吳金華,楊 航,楊 瑾
(長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西西安 710054)
黃土高原地區(qū)的水土生態(tài)問題是國(guó)家歷來高度重視的難題和亟待解決的問題,不但長(zhǎng)期危害著國(guó)土生態(tài)安全,也是區(qū)域結(jié)構(gòu)調(diào)整、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的嚴(yán)重威脅。國(guó)家從水土保持重點(diǎn)建設(shè)、三北防護(hù)林體系建設(shè)、天然林資源保護(hù)到退耕還林、退牧還草、旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)示范基地建設(shè),開展了一系列生態(tài)建設(shè)與可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展工程,2011年國(guó)家4部委對(duì)陜西省治溝造地工作進(jìn)行實(shí)地調(diào)研并召開了全省溝道土地整治工作現(xiàn)場(chǎng)會(huì),將治溝造地作為土地整治工作模式的一種創(chuàng)新,在國(guó)家層面把治溝造地作為重大工程項(xiàng)目,作為利國(guó)利民的民生工程、生態(tài)工程。
基于DEM的數(shù)字地形分析與特征地貌信息提取,作為地貌信息的主要數(shù)據(jù)來源,越來越成為地學(xué)和GIS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),利用GIS在海量數(shù)據(jù)管理存儲(chǔ)、空間分析方面的強(qiáng)大功能,進(jìn)行空間分析識(shí)別,提取所需的地形指標(biāo)數(shù)值[1],廣泛應(yīng)用于地質(zhì)地貌的實(shí)地研究。GIS與DEM的定量分析研究以其強(qiáng)大的便捷性和科學(xué)性,摒除了傳統(tǒng)研究方法考察資料難以消化與讀取結(jié)果難以精確,測(cè)量耗時(shí)耗力及存在技術(shù)限制等的諸多弊端,帶領(lǐng)地質(zhì)學(xué)與地貌學(xué)研究進(jìn)入了“數(shù)字地貌”時(shí)代。本研究利用DEM全覆蓋式數(shù)字表達(dá)和模擬研究區(qū)地表地形地貌,定量提取所需的溝道地貌信息,服務(wù)于研究區(qū)溝道整治的推進(jìn)。
賀家川鎮(zhèn)位于神木縣東南端,總面積198.4 km2,平均海拔1 000 m左右。地處黃河流域中斷,依黃河與山西省興縣隔河相望,含沙量較高的黃河一級(jí)支流窟野河從北向南縱貫全鎮(zhèn)注入黃河,整體上形成了兩川三溝七道梁,是陜北著名的黃土石山區(qū)。
賀家川鎮(zhèn)是神木縣少數(shù)只以農(nóng)作物種植作為主要經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的鄉(xiāng)鎮(zhèn),但溝道地形條件對(duì)農(nóng)作物種植限制極大,缺乏集中連片、具有規(guī)模的耕地資源,現(xiàn)有90%的耕地是坡耕地,大范圍分布在生態(tài)脆弱地區(qū)。鎮(zhèn)內(nèi)溝壑縱橫,數(shù)千條溝道將地面切割破碎,川平地以及低緩坡耕地的面積極少,全鎮(zhèn)除玉米、谷類種植在少數(shù)平坦的河灘地外,其他農(nóng)作物都種植在面積小而零散的墚峁坡面和溝坡面上,收成十分不理想;溝內(nèi)植被稀疏,天然次生林和天然草地面積少,難以存蓄徑流水,其中80%以上的溝道屬于干溝,東南部及河道周邊地勢(shì)較為平坦的地方引水比較方便,有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),其他種植區(qū)由于溝道的阻隔,引水困難;再加上降水時(shí)空分布很不均勻,豐水年和干旱年降水量相差2~5倍,常以暴雨形式出現(xiàn),在暴雨期間易形成山洪隱患,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民安全造成威脅。全鎮(zhèn)長(zhǎng)期以來已形成了“廣種薄收,薄收廣種”的土地耕作狀態(tài)。
從溝道土地整治研究角度出發(fā),將溝道地貌分為以凸起堆積地貌為主的溝間地和以下凹沉積地貌為主的溝谷地;將溝間地與溝谷地之間的過渡地段稱為溝坡地,溝谷地中相對(duì)平坦廣闊的谷底稱為溝底地。研究區(qū)溝道地貌空間類型和地貌特征見表1。
表1 賀家川鎮(zhèn)溝道地貌空間類型和地貌特征Tab.1 The channel landscape space types and topographical features in study area
