基于USLE的北黃嶺河小流域土壤侵蝕量估算

高立新

(岫巖滿族自治縣水利事務服務中心,遼寧 岫巖 114300)

土壤侵蝕是土壤顆粒在水力、風力等綜合作用下持續分離、運移的過程,土壤侵蝕發生后必將對土地資源造成破壞,引發土地資源退化、干旱等次生災害。流域內土壤侵蝕則會加大流域輸沙量,引起水量變化及水質惡化,水生態功能衰減。小流域屬于一個完整的自然匯水單元,也是水土流失和土壤侵蝕發生、發展的基本單元,研究小流域土壤侵蝕過程、水土保持過程是水土保持研究的重要組成部分。USLE(Universal Soil Loss Equation,通用土壤流失方程)是美國農業部最早提出的土壤侵蝕量經驗預報公式,對于因降雨所引發的水動力土壤侵蝕預測較為適用,與其他方法相比,該模型結構簡單,數據量少,結果真實可靠,故該模型自20世紀30年代提出后便先后應用于土壤侵蝕試驗及區域土壤侵蝕量定量研究。我國于20世紀80年代引入該模型后,逐漸在不同區域土壤侵蝕預報中進行了應用。本文依托岫巖縣蘇子溝鎮北黃嶺河小流域,對流域土壤侵蝕量展開估算分析,為構建該流域水生態功能分區以及流域水資源保護、合理利用提供依據。

1 流域概況

北黃嶺河小流域位于岫巖縣蘇子溝鎮,涉及蘇子溝鎮的北黃嶺1個行政村,流域總面積為1935hm2,流域土地利用情況見表1。北黃嶺河小流域整體呈北高南低地勢,多丘陵,河川交錯,地形主要以山地和丘陵為主,夾雜小面積沖積平原和盆地,低山區在全縣總面積中約占78%以上。流域平均海拔為211.64m。小流域位于中溫帶氣候區,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,多年平均年降水量為820mm,且從上游向下游呈遞增趨勢,降雨主要集中在每年的6—9月,期間降水量在全年降水量中的占比超70%,暴雨大多發生在7—8月。流域內土壤類型以棕壤和山地草甸土為主:棕壤土多見于低山丘陵,土層厚度為0.5～1.5m;草甸土則多見于河流兩岸,土層較厚,為1.0～3.0m,土壤肥力高。

北黃嶺河小流域主要存在輕度水力侵蝕,水土流失面積為461hm2,在流域總面積中占比23.82%,土壤侵蝕較為嚴重。因受制于治理資金及管理模式,流域內水土流失始終未得到系統治理,并呈日益嚴峻之態勢。流域內山洪災害頻繁發生,造成耕地沖毀、道路沖斷,嚴重影響農業生產。洪水沖刷河道兩岸導致水土流失加劇,河道內泥沙量持續增大,抬高河床,河道泄洪能力持續減弱;土壤養分流失,土壤肥力持續減弱;徑流沖刷帶走表土養分,土層變薄,土壤肥力下降,糧食產量降低。

2 USLE模型及因子

USLE是美國農業部于20世紀60年代在大量觀測數據及人工模擬試驗的基礎上,所構建的特定區域土壤侵蝕量估算的方程模型,該模型涵蓋影響特定區域水土流失的主要影響因子[1],公式如下:

A=RKLSCP

(1)

式中:A為所研究區域土壤侵蝕量,t/(hm2·a);R為年降雨侵蝕力因子,MJ·mm/(hm2·h·a);K為研究區土壤可侵蝕因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);L為坡長因子,無量綱;S為坡度因子,無量綱;C為管理因子,無量綱;P為水土保持措施因子,無量綱。

2.1 年降雨侵蝕力因子

降雨徑流及雨水擊濺作用對土壤侵蝕影響較大,所謂降雨侵蝕力就是降雨過程可能引起土壤侵蝕的潛力。根據降雨過程資料所得出的降雨侵蝕力顯然最為可靠,但相關資料較難獲取,故本文在應用USLE模型預測土壤侵蝕量時,主要根據月降水量進行降雨侵蝕力的簡便估算[2],公式如下:

(2)

式中:Pi為項目區月降水量,mm;其余參數意義同前。

將所獲得的北黃嶺河小流域1966—2021年的氣象資料代入式(2),便可得出小流域多年平均降雨侵蝕力因子為290.94MJ·mm/(hm2·h·a),因流域面積不大,可視為流域內降雨均一分布,故整個流域內年降雨侵蝕力因子取值一致。

2.2 土壤可侵蝕因子

該因子體現的是在降雨徑流沖刷、雨水擊濺作用下,土壤被分散、運移的可能程度[3],也是進行項目區土壤侵蝕量估算的主要指標之一。該流域土類以棕壤和山地草甸土為主,可以參考當前學者對各類土壤可侵蝕因子的研究成果,得出北黃嶺河小流域棕壤和山地草甸土可侵蝕因子K,分別取0.27t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)和0.268t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)。

2.3 坡長和坡度因子

小流域坡長和坡度是其余條件不變的情況下,某一特定坡長和坡度下土壤侵蝕量與標準小區土壤侵蝕量之比,對土壤水力侵蝕影響較大。在實際運用中,兩個因子通常結合起來,統一作為項目區地形因子進行考慮。

USLE模型中的坡長因子按照下式確定:

L=(λ/22.1)m

(3)

式中:λ為實際坡長,m;m為坡長指數,應根據允許坡度θ的大小及以下范圍取值:

(4)

