丘陵草原區小流域水土流失綜合治理模式研究

劉艷萍，榮 浩，梁占岐

(水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020)

丘陵草原區小流域水土流失綜合治理模式研究

劉艷萍，榮 浩，梁占岐

(水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020)

為探索丘陵草原區小流域水土流失綜合治理模式，以錫林河水庫小流域為研究區,采用線性規劃方法，結合前期試驗觀測成果，在全面調查流域水土流失特點及治理格局的基礎上，總結現有水土保持關鍵技術及常用的治理模式，并經數學模型的優化，提出丘陵草原區小流域水土流失綜合治理優化模式，由坡面梯化治理模式+溝道治理模式構成。其中，緩坡(坡度3～5°)采用天然草地+人工草地+改良草地措施配置，最佳配置比例1∶0.4∶0.3；中坡(5～15°)采用林草措施(檸條+苜蓿)+封育措施配置，最佳配置比例1∶0.4；陡坡(15～25°)采用工程+林草措施(截水溝+檸條帶)配置，最佳配置比例1∶0.5。

丘陵草原區；小流域；水土流失；綜合治理；模式

我國草原面積占國土總面積的41%，而全國草原沙化面積占草原總面積的35.6%[1-3]。內蒙古草原總面積近0.87億hm2，居我國五大草原之首，占全國草原面積的22%，是歐亞大陸草原的重要組成部分[4-5]。但近年來，由于受氣候、土壤、植被等自然因素和人為因素的影響，草原生態環境持續惡化，水土流失十分嚴重，沙塵暴等自然災害頻繁發生，已經直接威脅到國家的生態安全和國民經濟的可持續發展[6-7]。丘陵草原區小流域是草原小面積的集水區域，具有一定水文學特征，它既是具有系統功能和性質的自然地理單元，又是產流、產沙、水土流失治理的基本單元[8-9]。因此，以小流域為單元，在前期試驗觀測的基礎上，通過全面調查研究區小流域水土流失特點及治理格局，總結現有水土保持關鍵技術，對流域內適宜的水土保持措施進行科學配置，并經數學模型的優化，提出小流域水土流失綜合防治優化模式，以最小的措施投入及配比，產生最大的生態、經濟和社會效益。該研究成果將對整個錫林河流域水土流失綜合治理提供較高的應用價值，同時也可為類似地區小流域水土流失綜合治理提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

錫林河水庫小流域距錫林浩特市8 km，地理位置E 116°56′～117°04′，N 43°26′～43°33′，面積45 km2。主要由低山丘陵、緩坡丘陵和河谷平原三大地貌組成，丘陵河谷間夾帶著固定沙地，總的地勢為東南高，西北低。屬中溫帶大陸性半干旱氣候，春季干旱多風，秋季涼爽、濕潤。降水量小，主要集中在7、8、9月，年均降水量為287.2 mm，年均蒸發量為1 759 mm，平均風速3.5 m/s，最大風速29 m/s，3～5月風最盛，全年盛行西北風。多年平均無霜期121 d，>10℃積溫1 600～2 000℃[10-12]。流域內涉及18個牧業點。牧業人口300人，牲畜4 000頭(只)。年產值162.5 元/ hm2。土壤侵蝕類型屬風水復合侵蝕，以水蝕為主，間有季節性風力侵蝕，年侵蝕模數約3 500 t/km2。小流域土地資源配比見表1。該流域從2001年開始，進行分期綜合治理，截至目前，林草措施、工程措施、生態修復措施都已經形成一定規模[13-14]。流域內水土流失綜合治理各項措施實施以來，水土流失量顯著降低，蓄水保土效果明顯改善，推動了當地經濟社會的發展和居民生活水平的提高。

