基于InVEST模型的黑水河流域土壤侵蚀评估及威胁分析

徐凌云

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

【研究意义】土壤侵蚀是目前世界上最严重的生态环境问题之一，流域内土壤侵蚀破坏土地资源的同时会导致河流输沙量增加，造成河床抬升、水库淤积、兴利库容减少，地表径流无法被有效利用、水生生物生存环境恶劣，进而导致水生生态系统的崩溃[1-2]。黑水河流域特殊的气候、地形、地貌和土壤条件以及人为因素的破坏使土壤侵蚀越来越严重，导致流域内水体泥沙含量逐年增加，对水生生态系统造成了一定的威胁，因此有必要找出导致土壤侵蚀的主要威胁源，从源头降低流入水体的泥沙量，防治水环境恶化。【前人研究进展】InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)[3-4]是由美国斯坦福大学、世界自然基金(WWF)和大自然保护协会(TNC)于2007年联合开发出的一种生态系统服务和交易的综合评估模型。近几年国内学者运用InVEST土壤保持模型对山区[5-6]、城市[7]、海岛[8]、小流域[2]等区域水土保持生态服务功能进行了研究，这些研究大都是从生态服务功能出发来评估研究区域内不同土地利用类型的土壤侵蚀量、土壤保持量及研究区域的土壤保持效益，而较少关注威胁土壤保持功能的潜在因素。【本研究切入点】为进一步分析全流域土壤侵蚀因素，本研究利用InVEST模型模拟流域泥沙负荷分布，并在此基础上对黑水河流域土壤侵蚀进行分析评估，揭示不同土地利用类型遭受土壤侵蚀的潜在因素。【拟解决的关键问题】此研究为黑水河流域进一步水土流失调查、土地利用结构调整、水库管理、水土流失防治措施的制定等提供科学依据，对提高黑水河流域土地生产能力、保护河流水生态环境、促进社会经济的持续发展具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

黑水河是金沙江左岸一级支流，位于四川省凉山彝族自治州境内，发源于昭觉县玛果梁子，自北向南流经昭觉、普格、宁南3县，于宁南县东南部葫芦口注入金沙江；黑水河流域介于东经102°20′～102°53′、北纬28°7′～26°48′之间，流域面积为3591 km2，全长173.0 km，天然落差1931 m，平均比降11.05 ‰，河口处多年平均流量为80 m3/s、径流量25.25亿m3。本地区日照较长、气温较高，出露岩层易风化剥蚀，随暴雨冲入河槽，成为河流泥沙的主要来源。根据宁南水文站的实测泥沙资料统计分析，5—10月输沙量约占年输沙量99.5%，枯季11月至翌年4月，河流含沙量很小，反映本地区大水大沙的特点。

1.2 研究方法与数据处理

1.2.1 数据来源 DEM数据: 采用流域实测30 m×30 m的DEM数据。黑水河流域北高南低，地貌多以山岭和河谷相间，河谷到分水岭高差较大，在700～4000 m左右，沿河支沟发育。 土地利用: 土地利用数据采用《黑水河河流生态修复规划》中收集的2013年流域1∶250 000土地利用图。目前黑水河流域土地利用方式主要有坡耕地、耕地、梯田、林地、建设用地、裸地、水域及水利设施用地等，以林地和坡耕地占地面积最大，分别占整个流域面积的41.28% 和48.99%。坡耕地和耕地主要沿黑水河、则木河、西洛河及其两侧支沟的河谷地带分布。根据对黑水河流域的初步调查分析，威胁流域内水文、水质及自然生态系统的主要因素还包括居民点、采石采砂、沿河工矿企业、养殖等几种方式，将这几种类型更新至土地利用图中进行校正，其中居民点占0.03%，工矿养殖占0.003%，采石采砂占0.001%，校正后的土地利用类型图(图2)。土壤数据：土壤数据采用收集到的1∶100万数字化土壤图，包括土壤厚度、土壤颗粒组成、持水率等基本信息，土壤类型采用收集到的1∶250 000土壤类型空间分布图(图3)。

1.2.2 数据处理 模型计算原理：InVEST土壤保持模型由Soil Loss(土壤流失)和Valuation(生态价值)两大模块构成。Soil Loss(土壤流失)模块以通用土壤流失方程(USLE)为基础估算黑水河流域土壤潜在侵蚀量和实际土壤侵蚀量。土壤潜在侵蚀量是指在没有植被的裸地下的土壤侵蚀量，它只与地貌、土壤和气候条件相关。

基于地貌、土壤和气候条件的潜在土壤侵蚀量：

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(1)

存在植被覆盖因子及实施水土保持措施条件下的实际土壤侵蚀量：

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(2)

式中，RKLSx为栅格x的土壤潜在侵蚀量；USLEx为栅格x的土壤实际侵蚀量；Rx为降雨侵蚀力；Kx为土壤可蚀性；LSx为坡度—坡长因子；Cx为植被覆盖因子；Px为管理因子。

数据处理：①降雨侵蚀力(R)。降雨是土壤侵蚀的动力和前提条件，降雨侵蚀力是降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，美国学者威斯奇迈尔和史密斯(Wischmeier.W.H and smith D.D1958)[9]等人发现暴雨动能与最大30 min降雨强度的乘积E·I30是判断土壤流失的最好指标，并将其应用于USLE中，由于采用降雨侵蚀力指标计算侵蚀力的方法以次降雨过程资料为基础，受降雨过程资料限制，许多学者提出了利用气象站常规降雨统计资料计算降雨侵蚀力的简易方法[10-15]，本文参考年均降雨量估算侵蚀力的简易方法计算[16]，得到流域R值的栅格图层(图4)。②土壤可蚀性因子(K)。土壤可蚀性因子K反映了土壤对侵蚀的敏感性，K值估算采用Williams等[17-18]在侵蚀/生产力影响模型(EPIC)中的土壤可蚀性因子K值的估算方法，利用土壤有机质和颗粒组成进行估算，得到土壤可蚀性(K)栅格图层(图5)。③坡度因子(S)与坡长因子(L)。地形要素中，坡度、坡长是形成有侵蚀能力径流的最主要因素，反映了地形地貌对土壤侵蚀的影响。土壤侵蚀随坡度的增加而增加，且增加速率加快。当坡度小于等于5° 时，采用McCool等人1987年提出坡度因子(S) 公式[19]，当坡度大于5°时，采用刘宝元提出的计算方法[20]，坡长因子(L)采用W.H.维希迈尔和D.D.史密斯[21]提出的经验公式确定。④C值和P值。InVEST模型参数是基于不同土地利用类型的参数集合，主要包括覆盖和管理因子(C)、水土保持措施因子(P)、截留能力、植被最大根深、蒸散发系数。在通用土壤流失方程中，C因子是指一定条件下有植被覆盖或实施田间管理的土地土壤流失总量与同等条件下实施清耕的连续休闲地土壤流失总量的比值，为无量纲数，介于0～1之间[1]，一般将城镇和水域的C值赋0，裸地C值赋1。水土保持措施因子P是采用专门措施后土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值，反映植被的管理措施差异引起的土壤流失量差别，其范围在0～1之间，无侵蚀发生的地区取0，而未采取任何保护措施的地区取1。⑤截留率(Sedret_eff)。表示每种土地利用类型拦截上游地块沉积物的能力，用0～100整型百分比表示。本文从模型数据库中选取了符合研究区土地利用类型的截留率。⑥坡度阈值(slope threshold)。整型百分比坡度阈值，根据席有、陈明华等[22-23]的研究，土壤侵蚀的临界坡度为25°，本文根据模型要求换算为百分比坡度为47%。

表1 模型参数取值

研究区域不同土地利用类型C值、P值和截留率见表1。

2 结果与分析

2.1 产水量模块及土壤保持模块校验

应用INVEST模型分别对流域产水和耗水进行模拟，将产水量和耗水量的差作为流域实际出水量。采用黑水河流域出口处的宁南水文站多年平均流量对模拟结果进行验证。根据宁南水文站代表年多年年均流量为69.1 m3/s，年径流量为21.79亿m3，经过对产水量模块的反复调试，模拟出的宁南水文站多年平均径流量为20.76亿m3，误差为4.7%，与实际情况吻合较好(表2)。

将校验后的产水量(mm)栅格图导入土壤保持模块，提取黑水河流域出口处宁南水文站的输沙量和含沙量数据，将宁南水文站的多年平均(2008—2013年)输沙量和含沙量与2016年实测值进行对比，对比发现模拟计算出的宁南水文站年均输沙量和年均含沙量的相对误差分别为3.7%和2.1%(表3)。

2.2 土壤侵蚀强度

根据土壤侵蚀分级标准，对黑水河流域土壤侵蚀强度进行分析，其中轻度侵蚀(500～2500 t/km2/a)流域面积占47.7%，中度侵蚀[2500～5000 t/(km2·a)]流域面积占22.3%，强烈侵蚀[5000～8000 t/(km2·a)]的流域面积占15.5%，极强烈侵蚀[8000～15 000 t/(km2·a)]的流域面积占9.7%，子流域175、66、245为剧烈侵蚀[>15 000 t/(km2·a)]，其面积占黑水河流域面积的4.7%。黑水河流域大部分子流域为轻度至中度侵蚀，流域土壤侵蚀分级见图6。各子流域平均输沙量见图7，计算结果显示，输沙量、截留量的空间分布规律与氮磷营养盐负荷的空间分布规律较为相似。山岭地区林地植被繁茂，根系发达，对泥沙的截留能力强，因此输沙量低；河谷地区主要土地利用类型为耕地、梯田、建设用地和裸地，对泥沙的截留能力相对较低，因此为输沙量较高的区域。各子流域泥沙输出变化同样呈现出流域两侧低、中间高的规律。

表2 宁南站多年平均实测径流量与计算径流量对比

2.3 黑水河流域水体泥沙含量分析

通过对各子流域输沙量和实际产水量分布图叠加完成单位换算，得出各子流域出水口含沙量空间分布。从图8可以看出，各子流域含沙量浓度变化较大，含沙量浓度在0.32～29.94 mg/L。对黑水河流域含沙量浓度水平进行统计：含沙量<5 kg/m3子流域面积占流域总面积的52.7%，含沙量在5～10 kg/m3间的子流域面积占流域总面积的27.5%，含沙量>10 kg/m3的子流域面积占流域总面积的19.7%。总体来说，大部分子流域含沙量<5 kg/m3，含沙量>10 kg/m3的区域主要集中在黑水河、西洛河干流两侧。

2.4 黑水河流域泥沙主要威胁源分析

2.4.1 流域不同土地利用类型的平均输沙量 为了比较不同土地利用类型平均输沙量，将流域输沙量的空间分布图(图7)与土地利用图进行叠加统计，得出不同土地利用类型的平均输沙量及贡献率见表3。由表3可见，采石挖沙区域平均输沙量最高，为59.94 t/hm2，为土壤流失的高危险区域，养殖、裸地、坡耕地和建设用地泥沙平均输出量也较高，应积极采取有效的水土保持措施防范土壤侵蚀，林地、耕地、梯田泥沙侵蚀量相对较低。

2.4.2 各高含沙量子流域的单位面积输沙量 为了分析造成子流域高含沙量的主要威胁源，对含沙量大于10 kg/m3的高含沙量子流域的泥沙侵蚀威胁因素进行统计，主要威胁因子及其贡献率见表4。由表4可以看出，裸地、采石采砂点、坡耕地、建设用地等的泥沙输出是造成子流域高含沙量的主要威胁源，如子流域14的含沙量为16.04 kg/m3，单位面积输沙量最大为裸地；子流域63的含沙量为13.94 kg/m3，单位面积输沙量最大为采石采砂；子流域123的含沙量为13.44 kg/m3，单位面积输沙量最大为建设用地。

表3 不同土地利用类型平均输沙量及贡献率

表4 各高含沙量子流域的单位面积输沙量的主要威胁因子及其贡献率

2.4.3 各高含沙量子流域的输沙量 高含沙量子流域输沙量的主要威胁因子及其贡献率见表5。由表5可以看出，由于坡耕地、林地在流域中的面积占比较大，因此对于大部分子流域，坡耕地、林地的输沙量的贡献率较高，其次是采石采砂、裸地等。

表5 各高含沙量子流域输沙量的主要威胁因子及其贡献率

3 讨论与小结

为防治和预防土壤侵蚀，需积极采取相应水土保持措施，降低子流域的含沙量水平，如对裸地恢复植被、造林，设置沉砂池等水保设施、严格控制并规范采砂行为等。同时由于坡耕地的氮磷输出总量的贡献率较大，也需要对各高含沙量子流域的坡耕地采取相应的措施，例如将坡耕地退耕还林或改造成梯田，其中坡度>25°以上的陡坡耕地应退耕还林，10°～25°的斜坡耕地应改成阶梯式水平梯田。此外黑水河干流及其支流沿岸应加高加固河堤，以防洪患，同时建议通过拆除中上游的部分闸坝来改善河道连通质量。

(1)黑水河流域土壤侵蚀程度计算结果显示，轻度侵蚀[<2500 t/(km2·a)]流域面积占47.7%，中度侵蚀[2500 ～ 5000 t/(km2·a)]流域面积占22.3%，强烈侵蚀[5000 ～ 8000 t/(km2·a)]的流域面积占15.5%，极强烈侵蚀[8000 ～ 15 000 t/(km2·a)]的流域面积占9.7%，黑水河流域大部分子流域为轻度至中度侵蚀，各子流域泥沙输出变化呈现出流域两侧低、中间高的规律。

(2)黑水河流域泥沙含沙量及侵蚀程度与流域土地利用方式和开发强度密切相关，其中采石挖沙、水域设施用地、养殖用地、裸地和建设用地的泥沙平均输出量分别为59.94、54.87、73.88、32.5 t/hm2，是土壤流失的高危险区域，这些土地利用类型的泥沙输出是造成子流域高含沙量的主要威胁源，而林地、耕地、梯田泥沙侵蚀量相对较低。

(3)对于黑水河高含沙量子流域而言，单位面积输沙量的主要威胁因子依次为裸地、采石采砂点、坡耕地、建设用地；而泥沙输出总量的主要威胁因子依次为坡耕地、林地，分析原因，是坡耕地和林地在流域中的面积占比较大，因此泥沙输出总量较高，综合来看，对于高含沙量子流域，坡耕地要尤为关注。