平原河道水土流失成因及其防治措施研究

郭秀麗

(菏澤市河湖流域工程管理服務(wù)中心，山東 菏澤 274000)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使工業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車(chē)道，也導(dǎo)致大量地區(qū)出現(xiàn)水土流失情況[1-2]。通常來(lái)講，水土流失是自然因素與人為因素共同作用所導(dǎo)致的。近年來(lái)，全球土壤因?yàn)槭艿剿亮魇У挠绊懼饾u產(chǎn)生鹽漬化等問(wèn)題，輕則喪失資源能力，重則導(dǎo)致糧食危機(jī)，進(jìn)而影響人類(lèi)生存發(fā)展[3-4]。因此，水土流失治理成為當(dāng)前國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。Mazigh N等[5]通過(guò)利用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)，對(duì)所研究區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，并制定了水土流失的直觀圖，為其進(jìn)行水土保持提供幫助。楊亮[6]通過(guò)對(duì)林業(yè)技術(shù)措施進(jìn)行審圖探討，在判斷出我國(guó)水土流失成因的基礎(chǔ)上，提出了有關(guān)林業(yè)技術(shù)措施在水土流失上的應(yīng)用策略，為防治水土流失提供有效幫助。吳揚(yáng)等[7]通過(guò)對(duì)延安縣的磚窯灣小流域進(jìn)行詳細(xì)研究，總結(jié)歸納其水土流失發(fā)生的原因，為其綜合治理提供了建設(shè)性意見(jiàn)。

本文利用RUSLE模型，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)某水利工程推進(jìn)到整個(gè)山東平原地區(qū)，為山東平原地區(qū)水土流失提供有效的防治措施建議。

1 山東平原地區(qū)河道水土流失成因分析

1.1 山東平原地區(qū)河道水土流失特征與成因分析

水土流失是指土壤在水流的作用下被侵蝕、搬運(yùn)、沉淀的全過(guò)程。在天然條件下，單純的自然條件下，由于天然因素造成的地表沖刷速度很慢，往往與土壤形成過(guò)程保持相對(duì)平衡，從而使坡面得以完好。在人為的作用下，尤其是人為造成的對(duì)坡地植被的嚴(yán)重破壞，使坡面植被受到人為的破壞，使土壤的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)加快，從而導(dǎo)致了水土流失[8-9]。常見(jiàn)的水土流失處于高原地帶，如我國(guó)的黃土高原。但在平原地區(qū)也存在大量的水土流失現(xiàn)象，平原地區(qū)的水土流失問(wèn)題不僅存在，在一定條件下會(huì)導(dǎo)致平原地區(qū)形成不同程度的土壤侵蝕、河岸崩塌、水質(zhì)惡化、農(nóng)田侵蝕、洪水風(fēng)險(xiǎn)增大等，因此平原地區(qū)的水土流失治理勢(shì)在必行[10-11]。本文以山東平原地區(qū)河道為對(duì)象，在研究其成因的基礎(chǔ)上，分析其發(fā)生規(guī)律，從而提出相關(guān)治理措施。

山東地區(qū)位于我國(guó)北部的水力沖刷類(lèi)型區(qū)，黃河古道沿線(xiàn)有一定的風(fēng)蝕作用，其他地區(qū)主要是水力沖刷。其中，超過(guò)99%為水力沖刷，在水力侵蝕中，主要是表面侵蝕，溝蝕和崩崗侵蝕很少見(jiàn)，只有當(dāng)基巖的風(fēng)化層厚度和陡峭的地勢(shì)時(shí)才會(huì)發(fā)生。山東平原地區(qū)由于其特殊的地理環(huán)境和南北氣候的交界處，河道水土流失呈現(xiàn)多種特征，具體見(jiàn)圖1。

圖1 山東平原地區(qū)河道水土流失特征

從圖1中可以看出，山東平原地區(qū)河道地區(qū)水土流失總量并不是很大，但其分布較為廣泛，且強(qiáng)度較低，潛在威脅比較大；山東平原地區(qū)河道整體水土流失影響河道干流比較小，對(duì)支流影響比較大；其水土流失造成因素比較復(fù)雜，由多種因素組合造成。山東平原地區(qū)每年大雨時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生大量的泥沙，這些泥沙大部分都是在附近的山溝、中小河道、庫(kù)塘和排水溝中。A河道干流中游存在大量的閘壩，在汛期水位高時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致支流水位的頂托，對(duì)干流影響不大。山東地區(qū)河道水土流失造成的因素有很多，形成因素比較復(fù)雜，具體成因見(jiàn)圖2。

