基于GIS的水土保持工程水源涵養(yǎng)評估
——以通渭縣牛谷河項目區(qū)為例

徐劍春，王 博，羅進選

（甘肅省水土保持科學研究所，甘肅蘭州 730020）

水源涵養(yǎng)是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要構(gòu)成，是水土保持工程效益的重要組成，也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境直接影響人類生產(chǎn)生活的重要生態(tài)功能[1]。尤其在重要水源區(qū)和干旱缺水地區(qū)，水源涵養(yǎng)功能是保證區(qū)域植物群落存活并充分發(fā)揮效益的基礎(chǔ)條件，也是改善區(qū)域小氣候、修復(fù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)、保障區(qū)域生態(tài)安全、提升區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的重要指標。甘肅省是全國水土流失最嚴重的省區(qū)之一，水土流失面積大、范圍廣、類型多、強度高、危害重，嚴重制約著區(qū)域經(jīng)濟、社會發(fā)展。尤其是隴中區(qū)域干旱缺水，對于提升區(qū)域水源涵養(yǎng)的要求更為迫切。水源涵養(yǎng)功能是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)重要服務(wù)功能之一，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況的重要指示器[2]。影響區(qū)域水源涵養(yǎng)功能發(fā)揮的因素很多，主要包括區(qū)域干旱程度、植被攔蓄能力、土壤入滲程度、降雨強度等，以及水分在各因素之間運移、轉(zhuǎn)化的自然過程；水源涵養(yǎng)功能的變化也能反作用于區(qū)域氣候、水文、土壤、植被等自然因素；直接影響區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮。對于水源涵養(yǎng)的研究成果很多，各類評估方法也較為成熟，但對小流域尺度利用遙感數(shù)據(jù)結(jié)合實地測量，展開小流域尺度的水源涵養(yǎng)動態(tài)評估的研究尚不多見。甘肅省中部的黃土丘陵溝壑區(qū)屬于典型的半干旱區(qū)，區(qū)域內(nèi)降水時空分布不均，水資源貧乏，缺水成為區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善、社會及經(jīng)濟發(fā)展的主要制約因素，在小流域尺度上定量的評估甘肅省黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持工程水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮，分析其影響因素及空間特征，對科學認識黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持工程的水源涵養(yǎng)功能，合理保護和利用區(qū)域水土資源，展開黃河上中游區(qū)域大保護，穩(wěn)定和增強甘肅省生態(tài)屏障作用，制定區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃、設(shè)計、政策等，具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域概況

本文研究區(qū)位于國家水土保持重點治理區(qū)的甘肅省通渭縣西北部，黃河二級支流渭河一級支流牛谷河流域上中游，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)。牛谷河上游流域共包含有馬營、水岔、李家大河、朱家營灘、段家峽、萬家岔、蔣家川7條主要支流，研究區(qū)域內(nèi)高差為747m，干溝長37.5km，干溝比降2.6%，主支溝長64.6km，主支溝平均比降3.7%，其它支毛溝長491.91km，溝壑密度1.43km/km2。研究區(qū)地理位置介于東經(jīng)104°54′41″-105°17′20″，北緯35°10′08″-35°23′34″之間，海拔1 774-2 521m，地貌為黃土梁峁溝壑地貌，溝壑占比達9.0%，小支毛溝多為“V”型溝，主支溝多為“U”型溝。研究區(qū)屬中溫帶季風大陸性氣候，多年平均≥10℃的活動積溫1 226℃，年均氣溫6.6℃，年平均太陽輻射總量為129kj/（cm2.a），多年平均日照時數(shù)2 239h，多年平均無霜期131d，多年平均大風日數(shù)為32天。研究區(qū)內(nèi)包含42個行政村，人口密度166人/km2，人均耕地0.37hm2，涉及通渭縣的華嶺鎮(zhèn)、馬營鎮(zhèn)、北城鋪鎮(zhèn)、三鋪鄉(xiāng)、平襄鎮(zhèn)、隴陽鎮(zhèn)共5鎮(zhèn)1鄉(xiāng)。

1.2 建設(shè)概況

近年來研究區(qū)內(nèi)新增建設(shè)各類水土保持措施150km2，其中建設(shè)梯田4 007hm2，水土保持林2 085.4hm2，水土保持種草1 664hm2，封禁治理7 017.11hm2，新建土谷坊210座，水窖96眼，溝頭防護4.24km。

在地形坡度小于15°距村莊較近的坡耕地中建設(shè)水平梯田；坡度15°-25°距村莊較遠立地條件和水分條件較好的坡耕地中退耕種植紫花苜蓿；坡度＞25°的陡坡耕地及15°-25°植被稀疏的荒山荒溝，水平階整地后種植側(cè)柏及沙棘；陡坡耕地及荒坡，魚鱗坑整地后種植山杏、檸條、沙棘；對于坡度＞35°且水土流失嚴重的荒坡荒溝以及不宜布設(shè)其它防治措施的荒地采用封禁措施；根據(jù)各流域具體地形條件和溝道特征，選擇適宜的地點全面建設(shè)谷坊及溝頭防護措施。

2 評價方法

2.1 評價指標及模型

水源涵養(yǎng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)對降雨進行分配的一個過程，通過土壤的入滲、微地形的截留、植物攔蓄與蒸騰、地表蒸發(fā)等，再利用區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)特定結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)降雨、水流、水循環(huán)的調(diào)控來影響水源涵養(yǎng)量。水源涵養(yǎng)的生態(tài)功能主要體現(xiàn)在消減降雨侵蝕力，減輕土壤濺蝕，緩和徑流形成，拉長行洪時間，降低洪水危害，增加土壤含水量，補充地下水，滯洪補枯、降低徑流波動，保證水質(zhì)等方面。陸地生態(tài)系統(tǒng)中影響水源涵養(yǎng)的因素很多，主要有地表覆蓋因子、降雨強度因子、地形地貌因子、農(nóng)業(yè)耕作方式、土壤植被類型等。在本文中以水源涵養(yǎng)量作為水土保持工程水源涵養(yǎng)功能的評估指標，采用水量平衡方程的基本原理來計算區(qū)域水土保持工程的水源涵養(yǎng)量。評估模型為：

式中：TQ為水源涵養(yǎng)量（m3），Pi為第i區(qū)域年均降雨量（mm），Ri為第i區(qū)域年均地表徑流量（mm），ETi為第i區(qū)域年均蒸散發(fā)量（mm），Ai為第i區(qū)域面積（km2），i為研究區(qū)不同影響因子綜合分析形成數(shù)據(jù)集中的第i個單元，j為研究區(qū)影響因子數(shù)據(jù)集的單元數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)上述水量平衡方程以及各類影響因子的分析，進行水土保持工程水源涵養(yǎng)評估所需數(shù)據(jù)主要有：氣象數(shù)據(jù)集（年均降雨量、雨強、氣象站分布資料等）、蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集（研究區(qū)年均蒸散發(fā)量分布柵格圖）、土壤數(shù)據(jù)集（土壤類型及分布、主要土壤的理化性質(zhì)、實測土壤繪制的柵格圖、現(xiàn)場調(diào)查的土地利用類型分布）、高程數(shù)據(jù)集（DEM數(shù)據(jù)及治理完成區(qū)域高程測量資料）、遙感影像等，具體計算中在收集現(xiàn)有遙感資料的基礎(chǔ)上，對遙感數(shù)據(jù)尺度較大的采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)加密后進行插值計算。

（1）降雨量因子

研究區(qū)附近有2處氣象觀測站，華家?guī)X氣象站緯度35.38°經(jīng)度104.83°海拔2 450.6m，通渭氣象站緯度35.22°經(jīng)度105.23°海拔1 768.2m，系列資料均能夠滿足評價所需。降雨量因子，利用2處氣象站觀測的年均數(shù)據(jù)，采用ArcGIS軟件，插值計算繪制降雨量因子（P值），柵格分布圖（見圖1）。

圖1 降雨量因子（P）插值分布圖

（2）地表徑流因子

地表徑流因子利用地表徑流量來進行分析，在本文中采用經(jīng)驗值計算徑流量，即由降雨量乘以地表徑流系數(shù)獲得，計算公式如下：

式中：R為地表徑流量（mm），P為多年平均降雨量（mm），α為該區(qū)域平均地表徑流系數(shù)。

平均地表徑流系數(shù)主要依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的治理前后植被類型區(qū)、土地利用類型，在ArcGIS中繪制形成要素圖，結(jié)合研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù)，篩選通過文獻分析法獲取的各類地表徑流經(jīng)驗值（見表1），將經(jīng)驗值賦值在繪制的要素圖中，轉(zhuǎn)制形成地表徑流柵格圖。

表1 各類型生態(tài)系統(tǒng)地表徑流系數(shù)均值表

在ArcGIS中利用柵格計算器，根據(jù)公式（2）及降雨量柵格圖，繪制治理前后的地表徑流因子（R值）柵格分布圖。

圖2 治理前徑流系數(shù)（α）分布圖

圖3 治理后徑流系數(shù)（α）分布圖

（3）蒸散發(fā)因子

蒸散發(fā)因子根據(jù)國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)科技資源服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)站提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)空間分辨率為1km，通過ArcGIS 軟件對柵格圖像重采樣后得到小流域尺度的蒸散發(fā)因子（ET）柵格分布圖（見圖4）。

圖4 項目區(qū)蒸散發(fā)量（ET）分布圖

（4）面積因子

面積因子利用治理前后的水源涵養(yǎng)指數(shù)（P-RET）柵格分布圖，在ArcGIS中計算獲取不同指數(shù)單元的面積。

2.3 水源涵養(yǎng)能力計算

將降雨量因子（P）、地表徑流因子（R）、蒸散發(fā)因子（ET）3類評價因子?xùn)鸥駡D，統(tǒng)一形成10m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，在ArcGIS中利用柵格計算器，根據(jù)評價模型P-R-ET計算得到水源涵養(yǎng)指數(shù)（P-RET）柵格分布圖（見圖5、圖6）。在計算得出的柵格圖中提取不同模塊的面積數(shù)據(jù)，根據(jù)評估模型加權(quán)計算治理前后的水源涵養(yǎng)量。

3 評價結(jié)果

根據(jù)以上得出的治理前后水源涵養(yǎng)量（TQ）分布圖（見圖7、圖8），分析牛谷河項目區(qū)水土保持工程實施前后水源涵養(yǎng)能力的變化（見表2），造成項目區(qū)水源涵養(yǎng)量變化的主要原因為通過各類水土保持措施的實施，改變了地表起伏度（坡度、坡長），增加了項目區(qū)植被覆蓋系數(shù)，從而降低項目區(qū)徑流系數(shù)，提高水源涵養(yǎng)力。

從表2得出牛谷河區(qū)域水源涵養(yǎng)量從6 982.55萬m3增加至8 131.58萬m3，增加了1 149.03萬m3，增加了16.46%。

4 結(jié)語

圖5 治理前水源涵養(yǎng)指數(shù)（P-R-ET）分布圖

圖6 治理后水源涵養(yǎng)指數(shù)（P-R-ET）分布圖

圖7 治理前水源涵養(yǎng)量（TQ）分布圖

圖8 治理后水源涵養(yǎng)量（TQ）分布圖

表2 治理前后項目區(qū)水源涵養(yǎng)變化分析表

基于遙感及GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)進行生態(tài)項目監(jiān)測，是水土保持監(jiān)測行業(yè)未來發(fā)展的方向，探索小流域尺度的GIS監(jiān)測評價體系及方法，研究現(xiàn)場實測結(jié)合遙感分析的數(shù)據(jù)獲取及處理技術(shù)，具有很強的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。本文嘗試利用GIS技術(shù)針對具體治理項目展開監(jiān)測，但還存在遙感數(shù)據(jù)精度不高，現(xiàn)場氣象監(jiān)測等數(shù)據(jù)來源較少，通用計算模型與區(qū)域?qū)嶋H不完全匹配等一些問題，還需后續(xù)進一步展開相關(guān)研究，逐步完善甘肅省水土保持生態(tài)建設(shè)項目的監(jiān)測體系和方法。