皇甫川流域水土保持率變化狀況及閾值預測

董亞維，曹雪峰

(黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021）

水土保持率是反映水土流失預防治理成效的綜合指標[1-4］,已納入美麗中國建設(shè)的評估指標體系。2021年,全國各省(區(qū))水行政主管部門根據(jù)水利部要求開展了本轄區(qū)水土保持率遠期目標值的復核工作,水利部水土保持司會同黃河水利委員會研究確定了黃河流域九省(區(qū))水土保持率。目前,關(guān)于水土保持率的研究處于起步階段,已有成果多為重點關(guān)注區(qū)域的實際計算成果,有關(guān)黃河中游重點支流水土保持率的研究鮮有報道。本文基于黃河中游多沙粗沙區(qū)重點支流皇甫川流域2006年和2011年水土保持遙感監(jiān)測成果、2019年度全國水土流失動態(tài)監(jiān)測成果(黃河中游多沙粗沙區(qū)部分),進行皇甫川流域水土保持率動態(tài)變化情況分析及閾值預測,以期為其他支流水土保持率閾值的確定及黃河流域水土流失精準治理等提供參考。

1 流域概況與研究方法

1.1 流域概況

皇甫川流域位于黃河中游黃土高原與鄂爾多斯高原的交接地帶,屬水蝕風蝕過渡區(qū),發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗點畔溝,自西北流向東南,在陜西省府谷縣下川口村注入黃河,是黃河北干流北部的一級支流之一,干流長137 km,流域面積3246 km2,涉及內(nèi)蒙古自治區(qū)達拉特旗、準格爾旗和陜西省府谷縣等3個縣(旗)。流域絕大部分區(qū)域?qū)冱S河中游粗泥沙集中來源區(qū)。流域內(nèi)降水年際和年內(nèi)變化較大,年降水量350～450 mm,6—9月降水量占全年的80%以上；降水量空間差異也較大,由東南向西北遞減。多年平均徑流量1.54億m3,多年平均輸沙量5050萬t。流域內(nèi)植被類型屬于典型的干旱草原植被。流域內(nèi)侵蝕類型多樣,總體表現(xiàn)為以水力侵蝕為主,水力侵蝕、重力侵蝕和風力侵蝕共同存在[5-8］?；矢Υ饔蛟邳S河流域水土流失分區(qū)中屬黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū),根據(jù)地形地貌特征、地表組成物質(zhì)、土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展規(guī)律等,可進一步把皇甫川流域劃分為黃土丘陵區(qū)、蓋沙區(qū)、砒砂巖區(qū)3個水土流失亞區(qū)。

1.2 研究方法

水土保持率指區(qū)域內(nèi)水土保持狀況良好的面積(非水土流失面積)占區(qū)域國土面積的比例,分為水土保持率現(xiàn)狀值和水土保持率閾值(遠期目標值)。其中,水土保持率閾值是通過水土流失預防和治理,區(qū)域內(nèi)水土保持狀況良好的面積占區(qū)域國土面積比例的上限,其反映的是在符合自然規(guī)律并滿足經(jīng)濟社會發(fā)展要求的情況下水土流失預防和治理應當達到的程度。結(jié)合生態(tài)文明建設(shè)和美麗中國建設(shè)要求,依據(jù)水利部水土保持司對水土保持率復核的有關(guān)要求,確定本研究中的閾值年份為2050年、現(xiàn)狀基準年為2019年。水土保持率現(xiàn)狀值和水土保持率閾值計算公式分別為水土保持率現(xiàn)狀值＝區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕強度在輕度

水土保持率現(xiàn)狀值計算的關(guān)鍵是確定土壤侵蝕強度在輕度以下的現(xiàn)狀國土面積,基于2006年、2011年、2019年水土流失動態(tài)監(jiān)測成果、《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)、中國土壤流失方程[9-11］,首先計算水土流失面積即輕度及以上各級強度土壤侵蝕面積,然后從區(qū)域國土面積中扣除水土流失面積,即可得到區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕強度在輕度以下的現(xiàn)狀國土面積。水土保持率閾值計算的關(guān)鍵是確定區(qū)域內(nèi)水土保持狀況良好面積的上限,參考曹文洪等[12］提出的方法,以現(xiàn)狀基準年水土流失面積為基礎(chǔ),結(jié)合研究區(qū)實際情況,首先確定遠期目標年不需要治理和不可完全治理的水土流失面積,然后從區(qū)域國土面積中扣除不需治理和不可完全治理的水土流失面積,即可得到區(qū)域內(nèi)水土保持狀況良好面積的上限。