表1 錫林河水庫小流域土地資源配比

1.2 研究內容與方法

1.2.1 水土保持措施研究 在前期試驗觀測的基礎上，通過野外現場調查，對流域內現有主要水土保持措施實施情況進行詳查，分析該小流域現有治理模式的結構、功能、運行效果及存在的問題，總結水土保持效果較好的坡面治理、侵蝕溝治理、封禁治理措施的技術要點，對各項水土保持措施從適宜性角度按立地類型分類。

1.2.2 優化配置模式研究 在對研究區現有不同水土保持措施配置模式分析的基礎上，采用線性規劃方法，經數學模型的優化，從生態效益、經濟效益和社會效益方面綜合考慮，提出小流域水土流失綜合治理優化模式[15-17]。建立小流域優化模式時，生產總值反映不同措施組合作用下的土地生產力水平和商品價值，優化模型以優化模式運行后正常年內最大經濟效益(年產值)為目標，將土壤侵蝕模數和林草覆蓋度這2個重要生態指標作為約束條件，其優化數學模型為：

Fmax(X)∑∑dij·xij

約束方程式∑∑dij·xij≥r(或≤R)

式中：F為經濟純收入(元)；dij為價值系數；bij為約束系數；R，r為約束常量；Xij為決策變量；i=1，2，3……n，n為土地類型；j=0，1，2，3……m，m為各業及從屬。

2 結果與分析

2.1 水土保持技術措施

2.1.1 研究區主要水土保持技術措施 (1)工程措施：主要有截水溝、魚鱗坑、谷坊等。根據前期試驗研究及總結研究區成功經驗，為有效控制地表徑流，促進林草快速生長，在>6°的坡面上沿等高線開挖截水溝，截水溝上下間距30～50 m，同一等高線上間距5 m。溝埂上種植檸條、苜蓿、沙打旺等草樹種。為固定溝床、穩定溝坡、減少溝蝕。在溝谷底部修建谷坊，根據當地實際，修建土谷坊，谷坊高3 m，間距15 m。

(2)林草措施：根據當地成功經驗，流域內林草措施主要有人工草地、水保林(護坡林、溝底防沖林、護埂林)等。水保林宜建在坡度大于10°、植被蓋度低的荒草坡上，在坡度5°～10°的緩坡地上可建設旱作人工草地或實施補播等草地改良措施。溝底防沖林選擇以抗旱抗寒的灌木樹種楊樹(三根二干)、柳樹(二年生苗木)為主，在5月上中旬整地，整地方式均為穴狀整地，溝底整地方向與水流方向成45°，呈燕翅狀，減少水流對樹木的沖刷作用。

(3)封育禁牧措施：對水土流失較嚴重草地實行圍封禁牧，采取季節性休牧或禁牧措施。圍欄封育草地封育期3～5年為宜。

(4)草地節水灌溉高效開發技術措施：研究區小流域地表水資源缺乏，淺層地下水資源相對較豐富，具有開采淺層地下水進行草原灌溉的有利條件，平緩地帶建設灌溉人工草地和灌溉青貯飼料地。

(5)其他應用新技術：在草地水土保持生態建設中，一些新的技術逐步應用，研究區小流域主要應用了保水劑、牧草種子包衣等技術。2.1.2 研究區主要水土流失治理模式 研究區小流域常用的坡面水土流失治理模式為>15°～25°的坡地，主要采取截水溝+人工草地或截水溝+灌木帶配置方式，截水溝溝內和溝埂上種植灌木用于攔截一部分水土，截水溝行間補播牧草或造林。坡度<15°且土層比較厚的坡地，以林草措施為主的，優化林草結構配置，主要采取灌+草、灌木水保林、喬木水保林方式。

