董亞維，曹雪峰

(黃河水利委員會(huì) 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021）

水土保持率是反映水土流失預(yù)防治理成效的綜合指標(biāo)[1-4］,已納入美麗中國(guó)建設(shè)的評(píng)估指標(biāo)體系。2021年,全國(guó)各省(區(qū))水行政主管部門(mén)根據(jù)水利部要求開(kāi)展了本轄區(qū)水土保持率遠(yuǎn)期目標(biāo)值的復(fù)核工作,水利部水土保持司會(huì)同黃河水利委員會(huì)研究確定了黃河流域九省(區(qū))水土保持率。目前,關(guān)于水土保持率的研究處于起步階段,已有成果多為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的實(shí)際計(jì)算成果,有關(guān)黃河中游重點(diǎn)支流水土保持率的研究鮮有報(bào)道。本文基于黃河中游多沙粗沙區(qū)重點(diǎn)支流皇甫川流域2006年和2011年水土保持遙感監(jiān)測(cè)成果、2019年度全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果(黃河中游多沙粗沙區(qū)部分),進(jìn)行皇甫川流域水土保持率動(dòng)態(tài)變化情況分析及閾值預(yù)測(cè),以期為其他支流水土保持率閾值的確定及黃河流域水土流失精準(zhǔn)治理等提供參考。

1 流域概況與研究方法

1.1 流域概況

皇甫川流域位于黃河中游黃土高原與鄂爾多斯高原的交接地帶,屬水蝕風(fēng)蝕過(guò)渡區(qū),發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗點(diǎn)畔溝,自西北流向東南,在陜西省府谷縣下川口村注入黃河,是黃河北干流北部的一級(jí)支流之一,干流長(zhǎng)137 km,流域面積3246 km2,涉及內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)拉特旗、準(zhǔn)格爾旗和陜西省府谷縣等3個(gè)縣(旗)。流域絕大部分區(qū)域?qū)冱S河中游粗泥沙集中來(lái)源區(qū)。流域內(nèi)降水年際和年內(nèi)變化較大,年降水量350～450 mm,6—9月降水量占全年的80%以上；降水量空間差異也較大,由東南向西北遞減。多年平均徑流量1.54億m3,多年平均輸沙量5050萬(wàn)t。流域內(nèi)植被類(lèi)型屬于典型的干旱草原植被。流域內(nèi)侵蝕類(lèi)型多樣,總體表現(xiàn)為以水力侵蝕為主,水力侵蝕、重力侵蝕和風(fēng)力侵蝕共同存在[5-8］?；矢Υ饔蛟邳S河流域水土流失分區(qū)中屬黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū),根據(jù)地形地貌特征、地表組成物質(zhì)、土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展規(guī)律等,可進(jìn)一步把皇甫川流域劃分為黃土丘陵區(qū)、蓋沙區(qū)、砒砂巖區(qū)3個(gè)水土流失亞區(qū)。

1.2 研究方法

水土保持率指區(qū)域內(nèi)水土保持狀況良好的面積(非水土流失面積)占區(qū)域國(guó)土面積的比例,分為水土保持率現(xiàn)狀值和水土保持率閾值(遠(yuǎn)期目標(biāo)值)。其中,水土保持率閾值是通過(guò)水土流失預(yù)防和治理,區(qū)域內(nèi)水土保持狀況良好的面積占區(qū)域國(guó)土面積比例的上限,其反映的是在符合自然規(guī)律并滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求的情況下水土流失預(yù)防和治理應(yīng)當(dāng)達(dá)到的程度。結(jié)合生態(tài)文明建設(shè)和美麗中國(guó)建設(shè)要求,依據(jù)水利部水土保持司對(duì)水土保持率復(fù)核的有關(guān)要求,確定本研究中的閾值年份為2050年、現(xiàn)狀基準(zhǔn)年為2019年。水土保持率現(xiàn)狀值和水土保持率閾值計(jì)算公式分別為水土保持率現(xiàn)狀值＝區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度在輕度

水土保持率現(xiàn)狀值計(jì)算的關(guān)鍵是確定土壤侵蝕強(qiáng)度在輕度以下的現(xiàn)狀國(guó)土面積,基于2006年、2011年、2019年水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果、《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)、中國(guó)土壤流失方程[9-11］,首先計(jì)算水土流失面積即輕度及以上各級(jí)強(qiáng)度土壤侵蝕面積,然后從區(qū)域國(guó)土面積中扣除水土流失面積,即可得到區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度在輕度以下的現(xiàn)狀國(guó)土面積。水土保持率閾值計(jì)算的關(guān)鍵是確定區(qū)域內(nèi)水土保持狀況良好面積的上限,參考曹文洪等[12］提出的方法,以現(xiàn)狀基準(zhǔn)年水土流失面積為基礎(chǔ),結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,首先確定遠(yuǎn)期目標(biāo)年不需要治理和不可完全治理的水土流失面積,然后從區(qū)域國(guó)土面積中扣除不需治理和不可完全治理的水土流失面積,即可得到區(qū)域內(nèi)水土保持狀況良好面積的上限。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