研究基于DEM溝道地貌類型自動(dòng)提取,從賀家川鎮(zhèn)顯著的溝道地貌空間形態(tài)和溝道整治坡度組合思想著手,構(gòu)建空間分布中滿足正負(fù)地形模型要求的溝道特征地貌,依次實(shí)現(xiàn)從溝間地、溝底地到溝坡地的自動(dòng)提取,以便更好地反映研究區(qū)溝道整治潛力區(qū)域的空間宏觀分布,獲取研究區(qū)溝道不同特征地貌區(qū)域的投影面積和表面積信息,掌握研究區(qū)開展溝道整治的坡面地理位置。
2.2.1 溝間地提取 溝間地提取技術(shù)流程見圖1,通過對(duì)原始DEM進(jìn)行處理,生成溝谷網(wǎng)絡(luò),再運(yùn)用ArcGIS的空間分析功能等技術(shù),提取出完整的溝間地面狀區(qū)域[1]。
1)溝谷網(wǎng)絡(luò)提取
由于賀家川鎮(zhèn)溝道地形起伏明顯,低平地極少,采用坡面流模擬法[2]O'Callgahnan &Mar(1984)和水文分析模塊提取集水線效果明顯,輔助TM影像剔除偽溝谷網(wǎng)線后可以得到與研究區(qū)實(shí)地情況較為一致的溝道網(wǎng)絡(luò)分布,為以下取舍溝間地和溝底地做準(zhǔn)備。
DEM(格網(wǎng)大小27 m×27 m)采用由國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心提供的2010年標(biāo)準(zhǔn)Gauss-Krueger投影1∶25萬grid格式數(shù)字高程模型,TM(7,4,2三波段合成)采用由中國(guó)1∶100萬數(shù)字地貌項(xiàng)目技術(shù)總體組提供的全國(guó)1∶1萬img格式遙感影像。提取的溝谷網(wǎng)絡(luò)過程見圖2。
圖1 溝間地提取流程圖Fig.1 The process of intergully land extraction in the study area
圖2 溝谷網(wǎng)絡(luò)提取過程Fig.2 The result of DEM extraction valleys drainage in the study area
2)溝間地提取
采用DEM正負(fù)地形自動(dòng)分割技術(shù),將原始DEM與無誤差DEM的坡向變率柵格相減計(jì)算得到的正負(fù)地形分布區(qū)域,從中提取正地形柵格區(qū)域。由于賀家川鎮(zhèn)的黃土地形十分復(fù)雜,直接提取的正地形存在局部柵格斷續(xù),柵格矢量化提取溝沿線不連續(xù),不能通過線轉(zhuǎn)面較好地反映出溝間地的空間形態(tài)[3]。為盡量減少正地形柵格空漏區(qū)域出現(xiàn)影響溝間地區(qū)域的判斷,得到與實(shí)地相符的溝間地,利用已提取的溝谷網(wǎng)絡(luò)結(jié)果與坡度分析進(jìn)行緩沖區(qū)取舍,得到符合分布特征溝間地雛形,再與直接提取的正地形區(qū)域柵格單元?dú)w并,即符合坡度要求又屬于正地形區(qū)域較為完整的溝間地柵格區(qū)域,柵格矢量化后得到完整的溝間地面狀區(qū)域[4]。
2.2.2 溝底地提取 溝底地與溝間地在坡度上有相似性,但溝底地坡度更小,根據(jù)賀家川流域內(nèi)溝底地相對(duì)較為寬闊平坦的宏觀特征,溝底地坡度一般小于6°。故提取出坡度值≤6°的部位,與溝谷網(wǎng)線再次空間疊置,做較大等級(jí)匯水量多的集水線緩沖區(qū),保留緩沖區(qū)坡度小于6°的柵格部分并進(jìn)行歸并,形成形狀完整、面積較大、易于辨別的溝底地部分,作為研究所需的溝坡地范圍。
2.2.3 溝坡地提取 由于溝坡地在溝道和流域內(nèi)也基本上連續(xù),除去以上兩步提取的溝間地和溝底地結(jié)果,就得到研究所需的溝坡地范圍。溝間地、溝底地、溝坡地的提取結(jié)果見圖3。
圖3 賀家川鎮(zhèn)溝道地貌特征區(qū)域綜合提取結(jié)果Fig.3 The channel topographical typical regions extraction in study area
基于DEM溝谷系統(tǒng)地貌特征的自動(dòng)提取綜合,賀家川鎮(zhèn)溝道空間分布呈現(xiàn)葉脈狀(樹杈狀)兩川三溝七道梁的地面景觀,長(zhǎng)而連貫的溝道是最主要的地貌特征,溝道地貌不同類型特征區(qū)域的投影面積統(tǒng)計(jì)見表2。
表2 賀家川鎮(zhèn)溝道地貌分類面積統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Channel landform classification area statistics
為掌握研究區(qū)溝道整治開展?jié)摿^(qū)域的空間宏觀分布,將土質(zhì)基巖失穩(wěn)的局部災(zāi)毀易發(fā)溝段和坡度大于25°的陡坡地劃分為不適宜進(jìn)行溝道整治的地區(qū),不適宜進(jìn)行溝道整治區(qū)域具有明顯的空間分布規(guī)律,分布在沿窟野河流域及其主要支流兩側(cè)是溝壑切割深度最大的地方,占全鎮(zhèn)總面積的7%多,表面積40萬hm2有余,隨著西部大開發(fā)工程退耕還林還草政策的實(shí)施,生態(tài)價(jià)值巨大;將坡度小于25°的溝坡地劃分為適宜進(jìn)行溝道整治的主要潛力區(qū)[5],占全鎮(zhèn)總面積的60%多,主要分布在川道河道之間,可以在高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田、梯田建設(shè)后用于農(nóng)耕開發(fā)。賀家川鎮(zhèn)溝道整治潛力區(qū)域分布見圖4。
