基于GIS的水土保持工程水源涵養(yǎng)評估

徐劍春 王博 羅進選

摘要：國家生態(tài)文明戰(zhàn)略和黃河大保護戰(zhàn)略全面實施，甘肅省水土保持工程建設發(fā)展迅速，在工程建設和水土保持監(jiān)測高標準的要求下，研究基于GIS的監(jiān)測評價方法在小流域尺度的應用具有很強的現(xiàn)實指導意義。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合遙感影像及成果，以水量平衡方程為理論指導，選擇降雨、徑流、蒸散發(fā)數(shù)據(jù)構(gòu)建水源涵養(yǎng)價值評估體系，以文獻分析法獲取經(jīng)驗徑流系數(shù)，利用ArcGIS計算不同因子水源涵養(yǎng)指數(shù)及其面積，分析水源涵養(yǎng)量。以通渭縣牛谷河研究區(qū)為例，根據(jù)項目實施前后的對比，探索小尺度水土保持工程GIS監(jiān)測評價的方法，評估區(qū)域水源涵養(yǎng)價值及其動態(tài)變化；分析結(jié)果表明牛谷河項目區(qū)水源涵養(yǎng)量從6 982.55萬m3增加至8 131.58萬m3，增加了16.46%。

關(guān)鍵詞：水土保持工程；水源涵養(yǎng)；GIS；評估

水源涵養(yǎng)是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要構(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)揮效益的基礎條件，也是改善區(qū)域小氣候、修復區(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 建設概況

近年來研究區(qū)內(nèi)新增建設各類水土保持措施150km2，其中建設梯田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）。

（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。

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。

（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)絡科技資源服務系統(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）。

（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類評價因子柵格圖，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

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)建設項目的監(jiān)測體系和方法。

參考文獻

[1] 郭靈輝，高江波，王天平，等.太行山典型森林水源涵養(yǎng)分層特征與差異研究[J].人民黃河，2018，40（8）：91-95.

[2] 龔詩涵，肖洋，鄭華，等.中國生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)空間特征及其影響因素[J].生態(tài)學報，2017，37（7）：2455-2462.

[3] 賈立，胡光成，鄭超磊，等.中國-東盟1km分辨率地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集（2013）[J].全球變化數(shù)據(jù)學報，2017，1（3）：282-289. DOI：10.3974/geodp. 2017.03.05.

[4] 鄭超磊，賈立，胡光成.全球陸表實際蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集（2013-2014）.國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心，2019. doi：10.11888/Hydro.tpdc.270298.

[5] 莫小娥，張維江，梁如心.海子流域土壤物理特性及其水源涵養(yǎng)能力分析[J].人民黃河，2018，40（1）：71-75.

[6] 鄭飛龍，譚軍利，王西娜，等.黃土高原水源涵養(yǎng)林截蓄降雨研究進展[EB/OL].人民黃河，2019-08-19. http：//kns.cnki.net/kcms/ detail/41.1128.TV.20190819.1117.006.html.

[7] 包玉斌，李婷，柳輝，等.基于InVEST模型的陜北黃土高原水源涵養(yǎng)功能時空變化[J].地理研究，2016，35（4）：664-676.

[8] 羅婭，楊勝天，劉曉燕，等.黃土高原次降雨徑流產(chǎn)沙變化及其與雨強和植被蓋度變化的相關(guān)性[J].干旱區(qū)研究，2015，32（4）：698-709.

課題項目：重大生態(tài)工程水土保持監(jiān)測技術(shù)研究，甘水科外【2017】76號，甘水水保發(fā)【2016】204號。