(1)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等。遙感影像數(shù)據(jù)方面,2006年和2011年信息源為采用DMC數(shù)字航攝儀拍攝的真彩色、彩紅外和黑白數(shù)碼航空影像,分辨率0.36 m；2019年信息源為分辨率為2 m的資源三號(hào)、高分一號(hào)衛(wèi)星影像和分辨率為250 m的MODIS數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)方面,2006年、2011年采用1∶1萬(wàn)數(shù)字高程模型(DEM)提取研究區(qū)坡度、坡長(zhǎng)信息,2019年采用1∶5萬(wàn)數(shù)字高程模型(DEM)提取研究區(qū)坡度、坡長(zhǎng)信息。

(2)水土流失面積數(shù)據(jù)。水土流失面積指輕度及以上各級(jí)強(qiáng)度土壤侵蝕面積之和。2006年、2011年土壤侵蝕模數(shù)的計(jì)算:依據(jù)DEM提取坡度專(zhuān)題數(shù)據(jù),結(jié)合土地利用、植被覆蓋度、《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》確定土壤侵蝕模數(shù)[7］。2019年土壤侵蝕模數(shù)的計(jì)算:基于土地利用、土壤類(lèi)型、地形、降雨、植被等因子,采用中國(guó)土壤流失方程[10］確定水力侵蝕區(qū)土壤侵蝕模數(shù)；根據(jù)遙感影像解譯獲取的土地利用類(lèi)型(耕地、灌草地、沙地等)選用對(duì)應(yīng)的風(fēng)力侵蝕模型,確定風(fēng)力侵蝕區(qū)土壤侵蝕模數(shù)。各單元土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算完成后,按照《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)各級(jí)強(qiáng)度土壤侵蝕面積進(jìn)行合并計(jì)算,得到研究區(qū)水土流失面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 水土流失動(dòng)態(tài)變化情況

皇甫川流域2006年、2011年、2019年3個(gè)年度水土流失監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、圖1。

圖1 不同年度各級(jí)土壤侵蝕分布情況

表1 不同年度各級(jí)土壤侵蝕面積統(tǒng)計(jì) km2

由表1可知,2006—2019年皇甫川流域水土流失(輕度及以上土壤侵蝕)面積呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),與2006年相比,2019年水土流失面積減少1180.01 km2,減幅達(dá)42.5%,表明13 a間水土流失治理和生態(tài)保護(hù)效果顯著。從各級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)來(lái)看,2006—2019年非水土流失面積大幅度增加,屬水土流失的5個(gè)侵蝕強(qiáng)度等級(jí)中,輕度、強(qiáng)烈面積增加,中度、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積明顯減少。結(jié)合不同年度土地利用、植被覆蓋度監(jiān)測(cè)結(jié)果等進(jìn)行各級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移分析表明,2019年增加的強(qiáng)烈土壤侵蝕面積由極強(qiáng)烈、劇烈土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移而來(lái)。

2.2 水土保持率現(xiàn)狀值及動(dòng)態(tài)變化

依據(jù)表2中不同年度輕度以下土壤侵蝕面積,計(jì)算的2006年、2011年、2019年水土保持率分別為14.39%、15.84%、50.74%,2006—2011年年均增長(zhǎng)0.29個(gè)百分點(diǎn),2011—2019年年均增長(zhǎng)4.36個(gè)百分點(diǎn),在13 a研究時(shí)段內(nèi)后8 a增長(zhǎng)速度高于前5 a的。

2.3 水土保持率閾值預(yù)測(cè)

綜合考慮水土流失現(xiàn)狀及治理難易程度、自然地理?xiàng)l件、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及其對(duì)水土保持生態(tài)建設(shè)的要求等,從地形地貌、土地利用和人類(lèi)活動(dòng)等土壤侵蝕的主要影響因素入手,分析確定現(xiàn)狀水土流失面積中哪些不需要治理、哪些不可完全治理,進(jìn)而研判流域內(nèi)遠(yuǎn)期可能長(zhǎng)期存在的水土流失面積、水土保持狀況良好面積的上限,進(jìn)而預(yù)測(cè)計(jì)算水土保持率閾值。

2.3.1 不需要治理的水土流失面積

不需要治理的水土流失區(qū)的研判規(guī)則:高寒、高海拔人口稀疏地區(qū),集中連片沙漠、戈壁及部分沙地,集中連片裸露基巖等現(xiàn)存水土流失區(qū)?；矢Υ饔蛱幱诿珵跛厣车嘏c黃土高原的過(guò)渡地區(qū),在風(fēng)力侵蝕區(qū)存在的集中連片沙地自然氣候環(huán)境惡劣,治理難度大、經(jīng)濟(jì)投入高、見(jiàn)效慢,因而對(duì)其水土流失治理主要是在毛烏素沙地周邊進(jìn)行適度治理以防止沙漠?dāng)U張和風(fēng)沙危害,可全部計(jì)入遠(yuǎn)期存在的水土流失面積。由2019年全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果可知,研究區(qū)集中連片沙地輕度以上侵蝕面積為2.61 km2,本研究將其計(jì)入遠(yuǎn)期存在的水土流失面積,即研究區(qū)不需要治理的水土流失面積為2.61 km2。

