兩江新區(qū)中嘴河流域開發(fā)過程水土流失分析

曹安康，王志芳，龔 釗

(1.北京大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055； 2.北京大學(xué) 建筑與景觀設(shè)計學(xué)院，北京 100080；3.北京市規(guī)劃委員會，北京 100045)

兩江新區(qū)中嘴河流域開發(fā)過程水土流失分析

曹安康1，王志芳2，龔 釗3

(1.北京大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055； 2.北京大學(xué) 建筑與景觀設(shè)計學(xué)院，北京 100080；3.北京市規(guī)劃委員會，北京 100045)

城市水保；新區(qū)開發(fā)；水土流失；中嘴河流域

以重慶市兩江新區(qū)中嘴河流域為例，通過實地調(diào)研，借助GIS技術(shù)、ERDAS平臺等，定量分析了城市新區(qū)不同開發(fā)階段地塊的土壤流失量，并據(jù)此提出城市水土保持建議。研究表明：城市開發(fā)過程中不同階段水土流失問題的嚴(yán)重性排序為土地平整階段>主體施工階段>未開發(fā)階段>建設(shè)完成階段；開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致土壤侵蝕模數(shù)、土壤流失量、侵蝕強(qiáng)度比例發(fā)生明顯變化；土地平整階段地塊的劇烈侵蝕面積僅次于微度侵蝕，但其產(chǎn)生的土壤流失量最大。

我國是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一[1]。嚴(yán)重的水土流失不僅會造成水資源污染、河流湖庫淤積、洪澇災(zāi)害加重，而且是城市發(fā)展的重要限制性因素之一，容易造成城市雨季內(nèi)澇、生態(tài)環(huán)境破壞等。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國城市化進(jìn)程不斷加快，許多地方新區(qū)建設(shè)項目陸續(xù)上馬。在開發(fā)過程中，大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)往往會嚴(yán)重擾動地表，產(chǎn)生大量水土流失，并且主要集中在施工階段[2]。采取合理的土壤流失量預(yù)測方法開展項目建設(shè)全過程的水土流失監(jiān)測[3-4]，是城市水土流失防治的基礎(chǔ)。Cheng等通過研究項目建設(shè)對水環(huán)境的影響與項目的經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出關(guān)系發(fā)現(xiàn)，對水環(huán)境影響大的項目經(jīng)濟(jì)性就差[5]；Gangolells等在對建設(shè)過程分析的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)化的措施，在前期建設(shè)施工階段處理對環(huán)境潛在的不良影響[6]。為了監(jiān)測新區(qū)開發(fā)建設(shè)過程對水土流失的空間分布造成的影響和不同建設(shè)階段的水土流失特征，本研究以重慶市兩江新區(qū)中嘴河流域為例，基于實地調(diào)研、GIS技術(shù)、ERDAS模擬等，定量分析開發(fā)建設(shè)項目不同建設(shè)階段的土壤流失量，并分析其原因，提出針對城市新區(qū)不同開發(fā)建設(shè)階段的水土保持建議。

1 研究區(qū)概況

中嘴河流域地處重慶市城區(qū)西北，位于114°22′～114°27′E、30°19′～30°21′N，隸屬重慶市渝北區(qū)。2010年6月作為內(nèi)地第一個國家級開發(fā)開放新區(qū)，重慶兩江新區(qū)成立，范圍涵蓋江北、北碚、渝北的部分區(qū)域，中嘴河流域就處于兩江新區(qū)內(nèi)。該流域為典型丘陵地貌，高差起伏大，總體東南高、西北低；屬東亞副熱帶季風(fēng)區(qū)，在西南、東南季風(fēng)的共同作用下降雨充沛，年均降水量1 100 mm左右，但降雨時空分布不均；開發(fā)前，流域內(nèi)地形坡度15%～30%，部分陡坡坡度在60%左右，地表以自然灌叢覆蓋為主，零散分布有部分喬木，部分土地為原住民自耕地；主要河流中嘴河是雨水補(bǔ)給型河流，流域內(nèi)基本無客水入境，地表水自然排向中嘴河，最后匯入嘉陵江。

