生態建設對駱駝山小流域泥沙連通性的影響研究

計紅燕

(桓仁縣水務移民服務中心，遼寧 本溪 117200)

1 流域概況

駱駝山小流域位于水土流失比較嚴重的遼西地區朝陽市雙塔區長寶鄉境內，距離朝陽市區約15km，主溝長10.2km，溝道平均比降為2.7%，流域不對稱系數為41.6%，流域總面積14.08km2。流域內分布著9個自然村屯，共229戶，824人[1]。研究區屬于中溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫6.8℃，極端最高氣溫42.5℃，極端最低氣溫-46.7℃。研究區屬于遼西半干旱地區，多年平均降水量為512mm，且年內和年際分布極不均勻。由于研究區內汛期多短時強降雨，受地質、地形條件以及暴雨沖刷作用的影響，流域內地貌支離破碎，溝壑縱橫，水土流失十分嚴重。因此從20世紀末21世紀初開始實施了生態景觀清潔型小流域治理工作，并取得了顯著的生態環境效益。

2 小流域泥沙連通性的研究模型

2.1 研究方法的選擇

近年來，流域連通性成為廣大學者重點關注和研究的對象[2]，在水土流失研究領域發揮了十分重要的作用。當然，在小流域尺度下，地表的泥沙路徑描述涉及的因素眾多[3]。例如，流域內的不同土地利用方式會造成水文過程的差異性，進而影響到流域內的泥沙連通[4]。關于泥沙連通性評估，Borselli等提出的徑流泥沙連通指數(IC)被廣大學者廣泛認可，并經過諸多小流域的實踐研究，結果顯示對徑流泥沙連通具有良好的識別效果[5]。因此，本文選擇徑流泥沙連通指數(IC)作為研究方法，對不同生態建設情景下的駱駝山小流域泥沙連通的影響進行分析和評價。

徑流泥沙連通性指數(IC)是通過對研究區的地形指數的計算[6]，進而表示小流域內不同區域的潛在流通性，其計算公式為：

(1)

2.2 計算模型的建立

根據式(1)，在IC計算過程中需要的數據有研究區的坡度因子、貢獻源區面積、徑流長度以及權重因子[7]。其中，除了權重因子之外的其他參數均可以通過DME模型獲取。

權重因子決定了向下游輸送泥沙的效率，會對流域或坡面內徑流泥沙的輸送過程造成顯著影響，可以使用地表糙度、植被覆蓋以及土壤的可蝕性等控制流速和泥沙輸移的指標表示[8]。當然，無論采用何種指標表示權重因子，均應考慮植被、土壤以及土地利用等影響因素[9]。一般來說，農業用地為主要的土地利用方式時，可以采用USLE-RUSLE方程中的植被管理措施因子(C)表征[10]。鑒于本次研究的駱駝山小流域進行了二十多年的生態建設，流域內的植被覆蓋率有了十分明顯的提高。因此研究中采用USLE-RUSLE通用土壤流失方程中的植被管理措施因子(C)以及水土保持措施因子(P)共同作為IC計算中的權重因子[11]。

植被管理措施因子(C)以及水土保持因子(P)均為值域為[0，1]的無量綱參數[12]。本次研究中結合研究區的土地利用類型和相關學者的研究成果[13]，確定植被管理措施因子(C)和水土保持因子(P)的賦值，結果見表1。

表1 駱駝山小流域權重因子賦值結果

SAGA(System for Automated Geoscientific Analyses)是一款可以簡單有效實現空間數據分析的免費開源地理信息系統軟件，自發布以來便迅速成為建模與科學分析領域的重要GIS平臺[14]。因此，本次研究使用SAGA軟件進行IC指數的自動計算。

2.3 生態建設情景設置

駱駝山小流域進行了多年的生態建設，其主要工程措施有如下幾個方面：在適宜的坡面上進行植樹造林或農田的斜改梯，在溝道內實施溝道壩系整治工程，主要是在支毛溝上游修筑土、石谷坊，種植楊、柳樹等防沖耐濕樹種，溝底造防沖林及速生豐產林；在主溝道的中、下游修建漿砌石谷坊或塘壩。本次研究基于分析單個措施下流域泥沙連通狀況[15]，設置了4種不同模擬情景，見表2。

表2 生態情景措施組合

3 計算結果與分析

按照上文提出的計算模型與具體的方法，對研究區的(IC)指數進行模擬計算，結果如圖1—4所示。由圖1—4可知，在相同生態建設情景下，徑流泥沙連通指數呈現出山脊高、溝道低的特征。這說明研究區內山脊比溝谷的徑流泥沙連通性小，也就是溝谷比山脊更容易發生比較明顯的土壤侵蝕。究其原因，短時強降雨的情況下，土壤入滲后的多余水量將形成地表徑流，并在重力作用下向區域內的溝谷部位匯集，且流量和流速均會不斷加大。因此，愈靠近溝谷，徑流的挾沙能力便愈強，因此對土壤的破壞、剝蝕與搬運作用也愈強烈。此外，在流域內的下游溝道存在大片(IC)低值區域，原因是這些地方屬于小流域內的建筑用地集中區，由于這部分土地存在較高的硬化率，土壤侵蝕作用微乎其微，進而造成該部位的徑流泥沙連通能力明顯較低。

圖1 S0生態情景下指數(IC)空間分布

圖2 S1生態情景下指數(IC)空間分布

圖3 S2生態情景下指數(IC)空間分布

圖4 S3生態情景下指數(IC)空間分布

對不同情景下的駱駝山小流域徑流泥沙連通指數(IC)的特征參數進行統計，結果見表3。從表3中的結果可知，在不同生態建設情景下，(IC)的最小值均相同，原因是這一最小值出現在流域出口附近的一個匯流區，由于該匯流區均為建筑用地，因此徑流泥沙連通性差且不受生態建設情景的影響。從IC指數的最大值來看，情景S0和S2下的最大值均為0.35，比情景S1和S3分別大了0.64和0.75。因此，僅采取坡面措施和同時采取坡面與溝道措施可以顯著降低IC指數的最大值，而僅采取溝道措施對降低IC指數最大值的作用不大。從IC指數的均值來看，情景S1、S2和S3下的IC指數均值分別為-4.41、-3.73和-4.79，相比情景S0下的IC均值分別減小了1.13、0.45和1.51，說明同時采取坡面與溝道措施對減輕小流域水土流失的作用最為明顯，僅采取坡面措施的效果次之，僅采取溝道措施的效果最差。

表3 不同生態建設情景下的徑流泥沙連通指數(IC)的特征參數

4 結論

本次研究引入了徑流泥沙連通指數(IC)概念，利用SAGA軟件中提供的批處理腳本Batch對水土流失比較嚴重的遼西地區駱駝山小流域在不同生態建設情景下的徑流泥沙連通指數(IC)進行統計計算，以探究不同生態建設措施對流域泥沙連通的影響，取得了如下研究結論。

(1)在相同生態建設情景下，徑流泥沙連通指數呈現出山脊高、溝道低的特征。這說明研究區內山脊比溝谷的徑流泥沙連通性小，也就是溝谷比山脊更容易發生比較明顯的土壤侵蝕。

(2)采取生態建設措施對降低小流域徑流泥沙連通性效果明顯；同時采取坡面與溝道措施對降低小流域徑流泥沙連通性，減輕小流域水土流失的作用最為明顯，僅采取坡面措施的效果次之，僅采取溝道措施的效果不夠理想。

(3)根據本文研究成果，建議在小流域水土保持治理工程中要同時采取坡面與溝道措施，如果條件限制僅能采取一種措施，則應該優先進行坡面治理，以最大限度發揮生態建設措施對降低小流域水土流失的作用。