懷萌萌

(安徽省阜陽(yáng)水文水資源局 安溜水文站,安徽 阜陽(yáng) 236000)

0 引 言

土壤侵蝕是指在外部力量的作用下,因土質(zhì)的分離、移動(dòng)或沉積而造成對(duì)土地的損害。這種過(guò)程通常受到水力、風(fēng)力、重力等多種外力的影響［1-2］。如水力可以將土壤中的養(yǎng)分和水分從土壤表面帶走;風(fēng)力可以將土壤中的養(yǎng)分和水分從地表帶走;重力可以將土壤中的養(yǎng)分和水分從地表帶走等破壞。當(dāng)前,土壤侵蝕仍是一個(gè)世界性的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,其形成和發(fā)生過(guò)程主要是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果［3］,包括土壤、降雨、植被和土地利用方式等。這些因素會(huì)影響土壤的侵蝕過(guò)程,從而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)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(huán);降雨則是土壤侵蝕的重要誘因,它會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu)、強(qiáng)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(huì)影響土壤侵蝕的發(fā)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(guò)合理土地利用,可以有效抑制水土流失的發(fā)生和發(fā)展。如在山區(qū)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(dòng)也會(huì)加劇土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展［4］。

因此,本文基于中國(guó)土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation, CSLE),對(duì)亳州市的土壤侵蝕進(jìn)行估算評(píng)價(jià),并提出相應(yīng)的水土流失防治工程施工方法。研究旨在對(duì)亳州市水土保持工程的實(shí)施情況進(jìn)行評(píng)估,并分析社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益,為亳州市更好地開(kāi)展水土流失綜合治理工作積累經(jīng)驗(yàn)。

1 基于區(qū)域土壤侵蝕狀況評(píng)價(jià)的水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)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(yáng)縣、蒙城縣、利辛縣和譙城區(qū),地處淮河水系與長(zhǎng)江水系的分水嶺。境內(nèi)地貌復(fù)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(shì)較低,水分充足,有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)和灌溉,形成歷史悠久的農(nóng)業(yè)地區(qū)。

亳州市地處亞熱帶和暖溫帶的過(guò)渡地帶,屬半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,有明顯的過(guò)渡性特征。其特點(diǎn)是太陽(yáng)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(shí)數(shù)2336.8h。全市年平均降水量599.1mm。全年無(wú)霜期約243d,年平均風(fēng)速2.7m/s。

根據(jù)2021年水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(yán)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(qiáng)烈流失面積0.11 km2,占2.59%;無(wú)極強(qiáng)烈和劇烈流失面積,占0.17%。因此,亳州市是土壤侵蝕嚴(yán)重的市區(qū)之一,侵蝕治理任務(wù)依然艱巨,尤其是在小流域、山區(qū)等區(qū)域,土壤侵蝕問(wèn)題更加嚴(yán)重。

本次研究項(xiàng)目區(qū)域的地貌類型屬于江淮波狀平原區(qū),氣候類型屬亞熱帶與暖帶的過(guò)渡地帶。根據(jù)亳州氣象站1960-2019年資料統(tǒng)計(jì),項(xiàng)目區(qū)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(nèi)分布不均勻。最大凍土深度11cm,無(wú)霜期209d。植被類型屬暖溫帶落葉闊葉林帶,現(xiàn)狀林草覆蓋率約20%。項(xiàng)目區(qū)土壤類型主要以黃棕壤為主,屬微度侵蝕區(qū),以水力侵蝕為主,允許土壤流失量200t/km2·a,現(xiàn)狀土壤侵蝕模數(shù)背景值約150t/km2·a。

1.2 基于CSLE模型的區(qū)域土壤侵蝕評(píng)價(jià)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(qū)域土地植被覆蓋度是評(píng)價(jià)水土流失的關(guān)鍵。谷歌地球引擎項(xiàng)目(Google Earth Engine, GEE)是專門(mén)處理衛(wèi)星圖像和其他地球觀測(cè)數(shù)據(jù)云端運(yùn)算平臺(tái),可進(jìn)行精確地圖繪制,分析地表特征,統(tǒng)計(jì)空間分布［6］。GEE結(jié)合Landsat與MODIS分辨率的特點(diǎn),能夠確保計(jì)算所需的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)不受外界環(huán)境因素的影響,并將研究的植被覆蓋度時(shí)間窗口壓縮至15d［7］。通過(guò)植被指數(shù)結(jié)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(jiān)測(cè)植被覆蓋度。該方法既可以利用衛(wèi)星傳感器獲取的遙感數(shù)據(jù),也可以通過(guò)地面調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從而得到準(zhǔn)確結(jié)果。植被覆蓋度的計(jì)算公式如下:

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

(1)

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

NDVImax與NDVImin的取值是像元二分模型的關(guān)鍵基礎(chǔ)。為了獲取土壤侵蝕模數(shù),利用 ArcGIS軟件,對(duì)各土壤侵蝕計(jì)算因子進(jìn)行柵格疊加運(yùn)算,包括坡度、坡向、地形起伏度、植被覆蓋度等因素。然后,根據(jù)計(jì)獲得的土壤侵蝕因子,分別計(jì)算不同柵格下的土壤侵蝕模數(shù),計(jì)算公式如下:

A=R×K×L×S×B×E×T

(2)

式中:A為土壤侵蝕模數(shù),t/hm2·a,是一種衡量土壤流失程度的指標(biāo);R為一個(gè)降雨侵蝕力因子,MJ·mm/(hm2·h·a),用于確定一段時(shí)間內(nèi)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(zhì)有關(guān);L、S分別為坡長(zhǎng)、坡度因子;B為植被覆蓋與生物措施因子,是指通過(guò)改變植被類型、種植植物、維護(hù)植被生長(zhǎng)環(huán)境等措施,以改善生態(tài)系統(tǒng)的功能;E、T分別為工程措施和耕作措施因子,二者均為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的兩種農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。

植被指數(shù)時(shí)空融合的具體流程見(jiàn)圖1。

圖1中,NDVI時(shí)空融合的步驟先將MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品與陸地衛(wèi)星植被指數(shù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,同時(shí)利用高分衛(wèi)星影響技術(shù)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(shù)為研究對(duì)象,建立不同類型的植被指數(shù)序列。根據(jù)式(3)逐像元計(jì)算方法,得到30m分辨率植被指數(shù)融合。公式如下:

(3)

式中:VM(ti)為該像元對(duì)應(yīng)的地類MODIS多年平均值序列是一組由不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)組成的;VT(tj)為該像元對(duì)應(yīng)的某時(shí)刻陸地衛(wèi)星植被指數(shù),即以遙感影像為基礎(chǔ),能夠反映出某一時(shí)刻陸地上植被的生長(zhǎng)狀況;共有n景,ω(ti,tj)為權(quán)重。

圖1 NDVI時(shí)空融合的基本步驟

最后,對(duì)30m分辨率植被指數(shù)融合結(jié)果進(jìn)行諧波平滑。

1.3 基于區(qū)域土壤侵蝕狀況評(píng)價(jià)的水土流失防治工程施工方法

通過(guò)區(qū)域土壤侵蝕評(píng)價(jià)方法對(duì)亳州市的土壤侵蝕狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估后,研究基于評(píng)估結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的水土措施方案設(shè)計(jì)。水土流失防治措施體系由主體工程設(shè)計(jì)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(shè)施相結(jié)合,共同構(gòu)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(xiàng)目的水土流失防治分區(qū)分為已建和在建工程區(qū)兩個(gè)防治分區(qū)。已建工程區(qū)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(cè)綠化。在建工程區(qū)中,工程措施與植物措施任務(wù)分別為土地整治、建筑周邊綠化;臨時(shí)措施為臨時(shí)苫蓋及臨時(shí)沉沙措施。見(jiàn)圖3。

圖3中,根據(jù)實(shí)際情況,考慮到臨時(shí)堆土堆放時(shí)間、施工成本、臨時(shí)堆土土質(zhì)等原因,臨時(shí)堆土區(qū)采取臨時(shí)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(xiàng)目區(qū)域的土地整治,就是要對(duì)工程用地上由于施工而造成的干擾進(jìn)行及時(shí)清理,并將地面上的垃圾清除掉,對(duì)工程用地上的坑洼進(jìn)行回填。平地主要采用功率74 kW的推土機(jī),較小面積區(qū)域可采用人工平地。

項(xiàng)目所用到的各類幼苗需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察,完成種苗所需的土基、綁扎、采苗等工序。在種植前,要對(duì)土壤進(jìn)行肥力、酸堿度等指標(biāo)的檢測(cè),指導(dǎo)土壤改良,確保作物正常生長(zhǎng)。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(lái),將土坑進(jìn)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(duì)取(棄)土(渣)場(chǎng)和建設(shè)道路綠化區(qū)進(jìn)行土壤翻松、碎土,再進(jìn)行細(xì)平處理,最終形成種植面。整地后,用灰泥人為標(biāo)出單個(gè)樹(shù)種的位置,并將各種樹(shù)種、喬木、有土球的灌木等以人工挖坑的形式栽植。根據(jù)樹(shù)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(jí)或更高等級(jí)的2年生幼苗,灌木選用2年生幼苗。

圖3 臨時(shí)堆土區(qū)水土流失治理措施

灌叢為穴種植,在種植過(guò)程中要采用“三填二踩一提”的種植技術(shù)。栽植深度一般以超過(guò)原根系5～10cm為準(zhǔn)。先按照事先確定的位置,在地面上畫(huà)出等位線。同時(shí),要用消毒過(guò)的土壤回填種植土,使其達(dá)到種植要求。并按照設(shè)計(jì)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(shí)以達(dá)到要求。定植時(shí),應(yīng)保持苗干直立、根系伸展、深度適宜。在回填到一半的時(shí)候,要將樹(shù)苗抬起來(lái),并將樹(shù)干壓緊,然后再覆蓋上綠色植物的土壤。

草坪可通過(guò)人工播種和種植兩種方式種植。撒播方法是將草籽按照設(shè)計(jì)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(duì)種植區(qū)域進(jìn)行噴灑水分,使其保持濕潤(rùn)。植物措施建植后,應(yīng)落實(shí)好林地的管理和撫育責(zé)任。

2 結(jié)果與分析

研究項(xiàng)目區(qū)內(nèi)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(cè)以及基于CSLE模型相結(jié)合的方法,對(duì)該項(xiàng)目區(qū)域的土壤侵蝕狀況進(jìn)行評(píng)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(jì)算出相應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)。見(jiàn)表1。

表1 基于CSLE模型的工程項(xiàng)目區(qū)域土壤侵蝕誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表1可知,利用研究模型測(cè)得的項(xiàng)目區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)與實(shí)際值的差距較小。在廠外道路區(qū)域測(cè)得的土壤侵蝕模數(shù)的相對(duì)誤差為2t/km2·a;在該工程區(qū)內(nèi),基于CSLE模型的預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差為72t/km2·a。結(jié)果表明,研究模型的性能較好,預(yù)測(cè)精度較高。見(jiàn)圖4。

圖4 施工前后研究項(xiàng)目區(qū)域不同植被覆蓋度的土壤侵蝕分布情況

通過(guò)對(duì)比圖4(a)與圖4(b)可知,施工后的項(xiàng)目區(qū)域不同植被覆蓋區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕量明顯較施工前小。在植被覆蓋度40%～60%的區(qū)域內(nèi),施工后的土壤侵蝕模數(shù)較施工前小1 275t/km2·a,侵蝕量減少約23×104t。結(jié)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(yù)測(cè)分析見(jiàn)圖5。

由圖5可知,項(xiàng)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(hù)率99.32%,表土保護(hù)率不作統(tǒng)計(jì),林草植被恢復(fù)率98.63%,林草覆蓋率12.80%。

至設(shè)計(jì)水平年末,工程建設(shè)區(qū)域的侵蝕模數(shù)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(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益3個(gè)方面進(jìn)行分析。對(duì)研究項(xiàng)目施工后進(jìn)行綜合效益評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 項(xiàng)目施工后水土保持綜合效益評(píng)價(jià)值

由圖6(a)可知,在經(jīng)過(guò)研究水土保持施工后,研究項(xiàng)目區(qū)域的水土保持經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)從0.252增長(zhǎng)至0.418,社會(huì)效益由0.24增長(zhǎng)至0.353,生態(tài)效益由0.298增長(zhǎng)至0.375,綜合效益由0.270增長(zhǎng)至0.386。

由圖6(b)可知,該項(xiàng)目區(qū)域的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益及綜合效益分別增長(zhǎng)32.01%、39.71%、20.50%、30.05%。

綜上所述,通過(guò)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(xiàng)目區(qū)域的生態(tài)功能和綜合效益,在一定程度上提高了效益社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益,表明只有各單項(xiàng)效益均處于良好水平才能保證綜合效益的提升。

3 結(jié) 論

針對(duì)亳州市某工程項(xiàng)目進(jìn)行水土流失防治,研究提出了基于區(qū)域土壤侵蝕狀況評(píng)價(jià)的水利工程規(guī)劃。利用CSLE模型對(duì)該項(xiàng)目區(qū)域的土壤侵蝕狀況進(jìn)行評(píng)估,并提出相應(yīng)的水土流失防治措施。結(jié)果表明,研究模型的土壤侵蝕模數(shù)預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差為72t/km2·a,具有較好的性能;該項(xiàng)目區(qū)域的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益以及綜合效益分別增長(zhǎng)32.01%、39.71%、20.50%、30.05%,表明研究措施可有效預(yù)防工程可能產(chǎn)生的水土流失,土壤侵蝕強(qiáng)度控制在容許值以內(nèi),而且能有效固結(jié)土壤、涵養(yǎng)水分、減少侵蝕量,改善生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)向良性態(tài)勢(shì)發(fā)展。