基于InVEST模型的復(fù)雜環(huán)境水土保持治理研究

馮璐璐

(山東省聊城市水利局，山東 聊城 252000)

我國(guó)是水資源大國(guó)，水土流失是影響我國(guó)部分地區(qū)生態(tài)水環(huán)境健康發(fā)展的重要因素。目前，我國(guó)西部黃土地區(qū)水土流失十分嚴(yán)重，治理工作耗資巨大，而對(duì)于中部地區(qū)，水流域環(huán)境則更為復(fù)雜，同時(shí)區(qū)域工業(yè)化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展也對(duì)水土流失造成了惡劣的影響[1- 3]。

我國(guó)水土流失情形不容樂觀。劉國(guó)華[4]對(duì)中國(guó)生態(tài)退化的主要類型即:森林生態(tài)系統(tǒng)的退化、土地沙漠化和水土流失等重大問(wèn)題進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了各個(gè)類型的現(xiàn)狀、特征及分布。為我國(guó)自然資源的合理利用以及退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建提供基礎(chǔ)資料；王效科[5]以水土流失通用方程為理論基礎(chǔ)，利用我國(guó)已有的水土流失研究成果及地貌、土壤和植被分布圖，分析了降水、土壤質(zhì)地、地形坡度坡長(zhǎng)和地表覆蓋因子對(duì)我國(guó)水土流失敏感性的影響及其形成的區(qū)域差異。在綜合評(píng)價(jià)我國(guó)水土流失敏感性區(qū)域差異基礎(chǔ)上，提出了中國(guó)水土流失敏感性區(qū)劃方案；李占斌[6]對(duì)土壤侵蝕與水土保持科學(xué)今后的研究方向提出見解，指出了加強(qiáng)對(duì)土壤侵蝕過(guò)程與機(jī)理、大尺度土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型、土壤侵蝕與水土流失治理環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)和水土流失調(diào)控技術(shù)的科技轉(zhuǎn)化等亟待解決問(wèn)題的研究深度和廣度。

國(guó)內(nèi)外對(duì)水土流失治理工作的研究已比較成熟。李孝娟[7]對(duì)于低山丘陵區(qū)小流域水土流失治理工作進(jìn)行研究，提出在進(jìn)行治理方案的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)實(shí)際，還要與居民的實(shí)際需要相結(jié)合，并引導(dǎo)當(dāng)?shù)厝藗兎e極參與到治理的過(guò)程中去，才能真正達(dá)到效果；王丹陽(yáng)等[8]依據(jù)已有區(qū)劃實(shí)踐和相關(guān)理論，提出縣域尺度水土保持區(qū)劃方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合定性分析將每個(gè)評(píng)價(jià)單元按其不同的三維組合類型劃分到不同的水土保持區(qū)；常志勇等[9]指出了我國(guó)目前所存在的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題包括環(huán)境問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩者之間的矛盾，水土保持生態(tài)修復(fù)顯得尤為重要，闡述了水土保持生態(tài)修復(fù)的特點(diǎn)、規(guī)律和原則，分析了當(dāng)前生態(tài)環(huán)境存在的問(wèn)題，由此提出了生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃與水土保持生態(tài)環(huán)境的方法。目前，受限于環(huán)境及工藝技術(shù)，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下流域水土流失治理工作的開展仍處于研究階段。本文將以山東省某流域?yàn)槔鐖D1所示?；贗nVEST模型基本理論，研究復(fù)雜環(huán)境下流域水土流失的主要成因及治理工作。

1 流域InVEST模型建立

InVEST模型[10- 11]是一種基于模擬不同土地覆被情景下，生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)質(zhì)量和價(jià)值量變化從而為區(qū)域環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)估模型，通過(guò)將所得數(shù)據(jù)定量化、空間可視化使得區(qū)域生態(tài)流域環(huán)境展示更為直觀。

圖1 流域遙感影像圖

InVEST水量模型基于“水量平衡法”，通過(guò)分析降水、土地利用、蒸騰量等多重參數(shù)，基于模型基本計(jì)算方法得出水量的產(chǎn)生或者消耗的過(guò)程與機(jī)制。以格柵區(qū)塊為基本運(yùn)算單元，將上述多因素帶入模型，其輸出結(jié)果具有空間性、多方位綜合性、合理性等突出優(yōu)勢(shì)。InVEST水量模型的基本計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Yxj—某土地類型j的計(jì)算單元x(即單位格柵區(qū)塊)的年供水量；AETxj—某土地類型j的計(jì)算單元x(即單位格柵區(qū)塊)的年水分蒸散量；Px—某土地類型j的計(jì)算單元x(即單位格柵區(qū)塊)的年降水量。式中各參數(shù)的計(jì)算方式如下：

(2)

PETxj=Kc(lx)×ET0(x)

(3)

(4)

AWCx=min(maxSoil.depth，root.depth)×PAWC

(5)

AET=min(Kc(lx)×ET0(x)，Px)

(6)

式中，PETxj—潛在可能蒸散量；ET0(x)—計(jì)算單元x內(nèi)的潛在可能蒸散量；maxSoil.depth、root.depth—最大土壤深度與植物根深數(shù)；Kc(lx)—植被柵格蒸散系數(shù)；AWCx—土壤有效含水量，mm；PAWC—植物可利用水量；Z—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，和區(qū)域條件有關(guān)。

