帶來的水土污染也是導(dǎo)致土壤不斷侵蝕的原因。進(jìn)一步深入分析流域土壤受侵蝕情況，對不同侵蝕強(qiáng)度土壤覆蓋面積、侵蝕量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由表2可見，該流域土壤整體侵蝕情況較為嚴(yán)重，總侵蝕面積高達(dá)4109.47hm2，總侵蝕量高達(dá)42725.70t。從不同侵蝕強(qiáng)度看，侵蝕面積最廣的為微度侵蝕與輕度侵蝕，侵蝕面積分別為2823.05hm2和951.91hm2，占整體的68.70%和23.16%；侵蝕量最大的為劇烈侵蝕與輕度侵蝕，侵蝕量分別為10029.97t與9563.18t，占整體的23.48%與22.38%。同時(shí)，為進(jìn)一步分析土壤侵蝕產(chǎn)生的原因，對不同土地類型的土壤侵蝕情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表2 流域不同侵蝕強(qiáng)度下侵蝕面積、侵蝕量統(tǒng)計(jì)

表3 流域不同土地類型侵蝕面積、侵蝕量統(tǒng)計(jì)

由表3數(shù)據(jù)可知，對于不同土地類型耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及其他類型而言，從侵蝕面積上看，受侵蝕最嚴(yán)重的為林地，侵蝕面積為3326.97hm2，侵蝕程度最低的為水域，侵蝕面積僅有28.79hm2;從侵蝕量上看，受侵蝕最嚴(yán)重的為耕地，侵蝕量達(dá)到20693.04t，受侵蝕最輕的為水域，侵蝕量僅0.49hm2。但由于各種土地類型總面積不一，因此侵蝕面積與侵蝕量均不足以完全表達(dá)各土地類型實(shí)際侵蝕狀況，進(jìn)一步引入?yún)?shù)平均模數(shù)，其計(jì)算結(jié)果如圖3所示，可見平均模數(shù)耕地>草地>園地>建設(shè)用地>林地>水域，因此可以認(rèn)為區(qū)域水土流失最嚴(yán)重的為耕地，主要是受農(nóng)業(yè)化肥的污染以及土壤松散導(dǎo)致；其次為林地，主要是由于林地植被濫伐、農(nóng)田開墾等原因?qū)е隆Ｒ虼私ㄗh在此研究基礎(chǔ)上，可通過采用退耕還林、禁止亂砍亂伐等政策結(jié)合綠化工程進(jìn)行治理。

圖3 不同土地類型平均模數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語

復(fù)雜環(huán)境流域水土保持治理研究工作對我國生態(tài)建設(shè)具有重要的意義，本文以山東省某流域?yàn)檠芯繉ο螅贗nVEST模型綜合考慮復(fù)雜環(huán)境流域降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長、植被覆蓋、潛在蒸散量、泥沙持留率以及所采取的水土保持措施等多重因素，得出流域不同侵蝕強(qiáng)度下土壤侵蝕空間分布及不同土地類型侵蝕度；基于模型計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步深入分析侵蝕產(chǎn)生原因主要為耕地的過度開發(fā)與林地的濫砍亂伐，并提出采用“退耕還林+禁止濫伐+綠色工程”的綜合治理手段對流域土壤侵蝕情況進(jìn)行針對性的治理，以期為我國復(fù)雜環(huán)境流域水土保持治理工作提供良好的示范。