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        區(qū)域水土流失面積與平均土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系探究

        2021-05-11 06:05:44李晶晶張建國賈利紅張亞琳
        中國水土保持 2021年5期

        李晶晶,張建國,賈利紅,張亞琳,焦 念

        (1.黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,陜西 西安710021;2.晉陜蒙接壤地區(qū)水土保持監(jiān)督局,陜西 榆林 719000;3.黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)臨潼分中心,陜西 西安 710600;4.黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局,甘肅 慶陽 745000)

        水沙關(guān)系調(diào)節(jié)是保障黃河長久安瀾的“牛鼻子”,是治黃工作的基礎(chǔ)。實(shí)踐證明,水土保持是近年來黃河泥沙量銳減的主要原因之一。水土保持措施的保土效益普遍通過“水保法”換算得到,即通過掌握的各項(xiàng)水土保持措施面積及各項(xiàng)措施產(chǎn)生的減水減沙效益定額換算出水土保持措施的保土效益[1-2]。獲取的保土效益結(jié)果的準(zhǔn)確性受制于水土保持措施的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和不同區(qū)域不同水土保持措施的蓄水保土效益定額的準(zhǔn)確性,給計(jì)算水土保持措施對(duì)減少入黃泥沙的貢獻(xiàn)帶來了一定的不確定性。

        依據(jù)《全國水土保持規(guī)劃(2015—2030年)》和《全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)劃(2018—2022年)》,自2018年開始,水利部組織開展了全國(未含香港、澳門特別行政區(qū)和臺(tái)灣省)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)了全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作“全覆蓋”[3]。黃河流域(片)國家級(jí)防治區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作是全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作的重要組成部分,自2018年開始已連續(xù)開展3年的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作,掌握了大量的監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù),特別是掌握了以縣級(jí)行政區(qū)為單元的土壤侵蝕模數(shù)和對(duì)應(yīng)的水土流失面積。

        本研究利用2020年度黃河流域(片)國家級(jí)防治區(qū)部分縣級(jí)行政區(qū)的縣域面積、各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積建立臨界土壤侵蝕模數(shù),擬合了臨界土壤侵蝕模數(shù)與平均土壤侵蝕模數(shù)之間的關(guān)系,通過建立的回歸關(guān)系,推算出不同區(qū)域的平均土壤侵蝕模數(shù),進(jìn)而計(jì)算該區(qū)域的土壤流失量,為水土保持措施保土效益的計(jì)算提供技術(shù)支撐,以期為進(jìn)一步探索水土保持措施對(duì)黃河水沙的調(diào)控機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持。

        1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

        1.1 區(qū)域介紹

        (1)回歸分析區(qū)域。本研究選取伏牛山中條山國家級(jí)水土流失治理區(qū)6個(gè)縣級(jí)行政區(qū)、黃河多沙粗沙國家級(jí)水土流失治理區(qū)15個(gè)縣級(jí)行政區(qū)、甘青寧黃土丘陵國家級(jí)水土流失治理區(qū)5個(gè)縣級(jí)行政區(qū)的2020年度監(jiān)測(cè)成果,涉及甘肅、寧夏、山西等3省區(qū)共26個(gè)縣級(jí)行政區(qū)。以上區(qū)域土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)均按照西北黃土高原區(qū)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行??h級(jí)行政區(qū)名錄見表1。

        表1 縣級(jí)行政區(qū)名錄

        (2)黃土高原多沙區(qū)。黃土高原多沙區(qū)為侵蝕模數(shù)≥5 000 t/(km2·a)的地區(qū),主要分布在黃河河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間和涇河、洛河中上游,以及青海、內(nèi)蒙古、河南沿黃部分地區(qū),總面積為21.2萬km2。該區(qū)域多年平均輸入黃河的泥沙量為14億t,占黃河總輸沙量的87.5%[4],是黃河泥沙的主要來源。根據(jù)水利部1992年11月上報(bào)國家計(jì)委的《黃河中游重點(diǎn)水土流失區(qū)治理工程可行性研究報(bào)告》《黃河多沙、粗沙嚴(yán)重流失區(qū)水土保持規(guī)劃》,以及第一次全國水土流失遙感普查數(shù)據(jù)(20世紀(jì)80年代水利部基于MSS遙感影像,利用遙感技術(shù),結(jié)合地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),開展了第一次全國水土流失遙感普查),結(jié)合行政區(qū)劃圖實(shí)際量算界定,在與地方水保部門多次溝通交流后確定。

        1.2 數(shù)據(jù)來源

        (1)回歸分析區(qū)域。數(shù)據(jù)來源于黃河流域(片)全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,依據(jù)《2020年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》的要求,基于2020年2 m分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行專題信息提取和野外調(diào)查,在水力侵蝕區(qū)利用中國土壤流失方程(CSLE模型),在風(fēng)力侵蝕區(qū)利用風(fēng)力侵蝕模型[耕地、草(灌)地、沙地(漠)風(fēng)力侵蝕模型]計(jì)算土壤侵蝕模數(shù),按照《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)[5]判定土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí),獲取水土流失狀況。

