基于GIS的水土保持工程水源涵养评估

徐剑春 王博 罗进选

摘要：国家生态文明战略和黄河大保护战略全面实施，甘肃省水土保持工程建设发展迅速，在工程建设和水土保持监测高标准的要求下，研究基于GIS的监测评价方法在小流域尺度的应用具有很强的现实指导意义。现场调查结合遥感影像及成果，以水量平衡方程为理论指导，选择降雨、径流、蒸散发数据构建水源涵养价值评估体系，以文献分析法获取经验径流系数，利用ArcGIS计算不同因子水源涵养指数及其面积，分析水源涵养量。以通渭县牛谷河研究区为例，根据项目实施前后的对比，探索小尺度水土保持工程GIS监测评价的方法，评估区域水源涵养价值及其动态变化；分析结果表明牛谷河项目区水源涵养量从6 982.55万m3增加至8 131.58万m3，增加了16.46%。

关键词：水土保持工程；水源涵养；GIS；评估

水源涵养是区域生态系统服务功能的重要构成，是水土保持工程效益的重要组成，也是区域生态环境直接影响人类生产生活的重要生态功能[1]。尤其在重要水源区和干旱缺水地区，水源涵养功能是保证区域植物群落存活并充分发挥效益的基础条件，也是改善区域小气候、修复区域生态系统、保障区域生态安全、提升区域环境质量的重要指标。甘肃省是全国水土流失最严重的省区之一，水土流失面积大、范围广、类型多、强度高、危害重，严重制约着区域经济、社会发展。尤其是陇中区域干旱缺水，对于提升区域水源涵养的要求更为迫切。水源涵养功能是区域生态系统重要服务功能之一，是区域生态系统状况的重要指示器[2]。影响区域水源涵养功能发挥的因素很多，主要包括区域干旱程度、植被拦蓄能力、土壤入渗程度、降雨强度等，以及水分在各因素之间运移、转化的自然过程；水源涵养功能的变化也能反作用于区域气候、水文、土壤、植被等自然因素；直接影响区域生态服务功能的发挥。对于水源涵养的研究成果很多，各类评估方法也较为成熟，但对小流域尺度利用遥感数据结合实地测量，展开小流域尺度的水源涵养动态评估的研究尚不多见。甘肃省中部的黄土丘陵沟壑区属于典型的半干旱区，区域内降水时空分布不均，水资源贫乏，缺水成为区域生态环境改善、社会及经济发展的主要制约因素，在小流域尺度上定量的评估甘肃省黄土丘陵沟壑区水土保持工程水源涵养功能的发挥，分析其影响因素及空间特征，对科学认识黄土丘陵沟壑区水土保持工程的水源涵养功能，合理保护和利用区域水土资源，展开黄河上中游区域大保护，稳定和增强甘肃省生态屏障作用，制定区域生态环境保护规划、设计、政策等，具有十分重要的意义。

1 研究区概况

1.1 区域概况

本文研究区位于国家水土保持重点治理区的甘肃省通渭县西北部，黄河二级支流渭河一级支流牛谷河流域上中游，属黄土丘陵沟壑区第三副区。牛谷河上游流域共包含有马营、水岔、李家大河、朱家营滩、段家峡、万家岔、蒋家川7条主要支流，研究区域内高差为747m，干沟长37.5km，干沟比降2.6%，主支沟长64.6km，主支沟平均比降3.7%，其它支毛沟长491.91km，沟壑密度1.43km/km2。研究區地理位置介于东经104°54′41″-105°17′20″，北纬35°10′08″-35°23′34″之间，海拔1 774- 2 521m，地貌为黄土梁峁沟壑地貌，沟壑占比达9.0%，小支毛沟多为“V”型沟，主支沟多为“U”型沟。研究区属中温带季风大陆性气候，多年平均≥10℃的活动积温1 226℃，年均气温6.6℃，年平均太阳辐射总量为129kj/（cm2.a），多年平均日照时数2 239h，多年平均无霜期131d，多年平均大风日数为32天。研究区内包含42个行政村，人口密度166人/ km2，人均耕地0.37hm2，涉及通渭县的华岭镇、马营镇、北城铺镇、三铺乡、平襄镇、陇阳镇共5镇1乡。

1.2 建设概况

近年来研究区内新增建设各类水土保持措施150km2，其中建设梯田4 007hm2，水土保持林2 085.4hm2，水土保持种草1 664hm2，封禁治理 7 017.11hm2，新建土谷坊210座，水窖96眼，沟头防护4.24km。

在地形坡度小于15°距村庄较近的坡耕地中建设水平梯田；坡度15°-25°距村庄较远立地条件和水分条件较好的坡耕地中退耕种植紫花苜蓿；坡度>25°的陡坡耕地及15°-25°植被稀疏的荒山荒沟，水平阶整地后种植侧柏及沙棘；陡坡耕地及荒坡，鱼鳞坑整地后种植山杏、柠条、沙棘；对于坡度>35°且水土流失严重的荒坡荒沟以及不宜布设其它防治措施的荒地采用封禁措施；根据各流域具体地形条件和沟道特征，选择适宜的地点全面建设谷坊及沟头防护措施。

