基于區域土壤侵蝕狀況評價的水利工程規劃研究

懷萌萌

(安徽省阜陽水文水資源局 安溜水文站,安徽 阜陽 236000)

0 引 言

土壤侵蝕是指在外部力量的作用下,因土質的分離、移動或沉積而造成對土地的損害。這種過程通常受到水力、風力、重力等多種外力的影響［1-2］。如水力可以將土壤中的養分和水分從土壤表面帶走;風力可以將土壤中的養分和水分從地表帶走;重力可以將土壤中的養分和水分從地表帶走等破壞。當前,土壤侵蝕仍是一個世界性的生態環境問題,其形成和發生過程主要是多個因素綜合作用的結果［3］,包括土壤、降雨、植被和土地利用方式等。這些因素會影響土壤的侵蝕過程,從而影響生態系統的穩定性。其中,地形和土壤因素可以影響水流的流向和流速,從而影響水循環;降雨則是土壤侵蝕的重要誘因,它會影響土壤結構、強度和水分的吸收;植被不僅可以阻擋水土流失,還可以減少土壤中水的流失;土地利用方式則會影響土壤侵蝕的發展速度。因此,要有效控制和減少土壤侵蝕,必須綜合考慮多種因素,并采取有效措施。通過合理土地利用,可以有效抑制水土流失的發生和發展。如在山區采取林地、草地等植被覆蓋措施,可以有效改善局部坡度,防止水土流失。另一方面,不合理的人為活動也會加劇土壤侵蝕的發生和發展［4］。

因此,本文基于中國土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation, CSLE),對亳州市的土壤侵蝕進行估算評價,并提出相應的水土流失防治工程施工方法。研究旨在對亳州市水土保持工程的實施情況進行評估,并分析社會、經濟和生態效益,為亳州市更好地開展水土流失綜合治理工作積累經驗。

1 基于區域土壤侵蝕狀況評價的水利工程規劃設計

1.1 研究區概況

亳州市位于皖西北部,E115°32′-E116°49′、N32°51′-N34°04′,土地面積8 374km2。其中,山地占總土地面積的33.33%,平原占總土地面積的38.63%,丘陵占總土地面積的12.23%［5］。該市轄渦陽縣、蒙城縣、利辛縣和譙城區,地處淮河水系與長江水系的分水嶺。境內地貌復雜,以平原、丘陵和低山為主,地面高程42.8～23.3m。亳州市地形由西北向東南傾斜,自然坡降約1/8 000,呈波狀起伏,氣候溫和,適宜耕作種植。由于地勢較低,水分充足,有利于農作物生長和灌溉,形成歷史悠久的農業地區。

亳州市地處亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶,屬半濕潤大陸性季風氣候,有明顯的過渡性特征。其特點是太陽輻射豐富,日照充足,氣候溫和,四季分明。春季氣溫回升快,冷暖多變;夏季炎熱多雨;秋季晴朗少雨,秋高氣爽;冬季寒冷干燥。年平均氣溫16.1℃,年平均降水量548.1mm,年日照時數2336.8h。全市年平均降水量599.1mm。全年無霜期約243d,年平均風速2.7m/s。

根據2021年水土流失動態監測情況,城市土壤侵蝕面積4.25 km2,約為城市土地總面積的0.05%。其中,輕度流失面積3.64 km2,占水土流失面積的85.65%;中度流失面積0.13 km2,占水土流失面積的0.54%;嚴重流失面積0.17 km2,占水土流失面積的0.35%;重度流失面積0.5km2,占11.76%;強烈流失面積0.11 km2,占2.59%;無極強烈和劇烈流失面積,占0.17%。因此,亳州市是土壤侵蝕嚴重的市區之一,侵蝕治理任務依然艱巨,尤其是在小流域、山區等區域,土壤侵蝕問題更加嚴重。

本次研究項目區域的地貌類型屬于江淮波狀平原區,氣候類型屬亞熱帶與暖帶的過渡地帶。根據亳州氣象站1960-2019年資料統計,項目區多年平均氣溫15.6℃,極端最高氣溫40℃,極端最低氣溫-20℃,≥10℃積溫4 800℃;多年平均降雨量1 067.2mm,降雨量年際變化較大,年內分布不均勻。最大凍土深度11cm,無霜期209d。植被類型屬暖溫帶落葉闊葉林帶,現狀林草覆蓋率約20%。項目區土壤類型主要以黃棕壤為主,屬微度侵蝕區,以水力侵蝕為主,允許土壤流失量200t/km2·a,現狀土壤侵蝕模數背景值約150t/km2·a。