研究區小流域常用的溝道水土流失治理模式為谷坊+灌木林和溝底防沖林兩種配置方式，可在短期內控制水土流失，制止侵蝕溝的繼續擴展，恢復改善溝道生態環境。

2.2 小流域水土保持優化配置模式

2.2.1 水土流失綜合治理優化模式數學模型 (1)建模原則：優化土地利用結構，綜合考慮經濟效益、生態效益和社會效益，實現效益最大化。

(2)數學模型結構：①數學模型變量以小流域各類土地的適宜性和治理方式不同，表現出生態效益和經濟效益差異很大，其構成層次及效能見表2；②目標函數的確定以生產總值反映不同措施組合作用下的土地生產力水平和商品價值，本模型以優化模式運行后正常年內最大經濟效益(年產值)為目標，將土壤侵蝕模數和林草覆蓋度兩個重要生態指標作為約束條件[18-19]。則目標函數為：max(F)=405x1+330x2+330x3+750x4+120x5+45x6+150x7。

約束方程見表3。

表2 不同措施組合作用下的土地利用結構層次及生產力

Table 2 The land use structure and productivity of different measures combination

項目決策變量變量單位生物產量牧草產量/(kg·hm-2)枝條產量/(kg·hm-2)單位面積產值/(元·hm-2)土壤侵蝕模數/(t·km-2·a-1)林草覆蓋率/%坡面治理模式(5°～15°)灌木+種草X1hm212751050405117085坡面治理模式(15°～25°)截水溝+灌木帶X2hm21050450330123082坡面治理模式(3°～5°)補播種草X3hm216500330112080人工草地X4hm23750075089095天然草地X5hm26300120350060溝道谷坊+灌木林X6hm2045045250040其它圍封草地X7hm2750150150050載畜量X8(羊單位/hm2)說明 1．生物產量為試驗調查和當地經驗結合，以低投入水平計得，以留有余地2．產值以2014年價計算，以便如實反映實際情況3．土壤侵蝕量根據試驗區觀測資料及當地水保部門觀測資料計算，并取平均數4．林草覆蓋度以植被生長旺季調查觀測值計取

表3 小流域綜合治理優化模型方程

2.2.2 模型最優解及應用分析 以上模型運用線性規劃LINGO9.0軟件計算，求最優解以及數學模式變量的優化解[20]，得出不同措施組合作用下的土地利用最佳比例和優化方案及效益最優解(表4，5)。

表4 不同措施組合作用下的土地利用最優解

表5 優化模式經濟、生態效益最優解

在最優化模式中，圍欄封育仍是主要措施之一，面積占比達33%，在灌木+種草治理模式面積占比70%，其余可用封育措施，坡度為15°～25°的坡面治理中，在截水溝+灌木帶治理模式面積占比65%，其余可用封育措施，在緩坡地帶天然草地、人工草地、補播種草措施比例宜為1∶0.4∶0.3。

在最優模式中，措施實施到位后，單位載畜量將由目前的0.89提高到1.4，年產值將由162.5元/hm2提高到282元/hm2，生態環境將有明顯改善，土壤侵蝕模數下降至每年2 032 t/km2。

2.2.3 綜合治理優化模式 根據典型小流域水土流失綜合治理的數學模型優化解，在調查分析項目區地形地貌特征、水土流失特點以及主要影響因素的基礎上，從生態效益、經濟效益和社會效益方面綜合考慮，從流域坡頂到溝底配置林草與工程相結合的技術措施，形成丘陵草原區小流域水土流失綜合防治的立體結構優化模式，由坡面梯化治理模式+溝道治理模式構成(圖1)。

圖1 丘陵草原區小流域水土流失綜合治理模式Fig.1 The structure of the soil and water loss comprehensive control modelin the hilly grassland small watershed

①坡面梯化治理模式

丘陵區小流域的治理重點是坡面梯層化治理[19]，緩坡治理模式(坡度3°～5°)采用天然草地+人工草地+改良草地措施，措施配置比例1∶0.4∶0.3；中坡治理模式(5°～15°)采用林草措施配置模式(檸條+苜蓿)+封育措施，措施配置比例1∶0.4；陡坡治理模式(15°～25°)采用林草+工程措施配置模式(截水溝+檸條帶)，措施配置比例1∶0.5，結合封育措施(表6)。