2 评价方法

2.1 评价指标及模型

水源涵养是陆地生态系统对降雨进行分配的一个过程，通过土壤的入渗、微地形的截留、植物拦蓄与蒸腾、地表蒸发等，再利用区域生态系统特定结构，实现降雨、水流、水循环的调控来影响水源涵养量。水源涵养的生态功能主要体现在消减降雨侵蚀力，减轻土壤溅蚀，缓和径流形成，拉长行洪时间，降低洪水危害，增加土壤含水量，补充地下水，滞洪补枯、降低径流波动，保证水质等方面。陆地生态系统中影响水源涵养的因素很多，主要有地表覆盖因子、降雨强度因子、地形地貌因子、农业耕作方式、土壤植被类型等。在本文中以水源涵养量作为水土保持工程水源涵养功能的评估指标，采用水量平衡方程的基本原理来计算区域水土保持工程的水源涵养量。评估模型为：

式中：TQ为水源涵养量（m3），Pi为第i区域年均降雨量（mm），Ri为第i区域年均地表径流量（mm），ETi为第i区域年均蒸散发量（mm），Ai为第i区域面积（km2），i为研究区不同影响因子综合分析形成数据集中的第i个单元，j为研究区影响因子数据集的单元数。

2.2 数据来源

根据上述水量平衡方程以及各类影响因子的分析，进行水土保持工程水源涵养评估所需数据主要有：气象数据集（年均降雨量、雨强、气象站分布资料等）、蒸散发数据集（研究区年均蒸散发量分布栅格图）、土壤数据集（土壤类型及分布、主要土壤的理化性质、实测土壤绘制的栅格图、现场调查的土地利用类型分布）、高程数据集（DEM数据及治理完成区域高程测量资料）、遥感影像等，具体计算中在收集现有遥感资料的基础上，对遥感数据尺度较大的采用现场实测数据加密后进行插值计算。

（1）降雨量因子

研究区附近有2处气象观测站，华家岭气象站纬度35.38°经度104.83°海拔2 450.6m，通渭气象站纬度35.22°经度105.23°海拔1 768.2m，系列资料均能够满足评价所需。降雨量因子，利用2处气象站观测的年均数据，采用ArcGIS软件，插值计算绘制降雨量因子（P值），栅格分布图（见图1）。

（2）地表径流因子

地表径流因子利用地表径流量来进行分析，在本文中采用经验值计算径流量，即由降雨量乘以地表径流系数获得，计算公式如下：

式中：R为地表径流量（mm），P为多年平均降雨量（mm），α为该区域平均地表径流系数。

平均地表径流系数主要依据现场调查的治理前后植被类型区、土地利用类型，在ArcGIS中绘制形成要素图，结合研究区NDVI数据，筛选通过文献分析法获取的各类地表径流经验值（见表1），将经验值赋值在绘制的要素图中，转制形成地表径流栅格图。

在ArcGIS中利用栅格计算器，根据公式（2）及降雨量栅格图，绘制治理前后的地表径流因子（R值）栅格分布图。

（3）蒸散发因子

蒸散发因子根据国家生态系统观测研究网络科技资源服务系统网站提供的产品数据。原始数据空间分辨率为1km，通过ArcGIS 软件对栅格图像重采样后得到小流域尺度的蒸散发因子（ET）栅格分布图（见图4）。

（4）面积因子

面积因子利用治理前后的水源涵养指数（P-RET）栅格分布图，在ArcGIS中计算获取不同指数单元的面积。

2.3 水源涵养能力计算

将降雨量因子（P）、地表径流因子（R）、蒸散发因子（ET）3类评价因子栅格图，统一形成10m分辨率的栅格数据，在ArcGIS中利用栅格计算器，根据评价模型P-R-ET计算得到水源涵养指数（P-RET）栅格分布图（见图5、图6）。在计算得出的栅格图中提取不同模块的面积数据，根据评估模型加權计算治理前后的水源涵养量。

3 评价结果

根据以上得出的治理前后水源涵养量（TQ）分布图（见图7、图8），分析牛谷河项目区水土保持工程实施前后水源涵养能力的变化（见表2），造成项目区水源涵养量变化的主要原因为通过各类水土保持措施的实施，改变了地表起伏度（坡度、坡长），增加了项目区植被覆盖系数，从而降低项目区径流系数，提高水源涵养力。

从表2得出牛谷河区域水源涵养量从6 982.55万m3增加至8 131.58万m3，增加了1 149.03万m3，增加了16.46%。

4 结语

基于遥感及GIS技术、物联网监测技术进行生态项目监测，是水土保持监测行业未来发展的方向，探索小流域尺度的GIS监测评价体系及方法，研究现场实测结合遥感分析的数据获取及处理技术，具有很强的现实指导意义。本文尝试利用GIS技术针对具体治理项目展开监测，但还存在遥感数据精度不高，现场气象监测等数据来源较少，通用计算模型与区域实际不完全匹配等一些问题，还需后续进一步展开相关研究，逐步完善甘肃省水土保持生态建设项目的监测体系和方法。

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课题项目：重大生态工程水土保持监测技术研究，甘水科外【2017】76号，甘水水保发【2016】204号。