劉艷萍，榮 浩，梁占岐

(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

丘陵草原區(qū)小流域水土流失綜合治理模式研究

劉艷萍，榮 浩，梁占岐

(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

為探索丘陵草原區(qū)小流域水土流失綜合治理模式，以錫林河水庫(kù)小流域?yàn)檠芯繀^(qū),采用線性規(guī)劃方法，結(jié)合前期試驗(yàn)觀測(cè)成果，在全面調(diào)查流域水土流失特點(diǎn)及治理格局的基礎(chǔ)上，總結(jié)現(xiàn)有水土保持關(guān)鍵技術(shù)及常用的治理模式，并經(jīng)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，提出丘陵草原區(qū)小流域水土流失綜合治理優(yōu)化模式，由坡面梯化治理模式+溝道治理模式構(gòu)成。其中，緩坡(坡度3～5°)采用天然草地+人工草地+改良草地措施配置，最佳配置比例1∶0.4∶0.3；中坡(5～15°)采用林草措施(檸條+苜蓿)+封育措施配置，最佳配置比例1∶0.4；陡坡(15～25°)采用工程+林草措施(截水溝+檸條帶)配置，最佳配置比例1∶0.5。

丘陵草原區(qū)；小流域；水土流失；綜合治理；模式

我國(guó)草原面積占國(guó)土總面積的41%，而全國(guó)草原沙化面積占草原總面積的35.6%[1-3]。內(nèi)蒙古草原總面積近0.87億hm2，居我國(guó)五大草原之首，占全國(guó)草原面積的22%，是歐亞大陸草原的重要組成部分[4-5]。但近年來(lái)，由于受氣候、土壤、植被等自然因素和人為因素的影響，草原生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，水土流失十分嚴(yán)重，沙塵暴等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，已經(jīng)直接威脅到國(guó)家的生態(tài)安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[6-7]。丘陵草原區(qū)小流域是草原小面積的集水區(qū)域，具有一定水文學(xué)特征，它既是具有系統(tǒng)功能和性質(zhì)的自然地理單元，又是產(chǎn)流、產(chǎn)沙、水土流失治理的基本單元[8-9]。因此，以小流域?yàn)閱卧?，在前期試?yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)全面調(diào)查研究區(qū)小流域水土流失特點(diǎn)及治理格局，總結(jié)現(xiàn)有水土保持關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)流域內(nèi)適宜的水土保持措施進(jìn)行科學(xué)配置，并經(jīng)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，提出小流域水土流失綜合防治優(yōu)化模式，以最小的措施投入及配比，產(chǎn)生最大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。該研究成果將對(duì)整個(gè)錫林河流域水土流失綜合治理提供較高的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也可為類似地區(qū)小流域水土流失綜合治理提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林河水庫(kù)小流域距錫林浩特市8 km，地理位置E 116°56′～117°04′，N 43°26′～43°33′，面積45 km2。主要由低山丘陵、緩坡丘陵和河谷平原三大地貌組成，丘陵河谷間夾帶著固定沙地，總的地勢(shì)為東南高，西北低。屬中溫帶大陸性半干旱氣候，春季干旱多風(fēng)，秋季涼爽、濕潤(rùn)。降水量小，主要集中在7、8、9月，年均降水量為287.2 mm，年均蒸發(fā)量為1 759 mm，平均風(fēng)速3.5 m/s，最大風(fēng)速29 m/s，3～5月風(fēng)最盛，全年盛行西北風(fēng)。多年平均無(wú)霜期121 d，>10℃積溫1 600～2 000℃[10-12]。流域內(nèi)涉及18個(gè)牧業(yè)點(diǎn)。牧業(yè)人口300人，牲畜4 000頭(只)。年產(chǎn)值162.5 元/ hm2。土壤侵蝕類型屬風(fēng)水復(fù)合侵蝕，以水蝕為主，間有季節(jié)性風(fēng)力侵蝕，年侵蝕模數(shù)約3 500 t/km2。小流域土地資源配比見(jiàn)表1。該流域從2001年開(kāi)始，進(jìn)行分期綜合治理，截至目前，林草措施、工程措施、生態(tài)修復(fù)措施都已經(jīng)形成一定規(guī)模[13-14]。流域內(nèi)水土流失綜合治理各項(xiàng)措施實(shí)施以來(lái)，水土流失量顯著降低，蓄水保土效果明顯改善，推動(dòng)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和居民生活水平的提高。

表1 錫林河水庫(kù)小流域土地資源配比

1.2 研究?jī)?nèi)容與方法

1.2.1 水土保持措施研究 在前期試驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)流域內(nèi)現(xiàn)有主要水土保持措施實(shí)施情況進(jìn)行詳查，分析該小流域現(xiàn)有治理模式的結(jié)構(gòu)、功能、運(yùn)行效果及存在的問(wèn)題，總結(jié)水土保持效果較好的坡面治理、侵蝕溝治理、封禁治理措施的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)各項(xiàng)水土保持措施從適宜性角度按立地類型分類。

1.2.2 優(yōu)化配置模式研究 在對(duì)研究區(qū)現(xiàn)有不同水土保持措施配置模式分析的基礎(chǔ)上，采用線性規(guī)劃方法，經(jīng)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，從生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面綜合考慮，提出小流域水土流失綜合治理優(yōu)化模式[15-17]。建立小流域優(yōu)化模式時(shí)，生產(chǎn)總值反映不同措施組合作用下的土地生產(chǎn)力水平和商品價(jià)值，優(yōu)化模型以優(yōu)化模式運(yùn)行后正常年內(nèi)最大經(jīng)濟(jì)效益(年產(chǎn)值)為目標(biāo)，將土壤侵蝕模數(shù)和林草覆蓋度這2個(gè)重要生態(tài)指標(biāo)作為約束條件，其優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

Fmax(X)∑∑dij·xij

約束方程式∑∑dij·xij≥r(或≤R)

式中：F為經(jīng)濟(jì)純收入(元)；dij為價(jià)值系數(shù)；bij為約束系數(shù)；R，r為約束常量；Xij為決策變量；i=1，2，3……n，n為土地類型；j=0，1，2，3……m，m為各業(yè)及從屬。

2 結(jié)果與分析

2.1 水土保持技術(shù)措施

2.1.1 研究區(qū)主要水土保持技術(shù)措施 (1)工程措施：主要有截水溝、魚(yú)鱗坑、谷坊等。根據(jù)前期試驗(yàn)研究及總結(jié)研究區(qū)成功經(jīng)驗(yàn)，為有效控制地表徑流，促進(jìn)林草快速生長(zhǎng)，在>6°的坡面上沿等高線開(kāi)挖截水溝，截水溝上下間距30～50 m，同一等高線上間距5 m。溝埂上種植檸條、苜蓿、沙打旺等草樹(shù)種。為固定溝床、穩(wěn)定溝坡、減少溝蝕。在溝谷底部修建谷坊，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際，修建土谷坊，谷坊高3 m，間距15 m。

(2)林草措施：根據(jù)當(dāng)?shù)爻晒?jīng)驗(yàn)，流域內(nèi)林草措施主要有人工草地、水保林(護(hù)坡林、溝底防沖林、護(hù)埂林)等。水保林宜建在坡度大于10°、植被蓋度低的荒草坡上，在坡度5°～10°的緩坡地上可建設(shè)旱作人工草地或?qū)嵤┭a(bǔ)播等草地改良措施。溝底防沖林選擇以抗旱抗寒的灌木樹(shù)種楊樹(shù)(三根二干)、柳樹(shù)(二年生苗木)為主，在5月上中旬整地，整地方式均為穴狀整地，溝底整地方向與水流方向成45°，呈燕翅狀，減少水流對(duì)樹(shù)木的沖刷作用。

(3)封育禁牧措施：對(duì)水土流失較嚴(yán)重草地實(shí)行圍封禁牧，采取季節(jié)性休牧或禁牧措施。圍欄封育草地封育期3～5年為宜。

(4)草地節(jié)水灌溉高效開(kāi)發(fā)技術(shù)措施：研究區(qū)小流域地表水資源缺乏，淺層地下水資源相對(duì)較豐富，具有開(kāi)采淺層地下水進(jìn)行草原灌溉的有利條件，平緩地帶建設(shè)灌溉人工草地和灌溉青貯飼料地。

(5)其他應(yīng)用新技術(shù)：在草地水土保持生態(tài)建設(shè)中，一些新的技術(shù)逐步應(yīng)用，研究區(qū)小流域主要應(yīng)用了保水劑、牧草種子包衣等技術(shù)。2.1.2 研究區(qū)主要水土流失治理模式 研究區(qū)小流域常用的坡面水土流失治理模式為>15°～25°的坡地，主要采取截水溝+人工草地或截水溝+灌木帶配置方式，截水溝溝內(nèi)和溝埂上種植灌木用于攔截一部分水土，截水溝行間補(bǔ)播牧草或造林。坡度<15°且土層比較厚的坡地，以林草措施為主的，優(yōu)化林草結(jié)構(gòu)配置，主要采取灌+草、灌木水保林、喬木水保林方式。

研究區(qū)小流域常用的溝道水土流失治理模式為谷坊+灌木林和溝底防沖林兩種配置方式，可在短期內(nèi)控制水土流失，制止侵蝕溝的繼續(xù)擴(kuò)展，恢復(fù)改善溝道生態(tài)環(huán)境。

2.2 小流域水土保持優(yōu)化配置模式

2.2.1 水土流失綜合治理優(yōu)化模式數(shù)學(xué)模型 (1)建模原則：優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

(2)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)：①數(shù)學(xué)模型變量以小流域各類土地的適宜性和治理方式不同，表現(xiàn)出生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益差異很大，其構(gòu)成層次及效能見(jiàn)表2；②目標(biāo)函數(shù)的確定以生產(chǎn)總值反映不同措施組合作用下的土地生產(chǎn)力水平和商品價(jià)值，本模型以優(yōu)化模式運(yùn)行后正常年內(nèi)最大經(jīng)濟(jì)效益(年產(chǎn)值)為目標(biāo)，將土壤侵蝕模數(shù)和林草覆蓋度兩個(gè)重要生態(tài)指標(biāo)作為約束條件[18-19]。則目標(biāo)函數(shù)為：max(F)=405x1+330x2+330x3+750x4+120x5+45x6+150x7。

約束方程見(jiàn)表3。

表2 不同措施組合作用下的土地利用結(jié)構(gòu)層次及生產(chǎn)力

Table 2 The land use structure and productivity of different measures combination

項(xiàng)目決策變量變量單位生物產(chǎn)量牧草產(chǎn)量/(kg·hm-2)枝條產(chǎn)量/(kg·hm-2)單位面積產(chǎn)值/(元·hm-2)土壤侵蝕模數(shù)/(t·km-2·a-1)林草覆蓋率/%坡面治理模式(5°～15°)灌木+種草X1hm212751050405117085坡面治理模式(15°～25°)截水溝+灌木帶X2hm21050450330123082坡面治理模式(3°～5°)補(bǔ)播種草X3hm216500330112080人工草地X4hm23750075089095天然草地X5hm26300120350060溝道谷坊+灌木林X6hm2045045250040其它圍封草地X7hm2750150150050載畜量X8(羊單位/hm2)說(shuō)明 1．生物產(chǎn)量為試驗(yàn)調(diào)查和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)結(jié)合，以低投入水平計(jì)得，以留有余地2．產(chǎn)值以2014年價(jià)計(jì)算，以便如實(shí)反映實(shí)際情況3．土壤侵蝕量根據(jù)試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)資料及當(dāng)?shù)厮２块T(mén)觀測(cè)資料計(jì)算，并取平均數(shù)4．林草覆蓋度以植被生長(zhǎng)旺季調(diào)查觀測(cè)值計(jì)取

表3 小流域綜合治理優(yōu)化模型方程

2.2.2 模型最優(yōu)解及應(yīng)用分析 以上模型運(yùn)用線性規(guī)劃LINGO9.0軟件計(jì)算，求最優(yōu)解以及數(shù)學(xué)模式變量的優(yōu)化解[20]，得出不同措施組合作用下的土地利用最佳比例和優(yōu)化方案及效益最優(yōu)解(表4，5)。

表4 不同措施組合作用下的土地利用最優(yōu)解

表5 優(yōu)化模式經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益最優(yōu)解

在最優(yōu)化模式中，圍欄封育仍是主要措施之一，面積占比達(dá)33%，在灌木+種草治理模式面積占比70%，其余可用封育措施，坡度為15°～25°的坡面治理中，在截水溝+灌木帶治理模式面積占比65%，其余可用封育措施，在緩坡地帶天然草地、人工草地、補(bǔ)播種草措施比例宜為1∶0.4∶0.3。

在最優(yōu)模式中，措施實(shí)施到位后，單位載畜量將由目前的0.89提高到1.4，年產(chǎn)值將由162.5元/hm2提高到282元/hm2，生態(tài)環(huán)境將有明顯改善，土壤侵蝕模數(shù)下降至每年2 032 t/km2。

2.2.3 綜合治理優(yōu)化模式 根據(jù)典型小流域水土流失綜合治理的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化解，在調(diào)查分析項(xiàng)目區(qū)地形地貌特征、水土流失特點(diǎn)以及主要影響因素的基礎(chǔ)上，從生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面綜合考慮，從流域坡頂?shù)綔系着渲昧植菖c工程相結(jié)合的技術(shù)措施，形成丘陵草原區(qū)小流域水土流失綜合防治的立體結(jié)構(gòu)優(yōu)化模式，由坡面梯化治理模式+溝道治理模式構(gòu)成(圖1)。

圖1 丘陵草原區(qū)小流域水土流失綜合治理模式Fig.1 The structure of the soil and water loss comprehensive control modelin the hilly grassland small watershed

①坡面梯化治理模式

丘陵區(qū)小流域的治理重點(diǎn)是坡面梯層化治理[19]，緩坡治理模式(坡度3°～5°)采用天然草地+人工草地+改良草地措施，措施配置比例1∶0.4∶0.3；中坡治理模式(5°～15°)采用林草措施配置模式(檸條+苜蓿)+封育措施，措施配置比例1∶0.4；陡坡治理模式(15°～25°)采用林草+工程措施配置模式(截水溝+檸條帶)，措施配置比例1∶0.5，結(jié)合封育措施(表6)。

②溝道治理模式

溝道治理模式采用谷坊+灌木林。通過(guò)溝道防護(hù)體系和坡面防護(hù)體系相互補(bǔ)充，形成層層攔蓄的立體防護(hù)模式，達(dá)到林草措施與工程措施的有機(jī)結(jié)合。植被是地表最基本，也是最有效的保護(hù)層，可以恢復(fù)其保護(hù)地表土壤不受侵蝕的功能，治理模式通過(guò)快速恢復(fù)植被，提高林草覆蓋率，改善土壤理化性狀，達(dá)到控制水土流失改善生態(tài)的效果(表6)。

表6 丘陵草原區(qū)小流域綜合治理優(yōu)化模式

Table 6 Composition of the soil and water loss comprehensive control model in the hilly grassland small watershed

模式關(guān)鍵措施組合及配置比例措施組合配置比例治理區(qū)域丘陵草原區(qū)小流域綜合治理優(yōu)化模式坡面梯化治理模式天然草地+人工草地+改良草地1∶0．4∶0．3坡度3°～5°的緩坡林草措施(檸條+苜蓿)+封育1∶0．4坡度5°～15°的中坡林草+工程措施(截水溝+檸條帶)1∶0．5坡度15°～25°的中坡溝道治理模式谷坊+灌木林支溝

3 討論

草地小流域由于區(qū)域自然及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的差異，各治理區(qū)即使在同一區(qū)域內(nèi)所面臨的問(wèn)題有相同的，也有其特殊的一面，因而，不同類型區(qū)所提出的治理模式也就不是唯一模式。研究在多年工作實(shí)踐和野外試驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過(guò)采用線性規(guī)劃方法，提出的小流域水土流失綜合治理優(yōu)化模式，還需在當(dāng)?shù)鼗蚴穷愃频貐^(qū)進(jìn)行大面積的示范、應(yīng)用、驗(yàn)證，不斷調(diào)整完善。

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)研究區(qū)現(xiàn)有水土保持技術(shù)措施及常用治理模式的分析研究，經(jīng)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，提出丘陵草原區(qū)小流域水土流失綜合治理優(yōu)化模式，由坡面梯化治理模式+溝道治理模式構(gòu)成。結(jié)果表明，在丘陵草原區(qū)小流域水土流失治理中，重點(diǎn)是坡面梯層化治理，緩坡(坡度3°～5°)采用天然草地+人工草地+改良草地措施配置模式，措施配置比例1∶0.4∶0.3；中坡(5°～15°)采用林草措施(檸條+苜蓿)+封育措施配置模式，措施配置比例1∶0.4；陡坡(15°～25°)采用林草+工程措施配置模式(截水溝+檸條帶)，措施配置比例1∶0.5。

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Study on comprehensive management model for controlling soil and water loss in small watershed of hilly grassland

LIU Yan-ping，RONG Hao，LIANG Zhan-qi

(DepartmentofWaterResourcesforPastoralAreasoftheMinistryofWaterResources,huhhot010020)

In order to explore the integrated management model for controlling soil-water erosion in small watershed of hilly grassland,the study selected the small watershed located in Xilin River reservoir as the studying area.Based on the former experimental results,we used linear programming method and then provided the optimized management pattern after optimizing the mathematical model based on the existed techniques and common management models of soil and water conservation.The optimized management pattern was composed of terraced slope control model and ditch control model.On the gentle slope (3～5°),the management pattern should be integrated by natural grassland,sown grassland,and improved grassland,the optimized allocation should be 1∶0.4∶0.3.On the middle slope (5～15°),the wood-grass integrated model (CaraganaKorshinskiiKom.+Medicagosativa.) with enclosure measures should be adopted,the optimized allocation should be 1∶0.4.On steep slope (15～25°),the engineering method with wood-grass integrated method (intercepting ditch + Caragana Korshinskii Kom.) should be adopted,the optimized allocation should be 1∶0.5.

hilly grassland areas;small watershed;soil and water loss;comprehensive control;model

2016-05-06；

2016-06-21

水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)(201301049)；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(20140713)資助

劉艷萍(1975-)，女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市人，高級(jí)工程師，主要從事草地水土保持生態(tài)建設(shè)研究。 E-mail：mkslpy@126.com

S 157

A

1009-5500(2016)06-0039-06