水利工程建設前后水土流失變化特征

王志峰,孫 君

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002;2.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

隨著社會經濟高速發展，工業與農業用水量增加，再加上居民生活飲用水使用安全需求，各地區均加大了水利工程的規劃與建設力度。對于水利工程來說，土石方開挖(三通一平)、機械作業以及建筑物建設等施工過程中，開挖面較多且分散、擾動范圍廣且棄渣量大，不僅會對原地貌造成一定影響，還將降低地表土層抗腐蝕效果。在生態環境方面，水利工程施工會破壞地表土與植被的平衡狀態，進而引發水土流失問題。水利工程選址主要集中在農村地區，水土流失危害主要表現為場地平整所產生的水土流失會直接危害下游耕地，導致耕地地力下降，對周邊植被產生不利影響，破壞景觀，影響工程施工和當地居民的生產生活，臨時堆土受暴雨沖刷會進入天然溝道，導致溝道堵塞，阻礙行洪，加劇洪水災害發生的頻率和危害。

因此，水利工程施工、工程占地造成的植被破壞、水土流失、土壤退化等生態環境問題是近年生態水利工程領域研究的熱點。此背景下，水利工程施工建設者應運用遙感技術，以其實時、快速及作用范圍廣等優勢，來提高生態環境監測工作開展質量效率。本文以2008 年、2018 年的衛星影像為數據源，通過對工程范圍內地形條件、開發利用現狀以及產生的土壤侵蝕影響進行收集，以為信息數據綜合集成與系統分析工作開展提供便利。在野外調查和遙感技術的支持下，確定調查區的土壤侵蝕強度及面積，并在地理信息系統軟件的支持下，完成遙感解譯，從空間分布來看，調查區水庫區域水土流失狀況持續好轉，10 年間，評價區微度侵蝕增加75.05 hm2，輕度侵蝕增加244.51 hm2，中度侵蝕減少78.68 hm2，強烈侵蝕減少227.56 hm2，極強烈侵蝕減少2.42 hm2。從統計數據可以看出，評價區水土流失面積減少、呈現中度以上水土流失面積減少趨勢，水土流失形勢總體減輕。

本文以臺江縣臺雄水庫為例，調查其施工期間主要采取的水保措施，對比分析水庫工程建設前后水土流失情況。

1 項目區域概況

臺雄水庫防洪灌溉工程地處貴州省黔東南州臺江縣，是以城市防洪、農田灌溉及供水、生態環境水為主，同時兼顧發電的綜合性水利工程，項目所在河流系長江流域洞庭湖水系巴拉河。水庫正常蓄水位為710 m，總庫容為2481 萬m3。于2008 年9 月開始施工，2016 年完工。業主按水保方案的要求采取了相應的措施對施工區形成的裸地進行恢復保護，恢復效果較好，已于2018 年9 月通過了水土保持設施驗收。

2 主要水土保持措施

根據項目竣工驗收資料，臺雄水庫工程水土保持措施體系由三部分組成:工程措施、植物措施以及臨時措施。工程措施主要包含:表土剝離、擋土墻、覆土、全面整地、截(排)水溝、沉砂池;植物措施包括栽植喬木、灌木、藤本植物、撒草及植物綜合護坡等;臨時措施有臨時攔擋、臨時苫蓋和臨時排水設施等(見圖1)。

圖1 水土保持措施體系布局

從目前來看，該項目水土保持投入使用后，擋土墻、截(排)水溝等工程措施未見損毀，各種植被生長態勢良好，項目周邊環境質量有了顯著提高，水土流失治理效果較為明顯。

3 遙感監測數據分析

為了解臺雄水庫建設對區域水土流失狀況的影響，本文分析范圍為臺雄水庫庫尾末端至翁你河匯入巴拉河匯口，全長約42.5 km 河段，庫區以河道中心線分別向外延至第一山脊線并兼顧灌區覆蓋范圍，灌區外延200 m，施工區紅線等外延200 m。

3.1 土地利用遙感調查與分析

參考《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2017)采用一級、二級兩個層次的分類體系，結合水土流失特點和區域特點，從遙感技術在土地分類中側重于土地的自然屬性識別的實際情況出發，本遙感調查采用中科院資源環境與地理研究所制訂的全國土地利用遙感分類系統。依照該分類系統，進行遙感調查時多數地類只劃分到一級分類，但對耕地和林地劃分到二級地類，以達到水土流失變化特征研究的要求，未完全按照《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2007)中相對復雜的分類體系進行，在此作特別說明。

運用QuickBird、ZY-3 商業衛星影像遙感資料，解譯提取臺雄水庫建設前后周邊區域2008 年、2018 年2 期影像，分辨率2.1 m。在野外調查的基礎上，在ERDAS 遙感處理軟件和ARCGIS 地理信息系統軟件的支持下，應用遙感自動分類和人機交互判讀相結合的方法，開展調查區域項目建設前后土地利用類型及面積遙感調查，分析項目建設對調查區域土地利用的影響方式及影響強度。

研究區域喀斯特和非喀斯特間雜，巖性、土壤、植被分布有一定差異，有居民點、集鎮分布，貫穿多條交通線。由于有水庫和河流連續分布，水域類型面積占比較大，利用情況破碎，土地利用類型較為復雜。對照分類體系，應根據貴州的山地地貌特征與自然屬性，并結合調查區實際情況對土地利用類型進行適當調整。最終劃分的土地利用類型包括:水田、旱地、有林地、經果林地、灌木林地、荒草地、水域以及建設用地。將調查區2008 年(水庫建設前)土地利用圖和2018 年(水庫建設后)土地利用圖進行疊加分析(見圖2)，研究調查區土地利用過程發生的變化。

圖2 臺雄水庫工程建設范圍前后土地利用變化趨勢圖

項目實施前后，從面積分析調查區域各種土地利用類型變化。統計數據表明，2008 年～2018 年間，水田減少3.22%，旱地減少2.9%，荒草地減少3.78%，經果林地減少0.52%，有林地增加2.23%，灌木林地增加2.61%，建設用地增加1.77%，水域增加了2.81%。從動態變化的面積分析，主要體現為灌木林地、有林地、水域、建設用地的增加，水田、旱地、荒草地、經果林地的減少。

農用地總體減少，2008 年～2018 年間，研究區域農用地總體是減少的，但減少的幅度較小，其中經果林地減少62.94 hm2、水田減少389.76 hm2，部分水田改變耕作性質成為旱地，部分旱地由于退耕還林變為有林地或者灌木林地。由于水庫淹沒、生態退耕、臺江縣城市化和工業化發展造成的非農建設用地部分占用耕地、農業結構調整使耕地用途發展轉移等原因，耕地出現了一定程度的減少，但減少幅度相對較小，改變性質的農用地多轉為建設用地。

臺雄水庫建成蓄水后，庫區水面變寬，水位上漲，水域面積明顯增加，達98.05 hm2。林地面積變化較大，各種類型之間出現轉換。10 年間，有林地面積增加了633.06 hm2，灌木林地增加315.93 hm2，水庫減少后的退耕還林措施效果明顯。2008 年～2018 年間，草地減少457.55 hm2，大部分區域轉變成了其他林地或建設用地，但是工程竣工時間相對較短，多數草地、退耕土地還未轉變成有林地、灌木林地等生態效益高的土地類型。

3.2 水土流失遙感調查與分析

3.2.1水土流失類型劃分

根據區域內相似性和區間差異性原則，將全國分為水力侵蝕類型區、風力侵蝕類型區、凍融侵蝕類型區等三個一級類型區;西北黃土高原區、東北黑土區、北方土石區、南方紅壤丘陵區、西南土石山區、三北戈壁沙漠及沙地風沙區、沿河環湖濱海平原風沙區、北方凍融土侵蝕區、青藏高原冰川侵蝕區9 個等級類型區，并從地貌、氣候、水土流失等方面描述各區特點。調查區為中國水力侵蝕類型區的西南土石山區，主要由碳酸鹽類和砂頁巖組成，發育有黃壤、紅壤和黃棕壤。具有土層薄，基巖裸露等特征，平壩地為石灰土，以溶蝕為主，在全國屬輕度-中度侵蝕(見表1)。

表1 不同侵蝕類型區宜采用不同的容許土壤流失量表

按照標準對土壤侵蝕類型區進行定性定量的劃分，應收集區域范圍內土壤侵蝕有關的系列圖件及相應資料，結合系統分析及綜合集成，并充分利用最新的遙感技術影像資料。依據土壤侵蝕容許流失量和水力侵蝕區面蝕分級指標表，在野外調查和遙感技術的支持下，確定調查區的土壤侵蝕強度及面積，并在地理信息系統軟件的支持下，完成土壤侵蝕程度判定(見表2)。

表2 水力侵蝕區面蝕分級指標表

3.2.2區域水土流失分布

水力侵蝕區的侵蝕形式主要有濺蝕、面蝕和溝蝕。濺蝕在坡度較陡的坡耕地上較為嚴重;面蝕主要發生在>15°的坡耕地、溝坡地上;溝蝕主要發生在溝道，通過搬運堆積物使溝谷下切，溝岸擴展，溝頭延伸。本項目區域水土流失主要受降雨、地形、土壤、巖性、植被、人為活動等因子影響，其中降雨及其產生的徑流是水土流失的直接動力，土壤則成為侵蝕的對象，巖性、地形、植被和人為活動直接影響水土流失的程度。同時，由于調查區地處山區，高差大，坡度陡，還存在一定程度的重力侵蝕和風力侵蝕。

根據遙感監測數據表明，調查區土壤侵蝕等級主要有微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕和極強烈侵蝕。根據2008 年土壤侵蝕調查數據分析，調查區主要為微度侵蝕為主，占的比例最大，達44.97%，其次是輕度侵蝕，占總面積的32.01%，中度侵蝕占總面積的17.90%，強烈侵蝕占總面積的4.90%，極強烈侵蝕占總面積的0.22%;2018 年土壤侵蝕調查數據分析表明:10 年間調查區域土壤侵蝕強度結構不變，調查區主要為微度侵蝕為主，占的比例最大，達45.59%，其次是輕度侵蝕，占總面積的34.03%，中度侵蝕占總面積的17.25%，強烈侵蝕占總面積的3.02%，極強烈侵蝕占總面積的0.20%。從整體上分析，調查區因為有林地、灌木林地所占面積較大，林草植被覆蓋度相對較高，水土流失較為輕微。將水土流失圖和土地利用圖對比分析，顯示微度侵蝕主要集中在有林地區域、水庫淹沒區域，呈斑塊狀分布于調查區;侵蝕區集中于調查區的河谷、陡坡區域，其中，輕度侵蝕主要分布在灌木林區和低覆蓋度草地區，中度侵蝕主要發生在裸巖區和有一定坡度的旱地區，強烈侵蝕和極強烈侵蝕主要發生在受人工擾動較強的建設用地區和河谷坡度較陡的耕地區，土壤侵蝕空間分布為河谷地帶集中連片，其他區域零星分布。從分布區域看，調查區北部水土流失強于南部區域。

如圖3，通過2008 年和2018 年兩期遙感監測數據分析可以看出，水利項目建設過程中及時進行水土保持和植被恢復措施，注重對表土資源的收集、儲存和綜合利用，不會產生工程建設導致土地退化的問題。水庫建成后，水域面積增加，局地氣候條件的改善，與工程建設配套的水保措施的實施，調查區水庫區域水土流失狀況持續好轉。10 年間，評價區極強烈侵蝕減少0.02%，強烈侵蝕減少1.88%，中度侵蝕減少0.65%，因極強烈、強烈、中度侵蝕治理后向輕度侵蝕及微度侵蝕轉化，輕度侵蝕增加2.02%，微度侵蝕增加0.62%。從統計數據可以看出，評價區水土流失面積減少、水土流失強度降低，水土流失形勢總體減輕。

圖3 臺雄水庫工程建設范圍前后土地侵蝕變化趨勢圖

4 結語

在研究區域地形圖、土地利用現狀圖、地質圖等等基礎圖件的支持下，根據不同土地利用類型、不同水土流失等級在影像中的光譜特征差異，利用分層信息提取方法，對照相應標準對土壤侵蝕類型的劃分，建立不同等級分級的閥值，在野外調查和遙感技術的支持下，確定調查區的土壤侵蝕強度及面積，并在地理信息系統軟件的支持下，調整遙感解譯的信息。

通過2008 年和2018 年兩期遙感監測數據分析表明，水庫建設項目采取有效的水土保持措施后，在保障主體工程正常運行和安全生產的同時，又減少了水土流失和對周邊土壤的擾動，較好地降低了因項目建設中引發水土流失的風險。進入生態文明新時代，生產建設單位應在水土流失防治分區、防治措施體系、措施總體布局、措施布設與設計等方面進一步完善和深化，對造成的水土流失進行動態監測，推動新階段水利高質量發展。