2 研究方法

采用USLE/RUSLE模型[7]，基于GIS、ERDAS平臺分析中嘴河流域在兩江新區(qū)開發(fā)過程中的土壤流失量及其空間分布，提取處于不同建設(shè)階段地塊的土壤流失量。為方便數(shù)據(jù)對比，選用同一時間節(jié)點(2012年8月)處于不同建設(shè)階段的多個建設(shè)項目的土壤流失量數(shù)據(jù)，來反映新區(qū)開發(fā)造成的水土流失情況。

2.1 USLE方程及因子值的確定

基于美國USLE/RUSLE方程的基本公式，根據(jù)我國實際情況進(jìn)行調(diào)整，確定其中各因子的算法[7-8]。模型表達(dá)式為

A=RKLSCP

(1)

式中：A為年均土壤流失量，t/(hm2·a)；R為降雨和徑流侵蝕因子，MJ·mm/(hm2·h)；K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm)；L、S為地形因子，其中L為坡長因子、S為坡度因子；C為植被與經(jīng)營管理因子；P為治理措施因子。

(1)R因子和K因子。基于地域接近的原則，根據(jù)王萬忠等[8]的研究成果，選用重慶涪陵站R因子值326.4 MJ·mm/(hm2·h)作為該流域R因子計算值。流域內(nèi)土壤類型以紫色土和水稻為主，依據(jù)文獻(xiàn)[9]取紫色土K值為0.37；采用Williams等在建立EPIC模型中使用的方法，利用土壤有機(jī)質(zhì)含量和顆粒組成資料進(jìn)行估算[9]，得到水稻土K值為0.22。

(2)L、S因子。L因子的計算采用Wischmeier、Foster和McCool提出的系列公式[10]，即

L=(λ/22.13)m

(2)

式中：L為坡長因子；m為坡長指數(shù)；λ為坡長，m。

通過室內(nèi)人工模擬和野外徑流小區(qū)觀測收集的資料進(jìn)行多元線性回歸分析得到S因子的計算公式[11]為

S=90.49sin 2θ+3.57sinθ+0.028

(3)

式中：S為坡度因子；θ為坡度，(°)。

(3)C、P因子。C、P因子是水土流失抑制因子，前者代表實際的植被和經(jīng)營管理狀態(tài)下的土壤流失量與裸露連續(xù)閑地的比值，后者代表采用專門措施后的土壤流失量與坡耕地的比值[9]，兩者都受土地利用類型影響。參考相關(guān)研究成果[7, 9]，確定流域內(nèi)不同土地利用類型的C、P因子取值見表1。

表1 不同土地利用/覆被條件下的C、P值

2.2 水土流失狀況分析

(1)土壤流失量及其空間分布。利用研究區(qū)TM遙感影像和數(shù)字高程模型(DEM)、土壤類型分布圖和土地利用現(xiàn)狀圖，運用ArcGIS的空間數(shù)據(jù)管理和分析功能，通過地圖代數(shù)(Map Algebra)功能計算得到USLE公式中各因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)分布圖，對所有因子進(jìn)行連乘的柵格計算，再乘以量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)224.2，得出我國常用單位為t/(km2·a)的土壤流失量柵格數(shù)據(jù)[7]，根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)對中嘴河流域各用地土壤侵蝕程度進(jìn)行分級，平均土壤侵蝕模數(shù)為2 167.67 t/(km2·a)，土壤侵蝕強(qiáng)度分布見圖1，與蔡崇法、史志華、袁克勤等在類似區(qū)域的研究結(jié)果[7, 9, 12]相比均在可比較的范圍內(nèi)或為同樣的數(shù)量級。

(2)不同開發(fā)建設(shè)階段的水土流失分析。以2012年8月為時間節(jié)點，分析兩江新區(qū)中嘴河流域開發(fā)建設(shè)過程中的水土流失特征。根據(jù)兩江新區(qū)總體規(guī)劃和流域控制性規(guī)劃，在2012年8月時間節(jié)點上流域內(nèi)共有105個主要建設(shè)地塊。根據(jù)實地調(diào)研和衛(wèi)星影像分析，其中54個地塊處于未開發(fā)階段、30個地塊處于土地平整階段、14個地塊處于主體工程施工階段、7個地塊處于建設(shè)完成階段。計算流域內(nèi)的土壤流失量及其空間分布，對比不同開發(fā)建設(shè)階段地塊的土壤流失量及侵蝕強(qiáng)度，以反映流域不同開發(fā)建設(shè)階段的水土流失情況。

圖1 中嘴河流域土壤侵蝕強(qiáng)度分布

3 結(jié)果分析

3.1 土壤流失量及其空間分布

2012年8月中嘴河流域土壤流失數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表2。其中，劇烈侵蝕面積占土地總面積的9.56%，高于除微度外的其他侵蝕強(qiáng)度所占比例，劇烈侵蝕土壤流失量占流域土壤流失量的75.01%，遠(yuǎn)高于其他侵蝕強(qiáng)度區(qū)域，可見流域內(nèi)土壤流失量主要來自劇烈侵蝕區(qū)域。該流域土壤侵蝕模數(shù)為2 167.67 t/(km2·a)，遠(yuǎn)大于西南土石山區(qū)土壤允許流失模數(shù)500 t/(km2·a)，說明新區(qū)開發(fā)過程中產(chǎn)生的水土流失十分嚴(yán)重。

表2 中嘴河流域土壤流失面積和流失量

3.2 不同開發(fā)階段土壤流失量

2012年8月不同開發(fā)建設(shè)階段地塊的土壤流失數(shù)據(jù)見表3。由表3知，中嘴河流域不同開發(fā)建設(shè)階段地塊土壤侵蝕模數(shù)排序為土地平整階段>主體工程施工階段>未開發(fā)階段>建設(shè)完成階段，其中土地平整階段和未開發(fā)階段的土壤侵蝕模數(shù)較大，通過ANOVA檢驗，不同開發(fā)建設(shè)階段地塊平均土壤侵蝕模數(shù)之間有顯著差異性。

不同開發(fā)建設(shè)階段地塊的土壤流失量和土壤侵蝕強(qiáng)度分布見表3、4。開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致土壤侵蝕模數(shù)、土壤流失量、侵蝕強(qiáng)度分布發(fā)生明顯變化：土地平整階段，土壤侵蝕模數(shù)迅速增加，尤其是劇烈侵蝕面積占侵蝕總面積的比例明顯上升；在主體施工階段，部分區(qū)域地表硬化，但項目區(qū)遭施工破壞的植被還沒有得到恢復(fù)，劇烈侵蝕面積比例仍較高；在建設(shè)完成階段，除建筑物、道路等地表硬化面積外，周圍非建設(shè)用地植被得以恢復(fù)，土壤侵蝕模數(shù)明顯下降，明顯低于開發(fā)建設(shè)前，輕度及以上侵蝕面積比例均減少。在開發(fā)建設(shè)過程中，土壤侵蝕模數(shù)先增加后減少，說明流域開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致的水土流失的嚴(yán)重程度是階段性的，并且主要發(fā)生在土地平整和主體施工階段。作為面源污染的主要來源，特別是在山地城市，開發(fā)過程中急劇增加的水土流失會對水環(huán)境帶來嚴(yán)重影響。此外，中嘴河流域還具有基礎(chǔ)水土流失面積和流失量較大的特點，這需要引起新區(qū)開發(fā)建設(shè)部門的高度重視，避免走先破壞后治理的老路。

表3 不同開發(fā)建設(shè)階段地塊土壤流失量

表4 不同開發(fā)建設(shè)階段地塊土壤侵蝕強(qiáng)度分布 %

土地平整階段地塊土壤流失最為嚴(yán)重(表5)。該階段地塊劇烈侵蝕面積僅次于微度侵蝕，占土壤流失總面積的18.66%，但其產(chǎn)生的土壤流失量最大，占土壤流失總量的88.30%。中嘴河流域正處于兩江新區(qū)和北部新區(qū)建設(shè)大背景下，屬于城市化過程中集中的城市增量土地開發(fā)建設(shè)階段。大面積區(qū)域正在進(jìn)行土地平整，景觀變化表現(xiàn)為原來的坡地被整理成適合建設(shè)的臺地，自然植被被鏟平，坑塘被填埋，原居民自建的房屋、構(gòu)筑物和自耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地，土地利用類型的調(diào)整會導(dǎo)致下墊面條件的劇烈變化，在降雨和工程活動的影響下產(chǎn)生水土流失。

表5 中嘴河流域土地平整階段地塊土壤流失統(tǒng)計

3.3 城市新區(qū)開發(fā)水土保持建議

通過分析中嘴河流域兩江新區(qū)開發(fā)過程中不同建設(shè)階段的水土流失特征，建議：一方面在新區(qū)開發(fā)過程中土地平整階段水土流失量陡增，因此應(yīng)盡可能縮短土地平整階段和加強(qiáng)土地平整環(huán)節(jié)的水土保持措施。我國的一、二級開發(fā)建設(shè)過程中，土地平整后至開始施工建設(shè)之間存在較長的土壤裸露“窗口期”，建議相關(guān)部門調(diào)整土地出讓程序，加強(qiáng)土地“窗口期”水土資源保護(hù)，有效減少開發(fā)過程中的水土流失。在土地平整階段盡量保留場地原有自然植被，特別是規(guī)劃為綠地的區(qū)域，這樣不僅可以有效控制建設(shè)過程中的水土流失，而且可以作為開發(fā)期間的生態(tài)緩沖區(qū)。此外，對于未開發(fā)階段和主體施工階段的水土流失問題，應(yīng)加強(qiáng)未開發(fā)區(qū)域的環(huán)境保護(hù)，對于施工階段地塊應(yīng)先進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以降低土壤侵蝕強(qiáng)度。另一方面，對比各階段土壤流失量可以看出，絕大多數(shù)是來自劇烈侵蝕區(qū)域。通過實地調(diào)研中嘴河流域開發(fā)過程中各階段的景觀特征，發(fā)現(xiàn)不同建設(shè)階段的劇烈侵蝕區(qū)域有所不同：未開發(fā)區(qū)域主要是耕地，土地平整區(qū)域主要是平整后的裸露土地，主體工程施工區(qū)域主要是設(shè)計為綠地但還未進(jìn)行綠化的區(qū)域。要加強(qiáng)不同開發(fā)階段劇烈侵蝕區(qū)域的重點防護(hù)工作，例如在土地平整和施工建設(shè)環(huán)節(jié)應(yīng)考慮地塊的用地性質(zhì)，盡量保留原有植被，或者在土地平整后和施工建設(shè)期間對裸露區(qū)域進(jìn)行必要的臨時防護(hù)，比如鋪設(shè)防沙防塵網(wǎng)、生物毯等。

4 結(jié) 語

我國城市新區(qū)建設(shè)方興未艾。新區(qū)建設(shè)用地大部分屬于增量土地，大量的自然地和農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地，尤其是一個流域的集中開發(fā)往往意味著原有自然生態(tài)系統(tǒng)的毀滅，建設(shè)過程中會產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失，因此基于不同開發(fā)階段的水土流失分析是城市水土保持工作的重要前提。城市水土保持是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，隨著多學(xué)科研究成果的交叉和引入，未來對新區(qū)開發(fā)中水土流失的治理還需要進(jìn)行更深入的研究。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

受水體污染控制與治理科技重大專項“重慶兩江新區(qū)城市水系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)研究與示范”(2012ZX07307001-03)資助

S157.1

A

1000-0941(2015)10-0012-04

曹安康(1991—)，男，山西臨汾市人，碩士研究生，主要從事景觀規(guī)劃設(shè)計方面的研究。

2015-02-01