建立生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展溝道整治模式,是在整治溝道過程中解決當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)脆弱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩難抉擇的有效途徑。
圖4 賀家川鎮(zhèn)溝道整治潛力區(qū)域分布圖Fig.4 Channel landscape renovation potential regional comprehensive distribution
3.1.1 溝底地 溝底地宜采用淤地造壩的整治模式?;谏鲜鲅芯拷Y(jié)果,溝底地主要分布在兩條干流兩岸以及其他幾條季節(jié)性河道川道及毛溝支溝中,其面積占全鎮(zhèn)總面積的10.13%,相對(duì)面積雖小,但土壤濕潤(rùn),肥力較好,是全鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基地,土地改良成本較低,整治潛力巨大。
賀家川鎮(zhèn)的黃河、支流窟野河,及其他幾條主河道川道是多沙產(chǎn)沙發(fā)生要害和徑流泥沙輸送通道,選取這兩條干流上游窄處或平緩寬敞的溝底地,修筑攔沙壩和人工水庫,一方面可以存蓄和增加溝道長(zhǎng)流水,合理調(diào)配水資源的分流,改善支流的季節(jié)性干旱少水的狀況,另一方面可以最大程度地?cái)r蓄、降低河流的泥沙含量,在水體擴(kuò)大的地方欄沙造田,淤積灘濕地和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的壩地。其次在窟野河支流水資源允許的毛溝支溝中,從毛溝到支溝節(jié)節(jié)修筑谷坊群,有效地固定溝床、抬高侵蝕基準(zhǔn)面、防止溝床下切、溝頭前進(jìn)與谷坡擴(kuò)張,這樣經(jīng)過幾年的淤積,并結(jié)合人工整平,上部就能基本恢復(fù)耕作。
3.1.2 溝間地 溝間地宜采用土地整理模式。溝間地分布相對(duì)分散,主要集中在面積狹小的墚峁面上,土地墾殖歷史悠久,面積占全鎮(zhèn)總面積的20.66%,是賀家川鎮(zhèn)目前主要農(nóng)耕區(qū)。該區(qū)域農(nóng)業(yè)雖有所發(fā)展,但由于基本沒有工程措施輔助,難以形成規(guī)模經(jīng)營(yíng),土地產(chǎn)量并不高。針對(duì)這一部分區(qū)域應(yīng)以土地整理為主,提高土地的生產(chǎn)能力,平整土地,種植綠肥,營(yíng)造護(hù)田林網(wǎng),做到用地與養(yǎng)地結(jié)合,提高地力,形成水土保持體系最上部的第一道防線,為溝道治理開發(fā)創(chuàng)造有利條件,避免其侵蝕發(fā)展到一定程度形成溝道。
3.1.3 溝坡地 大量存在的坡耕地和侵蝕溝坡是賀家川鎮(zhèn)土壤侵蝕的主源地,它們雖是水土流失的多發(fā)地,但其存在有利于黃土高原這種半干早地區(qū)有限大氣降水的匯集,為植被生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜生境。這一部分面積廣闊,占到賀家川鎮(zhèn)面積的70%,按照國(guó)家《水土保持工作條例》、《土地法》等政策法令規(guī)定的嚴(yán)禁開荒坡度值25°,將溝坡地分為6°~25°的緩坡地和>25°的陡坡地兩類。
賀家川鎮(zhèn)的溝谷川道和較緩的溝坡地多數(shù)己被開墾為農(nóng)田和梯田,但耕作條件惡劣,自然植被殘留較少,水土流失嚴(yán)重,坡耕地產(chǎn)量低而不穩(wěn),是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)落后的主要原因。針對(duì)這一部分緩坡地以坡改梯田、固地保土為主,坡耕地改建水平梯田,以水平槽整地,坡園地修筑果樹梯、臺(tái)田、大面積造林栽果。通過工程措施在溝底、溝頭坡面營(yíng)造防護(hù)林,增加地面植被覆蓋,削減地面坡度,提高這一部分土地的種植質(zhì)量和棗、中藥材、馬鈴薯等農(nóng)產(chǎn)品的種植產(chǎn)量,大力發(fā)展賀家川鎮(zhèn)以紅棗及紅棗加工業(yè)、雜糧種植為主的特色農(nóng)林經(jīng)濟(jì)。
賀家川鎮(zhèn)的陡坡地集中了神木縣一半以上大于25°的坡耕地,這部分坡耕地應(yīng)積極引導(dǎo)退耕還林,與生態(tài)建設(shè)相結(jié)合,以鋪設(shè)土階、魚鱗坑等工程措施,重點(diǎn)以減少侵蝕,保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境為前提,在已經(jīng)實(shí)施退耕還林的土地部分禁止進(jìn)行溝道土地整治,避免造成新的破壞。
結(jié)合賀家川鎮(zhèn)的自然地理?xiàng)l件,溝道整治是今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi),解決人口、資源、環(huán)境矛盾,緩解水土流失壓力的一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù),特別是在新農(nóng)村、城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程中,開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度加大,新的水土流失不斷產(chǎn)生,未來防治形勢(shì)嚴(yán)峻,關(guān)系到子孫后代的生存發(fā)展。以水土保持綜合治理體系為總體規(guī)劃,高標(biāo)準(zhǔn)防治執(zhí)行,緊密結(jié)合農(nóng)民利益為推行道路,實(shí)行溝底地淤地造壩、溝間地土地整理、緩坡地坡改梯田、陡坡地退耕還林還草的溝道整治模式,這種模式意義不僅僅在于糧食增產(chǎn)、群眾脫貧,還可以是解決神木縣、甚至陜西全省用地指標(biāo)困局的行動(dòng)方向[5]。
3.2.1 科學(xué)規(guī)劃是基礎(chǔ) 針對(duì)研究區(qū)的實(shí)際狀況,為加快溝道土地整治步伐、提升溝道土地整治效果,采取溝道水土保持綜合治理體系較為科學(xué)合理。
首先針對(duì)整流域,連片區(qū)開發(fā)推進(jìn)、全方位進(jìn)行治理,在溝頭防護(hù)、截水壕及溝邊埂上種植沙棘或檸條,防止溝沿?cái)U(kuò)展,以工程養(yǎng)植物,以植物固工程,形成一定規(guī)模的防蝕林;在溝頭垂直水流方向結(jié)合水平槽整地,營(yíng)造喬灌混交林帶,防止溝頭前進(jìn);在支溝、主溝的溝坡營(yíng)造護(hù)坡林,由于研究區(qū)溝坡一般比較陡,首先需要在溝坡采取穴狀整地,然后造林,增加植被覆蓋度,以達(dá)到固持溝坡,防止溝沿?cái)U(kuò)展的目的;在溝內(nèi)宜林地塊營(yíng)造溝底防沖林及速生豐產(chǎn)林,喬灌結(jié)合,采用樹種主要為楊樹、柳樹等深根性、防沖耐濕性的速生樹種。防蝕林、護(hù)坡林和速生林連成一片,形成水土保持綜合治理體系的3道防線[6]。
二是采用工程措施解決治理體系中水資源存蓄問題。改善水利設(shè)施,修水庫,蓄洪水用于灌溉,解決上流無水源或者溝里沒有長(zhǎng)流水,及溝又窄水勢(shì)又猛難以攔蓄流水的難題;建設(shè)引水工程,解決近處既沒有可靠的水源,山上的墚地坡地?fù)P程高的又一難題。
三是采取旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)措施,推廣抗旱、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的農(nóng)作物品種;大力增加渠道、壟溝等防滲節(jié)水工程建設(shè)和資金投入,推廣渠道防滲、管道輸水、噴灌、微灌、膜下滴灌、集蓄灌溉等高效農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水工程和各類節(jié)水灌溉技術(shù),提高渠系水和天然降水的利用效率,改善土壤肥力水平低的鎮(zhèn)內(nèi)農(nóng)業(yè)地區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀。
3.2.2 高標(biāo)準(zhǔn)防治執(zhí)行是關(guān)鍵 賀家川鎮(zhèn)內(nèi)相當(dāng)?shù)牟糠稚a(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沒有采取水土保持措施,擾動(dòng)土地,造成大面積人為新增水土流失,部分山丘區(qū)林棗業(yè)開發(fā)無序,荒山、荒坡開發(fā)強(qiáng)度很大,不少新開墾的山地遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了嚴(yán)禁開墾的25°。作為神木縣的農(nóng)業(yè)重點(diǎn)種植鎮(zhèn),各類生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)將會(huì)維持在一個(gè)較高的水平,為此高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施溝道整治,加強(qiáng)防治結(jié)合,堅(jiān)決遏制新增的人為水土流失是關(guān)鍵。
