基于USLE的北黄岭河小流域土壤侵蚀量估算

高立新

(岫岩满族自治县水利事务服务中心,辽宁 岫岩 114300)

土壤侵蚀是土壤颗粒在水力、风力等综合作用下持续分离、运移的过程,土壤侵蚀发生后必将对土地资源造成破坏,引发土地资源退化、干旱等次生灾害。流域内土壤侵蚀则会加大流域输沙量,引起水量变化及水质恶化,水生态功能衰减。小流域属于一个完整的自然汇水单元,也是水土流失和土壤侵蚀发生、发展的基本单元,研究小流域土壤侵蚀过程、水土保持过程是水土保持研究的重要组成部分。USLE(Universal Soil Loss Equation,通用土壤流失方程)是美国农业部最早提出的土壤侵蚀量经验预报公式,对于因降雨所引发的水动力土壤侵蚀预测较为适用,与其他方法相比,该模型结构简单,数据量少,结果真实可靠,故该模型自20世纪30年代提出后便先后应用于土壤侵蚀试验及区域土壤侵蚀量定量研究。我国于20世纪80年代引入该模型后,逐渐在不同区域土壤侵蚀预报中进行了应用。本文依托岫岩县苏子沟镇北黄岭河小流域,对流域土壤侵蚀量展开估算分析,为构建该流域水生态功能分区以及流域水资源保护、合理利用提供依据。

1 流域概况

北黄岭河小流域位于岫岩县苏子沟镇,涉及苏子沟镇的北黄岭1个行政村,流域总面积为1935hm2,流域土地利用情况见表1。北黄岭河小流域整体呈北高南低地势,多丘陵,河川交错,地形主要以山地和丘陵为主,夹杂小面积冲积平原和盆地,低山区在全县总面积中约占78%以上。流域平均海拔为211.64m。小流域位于中温带气候区,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,多年平均年降水量为820mm,且从上游向下游呈递增趋势,降雨主要集中在每年的6—9月,期间降水量在全年降水量中的占比超70%,暴雨大多发生在7—8月。流域内土壤类型以棕壤和山地草甸土为主:棕壤土多见于低山丘陵,土层厚度为0.5～1.5m;草甸土则多见于河流两岸,土层较厚,为1.0～3.0m,土壤肥力高。

北黄岭河小流域主要存在轻度水力侵蚀,水土流失面积为461hm2,在流域总面积中占比23.82%,土壤侵蚀较为严重。因受制于治理资金及管理模式,流域内水土流失始终未得到系统治理,并呈日益严峻之态势。流域内山洪灾害频繁发生,造成耕地冲毁、道路冲断,严重影响农业生产。洪水冲刷河道两岸导致水土流失加剧,河道内泥沙量持续增大,抬高河床,河道泄洪能力持续减弱;土壤养分流失,土壤肥力持续减弱;径流冲刷带走表土养分,土层变薄,土壤肥力下降,粮食产量降低。

2 USLE模型及因子

USLE是美国农业部于20世纪60年代在大量观测数据及人工模拟试验的基础上,所构建的特定区域土壤侵蚀量估算的方程模型,该模型涵盖影响特定区域水土流失的主要影响因子[1],公式如下:

A=RKLSCP

(1)

式中:A为所研究区域土壤侵蚀量,t/(hm2·a);R为年降雨侵蚀力因子,MJ·mm/(hm2·h·a);K为研究区土壤可侵蚀因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);L为坡长因子,无量纲;S为坡度因子,无量纲;C为管理因子,无量纲;P为水土保持措施因子,无量纲。

2.1 年降雨侵蚀力因子

降雨径流及雨水击溅作用对土壤侵蚀影响较大,所谓降雨侵蚀力就是降雨过程可能引起土壤侵蚀的潜力。根据降雨过程资料所得出的降雨侵蚀力显然最为可靠,但相关资料较难获取,故本文在应用USLE模型预测土壤侵蚀量时,主要根据月降水量进行降雨侵蚀力的简便估算[2],公式如下:

(2)

式中:Pi为项目区月降水量,mm;其余参数意义同前。

将所获得的北黄岭河小流域1966—2021年的气象资料代入式(2),便可得出小流域多年平均降雨侵蚀力因子为290.94MJ·mm/(hm2·h·a),因流域面积不大,可视为流域内降雨均一分布,故整个流域内年降雨侵蚀力因子取值一致。

2.2 土壤可侵蚀因子

该因子体现的是在降雨径流冲刷、雨水击溅作用下,土壤被分散、运移的可能程度[3],也是进行项目区土壤侵蚀量估算的主要指标之一。该流域土类以棕壤和山地草甸土为主,可以参考当前学者对各类土壤可侵蚀因子的研究成果,得出北黄岭河小流域棕壤和山地草甸土可侵蚀因子K,分别取0.27t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)和0.268t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)。

2.3 坡长和坡度因子

小流域坡长和坡度是其余条件不变的情况下,某一特定坡长和坡度下土壤侵蚀量与标准小区土壤侵蚀量之比,对土壤水力侵蚀影响较大。在实际运用中,两个因子通常结合起来,统一作为项目区地形因子进行考虑。

USLE模型中的坡长因子按照下式确定:

L=(λ/22.1)m

(3)

式中:λ为实际坡长,m;m为坡长指数,应根据允许坡度θ的大小及以下范围取值:

(4)

依托北黄岭河小流域1∶10000地形图,采用ArcGIS软件进行等高线校正和矢量化,并构建小流域栅格数字高程模型,再借助ArcGIS软件中的Spatial Analysis模块在栅格数字高程模型中提取坡度、坡长,进而计算坡度和坡长因子[4]。其中,土地利用现状图主要根据实地考察绘制而成;土壤类型图则依托全国土壤普查成果图,并以土属为成图单元绘制而成;流域数字高程模型则基于流域等高线图制成。

2.4 管理及水土保持措施因子

管理因子即项目区植被覆盖后土壤流失总量与实际土壤流失量之比,一般在0～1之间取值,该因子大小主要体现的是植被覆盖、轮作制度、管理措施的综合效果。此处应用Erdas软件对北黄岭河小流域遥感影像实施人工目视解译,并根据目视解译结果进行判读和校验,最终生成小流域土地利用图层,对流域土地利用类型进行划分,并根据土地利用现状对不同利用类型管理因子赋值。具体见表2。

水土保持措施因子是采取修筑梯田、等高耕作等特定水保措施后区域土壤侵蚀量与顺坡种植时土壤侵蚀量之比,是水土保持措施采取后对土壤流失量控制程度的体现[5],取值在0～1之间,取值为0意味着水土保持措施效果十分显著且不存在土壤侵蚀,而取值为1则意味着未采取任何水土保持措施[6]。

根据流域管理局所提供的北黄岭河小流域水土保持措施图及所收集到的2010—2020年项目区水土流失综合治理资料,结合相关文献,对流域不同水土保持措施因子取值进行了合理估计,结果见表3。

表3 北黄岭河小流域水土保持措施因子取值

3 土壤侵蚀量估算过程及结果

根据统计结果,北黄岭河小流域年土壤侵蚀总量为12.1万t,年土壤侵蚀模数为900t/(km2·a),基本上为轻度侵蚀。流域内57.17%的面积土壤侵蚀模数在5.0t/(km2·a)以下,为轻度侵蚀;剧烈侵蚀、极强烈侵蚀、强烈侵蚀及中度侵蚀的面积占比分别为5.22%、10.0%、10.0%、17.61%。流域水土流失现状结果见表4。值得注意的是,即便是再完善的经验性土壤侵蚀预报模型,仍面临基础数据较难获取的难题[7],本文则根据水利行业《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007),将小流域土壤侵蚀量估算基础数据简化成土地利用类型、坡度等简便且能准确获取的指标[8],从而快速得出流域土壤侵蚀量测算结果。该流域内土壤侵蚀表现出较大的空间差异性,通过进一步分析看出,造成这种空间差异的原因主要在于土地利用类型以及地形地貌起伏变化。

表4 北黄岭河小流域水土流失现状

3.1 土地利用类型

土地利用类型差异主要体现在北黄岭河小流域植被类型及植被覆盖度差异方面,通过全面统计流域内不同土地利用类型所对应的土壤侵蚀强度,得到具体土地类型下的土壤侵蚀模数均值及侵蚀总量[9],结果见表5。其中林地年侵蚀总量取值最大,在总侵蚀量中占比为95.87%,说明林地是北黄岭河小流域现状土地利用类型下最容易发生水土流失的类型,必须加强重点治理。本研究依托项目区2021年全年遥感影像数据,流域内耕地年侵蚀模数均值为159.44t/(km2·a),年侵蚀总量均值为1421100t,在总侵蚀量中占比为8.69%。疏林地、草地、工况用地、水域、其他用地土壤侵蚀程度均较小。

表5 北黄岭河小流域不同土地利用类型土壤侵蚀结果

基于以上对不同土地利用类型土壤侵蚀结果的分析,有助于北黄岭河小流域管理部门优化土地利用结构,为流域土壤侵蚀及水土流失治理提供依据。

3.2 地形地貌坡度

地形地貌起伏变化对流域土壤侵蚀空间差异的影响特征在北黄岭河小流域下游城镇密集区域及中游低山丘陵区表现得尤为突出。流域内不同坡度下土壤侵蚀模数统计分析结果见表6。该小流域内不同坡度下土壤侵蚀结果较为接近,且整体上随着坡度的增大,土壤侵蚀程度加剧[10]。坡度在5°以内的区域在流域总面积中占1.19%,占比最小,且对应的土壤侵蚀量占比也为最小;坡度在25°以上的区域在流域内占比为41.86%,土壤侵蚀量占比为31.35%。

表6 北黄岭河小流域不同坡度下土壤侵蚀结果

4 结 论

综上所述,本文依托遥感及地理信息系统技术,应用USLE土壤流失量估算方程模型,对北黄岭河小流域土壤侵蚀量进行分析估算后得出以下结论:流域内年土壤侵蚀模数为900t/(km2·a),年土壤侵蚀总量平均为163589740t,总土壤侵蚀面积为461hm2,在流域总面积中占比为23.82%。所得到的流域土壤侵蚀量预测结果与相关研究基本吻合,结果可靠度高。该流域土壤侵蚀表现出十分明显的空间差异性,土壤侵蚀受土地利用类型及地形坡度等的影响较大,其中林地、疏林地和耕地土壤侵蚀量占比最大;坡度在25°以上的区域土壤侵蚀占比最大。为此,流域管理部门应当将以上土壤侵蚀严重区域作为下一步水土流失治理的重点。