生态建设对骆驼山小流域泥沙连通性的影响研究

计红燕

(桓仁县水务移民服务中心，辽宁 本溪 117200)

1 流域概况

骆驼山小流域位于水土流失比较严重的辽西地区朝阳市双塔区长宝乡境内，距离朝阳市区约15km，主沟长10.2km，沟道平均比降为2.7%，流域不对称系数为41.6%，流域总面积14.08km2。流域内分布着9个自然村屯，共229户，824人[1]。研究区属于中温带大陆性季风气候，多年平均气温6.8℃，极端最高气温42.5℃，极端最低气温-46.7℃。研究区属于辽西半干旱地区，多年平均降水量为512mm，且年内和年际分布极不均匀。由于研究区内汛期多短时强降雨，受地质、地形条件以及暴雨冲刷作用的影响，流域内地貌支离破碎，沟壑纵横，水土流失十分严重。因此从20世纪末21世纪初开始实施了生态景观清洁型小流域治理工作，并取得了显著的生态环境效益。

2 小流域泥沙连通性的研究模型

2.1 研究方法的选择

近年来，流域连通性成为广大学者重点关注和研究的对象[2]，在水土流失研究领域发挥了十分重要的作用。当然，在小流域尺度下，地表的泥沙路径描述涉及的因素众多[3]。例如，流域内的不同土地利用方式会造成水文过程的差异性，进而影响到流域内的泥沙连通[4]。关于泥沙连通性评估，Borselli等提出的径流泥沙连通指数(IC)被广大学者广泛认可，并经过诸多小流域的实践研究，结果显示对径流泥沙连通具有良好的识别效果[5]。因此，本文选择径流泥沙连通指数(IC)作为研究方法，对不同生态建设情景下的骆驼山小流域泥沙连通的影响进行分析和评价。

径流泥沙连通性指数(IC)是通过对研究区的地形指数的计算[6]，进而表示小流域内不同区域的潜在流通性，其计算公式为：

(1)

2.2 计算模型的建立

根据式(1)，在IC计算过程中需要的数据有研究区的坡度因子、贡献源区面积、径流长度以及权重因子[7]。其中，除了权重因子之外的其他参数均可以通过DME模型获取。

权重因子决定了向下游输送泥沙的效率，会对流域或坡面内径流泥沙的输送过程造成显著影响，可以使用地表糙度、植被覆盖以及土壤的可蚀性等控制流速和泥沙输移的指标表示[8]。当然，无论采用何种指标表示权重因子，均应考虑植被、土壤以及土地利用等影响因素[9]。一般来说，农业用地为主要的土地利用方式时，可以采用USLE-RUSLE方程中的植被管理措施因子(C)表征[10]。鉴于本次研究的骆驼山小流域进行了二十多年的生态建设，流域内的植被覆盖率有了十分明显的提高。因此研究中采用USLE-RUSLE通用土壤流失方程中的植被管理措施因子(C)以及水土保持措施因子(P)共同作为IC计算中的权重因子[11]。

植被管理措施因子(C)以及水土保持因子(P)均为值域为[0，1]的无量纲参数[12]。本次研究中结合研究区的土地利用类型和相关学者的研究成果[13]，确定植被管理措施因子(C)和水土保持因子(P)的赋值，结果见表1。

表1 骆驼山小流域权重因子赋值结果

SAGA(System for Automated Geoscientific Analyses)是一款可以简单有效实现空间数据分析的免费开源地理信息系统软件，自发布以来便迅速成为建模与科学分析领域的重要GIS平台[14]。因此，本次研究使用SAGA软件进行IC指数的自动计算。

2.3 生态建设情景设置

骆驼山小流域进行了多年的生态建设，其主要工程措施有如下几个方面：在适宜的坡面上进行植树造林或农田的斜改梯，在沟道内实施沟道坝系整治工程，主要是在支毛沟上游修筑土、石谷坊，种植杨、柳树等防冲耐湿树种，沟底造防冲林及速生丰产林；在主沟道的中、下游修建浆砌石谷坊或塘坝。本次研究基于分析单个措施下流域泥沙连通状况[15]，设置了4种不同模拟情景，见表2。

表2 生态情景措施组合

3 计算结果与分析

按照上文提出的计算模型与具体的方法，对研究区的(IC)指数进行模拟计算，结果如图1—4所示。由图1—4可知，在相同生态建设情景下，径流泥沙连通指数呈现出山脊高、沟道低的特征。这说明研究区内山脊比沟谷的径流泥沙连通性小，也就是沟谷比山脊更容易发生比较明显的土壤侵蚀。究其原因，短时强降雨的情况下，土壤入渗后的多余水量将形成地表径流，并在重力作用下向区域内的沟谷部位汇集，且流量和流速均会不断加大。因此，愈靠近沟谷，径流的挟沙能力便愈强，因此对土壤的破坏、剥蚀与搬运作用也愈强烈。此外，在流域内的下游沟道存在大片(IC)低值区域，原因是这些地方属于小流域内的建筑用地集中区，由于这部分土地存在较高的硬化率，土壤侵蚀作用微乎其微，进而造成该部位的径流泥沙连通能力明显较低。

图1 S0生态情景下指数(IC)空间分布

图2 S1生态情景下指数(IC)空间分布

图3 S2生态情景下指数(IC)空间分布

图4 S3生态情景下指数(IC)空间分布

对不同情景下的骆驼山小流域径流泥沙连通指数(IC)的特征参数进行统计，结果见表3。从表3中的结果可知，在不同生态建设情景下，(IC)的最小值均相同，原因是这一最小值出现在流域出口附近的一个汇流区，由于该汇流区均为建筑用地，因此径流泥沙连通性差且不受生态建设情景的影响。从IC指数的最大值来看，情景S0和S2下的最大值均为0.35，比情景S1和S3分别大了0.64和0.75。因此，仅采取坡面措施和同时采取坡面与沟道措施可以显著降低IC指数的最大值，而仅采取沟道措施对降低IC指数最大值的作用不大。从IC指数的均值来看，情景S1、S2和S3下的IC指数均值分别为-4.41、-3.73和-4.79，相比情景S0下的IC均值分别减小了1.13、0.45和1.51，说明同时采取坡面与沟道措施对减轻小流域水土流失的作用最为明显，仅采取坡面措施的效果次之，仅采取沟道措施的效果最差。

表3 不同生态建设情景下的径流泥沙连通指数(IC)的特征参数

4 结论

本次研究引入了径流泥沙连通指数(IC)概念，利用SAGA软件中提供的批处理脚本Batch对水土流失比较严重的辽西地区骆驼山小流域在不同生态建设情景下的径流泥沙连通指数(IC)进行统计计算，以探究不同生态建设措施对流域泥沙连通的影响，取得了如下研究结论。

(1)在相同生态建设情景下，径流泥沙连通指数呈现出山脊高、沟道低的特征。这说明研究区内山脊比沟谷的径流泥沙连通性小，也就是沟谷比山脊更容易发生比较明显的土壤侵蚀。

(2)采取生态建设措施对降低小流域径流泥沙连通性效果明显；同时采取坡面与沟道措施对降低小流域径流泥沙连通性，减轻小流域水土流失的作用最为明显，仅采取坡面措施的效果次之，仅采取沟道措施的效果不够理想。

(3)根据本文研究成果，建议在小流域水土保持治理工程中要同时采取坡面与沟道措施，如果条件限制仅能采取一种措施，则应该优先进行坡面治理，以最大限度发挥生态建设措施对降低小流域水土流失的作用。