②溝道治理模式

溝道治理模式采用谷坊+灌木林。通過溝道防護體系和坡面防護體系相互補充，形成層層攔蓄的立體防護模式，達到林草措施與工程措施的有機結合。植被是地表最基本，也是最有效的保護層，可以恢復其保護地表土壤不受侵蝕的功能，治理模式通過快速恢復植被，提高林草覆蓋率，改善土壤理化性狀，達到控制水土流失改善生態的效果(表6)。

表6 丘陵草原區小流域綜合治理優化模式

Table 6 Composition of the soil and water loss comprehensive control model in the hilly grassland small watershed

模式關鍵措施組合及配置比例措施組合配置比例治理區域丘陵草原區小流域綜合治理優化模式坡面梯化治理模式天然草地+人工草地+改良草地1∶0．4∶0．3坡度3°～5°的緩坡林草措施(檸條+苜蓿)+封育1∶0．4坡度5°～15°的中坡林草+工程措施(截水溝+檸條帶)1∶0．5坡度15°～25°的中坡溝道治理模式谷坊+灌木林支溝

3 討論

草地小流域由于區域自然及社會經濟條件的差異，各治理區即使在同一區域內所面臨的問題有相同的，也有其特殊的一面，因而，不同類型區所提出的治理模式也就不是唯一模式。研究在多年工作實踐和野外試驗觀測的基礎上進行，通過采用線性規劃方法，提出的小流域水土流失綜合治理優化模式，還需在當地或是類似地區進行大面積的示范、應用、驗證，不斷調整完善。

4 結論

綜上所述，通過對研究區現有水土保持技術措施及常用治理模式的分析研究，經數學模型的優化，提出丘陵草原區小流域水土流失綜合治理優化模式，由坡面梯化治理模式+溝道治理模式構成。結果表明，在丘陵草原區小流域水土流失治理中，重點是坡面梯層化治理，緩坡(坡度3°～5°)采用天然草地+人工草地+改良草地措施配置模式，措施配置比例1∶0.4∶0.3；中坡(5°～15°)采用林草措施(檸條+苜蓿)+封育措施配置模式，措施配置比例1∶0.4；陡坡(15°～25°)采用林草+工程措施配置模式(截水溝+檸條帶)，措施配置比例1∶0.5。

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Study on comprehensive management model for controlling soil and water loss in small watershed of hilly grassland

LIU Yan-ping，RONG Hao，LIANG Zhan-qi

(DepartmentofWaterResourcesforPastoralAreasoftheMinistryofWaterResources,huhhot010020)

In order to explore the integrated management model for controlling soil-water erosion in small watershed of hilly grassland,the study selected the small watershed located in Xilin River reservoir as the studying area.Based on the former experimental results,we used linear programming method and then provided the optimized management pattern after optimizing the mathematical model based on the existed techniques and common management models of soil and water conservation.The optimized management pattern was composed of terraced slope control model and ditch control model.On the gentle slope (3～5°),the management pattern should be integrated by natural grassland,sown grassland,and improved grassland,the optimized allocation should be 1∶0.4∶0.3.On the middle slope (5～15°),the wood-grass integrated model (CaraganaKorshinskiiKom.+Medicagosativa.) with enclosure measures should be adopted,the optimized allocation should be 1∶0.4.On steep slope (15～25°),the engineering method with wood-grass integrated method (intercepting ditch + Caragana Korshinskii Kom.) should be adopted,the optimized allocation should be 1∶0.5.

hilly grassland areas;small watershed;soil and water loss;comprehensive control;model

2016-05-06；

2016-06-21

水利部公益性行業專項(201301049)；內蒙古自治區科技計劃項目(20140713)資助

劉艷萍(1975-)，女，內蒙古鄂爾多斯市人，高級工程師，主要從事草地水土保持生態建設研究。 E-mail：mkslpy@126.com

S 157

A

1009-5500(2016)06-0039-06