基于InVEST模型的复杂环境水土保持治理研究

冯璐璐

(山东省聊城市水利局，山东 聊城 252000)

我国是水资源大国，水土流失是影响我国部分地区生态水环境健康发展的重要因素。目前，我国西部黄土地区水土流失十分严重，治理工作耗资巨大，而对于中部地区，水流域环境则更为复杂，同时区域工业化与经济发展也对水土流失造成了恶劣的影响[1- 3]。

我国水土流失情形不容乐观。刘国华[4]对中国生态退化的主要类型即:森林生态系统的退化、土地沙漠化和水土流失等重大问题进行分析，详细阐述了各个类型的现状、特征及分布。为我国自然资源的合理利用以及退化生态系统的恢复和重建提供基础资料；王效科[5]以水土流失通用方程为理论基础，利用我国已有的水土流失研究成果及地貌、土壤和植被分布图，分析了降水、土壤质地、地形坡度坡长和地表覆盖因子对我国水土流失敏感性的影响及其形成的区域差异。在综合评价我国水土流失敏感性区域差异基础上，提出了中国水土流失敏感性区划方案；李占斌[6]对土壤侵蚀与水土保持科学今后的研究方向提出见解，指出了加强对土壤侵蚀过程与机理、大尺度土壤侵蚀预报模型、土壤侵蚀与水土流失治理环境效应评价和水土流失调控技术的科技转化等亟待解决问题的研究深度和广度。

国内外对水土流失治理工作的研究已比较成熟。李孝娟[7]对于低山丘陵区小流域水土流失治理工作进行研究，提出在进行治理方案的设计时，不仅要结合当地的生态实际，还要与居民的实际需要相结合，并引导当地人们积极参与到治理的过程中去，才能真正达到效果；王丹阳等[8]依据已有区划实践和相关理论，提出县域尺度水土保持区划方法的优化设计方案，并结合定性分析将每个评价单元按其不同的三维组合类型划分到不同的水土保持区；常志勇等[9]指出了我国目前所存在的生态环境问题包括环境问题和经济发展两者之间的矛盾，水土保持生态修复显得尤为重要，阐述了水土保持生态修复的特点、规律和原则，分析了当前生态环境存在的问题，由此提出了生态修复的规划与水土保持生态环境的方法。目前，受限于环境及工艺技术，对于复杂环境下流域水土流失治理工作的开展仍处于研究阶段。本文将以山东省某流域为例如图1所示。基于InVEST模型基本理论，研究复杂环境下流域水土流失的主要成因及治理工作。

1 流域InVEST模型建立

InVEST模型[10- 11]是一种基于模拟不同土地覆被情景下，生态服务系统质量和价值量变化从而为区域环境治理提供科学依据的生态系统综合评估模型，通过将所得数据定量化、空间可视化使得区域生态流域环境展示更为直观。

图1 流域遥感影像图

InVEST水量模型基于“水量平衡法”，通过分析降水、土地利用、蒸腾量等多重参数，基于模型基本计算方法得出水量的产生或者消耗的过程与机制。以格栅区块为基本运算单元，将上述多因素带入模型，其输出结果具有空间性、多方位综合性、合理性等突出优势。InVEST水量模型的基本计算公式如下：

(1)

式中，Yxj—某土地类型j的计算单元x(即单位格栅区块)的年供水量；AETxj—某土地类型j的计算单元x(即单位格栅区块)的年水分蒸散量；Px—某土地类型j的计算单元x(即单位格栅区块)的年降水量。式中各参数的计算方式如下：

(2)

PETxj=Kc(lx)×ET0(x)

(3)

(4)

AWCx=min(maxSoil.depth，root.depth)×PAWC

(5)

AET=min(Kc(lx)×ET0(x)，Px)

(6)

式中，PETxj—潜在可能蒸散量；ET0(x)—计算单元x内的潜在可能蒸散量；maxSoil.depth、root.depth—最大土壤深度与植物根深数；Kc(lx)—植被栅格蒸散系数；AWCx—土壤有效含水量，mm；PAWC—植物可利用水量；Z—经验常数，和区域条件有关。

2 基于InVEST模型的区域水土保持研究

根据InVEST模型基本计算原理，综合考虑复杂环境流域降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡度坡长、植被覆盖、潜在蒸散量、泥沙持留率以及所采取的水土保持措施等多重、复杂因素，导入ARCGIS软件运算得出usle单元格栅图，根据流域水力侵蚀强度分级标准对侵蚀区域进行划分见表1，最终输出流域土壤侵蚀现状空间分布情况如图2所示。

图2 流域土壤侵蚀空间分布图

侵蚀强度平均侵蚀模数/(t/(hm2·a))平均流失厚度/(mm/a)微度<5<0.37轻度5～250.37～1.9中度25～501.9～3.7强烈50～803.7～5.9极强烈80～1505.9～11.1剧烈>150>11.1

由图2可以看出，该流域土壤侵蚀主要分布在北部边界处、东北部外伸边缘处以及流域中南部，结合区域地质地貌、植被分布以及居民区域分布等多重因素分析，认为北部剧烈侵蚀是由于其处于地质构造发育带附近，岩石、土壤等较为松散，强度低，在降雨环境下容易发生水土流失；东北部区域发生剧烈侵蚀主要是受植被覆盖影响，由于其地势较低，植被发育以灌木为主，不能很好地抑制水土流失问题；流域中部剧烈侵蚀则主要是由于人为因素带来的负面作用：随着经济的不断发展，区域土地资源不断被开发利用，植被覆盖面积不断下降，同时，工业发展带来的水土污染也是导致土壤不断侵蚀的原因。进一步深入分析流域土壤受侵蚀情况，对不同侵蚀强度土壤覆盖面积、侵蚀量进行统计分析，统计结果见表2。

由表2可见，该流域土壤整体侵蚀情况较为严重，总侵蚀面积高达4109.47hm2，总侵蚀量高达42725.70t。从不同侵蚀强度看，侵蚀面积最广的为微度侵蚀与轻度侵蚀，侵蚀面积分别为2823.05hm2和951.91hm2，占整体的68.70%和23.16%；侵蚀量最大的为剧烈侵蚀与轻度侵蚀，侵蚀量分别为10029.97t与9563.18t，占整体的23.48%与22.38%。同时，为进一步分析土壤侵蚀产生的原因，对不同土地类型的土壤侵蚀情况进行统计分析，统计结果见表3。

表2 流域不同侵蚀强度下侵蚀面积、侵蚀量统计

表3 流域不同土地类型侵蚀面积、侵蚀量统计

由表3数据可知，对于不同土地类型耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地以及其他类型而言，从侵蚀面积上看，受侵蚀最严重的为林地，侵蚀面积为3326.97hm2，侵蚀程度最低的为水域，侵蚀面积仅有28.79hm2;从侵蚀量上看，受侵蚀最严重的为耕地，侵蚀量达到20693.04t，受侵蚀最轻的为水域，侵蚀量仅0.49hm2。但由于各种土地类型总面积不一，因此侵蚀面积与侵蚀量均不足以完全表达各土地类型实际侵蚀状况，进一步引入参数平均模数，其计算结果如图3所示，可见平均模数耕地>草地>园地>建设用地>林地>水域，因此可以认为区域水土流失最严重的为耕地，主要是受农业化肥的污染以及土壤松散导致；其次为林地，主要是由于林地植被滥伐、农田开垦等原因导致。因此建议在此研究基础上，可通过采用退耕还林、禁止乱砍乱伐等政策结合绿化工程进行治理。

图3 不同土地类型平均模数统计

3 结语

复杂环境流域水土保持治理研究工作对我国生态建设具有重要的意义，本文以山东省某流域为研究对象，基于InVEST模型综合考虑复杂环境流域降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡度坡长、植被覆盖、潜在蒸散量、泥沙持留率以及所采取的水土保持措施等多重因素，得出流域不同侵蚀强度下土壤侵蚀空间分布及不同土地类型侵蚀度；基于模型计算结果，进一步深入分析侵蚀产生原因主要为耕地的过度开发与林地的滥砍乱伐，并提出采用“退耕还林+禁止滥伐+绿色工程”的综合治理手段对流域土壤侵蚀情况进行针对性的治理，以期为我国复杂环境流域水土保持治理工作提供良好的示范。