不同土地利用方式水土流失规律分析

2020-07-06宋晓峰

黑龙江水利科技 2020年6期

宋晓峰

(丹东市宽甸县水利事务服务中心，辽宁宽甸 118200)

0 引言

调查显示，我国长江流域、黄土高原地区的水土流失面积达到73.94km2和42万km2，剧烈的土壤侵蚀不仅会导致土壤肥力的下降及营养物质的流失，而且会在地表径流作用下冲刷表层土壤，致使生态环境的恶化和土壤利用率的持续下降。近年来，为保护区域生态环境和强化水土流失治理，部分地区相继推出了一系列的退耕还林还草、坡耕地等治理工程，经长期的环境治理在很大程度上改善了地表覆被质量，大大提升了涵养水源和保持水土的能力。然而，这并未从根本上彻底改变生态环境持续恶化的发展态势，水土流失和生态环境保护仍为当前亟待解决的重要问题[1]。

水土流失强度、空间分布特征和土地类型为水保治理规划的根本依据，为准确揭示区域水土流失变化规律，探讨水土流失强度与不同地表覆被之间的关联特性，国内外学者应用GIS技术、遥感影像数据和许多数学模型开展了大量研究。例如，卜建霞等运用回归分析法揭示了不同用地类型的产沙、产流特性，提出水土流失的形成与降水条件直接相关，果园管理模式相对于马尾松纯林、封禁管理、农田管理、人工播草、自然裸露坡面5种用地方式的水土保持效果更好；李中原等对5种不同土地的土壤侵蚀状况利用人工模拟降雨的方式探究，并对土体中有机质含量与土地利用方式、雨强之间的关系利用双因素方差法分析，结果发现林地和梯田对控制水土流失、减缓土壤侵蚀、保持土壤中养分等具有积极作用。实践表明，土地利用方式、坡度、上覆土层厚度和岩土体种类等为导致水土流失的主要因素，现有研究侧重于后3种要素的分析，而涉及水土流失与土地利用方式的研究还鲜有报道。

针对多因素、多目标复杂性系统问题的综合排序，逼近理想解排序法(简称TOPSIS模型)具有良好的适用性、可靠性和简便性。为准确揭示土体抗剪强度与土壤利用类型之间的作用关系，文章选用直接剪切试验探究不同用地类型的土壤抗剪强度，引入TOPSIS模型准确排列各因素的关联度。

1 TOPSIS模型

1.1 基本原理

TOPSIS模型的基本原理是依据理想化目标与有限个评价对象间的贴近程度，科学排序相关因素的功能作用或优劣程度，存在应用灵活、计算结果科学和分析简便等优点，在实践应用中该方法的基本原理如下：①通过检测最劣解、最优解与待评价样本之间的欧式距离，单调排序评价样本的目标变量整体状况。②科学分析目标变量的优、劣程度，最优结果为距离最劣解最远且离最优解最近的样本；反之，则为水土保持的最劣解，即评价结果距离最优解最远且距离最劣解最近。③各评价因素的最优、最劣值即为最优和最劣评价结果。

1.2 实现流程

步骤1：结合相关文献中TOPSIS模型实现流程和建模步骤，设定目标函数为不同土壤类型的抗剪强度，待评价样本和土壤侵蚀关联性因素有i、j个，结合试验检测数据构造初始矩阵P，即：

(1)

步骤2：由于每个元素的量纲存在差异无法直接用于最终的决策分析，应结合各因素的具体内涵及其对水土流失影响特征，将关联性因素划分为高优、低优两大类型，为消除各因素间的不可通透性应将所有数据统一处理至标准的0-1范围，对于高优型因素其标准化公式为：

(2)

对于低优型因素其标准化公式为：

(3)

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；采用以上标准化公式处理各待评样本的初始数据，由此构造标准化矩阵Q为：

(4)

步骤:3：充分考虑各待评样本的水土流失状况，采用各样本的最大和最小参数值形成最劣、最优解向量，其表达式如下：

(5)

步骤4：根据以上流程求解的矩阵Q的正、负理想解，利用欧式基本公式对理想解与待评价样本的距离求解，数学公式为：

(6)

式中：L+、L-为评价样本接近正、负理想解的程度。

步骤5：依据待评价样本的贴近程度值Jn的大小排列水土流失各要素的优劣次序，Jn值越大则表示待评样本与最优样本的贴近程度越高，评价样本的越优；反之，则代表与最优样本的贴近程度越小，待评样本越劣，帖进度求解公式为：

(7)

2 实例分析

2.1 项目区概况

丹东市振江项目区西江小流域，地处E125°19′-125°27′，N40°38′-42°44′之间，总面积为59.55km2。项目区山体连贯，沟壑发育，形态各异，海拔高度在100-600m之间，地带性土壤为棕壤土，土层厚度在0.3-1.5m之间，属于辽东石质山区。该区域为大陆性季风气候，年均降水量1140mm，多集中6、7、8三个月，无霜期160d，气候特征为冬长夏暖，寒冷期长，春秋季短，雨量集中，光照丰富，平原风大，雨热同期，四季分明。受各种人为因素和山地特殊环境影响，土壤侵蚀引起的生态功能退化问题突出，其中强度、中度和轻度侵蚀区1.22km2、6.31km2、10.82km2，水土流失以水蚀为主且主要分布于侵蚀沟壑、荒山黄婆、果园和低林草覆盖区，侵蚀模数1850t/km2·a[2-17]。

2.2 试验材料与流程

文章以丹东市振江项目区西江小流域为样地，取样点选取项目区林地、灌木地、草地、坡耕地4种不同用地类型的土体，为维持样体的原状选用高20mm、直径61.8mm的环刀取样。设置的试验有直接剪切试验、根须质量百分比、有机质含量、含水率、干密度测定等，为保证测试结果的精准度每个样点取10个样，以固结快剪作为土体强度的直接剪切试验，其它试验流程严格执行SL237-1999规范，固结压力为200、100、50、20kPa四个等级。

2.3 试验结果分析

在化学、物理和生物等作用下地表覆盖物质能够对水土流失产生一定的抑制作用，所以水土流失强度与土壤侵蚀之间具有耦合关系。通过一系列的试验分析，统计整理4种用地类型的根系质量百分比、有机质含量、土体干密度含水率等数值，如表1。

表1 不同用地类型的土壤特性

从表1可知，干密度最低、最高者为林地的1.62g/cm3和草地的1.72g/cm3，可见草地利用方式对固化土壤具有积极作用；含水率最低、最高者为坡耕地的12.58%和草地的15.76%，表明持水效果最好的为草地利用方式；坡耕地、灌木地的有机质含量为4.71%和5.36%，其原因为落叶腐化作用使得灌木地的有机质含量明显增大，而坡耕地的有机质含量在降雨条件下大量流失；根须质量百分比最低、最高者为坡耕地的2.87%和草地的5.88%，这主要与试验取样深度较小，而在该范围内林地的根系较少，灌木地和草地的根系错综复杂。

图1为4种用地类型的抗剪强度，其中横、纵坐标为用地类型和抗剪强度。

图1 不同土地类型与抗剪强度间的关系

从图1可知，抗剪强度最高的为草地利用方式，坡耕地抗剪强度最低，林地和灌木地居中，可见坡耕地抵抗土壤侵蚀的能力最弱，而草地的抗破坏能力最强，草皮护坡方案为水土保持最佳方案；另外，各类土地的抗剪强度随着固结压力的增大均呈现出增强趋势。

2.4 关联度分析

为准确揭示根须质量百分比、有机质含量、含水率、土体干密度等因素与不同用地类型土体抗剪强度的相关性，运用搭建的TOPSIS模型加以分析，如表2。

表2 TOPSIS模型相关系数表

从表2可知，应用TOPSIS模型求解的关联度最高的根须质量百分比，由此表明不用用地类型的土体抗剪强度受根须质量百分比的影响最为显著，其次为含水率和干密度，而土体抗剪强度受有机质含量的影响程度最低。同一因素的相关系数对于不同土地类型相差较少，其中根须质量百分比、有机质含量、含水率、干密度的相关系数约为0.66、0.21、0.37、0.52。水土流失整治过程复杂、涉及到的因素较多，综合考虑各方面因素客观、合理的评价不同用地类型保持土壤的程度，对于改善区域生态环境和控制水土流失发展具有重要作用。