海城市接文鎮石頭寨小流域水土保持治理研究

劉艷杰

(遼寧省海城市水利事務服務中心，遼寧 海城 114200)

0 引 言

王效科等根據我國植被類型、土地利用、地形地貌分布圖及現有水土保持研究成果，對水土流失的區域性差異和敏感性特征利用林草覆蓋率、土質、坡度坡長、降水因子分析，結合不同區域的土壤侵蝕差異性提出水土流失敏感性區劃方案；劉國華等比較探討了沙漠化、土壤侵蝕和生態功能退化等較為突出的問題，從分布、特征、現狀的角度闡述了自然環境破壞的特征；顏萍、李昂等結合石漠化地區實際情況，選取出典型評價因子構建了適用于當地的效益評價體系；李占斌等提出了未來水保治理發展方向，指出要加強對水土流失調控技術科技轉化、水保治理及土壤侵蝕環境治理成效評價、土壤侵蝕大尺度預測模型和土壤侵蝕機理等研究[1]。

關于土壤侵蝕治理的研究也比較多，如王丹陽等結合現有研究理論和區劃實踐提出了優化的設計方案，根據不同的三維組合類型利用定性分析法劃分至相應的單元；李孝娟等通過研究土石質山區水土流失治理，提出應充分考慮當地需求和小流域自然生態狀況科學設計治理方案，為達到理想成效還要積極引導人們參與治理；常志勇等認為自然環境和社會發展不平衡為當前面臨的主要問題，其中最為重要的為生態環境保護，通過詳細分析生態修復的原則、規律、特點及其存在的主要問題，提出生態恢復和治理規劃方法[2]。當前，受施工技術和區域地形地貌等要素限制，考慮復雜環境下的小流域治理的研究還鮮有報道。

1 構建In VEST模型

In VEST模型是由斯坦福大學聯合其他機構研發的一種考慮多種情景模式的多模塊模型，能夠實現自然環境的質量和價值量研究，從而為流域生態系統評估和水環境科學治理提供依據，通過空間可視化和數據定量化處理模塊更加直觀的反映流域生態狀況。

“水量平衡法”為In VEST水量模塊的理論依據，根據降水、蒸騰量、土壤類型等參數，采用自帶運算模塊揭示水量消耗、產生等變化過程。模擬運算基本單元為格柵區塊，輸入以上各因素值，可輸出具有合理性、綜合性和空間性等多屬性模擬結果。采用下式作為In VEST水量模塊，即：

(1)

式中：Yxj為格柵區塊x關于土地類型j的年供水量，mm；AETxj為基本區塊x關于土地j的蒸散量，mm；Px為格柵區塊x關于土地類型j的年均降水量，mm。采用下列公式求解各參數值，即：

(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、ET0(x)為計算單元x及整個區域的可能潛在蒸散量；root.depth、maxSoil.depth為植物根深數和最大土壤深度；PAWC、AWCx為植物可利用水量和土壤有效含水量；Kc(lx)為植被格柵蒸散系數；Z為與區域條件相關的經驗常數。

2 小流域水土保持研究

2.1 流域概況

石頭寨小流域位于海城市接文鎮中部，為低山丘陵，地勢中間低四周高，平均海拔為130-247m。項目區為北溫帶大陸性季風氣候，氣候特點為溫差較大、雨熱同期、春季干旱、日照充足，年均降水量710mm，無霜期182d，日照時數2240.7h，年均氣溫10.4℃，土壤類型以草甸土、棕壤土為主且有機質含量低。流域總面積950.85hm2，其中荒地、水域、草地、林地、果園、耕地、居民工礦點及交通用地等面積依次為2.61、28.48、7.32、346.55、228.73、109.57hm2。根據衛星遙感資料和野外現場調查結果，小流域土壤侵蝕模數2600/km2·a，水土流失面積285.2hm2，主要分布在侵蝕溝壑、荒山緩坡、果園和疏林地等區域[3]。

為改善當地自然環境和保護流域內耕地資源，促進農業經濟發展和農民居民生活水平的提升，減少流入渾河的泥沙量和土壤侵蝕危害，當地水土保持部門對該小流域開展實施了綜合治理項目。采取的具體措施如下：項目計劃治理面積66.7hm2，其中新建漿砌石谷坊3座，控制構造治理面積為36.7hm2；封禁治理30hm2(界樁5個)；作業路4.6km，配套涵管10節、4處，漿砌石擋土墻52m；所有措施共動用石方 427m3，土方7066m3，投工860.04工日，機械122.5臺班。工程項目各類功能效應的正常發揮，每年可增大蓄水量0.52萬m3，降低土壤流失0.06萬t，顯著促進生態環境良性循環和確保工程安全度汛，并將土地利用率提升至80%以上，為提升農業人均收入和保護小流域脆弱的生態環境提供重要保障。

因此，考慮人為、自然等因素作用的小流域水土保持治理屬于一項復雜的長期過程，為保證各項措施的功能效應必須采取合適的治理措施。為了更加準確、客觀的揭示小流域水土流失空間分布特征和強度，有必要科學分析水土流失影響范圍、程度，從而為水土流失管理決策、監督、防治及生態建設提供依據[4-6]。

2.2 水土保持研究

綜合考慮復雜環境流域的林草植被蓋度、潛在蒸散量、土壤可蝕性、治理措施、降水、地形坡度、泥沙持留率等要素，結合ARCGIS計算軟件和In VEST模型基本原理獲取usle格柵圖，并按照水力侵蝕等級劃分見表1，在空間尺度上輸出土壤侵蝕現狀見表2。

表1 小流域水力侵蝕強度等級

表2 小流域土壤侵蝕分布

根據表2可知，流域中南部、東北部外審邊緣及北部為土壤侵蝕主要區域，結合居民分布特征、植被覆蓋現狀和各分區地形地貌等條件，引起小流域北部劇烈侵蝕的原因有土壤質地松散以及地質構造發育，在降雨情況下極易造成水土流失；其中，植被覆蓋率低、林草類型以灌木為主等為引起東北部土壤劇烈侵蝕的主要原因，而人為活動和不合理的開發利用為造成流域中部劇烈侵蝕的主要原因。流域內水土資源隨著經濟的發展和城鎮化建設不斷被擠占，林草面積持續減少，同時工農業發展造成的水土污染等也可對水土流失產生促進作用。從侵蝕量、土壤覆蓋面積的角度進一步分析不同侵蝕強度范圍，統計結果見表3。

根據表3可知，海城市石頭寨小流域水土流失較為嚴重，土壤侵蝕量達到2034.15t，侵蝕范圍為263.60hm2。從強度的角度分析，中度和輕度侵蝕的覆蓋范圍最廣，所對應的面積為181.23、61.10hm2，占小流域水土流失總面積的68.75%和23.18%。輕度和劇烈強度的侵蝕量較大，所對應的侵蝕量為472.94、454.63t，占小流域總侵蝕量的23.25%、22.35%。通過統計分析各類土地利用方式的侵蝕狀況，進一步分析引起水土流失的原因，見表4。

表3 不同侵蝕強度下統計結果

表4 不同土地利用類型統計結果

根據表4可以看出，針對水域、草地、林地、園地、耕地及建設用地等不同土地類型，從土壤侵蝕范圍的角度分析，土壤侵蝕最嚴重和最低的區域分別為林地和水域，相應的侵蝕面積為153.78、6.51hm2；從侵蝕量的角度分析，耕地和水域的土壤侵蝕量最大、最低，相應的侵蝕量一次為1087.21、0.47t。考慮到不同土地類型面積存在差異的實際情況，所以各土地類型的實際情況狀況無法僅僅依據侵蝕量和侵蝕面積來描述，有必要進一步分析平均侵蝕模數，見圖1。根據圖1可知，按照自小到大的次序排列平均侵蝕模數為：水域<林地<建設用地<園地<草地<耕地，所以耕地造成的土壤侵蝕最為突出，其原因為耕地土壤較為松散且農藥化肥等污染較為嚴重；林地引起的侵蝕第二，這主要與流域內農田開墾、植被濫伐等因素相關。所以，為保護當地環境和改善自然條件，加強荒山緩坡的治理力度，促進農民增收和帶動地方經濟發展，就必須將地方經濟發展規劃與水土流失治理、污染控制、自然環境治理有效結合，開展以田園路村、山水林草為主的小流域綜合治理，考慮小流域實際情況實施綠化工程、禁止亂砍濫伐和退耕還林等治理措施。

圖1 土壤侵蝕模數統計結果

3 結 論

小流域綜合治理應考慮雨量侵蝕力、降雨大小、影響范圍、水土流失、分布特點等因素，因地制宜的采取綜合治理措施，合理利用土地結構綜合開發治理，因此考慮各類復雜因素的綜合影響開展小流域水土流失治理，對于提高水保治理綜合效益和各項措施的適宜性分析等具有重要意義。

以海城市石頭寨小流域為例，綜合考慮水保措施的多樣性、小流域泥沙持留率、潛在蒸散量、土壤可蝕性、植被覆蓋度、坡度坡長和降雨侵蝕力等因素，揭示水土流失影響范圍、強度及其分布特征。根據評價結果和空間分布特征，為有效遏制流域水土流失發展提出綠色工程、禁止濫伐、退耕還林的綜合治理措施，可為促進治理項目的穩步實施、方案的優化設計和治理效益評價提供重要依據。