基于InVEST的贛南地區(qū)小流域水土保持措施優(yōu)化分析

陳巧云

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000)

1 研究區(qū)概況

本次研究小流域位于江西省吉安縣下嶺項(xiàng)目區(qū)境內(nèi)，距離縣城約14km。小流域處于山地向河谷過渡地帶，地勢(shì)由西北向東南傾斜，地形主要為山地，自然坡角為15°～50°，一般坡度較陡，局部較緩。流域?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，年均降雨量653.2mm，多集中于夏季。流域內(nèi)的土壤以褐土為主，部分地區(qū)分布有黃壤和水稻土，且主要分布于海拔較低的丘陵山區(qū)。流域內(nèi)植被覆蓋率為70.21%，主要由喬木和灌木構(gòu)成，由于耕地較少，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)陡坡開荒的情況，并造成植被破壞，在短時(shí)強(qiáng)降雨的作用下容易導(dǎo)致水土流失。

2 流域InVEST 模型的建立

2.1 模型的原理和特點(diǎn)

InVEST模型屬于一種對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的數(shù)學(xué)模型，由美國(guó)斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(TNC)與世界自然基金會(huì)(WWF)聯(lián)合開發(fā)[1-2]。該模型可以通過不同土地覆蓋情境下生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)量與價(jià)值量的變化的模擬，為人類活動(dòng)的效益和影響評(píng)價(jià)提供科學(xué)支持。該模型的最大優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)了評(píng)估結(jié)果的可視化，解決以往的評(píng)估系統(tǒng)側(cè)重于文字表述，直觀性差的問題[3]。該模型自從發(fā)布以來已經(jīng)更新了7個(gè)版本，可以提供淡水系統(tǒng)、海洋系統(tǒng)以及陸地生態(tài)系統(tǒng)3大模塊，并且每個(gè)模塊均有具體的評(píng)估項(xiàng)目[4]。

2.2 小流域坡面侵蝕單元?jiǎng)澐?/h3>

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)小流域的精細(xì)化管理，研究中使用GIS水文工具進(jìn)行流域水文分析模型，以提取小流域的最小單元，并將其作為研究中的坡面侵蝕單元，以利于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和管理[5]。具體而言，本文利用小流域的1∶10000的DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行填洼、水流方向的計(jì)算、河網(wǎng)的提取、傾瀉點(diǎn)的獲取以及盆域提取。在單元提取過程中，需要依據(jù)研究的精度要求設(shè)置合適的匯流閾值，結(jié)合本次研究小流域的實(shí)際情況，經(jīng)過多次閾值設(shè)置試驗(yàn)，最終選定匯流閾值為500，經(jīng)過運(yùn)行模型，最終獲得453個(gè)坡面侵蝕單元，平均面積為9.06hm2。

2.3 模型因子參數(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果以及研究區(qū)的部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡度坡長(zhǎng)因子、植被覆蓋與作物管理因子、水土保持措施因子、潛在蒸散量因子、植物可利用水含量因子、植物蒸散系數(shù)、泥沙持留率等模型因子參數(shù)[6]。在模型構(gòu)建過程中，以上節(jié)劃分的坡面單元為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建，將收集到的文字、圖片、表格資料以及地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)一體化與可視化管理[7]。

3 小流域水土保持措施優(yōu)化

3.1 小流域土地適宜性評(píng)價(jià)

土地的適宜性評(píng)價(jià)是進(jìn)行小流域治理和水土保持的必要前提，只有對(duì)流域內(nèi)的每一塊土地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，才能發(fā)揮每一塊土地的價(jià)值和作用[9-10]。

按照土地利用影響因素方面的研究成果，設(shè)定如下6個(gè)層面的評(píng)價(jià)指標(biāo)：①土地利用現(xiàn)狀，根據(jù)農(nóng)業(yè)部衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲得，并按照農(nóng)林果牧層面的適宜性程度劃分為耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地和水域以及其他用地6個(gè)不同等級(jí)；②土壤侵蝕狀況，按照上節(jié)構(gòu)建的InVEST模型進(jìn)行評(píng)價(jià)結(jié)果獲取，并劃分為輕微侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、嚴(yán)重侵蝕、重度侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕6個(gè)等級(jí)；③流域地貌，根據(jù)陳道明的研究成果進(jìn)行等級(jí)劃分[8]；④研究區(qū)坡度，利用DEM空間數(shù)據(jù)獲取，并劃分為0°～4°、4°～9°、9°～15°、15°～22°、22°～32°以及大于32°等6個(gè)等級(jí)；⑤道路距離緩沖，⑥居民點(diǎn)距離緩沖，上述2個(gè)指標(biāo)根據(jù)單元距離居民點(diǎn)與道路的距離，劃分為0～50、50～100、100～150、150～200、200～250以及大于250六個(gè)等級(jí)。對(duì)選取的指標(biāo)結(jié)合相關(guān)研究成果和小流域的實(shí)際情況，利用層次分析法獲取指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表1。對(duì)于各個(gè)圖層的空間化數(shù)據(jù)在ArcGIS 中按照表1中的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)疊加，最終獲得土地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。

表1 基于層次分析法的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

對(duì)獲取的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理，結(jié)合加權(quán)疊加結(jié)果，提取出土地適宜性柵格面積及所占比例，結(jié)果如圖1—2所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，小流域的土地適宜性整體而言為良好態(tài)勢(shì)，但是在局部地區(qū)仍舊存在比較顯著的差異。從具體的等級(jí)劃分上看，土地坡度較緩，交通條件良好，較為適宜用作農(nóng)用地的第一級(jí)土地面積不大，占總面積的4.41%；交通便利，但是坡度較第一級(jí)陡，可用于果林種植，部分適用于農(nóng)用地的第二級(jí)土地為16.16%；交通不便、坡度更大，比較適合林地和畜牧生產(chǎn)的第三級(jí)土地面積最大，占70.13%；質(zhì)量較差、坡度陡峭的第四級(jí)和第五級(jí)土地占9.31%，應(yīng)該是小流域規(guī)劃建設(shè)的重點(diǎn)改造區(qū)域。

圖1 不同等級(jí)土地面積

圖2 不同等級(jí)土地占比

3.2 小流域土地利用方式的優(yōu)化調(diào)整

結(jié)合水土保持的基本要求和該小流域的實(shí)際情況，確定水土保持綜合治理的主要目標(biāo)如下：①通過土地利用方式的調(diào)整，對(duì)當(dāng)前的水土流失問題產(chǎn)生明顯的抑制性作用，改善小流域的生態(tài)狀況；②通過土地利用方式的優(yōu)化和調(diào)整，強(qiáng)化流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量，保護(hù)好有限的耕地資源，促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；③對(duì)一部分坡度較陡的耕地進(jìn)行使用方式調(diào)整，發(fā)展果林業(yè)等特色經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。

本次調(diào)整的基本思路是基于上文提取的坡面侵蝕單元，結(jié)合土地類型劃分結(jié)果進(jìn)行精細(xì)化管理，根據(jù)中華人民共和國(guó)水利部頒布的《水土保持規(guī)劃技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)水土保持領(lǐng)域的技術(shù)規(guī)范和文件為指導(dǎo)，結(jié)合小流域的土地適宜性評(píng)價(jià)成果，進(jìn)行小流域水土流失治理規(guī)劃?；谘芯啃枰敬窝芯恐袃H考慮林草措施、耕作措施以及部分區(qū)域?qū)嵭械钠渌こ碳夹g(shù)措施?；谏鲜隹紤]，小流域土地利用方式的優(yōu)化調(diào)整思路為：對(duì)流域內(nèi)的絕大部分農(nóng)田予以保留，并利用本文構(gòu)建的模型對(duì)農(nóng)田的土壤侵蝕量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)超標(biāo)的部分應(yīng)該采取相應(yīng)的優(yōu)化處理。具體而言，對(duì)坡度在25°以上，且沒有采取任何水土保持措施的旱田全部退耕還林；對(duì)于土壤侵蝕量在25°以下的坡耕地，如果水土流失量超標(biāo)的，應(yīng)該采取坡該梯措施，同時(shí)結(jié)合小流域土地適宜性評(píng)價(jià)，對(duì)部分情況較好的坡耕地可以采取果林化措施。具體的調(diào)整規(guī)劃見表2，土地利用方式優(yōu)化調(diào)整面積見表3。

表2 小流域土地利用方式優(yōu)化調(diào)整規(guī)劃

表3 小流域土地利用方式優(yōu)化調(diào)整面積統(tǒng)計(jì)

利用模型計(jì)算的成果，基于圖斑的精細(xì)化調(diào)整措施，對(duì)小流域進(jìn)行土地利用方式的優(yōu)化調(diào)整，措施的布置規(guī)化如圖3所示。結(jié)合表2中的結(jié)果，最終采取優(yōu)化措施的面積為1265.12hm2，這與利用模型計(jì)算獲得的小流域土壤侵蝕面積基本一致，說明本文的土地利用方式優(yōu)化調(diào)整措施已經(jīng)基本覆蓋流域內(nèi)的水土流失面積，可以產(chǎn)生良好的水土流失治理和保持效果。

4 結(jié)語

(1)土地資源是是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，而人為因素是造成土壤加速流失的重要原因，開展以小流域?yàn)榛締挝坏乃亮魇ЬC合治理研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)的水土可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義和價(jià)值。

圖3 小流域土地使用方式優(yōu)化調(diào)整措施布置示意圖

(2)本文基于InVEST 模型，對(duì)江西省吉安縣小流域土地利用方式進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出了有針對(duì)性的調(diào)整優(yōu)化措施，對(duì)類似小流域的水土保持工作可提供借鑒。

(3)由于區(qū)域性水土保持工作是一項(xiàng)復(fù)雜、系統(tǒng)工作，不同土地類型、地形和植被條件下的影響因子復(fù)雜多變，在后續(xù)研究中還應(yīng)視具體情況不斷拓展信息來源，以進(jìn)一步提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。