以小流域為單元的水土流失強(qiáng)度評估

王福嶺,吳 鵬,郭子琦

(1.河南省水土保持監(jiān)測總站，河南 鄭州 450003； 2.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003)

以小流域為單元的水土流失綜合治理是我國防治水土流失的主要方式。近年來，河南省以習(xí)近平生態(tài)文明思想為指導(dǎo)，大力開展以小流域為單元的水土流失綜合治理，創(chuàng)建了以生態(tài)休閑型、水源保護(hù)型、綠色產(chǎn)業(yè)型、防災(zāi)減災(zāi)型、和諧宜居型為主要發(fā)展方向的生態(tài)清潔小流域治理模式，取得了顯著的生態(tài)治理成果，然而小流域水土流失現(xiàn)狀數(shù)據(jù)缺失，導(dǎo)致水土流失治理工作開展系統(tǒng)性不強(qiáng)。因此，通過建立小流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫評估小流域水土流失強(qiáng)度，對提高小流域綜合治理水平具有重要意義。

1 河南省小流域劃分方法及成果

小流域是結(jié)合水務(wù)管理實際情況提出的流域概念[1]，然而隨著政府職能的轉(zhuǎn)變以及水務(wù)精細(xì)化、信息化管理要求的日益提高，小流域邊界不清、基礎(chǔ)信息不詳、禁止或限制的區(qū)域不明等已成為信息化、精細(xì)化水務(wù)管理的主要挑戰(zhàn)之一[2]。《小流域劃分及編碼規(guī)范》(SL 653—2013)是我國現(xiàn)行的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，明確適用范圍為山地丘陵區(qū)。目前，小流域劃分方法大多僅適用于單一地形，且大多集中在山地或水系相對簡單的平原地區(qū)[3-6]，然而河南省地處地貌臺階過渡帶，境內(nèi)有四大水系，地表形態(tài)復(fù)雜，基本地貌類型齊全[7]，水系復(fù)雜、溝渠密集，因此需要開發(fā)符合水務(wù)管理需要的、適應(yīng)全地形類型的小流域劃分技術(shù)流程。

在符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的山地丘陵區(qū)，應(yīng)遵循水文分析匯水關(guān)系，兼顧居民區(qū)地塊完整，進(jìn)行邊界微調(diào)。在形成網(wǎng)狀河流的平原區(qū)和部分丘陵區(qū)，在規(guī)范基礎(chǔ)上，增加河南省適應(yīng)性原則：①保留主要河道作為匯水線，保證水系拓?fù)潢P(guān)系，以水渠、河流中心線劃分作為流域邊界；②考慮水務(wù)管理工作以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位展開，以保證匯水關(guān)系為基礎(chǔ)，確保鄉(xiāng)級及以上行政區(qū)劃完整，盡量保持縣級及以上行政區(qū)劃的完整性；③為降低鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位尋找小流域邊界的工作難度，面積超限的小流域使用道路、溝渠、田埂等顯著線狀地物適當(dāng)分割。

在流域劃分的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，嚴(yán)格遵照小流域劃分規(guī)范及原則，在全省16.7萬km2范圍內(nèi)進(jìn)行水文分析，提取出102 118.5 km溝道，劃分出最小0.1 km2的微流域，并依據(jù)匯水關(guān)系及補(bǔ)充的河南省適應(yīng)性原則進(jìn)行小流域劃分，最終劃分出5 576個小流域。圖1、圖2分別為河南省溝道劃分及小流域劃分成果。

圖1 河南省溝道劃分成果

圖2 河南省小流域劃分成果

為確保小流域劃分成果符合實際情況且滿足水保需要，由省水土保持監(jiān)測總站組織實施開展覆蓋度100%的全面復(fù)核，開發(fā)WEB端“河南省小流域成果復(fù)核系統(tǒng)”，實現(xiàn)小流域劃分成果可視化，以賬戶分級的方式供各級水利部門使用，提供賬戶所屬轄區(qū)的所有小流域信息，若對劃分成果存在疑義，則可通過復(fù)核系統(tǒng)上傳復(fù)核意見。收集到復(fù)核意見262條，絕大多數(shù)意見集中在小流域?qū)傩苑矫?，證明所采用的小流域劃分方法具有實際意義。河南省小流域劃分成果已完成復(fù)核工作并連入政務(wù)云系統(tǒng)，可為水土保持管理工作提供技術(shù)支持。

2 以小流域為單元的水土流失強(qiáng)度分析

為貫徹落實《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實施方案》要求，河南省推行水土流失動態(tài)監(jiān)測項目建設(shè)，本研究以丹江口庫區(qū)上游流域水環(huán)境綜合治理與可持續(xù)發(fā)展試點工作成果為例，使用遙感監(jiān)管的技術(shù)手段實現(xiàn)大范圍、高精度的水土流失強(qiáng)度監(jiān)測與分析。

2.1 水土流失強(qiáng)度監(jiān)測

水土流失動態(tài)監(jiān)測項目的主要監(jiān)測指標(biāo)為土壤侵蝕強(qiáng)度，主要計算指標(biāo)為水力、風(fēng)力和凍融侵蝕模數(shù)。采用中國土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)計算土壤侵蝕模數(shù)[8]，公式為

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中:A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(km2·h·a);K為土壤可蝕性因子，t·km2·h/(MJ·mm·km2)；L、S、B、E、T分別為坡長因子、坡度因子、植被覆蓋與生物措施因子、工程措施因子和耕作措施因子。

K使用第一次全國水利普查成果；L、S采用高分辨率DEM數(shù)據(jù)計算；B利用MODIS歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品和TM多光譜影像融合計算；E和T可通過查詢《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定(試行)》得到[9]。

結(jié)合小流域劃分成果，將丹江口庫區(qū)上游流域水環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的圖形成果數(shù)字化展現(xiàn)，直觀顯示土壤侵蝕強(qiáng)度與等級的空間地理信息，并制成丹江口上游涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕專題圖，見圖3。丹江口上游涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕情況統(tǒng)計見表1。

圖3 丹江口上游涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕情況

表1 丹江口上游涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕情況統(tǒng)計

在試點工作開展的地區(qū)，直觀展現(xiàn)各小流域水土流失情況。對較嚴(yán)重的完整型小流域重點開展水源保護(hù)治理工作；針對區(qū)間型和坡面型小流域，著力提升河流環(huán)境質(zhì)量，做好水庫水污染風(fēng)險防范巡查工作，積極推進(jìn)小流域水生態(tài)環(huán)境綜合治理工程建設(shè)。

2.2 小流域水土流失強(qiáng)度分析

水土流失動態(tài)監(jiān)測以10 m分辨率圖斑為單位開展，可得到全面、詳盡的水土流失強(qiáng)度信息。然而水土流失治理工作通常以小流域為單位開展，直觀展現(xiàn)監(jiān)測成果質(zhì)量，需要對水土流失程度進(jìn)行量化評估。小流域綜合治理應(yīng)考慮社會經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)發(fā)展方向等多方面因素，構(gòu)建小流域水土流失評價指標(biāo)模型，公式為

A=X1+X2+…+Xi

(2)

(3)

式中：A為該小流域總面積，km2；Xi為各等級侵蝕模數(shù)所對應(yīng)的土地面積，km2，其中i為水土流失等級；bi為小流域內(nèi)不同流失等級的土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；Y為小流域水土流失程度值。

試點工作范圍內(nèi)總計254個小流域，水土流失總面積為1 653.49 km2，其中僅42個小流域水土流失程度值達(dá)到輕度，中度及以上小流域數(shù)量為0。綜合分析水土流失相對嚴(yán)重的地區(qū)，多為山區(qū)山脊線或丘陵地區(qū)的裸坡面。輕度及以上水土流失程度值面積高于總面積的50%，即為水土流失嚴(yán)重的小流域，經(jīng)統(tǒng)計此類小流域數(shù)量占總數(shù)量的5.5%，分布在山區(qū)和丘陵區(qū)。

3 小流域水土保持分區(qū)布局與防治措施

3.1 水土保持區(qū)域布局

以小流域為單元，基于流域基本特征和水土流失治理業(yè)務(wù)需求，將丹江口庫區(qū)上游流域規(guī)劃為丹江陜鄂豫緩沖區(qū)、丹江淅川自然保護(hù)區(qū)、老灌河西峽自然保護(hù)區(qū)、老灌河淅川保留區(qū)、淇河西峽源頭水保護(hù)區(qū)和淇河西峽保留區(qū)共6個水功能分區(qū)。將水土流失等級為輕度及以上的小流域定義為綜合治理優(yōu)先小流域，開展針對性重點治理。

(1)丹江陜鄂豫緩沖區(qū)。自長江流域水資源保護(hù)局丹江口局巡查組開展監(jiān)督巡查工作至今，掌握了省界緩沖區(qū)的起始斷面、省界斷面、終止斷面及沿線的河道形態(tài)、水文情勢、水環(huán)境狀況、河道采砂等情況，把控緩沖區(qū)內(nèi)河道沿線家禽集中養(yǎng)殖情況，時刻監(jiān)控緩沖區(qū)內(nèi)水質(zhì)自動監(jiān)測站建設(shè)運(yùn)行情況，了解部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)、運(yùn)行情況，以及涉水工程的建設(shè)及其工程手續(xù)審批情況，從多方面加強(qiáng)水質(zhì)把控力度。

(2)丹江淅川自然保護(hù)區(qū)。該區(qū)是南水北調(diào)中線工程的核心水源地，丹江濕地作為南水北調(diào)水源的“過濾器”和“凈化器”，要求水質(zhì)為地表水Ⅱ類水，部分要素達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)規(guī)劃嚴(yán)格控制自然資源開采，大力推進(jìn)資源開發(fā)秩序整頓工作，以自然生態(tài)環(huán)境修復(fù)為目標(biāo)，嚴(yán)格查處各類水事違規(guī)、違法事件，加大力度打擊私采、盜采，嚴(yán)厲處罰土地利用性質(zhì)違法變更等行為。

(3)老灌河西峽自然保護(hù)區(qū)。老灌河發(fā)源于伏牛山主峰，保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋率高，水土保持情況良好，重點采用預(yù)防保護(hù)措施，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)水源涵養(yǎng)[10]。

(4)老灌河淅川保留區(qū)。該區(qū)域農(nóng)林業(yè)相對發(fā)達(dá)，有大片果園，林下水土流失情況相對嚴(yán)重，灌溉水源相對單一，面源污染重，應(yīng)因地制宜地增加蓄水保水工程，鼓勵林下覆草，控制農(nóng)藥化肥用量，同時針對現(xiàn)有坡耕地展開實地考察，有計劃分批次實行坡改梯工程，建立高效農(nóng)林產(chǎn)業(yè)片區(qū)[11]。

(5)淇河西峽源頭水保護(hù)區(qū)。淇河發(fā)源于盧氏縣南部陜西邊界分水嶺東麓，保護(hù)區(qū)內(nèi)為控制河道泥沙淤積，根據(jù)實際情況考慮增加坡面徑流攔截泥沙工程，同時重視水土保持工程的常態(tài)化建設(shè)，對動植物資源加大管護(hù)力度；針對局部坡耕地，以小流域為單元開展水土保持綜合治理[11]。

(6)淇河西峽保留區(qū)。主導(dǎo)基礎(chǔ)功能是水土保持，根據(jù)規(guī)劃批復(fù)結(jié)果建立優(yōu)質(zhì)農(nóng)林基地產(chǎn)業(yè)鏈，配置小型水利工程，提高保留區(qū)蓄水保水能力，大力提倡林下覆草，控制面源污染[12]。

3.2 水土流失防治措施

(1)加大綜合治理力度。大力推進(jìn)老灌河、淇河流域開展水土保持和生態(tài)修復(fù)工程，針對自然保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、保留區(qū)等，形成完善的水土保持防治體系，在植被較好、無明顯水土流失區(qū)、基本農(nóng)田集中區(qū)和現(xiàn)有的治理區(qū)開展預(yù)防保護(hù)，將河流和公路兩側(cè)的開發(fā)建設(shè)項目列為重點監(jiān)督區(qū)，建立起更加完善的縣、鄉(xiāng)、村三級預(yù)防保護(hù)體系，采用科學(xué)封禁政策促進(jìn)生態(tài)修復(fù)、水源涵養(yǎng)，建設(shè)生態(tài)清潔型小流域，種植水源涵養(yǎng)林，提高土壤涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄徑流的能力[13]。

(2)強(qiáng)化水土保持治理措施。以小流域為單元，采取大面積封禁治理、人工修復(fù)和生態(tài)自我修復(fù)相結(jié)合的辦法，進(jìn)行小流域水土保持重點工程建設(shè)，避免發(fā)生嚴(yán)重的水土流失；以坡耕地為主的生產(chǎn)用地要高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坡改梯工程，配套水窖、沉沙池、排水溝等坡面水系，提高土地生產(chǎn)力；山區(qū)水土流失的小流域要采取溝道整治、水土流失防治等措施，恢復(fù)河道服務(wù)功能。

(3)高精度水土保持治理。涉及試點工作范圍內(nèi)緩沖區(qū)、保留區(qū)及水土流失程度達(dá)輕度及以上的小流域，堅持“生態(tài)優(yōu)先、強(qiáng)化林草、注重功能”，結(jié)合科學(xué)封禁政策，重點推廣梯田改造技術(shù)，修建小型水利工程，改善灌溉水源單一性。遵循“因地制宜、綜合治理”原則，根據(jù)小流域特點及防治需求，分區(qū)域、分類別擬定小流域水土保持措施類型[14]。

4 結(jié) 論

通過細(xì)化小流域劃分原則，完成了以河南省為例的全地形地貌小流域劃分工作，基于WEB端構(gòu)建小流域復(fù)核系統(tǒng)，完成了全面復(fù)核驗證，為水土保持精細(xì)化管理提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。以小流域為單元，結(jié)合在丹江口庫區(qū)上游流域涉及六縣試點范圍內(nèi)水土流失強(qiáng)度監(jiān)測結(jié)果，進(jìn)行水土流失強(qiáng)度評估與分析，根據(jù)評估強(qiáng)度數(shù)值劃分優(yōu)先小流域和非優(yōu)先小流域，結(jié)合水系自然關(guān)系劃分水土保持區(qū)域布局的6個水功能區(qū)，為后續(xù)的小流域治理工作提供了精準(zhǔn)目標(biāo)和治理方向。水土流失強(qiáng)度監(jiān)測技術(shù)與評估方法具有實際應(yīng)用效益，小流域劃分成果運(yùn)用在水土流失治理，各類生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持方案審批、監(jiān)督檢查、驗收備案等工作中，可以實現(xiàn)精細(xì)化、動態(tài)化、信息化監(jiān)管，應(yīng)用前景廣闊。