2 基于InVEST模型的區(qū)域水土保持研究

根據(jù)InVEST模型基本計(jì)算原理，綜合考慮復(fù)雜環(huán)境流域降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長(zhǎng)、植被覆蓋、潛在蒸散量、泥沙持留率以及所采取的水土保持措施等多重、復(fù)雜因素，導(dǎo)入ARCGIS軟件運(yùn)算得出usle單元格柵圖，根據(jù)流域水力侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)侵蝕區(qū)域進(jìn)行劃分見表1，最終輸出流域土壤侵蝕現(xiàn)狀空間分布情況如圖2所示。

圖2 流域土壤侵蝕空間分布圖

侵蝕強(qiáng)度平均侵蝕模數(shù)/(t/(hm2·a))平均流失厚度/(mm/a)微度<5<0.37輕度5～250.37～1.9中度25～501.9～3.7強(qiáng)烈50～803.7～5.9極強(qiáng)烈80～1505.9～11.1劇烈>150>11.1

由圖2可以看出，該流域土壤侵蝕主要分布在北部邊界處、東北部外伸邊緣處以及流域中南部，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)地貌、植被分布以及居民區(qū)域分布等多重因素分析，認(rèn)為北部劇烈侵蝕是由于其處于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育帶附近，巖石、土壤等較為松散，強(qiáng)度低，在降雨環(huán)境下容易發(fā)生水土流失；東北部區(qū)域發(fā)生劇烈侵蝕主要是受植被覆蓋影響，由于其地勢(shì)較低，植被發(fā)育以灌木為主，不能很好地抑制水土流失問(wèn)題；流域中部劇烈侵蝕則主要是由于人為因素帶來(lái)的負(fù)面作用：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，區(qū)域土地資源不斷被開發(fā)利用，植被覆蓋面積不斷下降，同時(shí)，工業(yè)發(fā)展帶來(lái)的水土污染也是導(dǎo)致土壤不斷侵蝕的原因。進(jìn)一步深入分析流域土壤受侵蝕情況，對(duì)不同侵蝕強(qiáng)度土壤覆蓋面積、侵蝕量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由表2可見，該流域土壤整體侵蝕情況較為嚴(yán)重，總侵蝕面積高達(dá)4109.47hm2，總侵蝕量高達(dá)42725.70t。從不同侵蝕強(qiáng)度看，侵蝕面積最廣的為微度侵蝕與輕度侵蝕，侵蝕面積分別為2823.05hm2和951.91hm2，占整體的68.70%和23.16%；侵蝕量最大的為劇烈侵蝕與輕度侵蝕，侵蝕量分別為10029.97t與9563.18t，占整體的23.48%與22.38%。同時(shí)，為進(jìn)一步分析土壤侵蝕產(chǎn)生的原因，對(duì)不同土地類型的土壤侵蝕情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表2 流域不同侵蝕強(qiáng)度下侵蝕面積、侵蝕量統(tǒng)計(jì)

表3 流域不同土地類型侵蝕面積、侵蝕量統(tǒng)計(jì)

由表3數(shù)據(jù)可知，對(duì)于不同土地類型耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及其他類型而言，從侵蝕面積上看，受侵蝕最嚴(yán)重的為林地，侵蝕面積為3326.97hm2，侵蝕程度最低的為水域，侵蝕面積僅有28.79hm2;從侵蝕量上看，受侵蝕最嚴(yán)重的為耕地，侵蝕量達(dá)到20693.04t，受侵蝕最輕的為水域，侵蝕量?jī)H0.49hm2。但由于各種土地類型總面積不一，因此侵蝕面積與侵蝕量均不足以完全表達(dá)各土地類型實(shí)際侵蝕狀況，進(jìn)一步引入?yún)?shù)平均模數(shù)，其計(jì)算結(jié)果如圖3所示，可見平均模數(shù)耕地>草地>園地>建設(shè)用地>林地>水域，因此可以認(rèn)為區(qū)域水土流失最嚴(yán)重的為耕地，主要是受農(nóng)業(yè)化肥的污染以及土壤松散導(dǎo)致；其次為林地，主要是由于林地植被濫伐、農(nóng)田開墾等原因?qū)е?。因此建議在此研究基礎(chǔ)上，可通過(guò)采用退耕還林、禁止亂砍亂伐等政策結(jié)合綠化工程進(jìn)行治理。

圖3 不同土地類型平均模數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜環(huán)境流域水土保持治理研究工作對(duì)我國(guó)生態(tài)建設(shè)具有重要的意義，本文以山東省某流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于InVEST模型綜合考慮復(fù)雜環(huán)境流域降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長(zhǎng)、植被覆蓋、潛在蒸散量、泥沙持留率以及所采取的水土保持措施等多重因素，得出流域不同侵蝕強(qiáng)度下土壤侵蝕空間分布及不同土地類型侵蝕度；基于模型計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步深入分析侵蝕產(chǎn)生原因主要為耕地的過(guò)度開發(fā)與林地的濫砍亂伐，并提出采用“退耕還林+禁止濫伐+綠色工程”的綜合治理手段對(duì)流域土壤侵蝕情況進(jìn)行針對(duì)性的治理，以期為我國(guó)復(fù)雜環(huán)境流域水土保持治理工作提供良好的示范。