        (2)黃土高原多沙區(qū)。該區(qū)年度監(jiān)測(cè)成果涉及1990、1999、2019年。其中:2019年土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,主要是基于2 m分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行專題信息提取和野外調(diào)查,在水力侵蝕區(qū)利用中國土壤流失方程(CSLE模型)[七因子,《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)],在風(fēng)力侵蝕區(qū)利用風(fēng)力侵蝕模型[耕地、草(灌)地、沙地(漠)風(fēng)力侵蝕模型]計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)。1999年土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于黃河流域水土保持遙感普查,以分辨率30 m的TM衛(wèi)星影像為主要信息源,以1∶10萬地形圖和1∶25萬數(shù)字化地圖為基本工作底圖,結(jié)合野外調(diào)查、典型樣方調(diào)查,采用三因子[《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—96)]方法計(jì)算水土流失狀況。1990年土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于第一次全國水土流失遙感普查數(shù)據(jù),在土壤侵蝕矢量圖上,通過空間分析確定土壤侵蝕數(shù)據(jù)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 水土流失面積、縣域面積與平均土壤侵蝕模數(shù)

        基于各縣級(jí)行政區(qū)縣域面積、各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積,定義臨界土壤侵蝕模數(shù)(A),計(jì)算公式為

        (1)

        式中:A為臨界土壤侵蝕模數(shù),t/(km2·a);Si為各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的面積,km2,i=1,2,3,4,5,分別對(duì)應(yīng)輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕;Qi為各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的侵蝕模數(shù)值,t/(km2·a),分別對(duì)應(yīng)1 616.36、3 702.16、6 310.03、9 915.59、20 626.23 t/(km2·a),取值依據(jù)為西北黃土高原區(qū)中41個(gè)縣級(jí)行政區(qū)各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的平均侵蝕模數(shù)的均值;C為縣域面積,km2,采用2018年3月民政部公布數(shù)據(jù)。

        根據(jù)各縣級(jí)行政區(qū)2020年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果及2018年縣域面積數(shù)據(jù),計(jì)算獲得了各縣級(jí)行政區(qū)的臨界土壤侵蝕模數(shù),建立各縣級(jí)行政區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)和臨界土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系,如圖1所示??梢钥闯?,平均土壤侵蝕模數(shù)與臨界土壤侵蝕模數(shù)(A)之間存在很好的線性關(guān)系,擬合公式為y=1.097 1A+138.42(R2=0.960 9)。

        圖1 各縣級(jí)行政區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)與臨界土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系

        總體來看,回歸分析區(qū)域各縣級(jí)行政區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)與臨界土壤侵蝕模數(shù)之間線性關(guān)系較好,主要是在定義臨界土壤侵蝕模數(shù)的計(jì)算方法時(shí)考慮了以下兩個(gè)方面:一是考慮了各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)對(duì)土壤侵蝕模數(shù)的貢獻(xiàn)率不一,取41個(gè)縣級(jí)行政區(qū)各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的平均侵蝕模數(shù)的均值;另一個(gè)是考慮了不同縣級(jí)行政區(qū)的縣域面積,因?yàn)槠骄寥狼治g模數(shù)是根據(jù)每個(gè)柵格土壤侵蝕模數(shù)值累加后除以縣域圖幅面積得來的。綜上,本研究建立的平均土壤侵蝕模數(shù)與臨界土壤侵蝕模數(shù)的線性關(guān)系是合理可信的。值得注意的是,微度侵蝕對(duì)應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)存在有土壤侵蝕模數(shù)和無土壤侵蝕模數(shù)兩種情況,而公式(1)中沒有考慮微度侵蝕對(duì)土壤侵蝕模數(shù)的貢獻(xiàn)。

        2.2 黃土高原多沙區(qū)土壤流失量

        黃土高原多沙區(qū)不同時(shí)期水土流失面積如表2所示。可以看出水土流失面積和極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積均呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì),水土流失面積由1990年的19.31萬km2,降至2019年的9.23萬km2,減幅52.20%,年均減少水土流失面積0.35萬km2,其中劇烈侵蝕面積減少4.15萬km2,減幅達(dá)96.74%。

        表2 黃土高原多沙區(qū)不同時(shí)期水土流失面積統(tǒng)計(jì)

        根據(jù)黃土高原多沙區(qū)區(qū)域總面積及各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積計(jì)算臨界土壤侵蝕模數(shù),結(jié)合平均土壤侵蝕模數(shù)與臨界土壤侵蝕模數(shù)的擬合關(guān)系,推算出黃土高原多沙區(qū)1990、1999、2019年的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為8 900.97、6 572.14、1 957.89 t/(km2·a),土壤流失量分別為18.87億、13.93億、4.15億t。經(jīng)測(cè)算,1990—2019年黃土高原多沙區(qū)累積保土量為213.44億t。

        3 結(jié) 論

        (1)根據(jù)各縣級(jí)行政區(qū)縣域面積、水土流失面積及各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積計(jì)算得到的臨界土壤侵蝕模數(shù)與平均土壤侵蝕模數(shù)之間存在較好的線性關(guān)系,即y=1.097 1A+138.42。

        (2)黃土高原多沙區(qū)1990、1999、2019年的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為8 900.97、6 572.14、1 957.89 t/(km2·a)。1990—2019年黃土高原多沙區(qū)累積保土量為213.44億t。

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