依托北黃嶺河小流域1∶10000地形圖,采用ArcGIS軟件進行等高線校正和矢量化,并構建小流域柵格數字高程模型,再借助ArcGIS軟件中的Spatial Analysis模塊在柵格數字高程模型中提取坡度、坡長,進而計算坡度和坡長因子[4]。其中,土地利用現狀圖主要根據實地考察繪制而成;土壤類型圖則依托全國土壤普查成果圖,并以土屬為成圖單元繪制而成;流域數字高程模型則基于流域等高線圖制成。

2.4 管理及水土保持措施因子

管理因子即項目區植被覆蓋后土壤流失總量與實際土壤流失量之比,一般在0～1之間取值,該因子大小主要體現的是植被覆蓋、輪作制度、管理措施的綜合效果。此處應用Erdas軟件對北黃嶺河小流域遙感影像實施人工目視解譯,并根據目視解譯結果進行判讀和校驗,最終生成小流域土地利用圖層,對流域土地利用類型進行劃分,并根據土地利用現狀對不同利用類型管理因子賦值。具體見表2。

水土保持措施因子是采取修筑梯田、等高耕作等特定水保措施后區域土壤侵蝕量與順坡種植時土壤侵蝕量之比,是水土保持措施采取后對土壤流失量控制程度的體現[5],取值在0～1之間,取值為0意味著水土保持措施效果十分顯著且不存在土壤侵蝕,而取值為1則意味著未采取任何水土保持措施[6]。

根據流域管理局所提供的北黃嶺河小流域水土保持措施圖及所收集到的2010—2020年項目區水土流失綜合治理資料,結合相關文獻,對流域不同水土保持措施因子取值進行了合理估計,結果見表3。

表3 北黃嶺河小流域水土保持措施因子取值

3 土壤侵蝕量估算過程及結果

根據統計結果,北黃嶺河小流域年土壤侵蝕總量為12.1萬t,年土壤侵蝕模數為900t/(km2·a),基本上為輕度侵蝕。流域內57.17%的面積土壤侵蝕模數在5.0t/(km2·a)以下,為輕度侵蝕;劇烈侵蝕、極強烈侵蝕、強烈侵蝕及中度侵蝕的面積占比分別為5.22%、10.0%、10.0%、17.61%。流域水土流失現狀結果見表4。值得注意的是,即便是再完善的經驗性土壤侵蝕預報模型,仍面臨基礎數據較難獲取的難題[7],本文則根據水利行業《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007),將小流域土壤侵蝕量估算基礎數據簡化成土地利用類型、坡度等簡便且能準確獲取的指標[8],從而快速得出流域土壤侵蝕量測算結果。該流域內土壤侵蝕表現出較大的空間差異性,通過進一步分析看出,造成這種空間差異的原因主要在于土地利用類型以及地形地貌起伏變化。

表4 北黃嶺河小流域水土流失現狀

3.1 土地利用類型

土地利用類型差異主要體現在北黃嶺河小流域植被類型及植被覆蓋度差異方面,通過全面統計流域內不同土地利用類型所對應的土壤侵蝕強度,得到具體土地類型下的土壤侵蝕模數均值及侵蝕總量[9],結果見表5。其中林地年侵蝕總量取值最大,在總侵蝕量中占比為95.87%,說明林地是北黃嶺河小流域現狀土地利用類型下最容易發生水土流失的類型,必須加強重點治理。本研究依托項目區2021年全年遙感影像數據,流域內耕地年侵蝕模數均值為159.44t/(km2·a),年侵蝕總量均值為1421100t,在總侵蝕量中占比為8.69%。疏林地、草地、工況用地、水域、其他用地土壤侵蝕程度均較小。

表5 北黃嶺河小流域不同土地利用類型土壤侵蝕結果

基于以上對不同土地利用類型土壤侵蝕結果的分析,有助于北黃嶺河小流域管理部門優化土地利用結構,為流域土壤侵蝕及水土流失治理提供依據。

3.2 地形地貌坡度

地形地貌起伏變化對流域土壤侵蝕空間差異的影響特征在北黃嶺河小流域下游城鎮密集區域及中游低山丘陵區表現得尤為突出。流域內不同坡度下土壤侵蝕模數統計分析結果見表6。該小流域內不同坡度下土壤侵蝕結果較為接近,且整體上隨著坡度的增大,土壤侵蝕程度加劇[10]。坡度在5°以內的區域在流域總面積中占1.19%,占比最小,且對應的土壤侵蝕量占比也為最小;坡度在25°以上的區域在流域內占比為41.86%,土壤侵蝕量占比為31.35%。

表6 北黃嶺河小流域不同坡度下土壤侵蝕結果

4 結 論

綜上所述,本文依托遙感及地理信息系統技術,應用USLE土壤流失量估算方程模型,對北黃嶺河小流域土壤侵蝕量進行分析估算后得出以下結論:流域內年土壤侵蝕模數為900t/(km2·a),年土壤侵蝕總量平均為163589740t,總土壤侵蝕面積為461hm2,在流域總面積中占比為23.82%。所得到的流域土壤侵蝕量預測結果與相關研究基本吻合,結果可靠度高。該流域土壤侵蝕表現出十分明顯的空間差異性,土壤侵蝕受土地利用類型及地形坡度等的影響較大,其中林地、疏林地和耕地土壤侵蝕量占比最大;坡度在25°以上的區域土壤侵蝕占比最大。為此,流域管理部門應當將以上土壤侵蝕嚴重區域作為下一步水土流失治理的重點。