一是防護(hù),水源區(qū)和山地災(zāi)害易發(fā)區(qū),嚴(yán)格控制進(jìn)行任何形式的開發(fā)建設(shè)活動(dòng),強(qiáng)化開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持的監(jiān)管,杜絕新的人為破壞,不欠或者少欠新帳。
二是整治,坡耕地和侵蝕溝綜合整治,把握好堤壩、排洪渠等工程的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)要素,嚴(yán)格各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在坡面梯田和溝道淤地壩整治中建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)的基本農(nóng)田是最具潛力的一個(gè)途徑。在賀家川鎮(zhèn)許多護(hù)砌地段工程簡(jiǎn)易,標(biāo)準(zhǔn)很低,在強(qiáng)度大而集中的降水時(shí)空,由于施工質(zhì)量和防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高、階面排水系統(tǒng)不完善、設(shè)計(jì)的行洪寬度不能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[7],一旦發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水,全部水毀而形成大量的泥石流,會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的水土流失,整治收效甚微,應(yīng)該緊緊抓住高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)這個(gè)關(guān)鍵,以壩地農(nóng)田相對(duì)高產(chǎn)量和坡面梯田規(guī)模經(jīng)營(yíng)作為保障,農(nóng)民可以放心地退出坡耕地,有利于實(shí)施以川換坡的退耕還林政策。
3.2.3 生態(tài)建設(shè)應(yīng)緊密結(jié)合農(nóng)民利益 由于目前全國(guó)淤壩造地成本相當(dāng)大,坡耕地改造的投入也非常有限。全鎮(zhèn)坡改梯進(jìn)展緩慢,但溝道整治可以大為改善賀家川鎮(zhèn)局部地區(qū)的生產(chǎn)條件,解決后備土地資源逼近枯竭的問題。
在溝道土地整治和生態(tài)建設(shè)中注重基本農(nóng)田建設(shè)。一方面要注重解決老百姓基本生產(chǎn)生活問題,避免出現(xiàn)反彈;另一方面要注意與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的結(jié)合,形成規(guī)模優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng),以理想的經(jīng)濟(jì)效益來鞏固水土保持的成果。
推進(jìn)新增用地指標(biāo)市場(chǎng)化有償交易。賀家川鎮(zhèn)傳統(tǒng)的宅基地整理復(fù)耕、村鎮(zhèn)合并等補(bǔ)充耕地手段成本高、難度大,建設(shè)用地的使用空間極小,長(zhǎng)年陷入用地饑渴問題,用地指標(biāo)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)?shù)貙?shí)際建設(shè)用地需要(目前中央下達(dá)陜西的新增建設(shè)用地指標(biāo),只及當(dāng)?shù)貙?shí)際需求的1/3左右),寄希望在鎮(zhèn)域內(nèi)的千溝萬壑中辟出數(shù)百萬畝良田,加大溝道整治工作推進(jìn),為全縣甚至全省建設(shè)用地置換用地指標(biāo),具有可行性和重大現(xiàn)實(shí)意義。一方面建立耕地占補(bǔ)平衡異地指標(biāo)收購長(zhǎng)期合作機(jī)制,為賀家川鎮(zhèn)治溝造地提供財(cái)力,使溝道糧食成為本鎮(zhèn)今后的增產(chǎn)潛力[8];另一方面為神木縣建設(shè)用地置換用地指標(biāo),成為縣發(fā)展最重要的建設(shè)用地指標(biāo)保障后盾,由于神木縣煤炭、石油等資源開發(fā)巨大,每年下達(dá)用于開發(fā)建設(shè)的新增建設(shè)用地指標(biāo),只及當(dāng)?shù)貙?shí)際需求的1/3左右,根本無法滿足實(shí)際建設(shè)用地需要,年年面臨指標(biāo)透支困境,成為違法用地問責(zé)???。
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西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2014年4期