基于区域土壤侵蚀状况评价的水利工程规划研究

怀萌萌

(安徽省阜阳水文水资源局 安溜水文站,安徽 阜阳 236000)

0 引 言

土壤侵蚀是指在外部力量的作用下,因土质的分离、移动或沉积而造成对土地的损害。这种过程通常受到水力、风力、重力等多种外力的影响［1-2］。如水力可以将土壤中的养分和水分从土壤表面带走;风力可以将土壤中的养分和水分从地表带走;重力可以将土壤中的养分和水分从地表带走等破坏。当前,土壤侵蚀仍是一个世界性的生态环境问题,其形成和发生过程主要是多个因素综合作用的结果［3］,包括土壤、降雨、植被和土地利用方式等。这些因素会影响土壤的侵蚀过程,从而影响生态系统的稳定性。其中,地形和土壤因素可以影响水流的流向和流速,从而影响水循环;降雨则是土壤侵蚀的重要诱因,它会影响土壤结构、强度和水分的吸收;植被不仅可以阻挡水土流失,还可以减少土壤中水的流失;土地利用方式则会影响土壤侵蚀的发展速度。因此,要有效控制和减少土壤侵蚀,必须综合考虑多种因素,并采取有效措施。通过合理土地利用,可以有效抑制水土流失的发生和发展。如在山区采取林地、草地等植被覆盖措施,可以有效改善局部坡度,防止水土流失。另一方面,不合理的人为活动也会加剧土壤侵蚀的发生和发展［4］。

因此,本文基于中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation, CSLE),对亳州市的土壤侵蚀进行估算评价,并提出相应的水土流失防治工程施工方法。研究旨在对亳州市水土保持工程的实施情况进行评估,并分析社会、经济和生态效益,为亳州市更好地开展水土流失综合治理工作积累经验。

1 基于区域土壤侵蚀状况评价的水利工程规划设计

1.1 研究区概况

亳州市位于皖西北部,E115°32′-E116°49′、N32°51′-N34°04′,土地面积8 374km2。其中,山地占总土地面积的33.33%,平原占总土地面积的38.63%,丘陵占总土地面积的12.23%［5］。该市辖涡阳县、蒙城县、利辛县和谯城区,地处淮河水系与长江水系的分水岭。境内地貌复杂,以平原、丘陵和低山为主,地面高程42.8～23.3m。亳州市地形由西北向东南倾斜,自然坡降约1/8 000,呈波状起伏,气候温和,适宜耕作种植。由于地势较低,水分充足,有利于农作物生长和灌溉,形成历史悠久的农业地区。

亳州市地处亚热带和暖温带的过渡地带,属半湿润大陆性季风气候,有明显的过渡性特征。其特点是太阳辐射丰富,日照充足,气候温和,四季分明。春季气温回升快,冷暖多变;夏季炎热多雨;秋季晴朗少雨,秋高气爽;冬季寒冷干燥。年平均气温16.1℃,年平均降水量548.1mm,年日照时数2336.8h。全市年平均降水量599.1mm。全年无霜期约243d,年平均风速2.7m/s。

根据2021年水土流失动态监测情况,城市土壤侵蚀面积4.25 km2,约为城市土地总面积的0.05%。其中,轻度流失面积3.64 km2,占水土流失面积的85.65%;中度流失面积0.13 km2,占水土流失面积的0.54%;严重流失面积0.17 km2,占水土流失面积的0.35%;重度流失面积0.5km2,占11.76%;强烈流失面积0.11 km2,占2.59%;无极强烈和剧烈流失面积,占0.17%。因此,亳州市是土壤侵蚀严重的市区之一,侵蚀治理任务依然艰巨,尤其是在小流域、山区等区域,土壤侵蚀问题更加严重。

本次研究项目区域的地貌类型属于江淮波状平原区,气候类型属亚热带与暖带的过渡地带。根据亳州气象站1960-2019年资料统计,项目区多年平均气温15.6℃,极端最高气温40℃,极端最低气温-20℃,≥10℃积温4 800℃;多年平均降雨量1 067.2mm,降雨量年际变化较大,年内分布不均匀。最大冻土深度11cm,无霜期209d。植被类型属暖温带落叶阔叶林带,现状林草覆盖率约20%。项目区土壤类型主要以黄棕壤为主,属微度侵蚀区,以水力侵蚀为主,允许土壤流失量200t/km2·a,现状土壤侵蚀模数背景值约150t/km2·a。

1.2 基于CSLE模型的区域土壤侵蚀评价方法

增加植被覆盖是抑制水土流失的重要方式之一,获取区域土地植被覆盖度是评价水土流失的关键。谷歌地球引擎项目(Google Earth Engine, GEE)是专门处理卫星图像和其他地球观测数据云端运算平台,可进行精确地图绘制,分析地表特征,统计空间分布［6］。GEE结合Landsat与MODIS分辨率的特点,能够确保计算所需的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)不受外界环境因素的影响,并将研究的植被覆盖度时间窗口压缩至15d［7］。通过植被指数结合像元二分模型遥感估算植被覆盖度,是目前广泛使用的一种方法,可以有效反映植被的分布情况,可以用于监测植被覆盖度。该方法既可以利用卫星传感器获取的遥感数据,也可以通过地面调查获取的数据进行分析,从而得到准确结果。植被覆盖度的计算公式如下:

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

(1)

式中:NDVImax为研究区纯植被覆盖像元的归一化植被指数;NDVImin为研究区纯裸土像元的归一化植被指数。

NDVImax与NDVImin的取值是像元二分模型的关键基础。为了获取土壤侵蚀模数,利用 ArcGIS软件,对各土壤侵蚀计算因子进行栅格叠加运算,包括坡度、坡向、地形起伏度、植被覆盖度等因素。然后,根据计获得的土壤侵蚀因子,分别计算不同栅格下的土壤侵蚀模数,计算公式如下:

A=R×K×L×S×B×E×T

(2)

式中:A为土壤侵蚀模数,t/hm2·a,是一种衡量土壤流失程度的指标;R为一个降雨侵蚀力因子,MJ·mm/(hm2·h·a),用于确定一段时间内降雨侵蚀力的大小;K为土壤可蚀性因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm),表示土壤抵抗雨滴和径流分离土壤颗粒的能力,与土壤理化性质有关;L、S分别为坡长、坡度因子;B为植被覆盖与生物措施因子,是指通过改变植被类型、种植植物、维护植被生长环境等措施,以改善生态系统的功能;E、T分别为工程措施和耕作措施因子,二者均为农业生产中最重要的两种农业技术措施。

植被指数时空融合的具体流程见图1。

图1中,NDVI时空融合的步骤先将MODIS植被指数产品与陆地卫星植被指数获取的数据进行预处理,同时利用高分卫星影响技术获得土地利用图像。然后,以不同类型的纯像元半月频率植被指数为研究对象,建立不同类型的植被指数序列。根据式(3)逐像元计算方法,得到30m分辨率植被指数融合。公式如下:

(3)

式中:VM(ti)为该像元对应的地类MODIS多年平均值序列是一组由不同时间段的数据组成的;VT(tj)为该像元对应的某时刻陆地卫星植被指数,即以遥感影像为基础,能够反映出某一时刻陆地上植被的生长状况;共有n景,ω(ti,tj)为权重。

图1 NDVI时空融合的基本步骤

最后,对30m分辨率植被指数融合结果进行谐波平滑。

1.3 基于区域土壤侵蚀状况评价的水土流失防治工程施工方法

通过区域土壤侵蚀评价方法对亳州市的土壤侵蚀状态进行评估后,研究基于评估结果进行相应的水土措施方案设计。水土流失防治措施体系由主体工程设计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设施相结合,共同构成水土流失防治措施体系。图2为水土流失防治措施总布局。

图2 水土流失防治措施体系

图2中,研究项目的水土流失防治分区分为已建和在建工程区两个防治分区。已建工程区中,包括工程措施和植物措施。其中,工程措施由排水工程、土地整治工程组成;植物措施的水土流失防治范围包括建筑物周边及道路两侧绿化。在建工程区中,工程措施与植物措施任务分别为土地整治、建筑周边绿化;临时措施为临时苫盖及临时沉沙措施。见图3。

图3中,根据实际情况,考虑到临时堆土堆放时间、施工成本、临时堆土土质等原因,临时堆土区采取临时排水沟、沉砂池、装土草袋挡土墙与苫布覆盖作为水土流失治理措施。该项目区域的土地整治,就是要对工程用地上由于施工而造成的干扰进行及时清理,并将地面上的垃圾清除掉,对工程用地上的坑洼进行回填。平地主要采用功率74 kW的推土机,较小面积区域可采用人工平地。

项目所用到的各类幼苗需进行现场考察,完成种苗所需的土基、绑扎、采苗等工序。在种植前,要对土壤进行肥力、酸碱度等指标的检测,指导土壤改良,确保作物正常生长。在整地之前,先将杂物清除干净,将石块、石子、建筑废料等收集起来,将土坑进行粗整,将土坑填满。然后,为了改善立地条件,提高土壤肥力,要对取(弃)土(渣)场和建设道路绿化区进行土壤翻松、碎土,再进行细平处理,最终形成种植面。整地后,用灰泥人为标出单个树种的位置,并将各种树种、乔木、有土球的灌木等以人工挖坑的形式栽植。根据树种种类和根系大小,决定所挖坑的大小和距离,坑的形状为圆形。乔木的洞口直径通常为0.4～0.5m、50cm,灌木的洞口直径为0.3～0.4m、25cm。乔木选用2级或更高等级的2年生幼苗,灌木选用2年生幼苗。

图3 临时堆土区水土流失治理措施

灌丛为穴种植,在种植过程中要采用“三填二踩一提”的种植技术。栽植深度一般以超过原根系5～10cm为准。先按照事先确定的位置,在地面上画出等位线。同时,要用消毒过的土壤回填种植土,使其达到种植要求。并按照设计好的植物栽植位置,将植物栽植到种植坑中。用水浇灌植物根部后,将土壤踩实以达到要求。定植时,应保持苗干直立、根系伸展、深度适宜。在回填到一半的时候,要将树苗抬起来,并将树干压紧,然后再覆盖上绿色植物的土壤。

草坪可通过人工播种和种植两种方式种植。撒播方法是将草籽按照设计的撒播密度,均匀地撒在整好的地面上,然后使用镐或石等将其覆盖在5～10cm的土地上。并在播种之后,对种植区域进行喷洒水分,使其保持湿润。植物措施建植后,应落实好林地的管理和抚育责任。

2 结果与分析

研究项目区内影响水土流失的自然因素主要有降水、土壤、植被和地形地貌等。研究采用遥感、地面观测以及基于CSLE模型相结合的方法,对该项目区域的土壤侵蚀状况进行评估。利用ArcGIS软件,将不同类型的水土流失因子按不同的栅格叠加后,计算出相应的土壤侵蚀模数。见表1。

表1 基于CSLE模型的工程项目区域土壤侵蚀误差统计结果

由表1可知,利用研究模型测得的项目区域土壤侵蚀模数与实际值的差距较小。在厂外道路区域测得的土壤侵蚀模数的相对误差为2t/km2·a;在该工程区内,基于CSLE模型的预测平均相对误差为72t/km2·a。结果表明,研究模型的性能较好,预测精度较高。见图4。

图4 施工前后研究项目区域不同植被覆盖度的土壤侵蚀分布情况

通过对比图4(a)与图4(b)可知,施工后的项目区域不同植被覆盖区的土壤侵蚀模数和侵蚀量明显较施工前小。在植被覆盖度40%～60%的区域内,施工后的土壤侵蚀模数较施工前小1 275t/km2·a,侵蚀量减少约23×104t。结果表明,采用研究的水土流失保持施工策略后,能够有效减小土壤侵蚀度。工程水土流失防治效果预测分析见图5。

由图5可知,项目水土流失治理度为99.82%,土壤流失控制比为1.25,渣土防护率99.32%,表土保护率不作统计,林草植被恢复率98.63%,林草覆盖率12.80%。

至设计水平年末,工程建设区域的侵蚀模数降至160t/(km2·a),水土流失得到有效控制。水土保持工程效益可从经济效益、生态效益、社会效益3个方面进行分析。对研究项目施工后进行综合效益评价,结果见图6。

图6 项目施工后水土保持综合效益评价值

由图6(a)可知,在经过研究水土保持施工后,研究项目区域的水土保持经济效益指标从0.252增长至0.418,社会效益由0.24增长至0.353,生态效益由0.298增长至0.375,综合效益由0.270增长至0.386。

由图6(b)可知,该项目区域的社会效益、经济效益、生态效益及综合效益分别增长32.01%、39.71%、20.50%、30.05%。

综上所述,通过采取本文提出的水土保持施工措施后,能够显著提升亳州市工程项目区域的生态功能和综合效益,在一定程度上提高了效益社会与经济效益,表明只有各单项效益均处于良好水平才能保证综合效益的提升。

3 结 论

针对亳州市某工程项目进行水土流失防治,研究提出了基于区域土壤侵蚀状况评价的水利工程规划。利用CSLE模型对该项目区域的土壤侵蚀状况进行评估,并提出相应的水土流失防治措施。结果表明,研究模型的土壤侵蚀模数预测平均相对误差为72t/km2·a,具有较好的性能;该项目区域的社会效益、经济效益、生态效益以及综合效益分别增长32.01%、39.71%、20.50%、30.05%,表明研究措施可有效预防工程可能产生的水土流失,土壤侵蚀强度控制在容许值以内,而且能有效固结土壤、涵养水分、减少侵蚀量,改善生态环境,促进生态系统向良性态势发展。