基于InVEST模型的復雜環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生態水環境健康發展的重要因素。目前，我國西部黃土地區水土流失十分嚴重，治理工作耗資巨大，而對于中部地區，水流域環境則更為復雜，同時區域工業化與經濟發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]對中國生態退化的主要類型即:森林生態系統的退化、土地沙漠化和水土流失等重大問題進行分析，詳細闡述了各個類型的現狀、特征及分布。為我國自然資源的合理利用以及退化生態系統的恢復和重建提供基礎資料；王效科[5]以水土流失通用方程為理論基礎，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域差異。在綜合評價我國水土流失敏感性區域差異基礎上，提出了中國水土流失敏感性區劃方案；李占斌[6]對土壤侵蝕與水土保持科學今后的研究方向提出見解，指出了加強對土壤侵蝕過程與機理、大尺度土壤侵蝕預報模型、土壤侵蝕與水土流失治理環境效應評價和水土流失調控技術的科技轉化等亟待解決問題的研究深度和廣度。

國內外對水土流失治理工作的研究已比較成熟。李孝娟[7]對于低山丘陵區小流域水土流失治理工作進行研究，提出在進行治理方案的設計時，不僅要結合當地的生態實際，還要與居民的實際需要相結合，并引導當地人們積極參與到治理的過程中去，才能真正達到效果；王丹陽等[8]依據已有區劃實踐和相關理論，提出縣域尺度水土保持區劃方法的優化設計方案，并結合定性分析將每個評價單元按其不同的三維組合類型劃分到不同的水土保持區；常志勇等[9]指出了我國目前所存在的生態環境問題包括環境問題和經濟發展兩者之間的矛盾，水土保持生態修復顯得尤為重要，闡述了水土保持生態修復的特點、規律和原則，分析了當前生態環境存在的問題，由此提出了生態修復的規劃與水土保持生態環境的方法。目前，受限于環境及工藝技術，對于復雜環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為例如圖1所示。基于InVEST模型基本理論，研究復雜環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，生態服務系統質量和價值量變化從而為區域環境治理提供科學依據的生態系統綜合評估模型，通過將所得數據定量化、空間可視化使得區域生態流域環境展示更為直觀。

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，基于模型基本計算方法得出水量的產生或者消耗的過程與機制。以格柵區塊為基本運算單元，將上述多因素帶入模型，其輸出結果具有空間性、多方位綜合性、合理性等突出優勢。InVEST水量模型的基本計算公式如下：

(1)

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

(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)—計算單元x內的潛在可能蒸散量；maxSoil.depth、root.depth—最大土壤深度與植物根深數；Kc(lx)—植被柵格蒸散系數；AWCx—土壤有效含水量，mm；PAWC—植物可利用水量；Z—經驗常數，和區域條件有關。

2 基于InVEST模型的區域水土保持研究

根據InVEST模型基本計算原理，綜合考慮復雜環境流域降雨侵蝕力、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、復雜因素，導入ARCGIS軟件運算得出usle單元格柵圖，根據流域水力侵蝕強度分級標準對侵蝕區域進行劃分見表1，最終輸出流域土壤侵蝕現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

侵蝕強度平均侵蝕模數/(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強烈50～803.7～5.9極強烈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，結合區域地質地貌、植被分布以及居民區域分布等多重因素分析，認為北部劇烈侵蝕是由于其處于地質構造發育帶附近，巖石、土壤等較為松散，強度低，在降雨環境下容易發生水土流失；東北部區域發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面作用：隨著經濟的不斷發展，區域土地資源不斷被開發利用，植被覆蓋面積不斷下降，同時，工業發展帶來的水土污染也是導致土壤不斷侵蝕的原因。進一步深入分析流域土壤受侵蝕情況，對不同侵蝕強度土壤覆蓋面積、侵蝕量進行統計分析，統計結果見表2。

由表2可見，該流域土壤整體侵蝕情況較為嚴重，總侵蝕面積高達4109.47hm2，總侵蝕量高達42725.70t。從不同侵蝕強度看，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，為進一步分析土壤侵蝕產生的原因，對不同土地類型的土壤侵蝕情況進行統計分析，統計結果見表3。

表2 流域不同侵蝕強度下侵蝕面積、侵蝕量統計

表3 流域不同土地類型侵蝕面積、侵蝕量統計

由表3數據可知，對于不同土地類型耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地以及其他類型而言，從侵蝕面積上看，受侵蝕最嚴重的為林地，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，受侵蝕最嚴重的為耕地，侵蝕量達到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各土地類型實際侵蝕狀況，進一步引入參數平均模數，其計算結果如圖3所示，可見平均模數耕地>草地>園地>建設用地>林地>水域，因此可以認為區域水土流失最嚴重的為耕地，主要是受農業化肥的污染以及土壤松散導致；其次為林地，主要是由于林地植被濫伐、農田開墾等原因導致。因此建議在此研究基礎上，可通過采用退耕還林、禁止亂砍亂伐等政策結合綠化工程進行治理。

圖3 不同土地類型平均模數統計

3 結語

復雜環境流域水土保持治理研究工作對我國生態建設具有重要的意義，本文以山東省某流域為研究對象，基于InVEST模型綜合考慮復雜環境流域降雨侵蝕力、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；基于模型計算結果，進一步深入分析侵蝕產生原因主要為耕地的過度開發與林地的濫砍亂伐，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行針對性的治理，以期為我國復雜環境流域水土保持治理工作提供良好的示范。