不同土地利用方式水土流失規律分析

2020-07-06 09:42:36宋曉峰

黑龍江水利科技 2020年6期

宋曉峰

(丹東市寬甸縣水利事務服務中心，遼寧寬甸 118200)

0 引言

調查顯示，我國長江流域、黃土高原地區的水土流失面積達到73.94km2和42萬km2，劇烈的土壤侵蝕不僅會導致土壤肥力的下降及營養物質的流失，而且會在地表徑流作用下沖刷表層土壤，致使生態環境的惡化和土壤利用率的持續下降。近年來，為保護區域生態環境和強化水土流失治理，部分地區相繼推出了一系列的退耕還林還草、坡耕地等治理工程，經長期的環境治理在很大程度上改善了地表覆被質量，大大提升了涵養水源和保持水土的能力。然而，這并未從根本上徹底改變生態環境持續惡化的發展態勢，水土流失和生態環境保護仍為當前亟待解決的重要問題[1]。

水土流失強度、空間分布特征和土地類型為水保治理規劃的根本依據，為準確揭示區域水土流失變化規律，探討水土流失強度與不同地表覆被之間的關聯特性，國內外學者應用GIS技術、遙感影像數據和許多數學模型開展了大量研究。例如，卜建霞等運用回歸分析法揭示了不同用地類型的產沙、產流特性，提出水土流失的形成與降水條件直接相關，果園管理模式相對于馬尾松純林、封禁管理、農田管理、人工播草、自然裸露坡面5種用地方式的水土保持效果更好；李中原等對5種不同土地的土壤侵蝕狀況利用人工模擬降雨的方式探究，并對土體中有機質含量與土地利用方式、雨強之間的關系利用雙因素方差法分析，結果發現林地和梯田對控制水土流失、減緩土壤侵蝕、保持土壤中養分等具有積極作用。實踐表明，土地利用方式、坡度、上覆土層厚度和巖土體種類等為導致水土流失的主要因素，現有研究側重于后3種要素的分析，而涉及水土流失與土地利用方式的研究還鮮有報道。

針對多因素、多目標復雜性系統問題的綜合排序，逼近理想解排序法(簡稱TOPSIS模型)具有良好的適用性、可靠性和簡便性。為準確揭示土體抗剪強度與土壤利用類型之間的作用關系，文章選用直接剪切試驗探究不同用地類型的土壤抗剪強度，引入TOPSIS模型準確排列各因素的關聯度。

1 TOPSIS模型

1.1 基本原理

TOPSIS模型的基本原理是依據理想化目標與有限個評價對象間的貼近程度，科學排序相關因素的功能作用或優劣程度，存在應用靈活、計算結果科學和分析簡便等優點，在實踐應用中該方法的基本原理如下：①通過檢測最劣解、最優解與待評價樣本之間的歐式距離，單調排序評價樣本的目標變量整體狀況。②科學分析目標變量的優、劣程度，最優結果為距離最劣解最遠且離最優解最近的樣本；反之，則為水土保持的最劣解，即評價結果距離最優解最遠且距離最劣解最近。③各評價因素的最優、最劣值即為最優和最劣評價結果。

1.2 實現流程

步驟1：結合相關文獻中TOPSIS模型實現流程和建模步驟，設定目標函數為不同土壤類型的抗剪強度，待評價樣本和土壤侵蝕關聯性因素有i、j個，結合試驗檢測數據構造初始矩陣P，即：

(1)

步驟2：由于每個元素的量綱存在差異無法直接用于最終的決策分析，應結合各因素的具體內涵及其對水土流失影響特征，將關聯性因素劃分為高優、低優兩大類型，為消除各因素間的不可通透性應將所有數據統一處理至標準的0-1范圍，對于高優型因素其標準化公式為：

(2)

對于低優型因素其標準化公式為：

(3)

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；采用以上標準化公式處理各待評樣本的初始數據，由此構造標準化矩陣Q為：

(4)

步驟:3：充分考慮各待評樣本的水土流失狀況，采用各樣本的最大和最小參數值形成最劣、最優解向量，其表達式如下：

(5)

步驟4：根據以上流程求解的矩陣Q的正、負理想解，利用歐式基本公式對理想解與待評價樣本的距離求解，數學公式為：

(6)

