基于GIS的水土保持工程水源涵養評估
——以通渭縣牛谷河項目區為例

徐劍春，王 博，羅進選

（甘肅省水土保持科學研究所，甘肅蘭州 730020）

水源涵養是區域生態系統服務功能的重要構成，是水土保持工程效益的重要組成，也是區域生態環境直接影響人類生產生活的重要生態功能[1]。尤其在重要水源區和干旱缺水地區，水源涵養功能是保證區域植物群落存活并充分發揮效益的基礎條件，也是改善區域小氣候、修復區域生態系統、保障區域生態安全、提升區域環境質量的重要指標。甘肅省是全國水土流失最嚴重的省區之一，水土流失面積大、范圍廣、類型多、強度高、危害重，嚴重制約著區域經濟、社會發展。尤其是隴中區域干旱缺水，對于提升區域水源涵養的要求更為迫切。水源涵養功能是區域生態系統重要服務功能之一，是區域生態系統狀況的重要指示器[2]。影響區域水源涵養功能發揮的因素很多，主要包括區域干旱程度、植被攔蓄能力、土壤入滲程度、降雨強度等，以及水分在各因素之間運移、轉化的自然過程；水源涵養功能的變化也能反作用于區域氣候、水文、土壤、植被等自然因素；直接影響區域生態服務功能的發揮。對于水源涵養的研究成果很多，各類評估方法也較為成熟，但對小流域尺度利用遙感數據結合實地測量，展開小流域尺度的水源涵養動態評估的研究尚不多見。甘肅省中部的黃土丘陵溝壑區屬于典型的半干旱區，區域內降水時空分布不均，水資源貧乏，缺水成為區域生態環境改善、社會及經濟發展的主要制約因素，在小流域尺度上定量的評估甘肅省黃土丘陵溝壑區水土保持工程水源涵養功能的發揮，分析其影響因素及空間特征，對科學認識黃土丘陵溝壑區水土保持工程的水源涵養功能，合理保護和利用區域水土資源，展開黃河上中游區域大保護，穩定和增強甘肅省生態屏障作用，制定區域生態環境保護規劃、設計、政策等，具有十分重要的意義。

1 研究區概況

1.1 區域概況

本文研究區位于國家水土保持重點治理區的甘肅省通渭縣西北部，黃河二級支流渭河一級支流牛谷河流域上中游，屬黃土丘陵溝壑區第三副區。牛谷河上游流域共包含有馬營、水岔、李家大河、朱家營灘、段家峽、萬家岔、蔣家川7條主要支流，研究區域內高差為747m，干溝長37.5km，干溝比降2.6%，主支溝長64.6km，主支溝平均比降3.7%，其它支毛溝長491.91km，溝壑密度1.43km/km2。研究區地理位置介于東經104°54′41″-105°17′20″，北緯35°10′08″-35°23′34″之間，海拔1 774-2 521m，地貌為黃土梁峁溝壑地貌，溝壑占比達9.0%，小支毛溝多為“V”型溝，主支溝多為“U”型溝。研究區屬中溫帶季風大陸性氣候，多年平均≥10℃的活動積溫1 226℃，年均氣溫6.6℃，年平均太陽輻射總量為129kj/（cm2.a），多年平均日照時數2 239h，多年平均無霜期131d，多年平均大風日數為32天。研究區內包含42個行政村，人口密度166人/km2，人均耕地0.37hm2，涉及通渭縣的華嶺鎮、馬營鎮、北城鋪鎮、三鋪鄉、平襄鎮、隴陽鎮共5鎮1鄉。

1.2 建設概況

近年來研究區內新增建設各類水土保持措施150km2，其中建設梯田4 007hm2，水土保持林2 085.4hm2，水土保持種草1 664hm2，封禁治理7 017.11hm2，新建土谷坊210座，水窖96眼，溝頭防護4.24km。

在地形坡度小于15°距村莊較近的坡耕地中建設水平梯田；坡度15°-25°距村莊較遠立地條件和水分條件較好的坡耕地中退耕種植紫花苜蓿；坡度＞25°的陡坡耕地及15°-25°植被稀疏的荒山荒溝，水平階整地后種植側柏及沙棘；陡坡耕地及荒坡，魚鱗坑整地后種植山杏、檸條、沙棘；對于坡度＞35°且水土流失嚴重的荒坡荒溝以及不宜布設其它防治措施的荒地采用封禁措施；根據各流域具體地形條件和溝道特征，選擇適宜的地點全面建設谷坊及溝頭防護措施。

2 評價方法

2.1 評價指標及模型

水源涵養是陸地生態系統對降雨進行分配的一個過程，通過土壤的入滲、微地形的截留、植物攔蓄與蒸騰、地表蒸發等，再利用區域生態系統特定結構，實現降雨、水流、水循環的調控來影響水源涵養量。水源涵養的生態功能主要體現在消減降雨侵蝕力，減輕土壤濺蝕，緩和徑流形成，拉長行洪時間，降低洪水危害，增加土壤含水量，補充地下水，滯洪補枯、降低徑流波動，保證水質等方面。陸地生態系統中影響水源涵養的因素很多，主要有地表覆蓋因子、降雨強度因子、地形地貌因子、農業耕作方式、土壤植被類型等。在本文中以水源涵養量作為水土保持工程水源涵養功能的評估指標，采用水量平衡方程的基本原理來計算區域水土保持工程的水源涵養量。評估模型為：

式中：TQ為水源涵養量（m3），Pi為第i區域年均降雨量（mm），Ri為第i區域年均地表徑流量（mm），ETi為第i區域年均蒸散發量（mm），Ai為第i區域面積（km2），i為研究區不同影響因子綜合分析形成數據集中的第i個單元，j為研究區影響因子數據集的單元數。

2.2 數據來源

根據上述水量平衡方程以及各類影響因子的分析，進行水土保持工程水源涵養評估所需數據主要有：氣象數據集（年均降雨量、雨強、氣象站分布資料等）、蒸散發數據集（研究區年均蒸散發量分布柵格圖）、土壤數據集（土壤類型及分布、主要土壤的理化性質、實測土壤繪制的柵格圖、現場調查的土地利用類型分布）、高程數據集（DEM數據及治理完成區域高程測量資料）、遙感影像等，具體計算中在收集現有遙感資料的基礎上，對遙感數據尺度較大的采用現場實測數據加密后進行插值計算。

（1）降雨量因子

研究區附近有2處氣象觀測站，華家嶺氣象站緯度35.38°經度104.83°海拔2 450.6m，通渭氣象站緯度35.22°經度105.23°海拔1 768.2m，系列資料均能夠滿足評價所需。降雨量因子，利用2處氣象站觀測的年均數據，采用ArcGIS軟件，插值計算繪制降雨量因子（P值），柵格分布圖（見圖1）。

圖1 降雨量因子（P）插值分布圖

（2）地表徑流因子

地表徑流因子利用地表徑流量來進行分析，在本文中采用經驗值計算徑流量，即由降雨量乘以地表徑流系數獲得，計算公式如下：

式中：R為地表徑流量（mm），P為多年平均降雨量（mm），α為該區域平均地表徑流系數。

平均地表徑流系數主要依據現場調查的治理前后植被類型區、土地利用類型，在ArcGIS中繪制形成要素圖，結合研究區NDVI數據，篩選通過文獻分析法獲取的各類地表徑流經驗值（見表1），將經驗值賦值在繪制的要素圖中，轉制形成地表徑流柵格圖。

表1 各類型生態系統地表徑流系數均值表

在ArcGIS中利用柵格計算器，根據公式（2）及降雨量柵格圖，繪制治理前后的地表徑流因子（R值）柵格分布圖。

圖2 治理前徑流系數（α）分布圖

圖3 治理后徑流系數（α）分布圖

（3）蒸散發因子

蒸散發因子根據國家生態系統觀測研究網絡科技資源服務系統網站提供的產品數據。原始數據空間分辨率為1km，通過ArcGIS 軟件對柵格圖像重采樣后得到小流域尺度的蒸散發因子（ET）柵格分布圖（見圖4）。

圖4 項目區蒸散發量（ET）分布圖

（4）面積因子

面積因子利用治理前后的水源涵養指數（P-RET）柵格分布圖，在ArcGIS中計算獲取不同指數單元的面積。

2.3 水源涵養能力計算

將降雨量因子（P）、地表徑流因子（R）、蒸散發因子（ET）3類評價因子柵格圖，統一形成10m分辨率的柵格數據，在ArcGIS中利用柵格計算器，根據評價模型P-R-ET計算得到水源涵養指數（P-RET）柵格分布圖（見圖5、圖6）。在計算得出的柵格圖中提取不同模塊的面積數據，根據評估模型加權計算治理前后的水源涵養量。

3 評價結果

根據以上得出的治理前后水源涵養量（TQ）分布圖（見圖7、圖8），分析牛谷河項目區水土保持工程實施前后水源涵養能力的變化（見表2），造成項目區水源涵養量變化的主要原因為通過各類水土保持措施的實施，改變了地表起伏度（坡度、坡長），增加了項目區植被覆蓋系數，從而降低項目區徑流系數，提高水源涵養力。

從表2得出牛谷河區域水源涵養量從6 982.55萬m3增加至8 131.58萬m3，增加了1 149.03萬m3，增加了16.46%。

4 結語

圖5 治理前水源涵養指數（P-R-ET）分布圖

圖6 治理后水源涵養指數（P-R-ET）分布圖

圖7 治理前水源涵養量（TQ）分布圖

圖8 治理后水源涵養量（TQ）分布圖

表2 治理前后項目區水源涵養變化分析表

基于遙感及GIS技術、物聯網監測技術進行生態項目監測，是水土保持監測行業未來發展的方向，探索小流域尺度的GIS監測評價體系及方法，研究現場實測結合遙感分析的數據獲取及處理技術，具有很強的現實指導意義。本文嘗試利用GIS技術針對具體治理項目展開監測，但還存在遙感數據精度不高，現場氣象監測等數據來源較少，通用計算模型與區域實際不完全匹配等一些問題，還需后續進一步展開相關研究，逐步完善甘肅省水土保持生態建設項目的監測體系和方法。