1.2 基于CSLE模型的區域土壤侵蝕評價方法

增加植被覆蓋是抑制水土流失的重要方式之一,獲取區域土地植被覆蓋度是評價水土流失的關鍵。谷歌地球引擎項目(Google Earth Engine, GEE)是專門處理衛星圖像和其他地球觀測數據云端運算平臺,可進行精確地圖繪制,分析地表特征,統計空間分布［6］。GEE結合Landsat與MODIS分辨率的特點,能夠確保計算所需的歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)不受外界環境因素的影響,并將研究的植被覆蓋度時間窗口壓縮至15d［7］。通過植被指數結合像元二分模型遙感估算植被覆蓋度,是目前廣泛使用的一種方法,可以有效反映植被的分布情況,可以用于監測植被覆蓋度。該方法既可以利用衛星傳感器獲取的遙感數據,也可以通過地面調查獲取的數據進行分析,從而得到準確結果。植被覆蓋度的計算公式如下:

FVC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(1)

式中:NDVImax為研究區純植被覆蓋像元的歸一化植被指數;NDVImin為研究區純裸土像元的歸一化植被指數。

NDVImax與NDVImin的取值是像元二分模型的關鍵基礎。為了獲取土壤侵蝕模數,利用 ArcGIS軟件,對各土壤侵蝕計算因子進行柵格疊加運算,包括坡度、坡向、地形起伏度、植被覆蓋度等因素。然后,根據計獲得的土壤侵蝕因子,分別計算不同柵格下的土壤侵蝕模數,計算公式如下:

A=R×K×L×S×B×E×T

(2)

式中:A為土壤侵蝕模數,t/hm2·a,是一種衡量土壤流失程度的指標;R為一個降雨侵蝕力因子,MJ·mm/(hm2·h·a),用于確定一段時間內降雨侵蝕力的大小;K為土壤可蝕性因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm),表示土壤抵抗雨滴和徑流分離土壤顆粒的能力,與土壤理化性質有關;L、S分別為坡長、坡度因子;B為植被覆蓋與生物措施因子,是指通過改變植被類型、種植植物、維護植被生長環境等措施,以改善生態系統的功能;E、T分別為工程措施和耕作措施因子,二者均為農業生產中最重要的兩種農業技術措施。

植被指數時空融合的具體流程見圖1。

圖1中,NDVI時空融合的步驟先將MODIS植被指數產品與陸地衛星植被指數獲取的數據進行預處理,同時利用高分衛星影響技術獲得土地利用圖像。然后,以不同類型的純像元半月頻率植被指數為研究對象,建立不同類型的植被指數序列。根據式(3)逐像元計算方法,得到30m分辨率植被指數融合。公式如下:

(3)

式中:VM(ti)為該像元對應的地類MODIS多年平均值序列是一組由不同時間段的數據組成的;VT(tj)為該像元對應的某時刻陸地衛星植被指數,即以遙感影像為基礎,能夠反映出某一時刻陸地上植被的生長狀況;共有n景,ω(ti,tj)為權重。

圖1 NDVI時空融合的基本步驟

最后,對30m分辨率植被指數融合結果進行諧波平滑。

1.3 基于區域土壤侵蝕狀況評價的水土流失防治工程施工方法

通過區域土壤侵蝕評價方法對亳州市的土壤侵蝕狀態進行評估后,研究基于評估結果進行相應的水土措施方案設計。水土流失防治措施體系由主體工程設計中具有水土保持功能的工程和方案新增施工期水土流失防治設施相結合,共同構成水土流失防治措施體系。圖2為水土流失防治措施總布局。

圖2 水土流失防治措施體系

圖2中,研究項目的水土流失防治分區分為已建和在建工程區兩個防治分區。已建工程區中,包括工程措施和植物措施。其中,工程措施由排水工程、土地整治工程組成;植物措施的水土流失防治范圍包括建筑物周邊及道路兩側綠化。在建工程區中,工程措施與植物措施任務分別為土地整治、建筑周邊綠化;臨時措施為臨時苫蓋及臨時沉沙措施。見圖3。

圖3中,根據實際情況,考慮到臨時堆土堆放時間、施工成本、臨時堆土土質等原因,臨時堆土區采取臨時排水溝、沉砂池、裝土草袋擋土墻與苫布覆蓋作為水土流失治理措施。該項目區域的土地整治,就是要對工程用地上由于施工而造成的干擾進行及時清理,并將地面上的垃圾清除掉,對工程用地上的坑洼進行回填。平地主要采用功率74 kW的推土機,較小面積區域可采用人工平地。