2.3.2 不可完全治理的水土流失面積

不可完全治理的水土流失區(qū)的研判規(guī)則:一是陡坡水力、重力混合侵蝕區(qū),一般分布在溝沿線以下溝坡；二是必要的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)造成的階段性人為水土流失區(qū)。

有關(guān)研究成果表明25°是陡坡地土壤侵蝕發(fā)生較大變化的臨界坡度,《中華人民共和國(guó)水土保持法》及《陜西省水土保持條例》均規(guī)定禁止在25°以上陡坡地開(kāi)墾種植農(nóng)作物,內(nèi)蒙古自治區(qū)將禁止開(kāi)墾的最小坡度限定為15°。這些禁墾陡坡地的水土流失防治以退耕還林還草、生態(tài)自我修復(fù)為主[13］,見(jiàn)效慢且不穩(wěn)定,可視為不能治理到輕度以下的水土流失?；谌珖?guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果分析可知,25°以上陡坡區(qū)域即使局部植被覆蓋度較高,也依然存在較嚴(yán)重的水土流失,發(fā)生水土流失的面積比例約為90%。采用皇甫川流域1∶1萬(wàn)DEM提取25°以上陡坡面積為1025.3 km2,占流域面積的31.59%。綜合考慮治理的難易程度[14］、混合侵蝕作用以及治理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性,將研究區(qū)25°以上發(fā)生水土流失的陡坡面積(占陡坡地總面積的90%)作為不可完全治理的水土流失面積,據(jù)此推算的不可完全治理的水土流失面積為922.77 km2。

根據(jù)2019年全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果,皇甫川流域人為水土流失地塊輕度及以上土壤侵蝕面積約為4.7 km2,即必要的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)造成4.7 km2水土流失面積。根據(jù)水利部加強(qiáng)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目“事中事后監(jiān)管”的相關(guān)要求,施工過(guò)程中臨時(shí)苫蓋、攔擋及建筑物地面硬化等可一定程度減少水土流失,暫認(rèn)為該年度4.7 km2的水土流失面積有30%進(jìn)行了治理且達(dá)標(biāo),即實(shí)施治理后仍有不可完全治理的水土流失面積3.29 km2。

綜上所述,皇甫川流域遠(yuǎn)期不可完全治理的水土流失面積為926.06 km2。

2.3.3 水土保持率閾值

綜上,皇甫川流域不需要治理的水土流失面積為2.61 km2、不可完全治理的水土流失面積為926.06 km2,將長(zhǎng)期存在的水土流失面積為928.67 km2,遠(yuǎn)期目標(biāo)年份(2050年)水土保持狀況良好的面積即非水土流失面積為2317.33 km2,對(duì)應(yīng)的水土保持率閾值為71.39%。為了實(shí)現(xiàn)水土保持遠(yuǎn)期目標(biāo),在現(xiàn)狀水土流失面積1598.98 km2的基礎(chǔ)上,還應(yīng)通過(guò)預(yù)防和治理再減少水土流失面積670.31 km2。

由《2019年中國(guó)水土保持公報(bào)》可知西北黃土高原區(qū)水土保持率現(xiàn)狀值為63.44%[1］,水利部研究提出的西北黃土高原區(qū)水土保持率遠(yuǎn)期目標(biāo)值為72.63%[12］。與之對(duì)比,皇甫川流域水土保持率閾值略低,考慮到流域內(nèi)分布的砒砂巖等水土流失嚴(yán)重且治理難度極大,認(rèn)為上述皇甫川流域水土保持率閾值71.39%基本合理且可以實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1)2006—2019年皇甫川流域水土流失面積和強(qiáng)度呈現(xiàn)“雙下降”趨勢(shì),水土流失面積減少1180.01 km2,由2006年的2778.99 km2減少到2019年的1598.98 km2,劇烈和極強(qiáng)烈土壤侵蝕面積明顯減少、輕度以下土壤侵蝕面積明顯增加。

(2)2006年、2011年、2019年水土保持率分別為14.39%、15.84%、50.74%,2050年水土保持率閾值為71.39%。

(3)皇甫川流域不需要治理的水土流失面積為2.61 km2,不可完全治理的水土流失面積為926.06 km2,遠(yuǎn)期將長(zhǎng)期存在的水土流失面積為928.67 km2,為了實(shí)現(xiàn)水土保持遠(yuǎn)期目標(biāo),還應(yīng)通過(guò)預(yù)防和治理再減少水土流失面積670.31 km2。

建議加強(qiáng)水土保持監(jiān)測(cè)工作,進(jìn)一步研究黃河中游水土流失嚴(yán)重地區(qū)各支流水土流失治理對(duì)黃河流域水土保持率的貢獻(xiàn),為黃河流域水土流失精準(zhǔn)治理、水土保持生態(tài)建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐。