計紅燕

(桓仁縣水務(wù)移民服務(wù)中心，遼寧 本溪 117200)

1 流域概況

駱駝山小流域位于水土流失比較嚴(yán)重的遼西地區(qū)朝陽市雙塔區(qū)長寶鄉(xiāng)境內(nèi)，距離朝陽市區(qū)約15km，主溝長10.2km，溝道平均比降為2.7%，流域不對稱系數(shù)為41.6%，流域總面積14.08km2。流域內(nèi)分布著9個自然村屯，共229戶，824人[1]。研究區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫6.8℃，極端最高氣溫42.5℃，極端最低氣溫-46.7℃。研究區(qū)屬于遼西半干旱地區(qū)，多年平均降水量為512mm，且年內(nèi)和年際分布極不均勻。由于研究區(qū)內(nèi)汛期多短時強(qiáng)降雨，受地質(zhì)、地形條件以及暴雨沖刷作用的影響，流域內(nèi)地貌支離破碎，溝壑縱橫，水土流失十分嚴(yán)重。因此從20世紀(jì)末21世紀(jì)初開始實(shí)施了生態(tài)景觀清潔型小流域治理工作，并取得了顯著的生態(tài)環(huán)境效益。

2 小流域泥沙連通性的研究模型

2.1 研究方法的選擇

近年來，流域連通性成為廣大學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注和研究的對象[2]，在水土流失研究領(lǐng)域發(fā)揮了十分重要的作用。當(dāng)然，在小流域尺度下，地表的泥沙路徑描述涉及的因素眾多[3]。例如，流域內(nèi)的不同土地利用方式會造成水文過程的差異性，進(jìn)而影響到流域內(nèi)的泥沙連通[4]。關(guān)于泥沙連通性評估，Borselli等提出的徑流泥沙連通指數(shù)(IC)被廣大學(xué)者廣泛認(rèn)可，并經(jīng)過諸多小流域的實(shí)踐研究，結(jié)果顯示對徑流泥沙連通具有良好的識別效果[5]。因此，本文選擇徑流泥沙連通指數(shù)(IC)作為研究方法，對不同生態(tài)建設(shè)情景下的駱駝山小流域泥沙連通的影響進(jìn)行分析和評價。

徑流泥沙連通性指數(shù)(IC)是通過對研究區(qū)的地形指數(shù)的計算[6]，進(jìn)而表示小流域內(nèi)不同區(qū)域的潛在流通性，其計算公式為：

(1)

2.2 計算模型的建立

根據(jù)式(1)，在IC計算過程中需要的數(shù)據(jù)有研究區(qū)的坡度因子、貢獻(xiàn)源區(qū)面積、徑流長度以及權(quán)重因子[7]。其中，除了權(quán)重因子之外的其他參數(shù)均可以通過DME模型獲取。

權(quán)重因子決定了向下游輸送泥沙的效率，會對流域或坡面內(nèi)徑流泥沙的輸送過程造成顯著影響，可以使用地表糙度、植被覆蓋以及土壤的可蝕性等控制流速和泥沙輸移的指標(biāo)表示[8]。當(dāng)然，無論采用何種指標(biāo)表示權(quán)重因子，均應(yīng)考慮植被、土壤以及土地利用等影響因素[9]。一般來說，農(nóng)業(yè)用地為主要的土地利用方式時，可以采用USLE-RUSLE方程中的植被管理措施因子(C)表征[10]。鑒于本次研究的駱駝山小流域進(jìn)行了二十多年的生態(tài)建設(shè)，流域內(nèi)的植被覆蓋率有了十分明顯的提高。因此研究中采用USLE-RUSLE通用土壤流失方程中的植被管理措施因子(C)以及水土保持措施因子(P)共同作為IC計算中的權(quán)重因子[11]。

植被管理措施因子(C)以及水土保持因子(P)均為值域為[0，1]的無量綱參數(shù)[12]。本次研究中結(jié)合研究區(qū)的土地利用類型和相關(guān)學(xué)者的研究成果[13]，確定植被管理措施因子(C)和水土保持因子(P)的賦值，結(jié)果見表1。

表1 駱駝山小流域權(quán)重因子賦值結(jié)果

SAGA(System for Automated Geoscientific Analyses)是一款可以簡單有效實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)分析的免費(fèi)開源地理信息系統(tǒng)軟件，自發(fā)布以來便迅速成為建模與科學(xué)分析領(lǐng)域的重要GIS平臺[14]。因此，本次研究使用SAGA軟件進(jìn)行IC指數(shù)的自動計算。

2.3 生態(tài)建設(shè)情景設(shè)置

駱駝山小流域進(jìn)行了多年的生態(tài)建設(shè)，其主要工程措施有如下幾個方面：在適宜的坡面上進(jìn)行植樹造林或農(nóng)田的斜改梯，在溝道內(nèi)實(shí)施溝道壩系整治工程，主要是在支毛溝上游修筑土、石谷坊，種植楊、柳樹等防沖耐濕樹種，溝底造防沖林及速生豐產(chǎn)林；在主溝道的中、下游修建漿砌石谷坊或塘壩。本次研究基于分析單個措施下流域泥沙連通狀況[15]，設(shè)置了4種不同模擬情景，見表2。

表2 生態(tài)情景措施組合

3 計算結(jié)果與分析

按照上文提出的計算模型與具體的方法，對研究區(qū)的(IC)指數(shù)進(jìn)行模擬計算，結(jié)果如圖1—4所示。由圖1—4可知，在相同生態(tài)建設(shè)情景下，徑流泥沙連通指數(shù)呈現(xiàn)出山脊高、溝道低的特征。這說明研究區(qū)內(nèi)山脊比溝谷的徑流泥沙連通性小，也就是溝谷比山脊更容易發(fā)生比較明顯的土壤侵蝕。究其原因，短時強(qiáng)降雨的情況下，土壤入滲后的多余水量將形成地表徑流，并在重力作用下向區(qū)域內(nèi)的溝谷部位匯集，且流量和流速均會不斷加大。因此，愈靠近溝谷，徑流的挾沙能力便愈強(qiáng)，因此對土壤的破壞、剝蝕與搬運(yùn)作用也愈強(qiáng)烈。此外，在流域內(nèi)的下游溝道存在大片(IC)低值區(qū)域，原因是這些地方屬于小流域內(nèi)的建筑用地集中區(qū)，由于這部分土地存在較高的硬化率，土壤侵蝕作用微乎其微，進(jìn)而造成該部位的徑流泥沙連通能力明顯較低。

圖1 S0生態(tài)情景下指數(shù)(IC)空間分布

圖2 S1生態(tài)情景下指數(shù)(IC)空間分布

圖3 S2生態(tài)情景下指數(shù)(IC)空間分布

圖4 S3生態(tài)情景下指數(shù)(IC)空間分布

對不同情景下的駱駝山小流域徑流泥沙連通指數(shù)(IC)的特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表3。從表3中的結(jié)果可知，在不同生態(tài)建設(shè)情景下，(IC)的最小值均相同，原因是這一最小值出現(xiàn)在流域出口附近的一個匯流區(qū)，由于該匯流區(qū)均為建筑用地，因此徑流泥沙連通性差且不受生態(tài)建設(shè)情景的影響。從IC指數(shù)的最大值來看，情景S0和S2下的最大值均為0.35，比情景S1和S3分別大了0.64和0.75。因此，僅采取坡面措施和同時采取坡面與溝道措施可以顯著降低IC指數(shù)的最大值，而僅采取溝道措施對降低IC指數(shù)最大值的作用不大。從IC指數(shù)的均值來看，情景S1、S2和S3下的IC指數(shù)均值分別為-4.41、-3.73和-4.79，相比情景S0下的IC均值分別減小了1.13、0.45和1.51，說明同時采取坡面與溝道措施對減輕小流域水土流失的作用最為明顯，僅采取坡面措施的效果次之，僅采取溝道措施的效果最差。

表3 不同生態(tài)建設(shè)情景下的徑流泥沙連通指數(shù)(IC)的特征參數(shù)

4 結(jié)論

本次研究引入了徑流泥沙連通指數(shù)(IC)概念，利用SAGA軟件中提供的批處理腳本Batch對水土流失比較嚴(yán)重的遼西地區(qū)駱駝山小流域在不同生態(tài)建設(shè)情景下的徑流泥沙連通指數(shù)(IC)進(jìn)行統(tǒng)計計算，以探究不同生態(tài)建設(shè)措施對流域泥沙連通的影響，取得了如下研究結(jié)論。

(1)在相同生態(tài)建設(shè)情景下，徑流泥沙連通指數(shù)呈現(xiàn)出山脊高、溝道低的特征。這說明研究區(qū)內(nèi)山脊比溝谷的徑流泥沙連通性小，也就是溝谷比山脊更容易發(fā)生比較明顯的土壤侵蝕。

(2)采取生態(tài)建設(shè)措施對降低小流域徑流泥沙連通性效果明顯；同時采取坡面與溝道措施對降低小流域徑流泥沙連通性，減輕小流域水土流失的作用最為明顯，僅采取坡面措施的效果次之，僅采取溝道措施的效果不夠理想。

(3)根據(jù)本文研究成果，建議在小流域水土保持治理工程中要同時采取坡面與溝道措施，如果條件限制僅能采取一種措施，則應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)行坡面治理，以最大限度發(fā)揮生態(tài)建設(shè)措施對降低小流域水土流失的作用。