式中：L+、L-為評價樣本接近正、負理想解的程度。

步驟5：依據待評價樣本的貼近程度值Jn的大小排列水土流失各要素的優劣次序，Jn值越大則表示待評樣本與最優樣本的貼近程度越高，評價樣本的越優；反之，則代表與最優樣本的貼近程度越小，待評樣本越劣，帖進度求解公式為：

(7)

2 實例分析

2.1 項目區概況

丹東市振江項目區西江小流域，地處E125°19′-125°27′，N40°38′-42°44′之間，總面積為59.55km2。項目區山體連貫，溝壑發育，形態各異，海拔高度在100-600m之間，地帶性土壤為棕壤土，土層厚度在0.3-1.5m之間，屬于遼東石質山區。該區域為大陸性季風氣候，年均降水量1140mm，多集中6、7、8三個月，無霜期160d，氣候特征為冬長夏暖，寒冷期長，春秋季短，雨量集中，光照豐富，平原風大，雨熱同期，四季分明。受各種人為因素和山地特殊環境影響，土壤侵蝕引起的生態功能退化問題突出，其中強度、中度和輕度侵蝕區1.22km2、6.31km2、10.82km2，水土流失以水蝕為主且主要分布于侵蝕溝壑、荒山黃婆、果園和低林草覆蓋區，侵蝕模數1850t/km2·a[2-17]。

2.2 試驗材料與流程

文章以丹東市振江項目區西江小流域為樣地，取樣點選取項目區林地、灌木地、草地、坡耕地4種不同用地類型的土體，為維持樣體的原狀選用高20mm、直徑61.8mm的環刀取樣。設置的試驗有直接剪切試驗、根須質量百分比、有機質含量、含水率、干密度測定等，為保證測試結果的精準度每個樣點取10個樣，以固結快剪作為土體強度的直接剪切試驗，其它試驗流程嚴格執行SL237-1999規范，固結壓力為200、100、50、20kPa四個等級。

2.3 試驗結果分析

在化學、物理和生物等作用下地表覆蓋物質能夠對水土流失產生一定的抑制作用，所以水土流失強度與土壤侵蝕之間具有耦合關系。通過一系列的試驗分析，統計整理4種用地類型的根系質量百分比、有機質含量、土體干密度含水率等數值，如表1。

表1 不同用地類型的土壤特性

從表1可知，干密度最低、最高者為林地的1.62g/cm3和草地的1.72g/cm3，可見草地利用方式對固化土壤具有積極作用；含水率最低、最高者為坡耕地的12.58%和草地的15.76%，表明持水效果最好的為草地利用方式；坡耕地、灌木地的有機質含量為4.71%和5.36%，其原因為落葉腐化作用使得灌木地的有機質含量明顯增大，而坡耕地的有機質含量在降雨條件下大量流失；根須質量百分比最低、最高者為坡耕地的2.87%和草地的5.88%，這主要與試驗取樣深度較小，而在該范圍內林地的根系較少，灌木地和草地的根系錯綜復雜。

圖1為4種用地類型的抗剪強度，其中橫、縱坐標為用地類型和抗剪強度。

圖1 不同土地類型與抗剪強度間的關系

從圖1可知，抗剪強度最高的為草地利用方式，坡耕地抗剪強度最低，林地和灌木地居中，可見坡耕地抵抗土壤侵蝕的能力最弱，而草地的抗破壞能力最強，草皮護坡方案為水土保持最佳方案；另外，各類土地的抗剪強度隨著固結壓力的增大均呈現出增強趨勢。

2.4 關聯度分析

為準確揭示根須質量百分比、有機質含量、含水率、土體干密度等因素與不同用地類型土體抗剪強度的相關性，運用搭建的TOPSIS模型加以分析，如表2。

表2 TOPSIS模型相關系數表

從表2可知，應用TOPSIS模型求解的關聯度最高的根須質量百分比，由此表明不用用地類型的土體抗剪強度受根須質量百分比的影響最為顯著，其次為含水率和干密度，而土體抗剪強度受有機質含量的影響程度最低。同一因素的相關系數對于不同土地類型相差較少，其中根須質量百分比、有機質含量、含水率、干密度的相關系數約為0.66、0.21、0.37、0.52。水土流失整治過程復雜、涉及到的因素較多，綜合考慮各方面因素客觀、合理的評價不同用地類型保持土壤的程度，對于改善區域生態環境和控制水土流失發展具有重要作用。