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理

(1)土壤侵蝕強度等級計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等。遙感影像數(shù)據(jù)方面,2006年和2011年信息源為采用DMC數(shù)字航攝儀拍攝的真彩色、彩紅外和黑白數(shù)碼航空影像,分辨率0.36 m；2019年信息源為分辨率為2 m的資源三號、高分一號衛(wèi)星影像和分辨率為250 m的MODIS數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)方面,2006年、2011年采用1∶1萬數(shù)字高程模型(DEM)提取研究區(qū)坡度、坡長信息,2019年采用1∶5萬數(shù)字高程模型(DEM)提取研究區(qū)坡度、坡長信息。

(2)水土流失面積數(shù)據(jù)。水土流失面積指輕度及以上各級強度土壤侵蝕面積之和。2006年、2011年土壤侵蝕模數(shù)的計算:依據(jù)DEM提取坡度專題數(shù)據(jù),結(jié)合土地利用、植被覆蓋度、《土壤侵蝕分類分級標準》確定土壤侵蝕模數(shù)[7］。2019年土壤侵蝕模數(shù)的計算:基于土地利用、土壤類型、地形、降雨、植被等因子,采用中國土壤流失方程[10］確定水力侵蝕區(qū)土壤侵蝕模數(shù)；根據(jù)遙感影像解譯獲取的土地利用類型(耕地、灌草地、沙地等)選用對應的風力侵蝕模型,確定風力侵蝕區(qū)土壤侵蝕模數(shù)。各單元土壤侵蝕模數(shù)計算完成后,按照《土壤侵蝕分類分級標準》,對各級強度土壤侵蝕面積進行合并計算,得到研究區(qū)水土流失面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 水土流失動態(tài)變化情況

皇甫川流域2006年、2011年、2019年3個年度水土流失監(jiān)測結(jié)果見表1、圖1。

圖1 不同年度各級土壤侵蝕分布情況

表1 不同年度各級土壤侵蝕面積統(tǒng)計 km2

由表1可知,2006—2019年皇甫川流域水土流失(輕度及以上土壤侵蝕)面積呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,與2006年相比,2019年水土流失面積減少1180.01 km2,減幅達42.5%,表明13 a間水土流失治理和生態(tài)保護效果顯著。從各級土壤侵蝕強度等級來看,2006—2019年非水土流失面積大幅度增加,屬水土流失的5個侵蝕強度等級中,輕度、強烈面積增加,中度、極強烈、劇烈侵蝕面積明顯減少。結(jié)合不同年度土地利用、植被覆蓋度監(jiān)測結(jié)果等進行各級土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)移分析表明,2019年增加的強烈土壤侵蝕面積由極強烈、劇烈土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移而來。

2.2 水土保持率現(xiàn)狀值及動態(tài)變化

依據(jù)表2中不同年度輕度以下土壤侵蝕面積,計算的2006年、2011年、2019年水土保持率分別為14.39%、15.84%、50.74%,2006—2011年年均增長0.29個百分點,2011—2019年年均增長4.36個百分點,在13 a研究時段內(nèi)后8 a增長速度高于前5 a的。

2.3 水土保持率閾值預測

綜合考慮水土流失現(xiàn)狀及治理難易程度、自然地理條件、經(jīng)濟社會發(fā)展及其對水土保持生態(tài)建設(shè)的要求等,從地形地貌、土地利用和人類活動等土壤侵蝕的主要影響因素入手,分析確定現(xiàn)狀水土流失面積中哪些不需要治理、哪些不可完全治理,進而研判流域內(nèi)遠期可能長期存在的水土流失面積、水土保持狀況良好面積的上限,進而預測計算水土保持率閾值。

2.3.1 不需要治理的水土流失面積

不需要治理的水土流失區(qū)的研判規(guī)則:高寒、高海拔人口稀疏地區(qū),集中連片沙漠、戈壁及部分沙地,集中連片裸露基巖等現(xiàn)存水土流失區(qū)。皇甫川流域處于毛烏素沙地與黃土高原的過渡地區(qū),在風力侵蝕區(qū)存在的集中連片沙地自然氣候環(huán)境惡劣,治理難度大、經(jīng)濟投入高、見效慢,因而對其水土流失治理主要是在毛烏素沙地周邊進行適度治理以防止沙漠擴張和風沙危害,可全部計入遠期存在的水土流失面積。由2019年全國水土流失動態(tài)監(jiān)測成果可知,研究區(qū)集中連片沙地輕度以上侵蝕面積為2.61 km2,本研究將其計入遠期存在的水土流失面積,即研究區(qū)不需要治理的水土流失面積為2.61 km2。