項目所用到的各類幼苗需進行現場考察,完成種苗所需的土基、綁扎、采苗等工序。在種植前,要對土壤進行肥力、酸堿度等指標的檢測,指導土壤改良,確保作物正常生長。在整地之前,先將雜物清除干凈,將石塊、石子、建筑廢料等收集起來,將土坑進行粗整,將土坑填滿。然后,為了改善立地條件,提高土壤肥力,要對取(棄)土(渣)場和建設道路綠化區進行土壤翻松、碎土,再進行細平處理,最終形成種植面。整地后,用灰泥人為標出單個樹種的位置,并將各種樹種、喬木、有土球的灌木等以人工挖坑的形式栽植。根據樹種種類和根系大小,決定所挖坑的大小和距離,坑的形狀為圓形。喬木的洞口直徑通常為0.4～0.5m、50cm,灌木的洞口直徑為0.3～0.4m、25cm。喬木選用2級或更高等級的2年生幼苗,灌木選用2年生幼苗。

圖3 臨時堆土區水土流失治理措施

灌叢為穴種植,在種植過程中要采用“三填二踩一提”的種植技術。栽植深度一般以超過原根系5～10cm為準。先按照事先確定的位置,在地面上畫出等位線。同時,要用消毒過的土壤回填種植土,使其達到種植要求。并按照設計好的植物栽植位置,將植物栽植到種植坑中。用水澆灌植物根部后,將土壤踩實以達到要求。定植時,應保持苗干直立、根系伸展、深度適宜。在回填到一半的時候,要將樹苗抬起來,并將樹干壓緊,然后再覆蓋上綠色植物的土壤。

草坪可通過人工播種和種植兩種方式種植。撒播方法是將草籽按照設計的撒播密度,均勻地撒在整好的地面上,然后使用鎬或石等將其覆蓋在5～10cm的土地上。并在播種之后,對種植區域進行噴灑水分,使其保持濕潤。植物措施建植后,應落實好林地的管理和撫育責任。

2 結果與分析

研究項目區內影響水土流失的自然因素主要有降水、土壤、植被和地形地貌等。研究采用遙感、地面觀測以及基于CSLE模型相結合的方法,對該項目區域的土壤侵蝕狀況進行評估。利用ArcGIS軟件,將不同類型的水土流失因子按不同的柵格疊加后,計算出相應的土壤侵蝕模數。見表1。

表1 基于CSLE模型的工程項目區域土壤侵蝕誤差統計結果

由表1可知,利用研究模型測得的項目區域土壤侵蝕模數與實際值的差距較小。在廠外道路區域測得的土壤侵蝕模數的相對誤差為2t/km2·a;在該工程區內,基于CSLE模型的預測平均相對誤差為72t/km2·a。結果表明,研究模型的性能較好,預測精度較高。見圖4。

圖4 施工前后研究項目區域不同植被覆蓋度的土壤侵蝕分布情況

通過對比圖4(a)與圖4(b)可知,施工后的項目區域不同植被覆蓋區的土壤侵蝕模數和侵蝕量明顯較施工前小。在植被覆蓋度40%～60%的區域內,施工后的土壤侵蝕模數較施工前小1 275t/km2·a,侵蝕量減少約23×104t。結果表明,采用研究的水土流失保持施工策略后,能夠有效減小土壤侵蝕度。工程水土流失防治效果預測分析見圖5。

由圖5可知,項目水土流失治理度為99.82%,土壤流失控制比為1.25,渣土防護率99.32%,表土保護率不作統計,林草植被恢復率98.63%,林草覆蓋率12.80%。

至設計水平年末,工程建設區域的侵蝕模數降至160t/(km2·a),水土流失得到有效控制。水土保持工程效益可從經濟效益、生態效益、社會效益3個方面進行分析。對研究項目施工后進行綜合效益評價,結果見圖6。

圖6 項目施工后水土保持綜合效益評價值

由圖6(a)可知,在經過研究水土保持施工后,研究項目區域的水土保持經濟效益指標從0.252增長至0.418,社會效益由0.24增長至0.353,生態效益由0.298增長至0.375,綜合效益由0.270增長至0.386。

由圖6(b)可知,該項目區域的社會效益、經濟效益、生態效益及綜合效益分別增長32.01%、39.71%、20.50%、30.05%。

綜上所述,通過采取本文提出的水土保持施工措施后,能夠顯著提升亳州市工程項目區域的生態功能和綜合效益,在一定程度上提高了效益社會與經濟效益,表明只有各單項效益均處于良好水平才能保證綜合效益的提升。

3 結 論

針對亳州市某工程項目進行水土流失防治,研究提出了基于區域土壤侵蝕狀況評價的水利工程規劃。利用CSLE模型對該項目區域的土壤侵蝕狀況進行評估,并提出相應的水土流失防治措施。結果表明,研究模型的土壤侵蝕模數預測平均相對誤差為72t/km2·a,具有較好的性能;該項目區域的社會效益、經濟效益、生態效益以及綜合效益分別增長32.01%、39.71%、20.50%、30.05%,表明研究措施可有效預防工程可能產生的水土流失,土壤侵蝕強度控制在容許值以內,而且能有效固結土壤、涵養水分、減少侵蝕量,改善生態環境,促進生態系統向良性態勢發展。