圖2 山東平原地區(qū)河道水土流失成因

從圖2中可以看出，造成山東平原地區(qū)河道水土流失的原因包含自然因素和人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)因素。其中，自然因素中包含氣候因素、土壤地質(zhì)因素、地形因素以及植被因素。在氣候因素中，造成水土流失比較顯著的是降水和風(fēng)，雨雪中的雨量、雪量等都會(huì)對(duì)土壤的侵蝕產(chǎn)生影響，風(fēng)則是利用風(fēng)速形成的風(fēng)力對(duì)土壤進(jìn)行侵蝕，從而導(dǎo)致水土流失。隨著黃河侵奪A河道，山東平原地區(qū)水土流失逐漸加重。坡度、坡長(zhǎng)、溝壑密度等次生因子對(duì)水土流失也有較大影響，山東平原地區(qū)地形從西北到東南，除東北幾座低矮的丘陵，其余都是平緩的。由于地勢(shì)的原因，雨水從高處向低洼地區(qū)匯集，在匯集過(guò)程中，不斷沖刷泥土，夾帶泥沙，在地勢(shì)較低處堆積，形成水土流失。

在自然因素中，植物是可以有效阻止水土流失的主要因子。在植被較好的地方，即使在陡峭的山坡上、在較弱的土壤上、在暴雨和風(fēng)暴中，也很難造成水土流失。植物的防蝕作用主要體現(xiàn)在攔截緩沖雨水等對(duì)土壤的直接沖擊。山東地區(qū)連年植被覆蓋率逐漸下降，從而水土流失嚴(yán)重。

在人為因素中，主要還是經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使各類(lèi)項(xiàng)目逐漸生成開(kāi)展，從而對(duì)山東地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞，導(dǎo)致防止水土流失能力逐漸下降。

1.2 山東平原地區(qū)水土流失侵蝕量計(jì)算模型

水土流失是一種復(fù)雜的、綜合性的自然地理現(xiàn)象，其最初涵義是由于侵蝕外部因素的影響，導(dǎo)致土壤中的微粒和水分的損失，由于雨水的拍打和徑流的沖刷，造成土壤顆粒的剝落和運(yùn)動(dòng)，并且由于地貌和土地利用模式的重新分布，造成了實(shí)際的水土流失。為了針對(duì)性地給出防治措施，需要對(duì)山東平原地區(qū)水土侵蝕量進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)督預(yù)測(cè)，并進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)的水土流失規(guī)律，進(jìn)而提出相應(yīng)措施。研究利用美國(guó)修正后的通用土壤流失方程模型(Revise Universal Soil Loss Equation，RUSLE)，該模型計(jì)算的水土流失總量由降雨對(duì)土壤的侵蝕力、土壤自身具備的可蝕性、植被相關(guān)的因子、水資源保護(hù)的因子以及地形因子所決定。RUSLE模型的水土流失計(jì)算流程見(jiàn)圖3。

圖3 RUSLE模型水土流失計(jì)算流程

從圖3中可以看出，RUSLE模型中的水土流失計(jì)算流程首先是需要進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，然后開(kāi)始同步利用數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)對(duì)地形進(jìn)行數(shù)字化模擬、將植被的指數(shù)進(jìn)行歸一化處理(Normalized Vegetation Index，NDVI)、收集土壤、降雨以及土壤利用數(shù)據(jù)；然后利用DEM得出坡長(zhǎng)坡度因子、運(yùn)用NDVI得出植被覆蓋和管理因子、利用土壤數(shù)據(jù)得到土壤可侵蝕性因子、利用降雨數(shù)據(jù)獲得降雨侵蝕力以及根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)獲得水土保持措施因子；最后得出水土流失模數(shù)。

在這個(gè)過(guò)程中，5個(gè)因子值就是RUSLE模型的參數(shù)值。其中，降雨侵蝕力因子是水利侵蝕因子的一種動(dòng)態(tài)因子，其反映了土壤侵蝕的潛力，是土壤侵蝕的主要因子；土壤可侵蝕因子表現(xiàn)的是土壤的抗蝕性，也稱(chēng)之為抗沖擊能力，是土壤在侵蝕過(guò)程中對(duì)侵蝕介質(zhì)的腐蝕和運(yùn)輸能力的敏感程度，是一種度量指標(biāo)，也是影響侵蝕程度的一個(gè)內(nèi)部因子；植被覆蓋與管理因子表現(xiàn)的是植被水土保持的一個(gè)綜合過(guò)程，植物的防蝕功能主要有削減雨水能量、保水和抗蝕等功能；水土保持措施因子是在具體的水土保持措施下，水土流失與坡耕地對(duì)應(yīng)的水土流失比率，其值一般界定在0.25～1.00之間；坡長(zhǎng)坡度因子又稱(chēng)之為地形因子，包含坡長(zhǎng)因子和坡度因子。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)RUSLE模型最后得出的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行分級(jí)，見(jiàn)圖4。

圖4 基于RUSLE模型的土壤侵蝕模數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

從圖4中可以看出，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)總共分為7個(gè)等級(jí)，其根據(jù)土地每平方千米河道水土流失的總噸數(shù)來(lái)劃分，分別為微度1、微度2、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度以及劇烈。數(shù)值越高，表示水土流失級(jí)別越大，同時(shí)也表明其水土流失越明顯。

2 山東平原地區(qū)河道水土流失防治措施研究

為了針對(duì)性地給出山東平原地區(qū)河道水土流失的相應(yīng)防治措施，根據(jù)其水土流失的擾動(dòng)規(guī)律進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)首先通過(guò)資料收集的方式，來(lái)判定山東平原地區(qū)河道水土流失對(duì)其支流和干流的影響程度，資料中包含A河道干流以及山東平原地區(qū)主要支流的實(shí)測(cè)水沙資料。見(jiàn)圖5。

圖5 山東平原地區(qū)干流和部分支流實(shí)測(cè)水沙部分對(duì)比結(jié)果

從圖5中可以看出，A河道作為干流，雖然其控制面積以及年輸沙量都是最大的，但是年含沙量反而更低，為0.293。并且年輸沙模數(shù)也低于C河道，表明其輸水量大，含沙量小，因而受泥沙威脅較小。另外，B河道和C河道的輸沙能力較強(qiáng)，C河道年輸沙模數(shù)為95.956t/km2，比A河道干流高32%左右。綜合來(lái)看，單就山東平原來(lái)講，其河道水土流失對(duì)支流的影響比較大，對(duì)干流比較小。因此，對(duì)山東平原地區(qū)水流防治來(lái)說(shuō)，就需要將A河道干流等無(wú)明顯侵蝕區(qū)進(jìn)行農(nóng)田與林地的水土保持，對(duì)于其他支流侵蝕較為嚴(yán)重的，就需要重點(diǎn)監(jiān)督與防護(hù)。另外，研究繼續(xù)在山東地區(qū)某水利工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其相關(guān)實(shí)驗(yàn)涉及實(shí)驗(yàn)分區(qū)以及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)。對(duì)實(shí)驗(yàn)分區(qū)來(lái)說(shuō)，包含工程建設(shè)區(qū)、土料場(chǎng)等；對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，包含實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的選擇、雨量點(diǎn)的布設(shè)、觀測(cè)場(chǎng)的簡(jiǎn)易建設(shè)以及設(shè)定相應(yīng)的觀測(cè)方法。研究主要在降雨與土壤侵蝕兩方面進(jìn)行了觀測(cè)。降雨的觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 山東平原地區(qū)某水利工程5-9月份降水量情況

圖6中，橫軸括號(hào)中為月份。從圖6中可以看出，該水利工程在近5個(gè)月內(nèi)的降水量起伏波動(dòng)較大，最高出現(xiàn)在7月27號(hào)，為68mm；最低出現(xiàn)在8月24號(hào)，為0.2mm。在RUSLE模型中，受到了降水量的影響，降水量越大表明其水土流失越嚴(yán)重，然而該地區(qū)的起伏比較大，因此需要進(jìn)行分時(shí)段的治理。在此基礎(chǔ)上，該水利工程的土壤侵蝕觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)表1的觀測(cè)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，工程建設(shè)對(duì)地表土壤的干擾導(dǎo)致大量的水土流失，其中最大的侵蝕為13 434 t /(km2·a),最低為2 460 t /(km2·a)，而棄土區(qū)和臨時(shí)堆土區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)為11 737.134 34 t (km2·a)。對(duì)主體工程而言，主要水保措施包括護(hù)坡、護(hù)砌閘工程區(qū)綠化美化等。護(hù)坡和護(hù)砌措施都按計(jì)劃進(jìn)行，對(duì)土壤侵蝕起到很好的預(yù)防作用。工程竣工后一年內(nèi)，必須完成對(duì)堤壩后草皮的保護(hù)、路肩草皮的保護(hù)、閘工程區(qū)的美化和綠化工作，目前僅進(jìn)行了平整。對(duì)工程管理而言，其具備較好的排水措施，并存在一定的土壤侵蝕。對(duì)土料場(chǎng)而言，其排水系統(tǒng)較好，施工完成后，及時(shí)進(jìn)行土地平整。對(duì)棄土區(qū)而言，施工期間，邊平整邊棄土；施工結(jié)束后，與導(dǎo)流溝同步平整，作為復(fù)墾土地。對(duì)臨建工程而言，明渠、圍堰均已平整，部分采用草墊保護(hù)；在臨時(shí)堆土區(qū)和施工便道的兩邊都有排水溝。綜合來(lái)看，需要對(duì)相應(yīng)的工程進(jìn)行分區(qū)治理，針對(duì)不同區(qū)域的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行水土流失治理。

表1 山東某水利工程各區(qū)域的水土流失量監(jiān)測(cè)結(jié)果

從山東平原地區(qū)整體水土流失上來(lái)看，同樣需要進(jìn)行水土流失區(qū)域的分區(qū)治理。根據(jù)其嚴(yán)重程度，將其分為重點(diǎn)預(yù)防保護(hù)區(qū)、重點(diǎn)監(jiān)督區(qū)以及無(wú)明顯侵蝕區(qū)。對(duì)重點(diǎn)防護(hù)區(qū)而言，大多為飛沙土區(qū)，因此需要采取防風(fēng)固沙、聚沙固土以及客淤壓沙等操作，同時(shí)需要進(jìn)行合理的農(nóng)田排灌方式。對(duì)重點(diǎn)監(jiān)督區(qū)而言，需要采取排洪道、攔渣壩等措施，同時(shí)對(duì)該地區(qū)進(jìn)行種樹(shù)和種草。對(duì)無(wú)明顯侵蝕區(qū)來(lái)講，需要采取相應(yīng)的農(nóng)田水土保持措施。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)搜集相關(guān)資料，運(yùn)用相關(guān)評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)山東某地區(qū)采取相關(guān)措施前后的經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 山東某地區(qū)治理前后生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

從圖7中可以看出，山東平原地區(qū)河道流域采取措施后，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)從0.96提升至2.50，整體水平比之前增加1.6倍。其中，生態(tài)效益作用因子從1.02增加至2.65，增加160%；經(jīng)濟(jì)作用因子從0.91增加至12.38，增加162%；社會(huì)作用因子從0.99增加至2.47，增加150%。綜合來(lái)看，研究所提出的防治措施效果比較好，水土流失顯著降低，各種效益明顯提高。

3 結(jié) 論

為了對(duì)山東平原地區(qū)水土流失制定針對(duì)性的防治措施，引入RUSLE模型，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，工程所在區(qū)域降水起伏比較大，最高為68mm。該工程最大侵蝕模數(shù)為13 434 t /(km2·a)，反映到整體的山東平原地區(qū)

區(qū)水土流失上，需要進(jìn)行分區(qū)治理，以應(yīng)對(duì)不同地區(qū)的水土流失。同時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的水土流失情況給出防治措施建議，并收集資料驗(yàn)證其治理情況評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，其綜合指標(biāo)整體比治理前高1.6倍，從0.96提升至2.50，表明研究所給出的防治措施效果比較好，具備有效性。