2.3.2 不可完全治理的水土流失面積

不可完全治理的水土流失區(qū)的研判規(guī)則:一是陡坡水力、重力混合侵蝕區(qū),一般分布在溝沿線以下溝坡；二是必要的生產(chǎn)建設(shè)活動造成的階段性人為水土流失區(qū)。

有關(guān)研究成果表明25°是陡坡地土壤侵蝕發(fā)生較大變化的臨界坡度,《中華人民共和國水土保持法》及《陜西省水土保持條例》均規(guī)定禁止在25°以上陡坡地開墾種植農(nóng)作物,內(nèi)蒙古自治區(qū)將禁止開墾的最小坡度限定為15°。這些禁墾陡坡地的水土流失防治以退耕還林還草、生態(tài)自我修復為主[13］,見效慢且不穩(wěn)定,可視為不能治理到輕度以下的水土流失?；谌珖亮魇討B(tài)監(jiān)測成果分析可知,25°以上陡坡區(qū)域即使局部植被覆蓋度較高,也依然存在較嚴重的水土流失,發(fā)生水土流失的面積比例約為90%。采用皇甫川流域1∶1萬DEM提取25°以上陡坡面積為1025.3 km2,占流域面積的31.59%。綜合考慮治理的難易程度[14］、混合侵蝕作用以及治理的技術(shù)經(jīng)濟可行性,將研究區(qū)25°以上發(fā)生水土流失的陡坡面積(占陡坡地總面積的90%)作為不可完全治理的水土流失面積,據(jù)此推算的不可完全治理的水土流失面積為922.77 km2。

根據(jù)2019年全國水土流失動態(tài)監(jiān)測成果,皇甫川流域人為水土流失地塊輕度及以上土壤侵蝕面積約為4.7 km2,即必要的生產(chǎn)建設(shè)活動造成4.7 km2水土流失面積。根據(jù)水利部加強生產(chǎn)建設(shè)項目“事中事后監(jiān)管”的相關(guān)要求,施工過程中臨時苫蓋、攔擋及建筑物地面硬化等可一定程度減少水土流失,暫認為該年度4.7 km2的水土流失面積有30%進行了治理且達標,即實施治理后仍有不可完全治理的水土流失面積3.29 km2。

綜上所述,皇甫川流域遠期不可完全治理的水土流失面積為926.06 km2。

2.3.3 水土保持率閾值

綜上,皇甫川流域不需要治理的水土流失面積為2.61 km2、不可完全治理的水土流失面積為926.06 km2,將長期存在的水土流失面積為928.67 km2,遠期目標年份(2050年)水土保持狀況良好的面積即非水土流失面積為2317.33 km2,對應的水土保持率閾值為71.39%。為了實現(xiàn)水土保持遠期目標,在現(xiàn)狀水土流失面積1598.98 km2的基礎(chǔ)上,還應通過預防和治理再減少水土流失面積670.31 km2。

由《2019年中國水土保持公報》可知西北黃土高原區(qū)水土保持率現(xiàn)狀值為63.44%[1］,水利部研究提出的西北黃土高原區(qū)水土保持率遠期目標值為72.63%[12］。與之對比,皇甫川流域水土保持率閾值略低,考慮到流域內(nèi)分布的砒砂巖等水土流失嚴重且治理難度極大,認為上述皇甫川流域水土保持率閾值71.39%基本合理且可以實現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1)2006—2019年皇甫川流域水土流失面積和強度呈現(xiàn)“雙下降”趨勢,水土流失面積減少1180.01 km2,由2006年的2778.99 km2減少到2019年的1598.98 km2,劇烈和極強烈土壤侵蝕面積明顯減少、輕度以下土壤侵蝕面積明顯增加。

(2)2006年、2011年、2019年水土保持率分別為14.39%、15.84%、50.74%,2050年水土保持率閾值為71.39%。

(3)皇甫川流域不需要治理的水土流失面積為2.61 km2,不可完全治理的水土流失面積為926.06 km2,遠期將長期存在的水土流失面積為928.67 km2,為了實現(xiàn)水土保持遠期目標,還應通過預防和治理再減少水土流失面積670.31 km2。

建議加強水土保持監(jiān)測工作,進一步研究黃河中游水土流失嚴重地區(qū)各支流水土流失治理對黃河流域水土保持率的貢獻,為黃河流域水土流失精準治理、水土保持生態(tài)建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐。