两江新区中嘴河流域开发过程水土流失分析

曹安康，王志芳，龚 钊

(1.北京大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055； 2.北京大学 建筑与景观设计学院，北京 100080；3.北京市规划委员会，北京 100045)

两江新区中嘴河流域开发过程水土流失分析

曹安康1，王志芳2，龚 钊3

(1.北京大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055； 2.北京大学 建筑与景观设计学院，北京 100080；3.北京市规划委员会，北京 100045)

城市水保；新区开发；水土流失；中嘴河流域

以重庆市两江新区中嘴河流域为例，通过实地调研，借助GIS技术、ERDAS平台等，定量分析了城市新区不同开发阶段地块的土壤流失量，并据此提出城市水土保持建议。研究表明：城市开发过程中不同阶段水土流失问题的严重性排序为土地平整阶段>主体施工阶段>未开发阶段>建设完成阶段；开发建设导致土壤侵蚀模数、土壤流失量、侵蚀强度比例发生明显变化；土地平整阶段地块的剧烈侵蚀面积仅次于微度侵蚀，但其产生的土壤流失量最大。

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一[1]。严重的水土流失不仅会造成水资源污染、河流湖库淤积、洪涝灾害加重，而且是城市发展的重要限制性因素之一，容易造成城市雨季内涝、生态环境破坏等。随着经济的快速发展，我国城市化进程不断加快，许多地方新区建设项目陆续上马。在开发过程中，大量基础设施建设往往会严重扰动地表，产生大量水土流失，并且主要集中在施工阶段[2]。采取合理的土壤流失量预测方法开展项目建设全过程的水土流失监测[3-4]，是城市水土流失防治的基础。Cheng等通过研究项目建设对水环境的影响与项目的经济投入产出关系发现，对水环境影响大的项目经济性就差[5]；Gangolells等在对建设过程分析的基础上，提出系统化的措施，在前期建设施工阶段处理对环境潜在的不良影响[6]。为了监测新区开发建设过程对水土流失的空间分布造成的影响和不同建设阶段的水土流失特征，本研究以重庆市两江新区中嘴河流域为例，基于实地调研、GIS技术、ERDAS模拟等，定量分析开发建设项目不同建设阶段的土壤流失量，并分析其原因，提出针对城市新区不同开发建设阶段的水土保持建议。

1 研究区概况

中嘴河流域地处重庆市城区西北，位于114°22′～114°27′E、30°19′～30°21′N，隶属重庆市渝北区。2010年6月作为内地第一个国家级开发开放新区，重庆两江新区成立，范围涵盖江北、北碚、渝北的部分区域，中嘴河流域就处于两江新区内。该流域为典型丘陵地貌，高差起伏大，总体东南高、西北低；属东亚副热带季风区，在西南、东南季风的共同作用下降雨充沛，年均降水量1 100 mm左右，但降雨时空分布不均；开发前，流域内地形坡度15%～30%，部分陡坡坡度在60%左右，地表以自然灌丛覆盖为主，零散分布有部分乔木，部分土地为原住民自耕地；主要河流中嘴河是雨水补给型河流，流域内基本无客水入境，地表水自然排向中嘴河，最后汇入嘉陵江。

2 研究方法

采用USLE/RUSLE模型[7]，基于GIS、ERDAS平台分析中嘴河流域在两江新区开发过程中的土壤流失量及其空间分布，提取处于不同建设阶段地块的土壤流失量。为方便数据对比，选用同一时间节点(2012年8月)处于不同建设阶段的多个建设项目的土壤流失量数据，来反映新区开发造成的水土流失情况。

2.1 USLE方程及因子值的确定

基于美国USLE/RUSLE方程的基本公式，根据我国实际情况进行调整，确定其中各因子的算法[7-8]。模型表达式为

A=RKLSCP

(1)

式中：A为年均土壤流失量，t/(hm2·a)；R为降雨和径流侵蚀因子，MJ·mm/(hm2·h)；K为土壤可蚀性因子，t·h/(MJ·mm)；L、S为地形因子，其中L为坡长因子、S为坡度因子；C为植被与经营管理因子；P为治理措施因子。

(1)R因子和K因子。基于地域接近的原则，根据王万忠等[8]的研究成果，选用重庆涪陵站R因子值326.4 MJ·mm/(hm2·h)作为该流域R因子计算值。流域内土壤类型以紫色土和水稻为主，依据文献[9]取紫色土K值为0.37；采用Williams等在建立EPIC模型中使用的方法，利用土壤有机质含量和颗粒组成资料进行估算[9]，得到水稻土K值为0.22。

(2)L、S因子。L因子的计算采用Wischmeier、Foster和McCool提出的系列公式[10]，即

L=(λ/22.13)m

(2)

式中：L为坡长因子；m为坡长指数；λ为坡长，m。

通过室内人工模拟和野外径流小区观测收集的资料进行多元线性回归分析得到S因子的计算公式[11]为

S=90.49sin 2θ+3.57sinθ+0.028

(3)

式中：S为坡度因子；θ为坡度，(°)。

(3)C、P因子。C、P因子是水土流失抑制因子，前者代表实际的植被和经营管理状态下的土壤流失量与裸露连续闲地的比值，后者代表采用专门措施后的土壤流失量与坡耕地的比值[9]，两者都受土地利用类型影响。参考相关研究成果[7, 9]，确定流域内不同土地利用类型的C、P因子取值见表1。

表1 不同土地利用/覆被条件下的C、P值

2.2 水土流失状况分析

(1)土壤流失量及其空间分布。利用研究区TM遥感影像和数字高程模型(DEM)、土壤类型分布图和土地利用现状图，运用ArcGIS的空间数据管理和分析功能，通过地图代数(Map Algebra)功能计算得到USLE公式中各因子栅格数据分布图，对所有因子进行连乘的栅格计算，再乘以量纲转换系数224.2，得出我国常用单位为t/(km2·a)的土壤流失量栅格数据[7]，根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)对中嘴河流域各用地土壤侵蚀程度进行分级，平均土壤侵蚀模数为2 167.67 t/(km2·a)，土壤侵蚀强度分布见图1，与蔡崇法、史志华、袁克勤等在类似区域的研究结果[7, 9, 12]相比均在可比较的范围内或为同样的数量级。

(2)不同开发建设阶段的水土流失分析。以2012年8月为时间节点，分析两江新区中嘴河流域开发建设过程中的水土流失特征。根据两江新区总体规划和流域控制性规划，在2012年8月时间节点上流域内共有105个主要建设地块。根据实地调研和卫星影像分析，其中54个地块处于未开发阶段、30个地块处于土地平整阶段、14个地块处于主体工程施工阶段、7个地块处于建设完成阶段。计算流域内的土壤流失量及其空间分布，对比不同开发建设阶段地块的土壤流失量及侵蚀强度，以反映流域不同开发建设阶段的水土流失情况。

图1 中嘴河流域土壤侵蚀强度分布

3 结果分析

3.1 土壤流失量及其空间分布

2012年8月中嘴河流域土壤流失数据统计结果见表2。其中，剧烈侵蚀面积占土地总面积的9.56%，高于除微度外的其他侵蚀强度所占比例，剧烈侵蚀土壤流失量占流域土壤流失量的75.01%，远高于其他侵蚀强度区域，可见流域内土壤流失量主要来自剧烈侵蚀区域。该流域土壤侵蚀模数为2 167.67 t/(km2·a)，远大于西南土石山区土壤允许流失模数500 t/(km2·a)，说明新区开发过程中产生的水土流失十分严重。

表2 中嘴河流域土壤流失面积和流失量

3.2 不同开发阶段土壤流失量

2012年8月不同开发建设阶段地块的土壤流失数据见表3。由表3知，中嘴河流域不同开发建设阶段地块土壤侵蚀模数排序为土地平整阶段>主体工程施工阶段>未开发阶段>建设完成阶段，其中土地平整阶段和未开发阶段的土壤侵蚀模数较大，通过ANOVA检验，不同开发建设阶段地块平均土壤侵蚀模数之间有显著差异性。

不同开发建设阶段地块的土壤流失量和土壤侵蚀强度分布见表3、4。开发建设导致土壤侵蚀模数、土壤流失量、侵蚀强度分布发生明显变化：土地平整阶段，土壤侵蚀模数迅速增加，尤其是剧烈侵蚀面积占侵蚀总面积的比例明显上升；在主体施工阶段，部分区域地表硬化，但项目区遭施工破坏的植被还没有得到恢复，剧烈侵蚀面积比例仍较高；在建设完成阶段，除建筑物、道路等地表硬化面积外，周围非建设用地植被得以恢复，土壤侵蚀模数明显下降，明显低于开发建设前，轻度及以上侵蚀面积比例均减少。在开发建设过程中，土壤侵蚀模数先增加后减少，说明流域开发建设导致的水土流失的严重程度是阶段性的，并且主要发生在土地平整和主体施工阶段。作为面源污染的主要来源，特别是在山地城市，开发过程中急剧增加的水土流失会对水环境带来严重影响。此外，中嘴河流域还具有基础水土流失面积和流失量较大的特点，这需要引起新区开发建设部门的高度重视，避免走先破坏后治理的老路。

表3 不同开发建设阶段地块土壤流失量

表4 不同开发建设阶段地块土壤侵蚀强度分布 %

土地平整阶段地块土壤流失最为严重(表5)。该阶段地块剧烈侵蚀面积仅次于微度侵蚀，占土壤流失总面积的18.66%，但其产生的土壤流失量最大，占土壤流失总量的88.30%。中嘴河流域正处于两江新区和北部新区建设大背景下，属于城市化过程中集中的城市增量土地开发建设阶段。大面积区域正在进行土地平整，景观变化表现为原来的坡地被整理成适合建设的台地，自然植被被铲平，坑塘被填埋，原居民自建的房屋、构筑物和自耕地转变为城市建设用地，土地利用类型的调整会导致下垫面条件的剧烈变化，在降雨和工程活动的影响下产生水土流失。

表5 中嘴河流域土地平整阶段地块土壤流失统计

3.3 城市新区开发水土保持建议

通过分析中嘴河流域两江新区开发过程中不同建设阶段的水土流失特征，建议：一方面在新区开发过程中土地平整阶段水土流失量陡增，因此应尽可能缩短土地平整阶段和加强土地平整环节的水土保持措施。我国的一、二级开发建设过程中，土地平整后至开始施工建设之间存在较长的土壤裸露“窗口期”，建议相关部门调整土地出让程序，加强土地“窗口期”水土资源保护，有效减少开发过程中的水土流失。在土地平整阶段尽量保留场地原有自然植被，特别是规划为绿地的区域，这样不仅可以有效控制建设过程中的水土流失，而且可以作为开发期间的生态缓冲区。此外，对于未开发阶段和主体施工阶段的水土流失问题，应加强未开发区域的环境保护，对于施工阶段地块应先进行基础设施建设，以降低土壤侵蚀强度。另一方面，对比各阶段土壤流失量可以看出，绝大多数是来自剧烈侵蚀区域。通过实地调研中嘴河流域开发过程中各阶段的景观特征，发现不同建设阶段的剧烈侵蚀区域有所不同：未开发区域主要是耕地，土地平整区域主要是平整后的裸露土地，主体工程施工区域主要是设计为绿地但还未进行绿化的区域。要加强不同开发阶段剧烈侵蚀区域的重点防护工作，例如在土地平整和施工建设环节应考虑地块的用地性质，尽量保留原有植被，或者在土地平整后和施工建设期间对裸露区域进行必要的临时防护，比如铺设防沙防尘网、生物毯等。

4 结 语

我国城市新区建设方兴未艾。新区建设用地大部分属于增量土地，大量的自然地和农用地转变为城市建设用地，尤其是一个流域的集中开发往往意味着原有自然生态系统的毁灭，建设过程中会产生严重的水土流失，因此基于不同开发阶段的水土流失分析是城市水土保持工作的重要前提。城市水土保持是一个复杂的系统工程，随着多学科研究成果的交叉和引入，未来对新区开发中水土流失的治理还需要进行更深入的研究。

[1] 陈雷.中国的水土保持[J].中国水土保持,2002(7):8-10.

[2] 桂烈勇.房地产开发项目环境影响评价有关问题探讨——以住宅小区建设项目为例[J].环境科学与管理, 2006,31(3):189-192.

[3] 唐学文,孔德树,唐继斗,等.开发建设项目水土保持监测指标与方法体系探讨[J].中国水土保持, 2006(6):46-48.

[4] 李智广,曾大林.开发建设项目土壤流失量预测方法初探[J].中国水土保持,2001(4):27-29.

[5] Cheng E W L, Chang Y H, Tang B S. Exploring the economic impact of construction pollution by disaggregating the construction sector of the input-output table[J]. Building and Environment, 2006,41(12):1940-1951.

[6] Gangolells M, Casals M, Gassó S, et al. A methodology for predicting the severity of environmental impacts related to the construction process of residential buildings[J]. Building and Environment, 2009,44(3):558-571.

[7] 蔡崇法,丁树文,史志华,等.应用USLE模型与地理信息系统IDRISI预测小流域土壤侵蚀量的研究[J].水土保持学报,2000,14(2):19-24.

[8] 王万忠,焦菊英.中国的土壤侵蚀因子定量评价研究[J].水土保持通报,1996(5):1-20.

[9] 史志华.基于GIS和RS的小流域景观格局变化及其土壤侵蚀响应[D].武汉:华中农业大学, 2004:94-96.

[10] 孔亚平,张科利,曹龙熹.土壤侵蚀研究中的坡长因子评价问题[J].水土保持研究, 2008,15(4):43-47.

[11] 倪九派,魏朝富,谢德体.基于GIS的小流域养分流失预测[J].土壤学报,2004,41(6):837-844.

[12] 袁克勤.基于GIS岩溶山地小流域土壤侵蚀量计算[D].重庆：西南大学,2009:29-30.

(责任编辑 李杨杨)

受水体污染控制与治理科技重大专项“重庆两江新区城市水系统构建技术研究与示范”(2012ZX07307001-03)资助

S157.1

A

1000-0941(2015)10-0012-04

曹安康(1991—)，男，山西临汾市人，硕士研究生，主要从事景观规划设计方面的研究。

2015-02-01