平原河道水土流失成因及其防治措施研究

2023-02-13郭秀丽

水利科技与经济 2023年1期

郭秀丽

(菏泽市河湖流域工程管理服务中心，山东菏泽 274000)

0 引言

经济的发展使工业发展进入快车道，也导致大量地区出现水土流失情况[1-2]。通常来讲，水土流失是自然因素与人为因素共同作用所导致的。近年来，全球土壤因为受到水土流失的影响逐渐产生盐渍化等问题，轻则丧失资源能力，重则导致粮食危机，进而影响人类生存发展[3-4]。因此，水土流失治理成为当前国民经济发展的重点，许多学者对此进行了研究。Mazigh N等[5]通过利用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)，对所研究区域进行监测评价，并制定了水土流失的直观图，为其进行水土保持提供帮助。杨亮[6]通过对林业技术措施进行审图探讨，在判断出我国水土流失成因的基础上，提出了有关林业技术措施在水土流失上的应用策略，为防治水土流失提供有效帮助。吴扬等[7]通过对延安县的砖窑湾小流域进行详细研究，总结归纳其水土流失发生的原因，为其综合治理提供了建设性意见。

本文利用RUSLE模型，建立相应的评价标准，通过某水利工程推进到整个山东平原地区，为山东平原地区水土流失提供有效的防治措施建议。

1 山东平原地区河道水土流失成因分析

1.1 山东平原地区河道水土流失特征与成因分析

水土流失是指土壤在水流的作用下被侵蚀、搬运、沉淀的全过程。在天然条件下，单纯的自然条件下，由于天然因素造成的地表冲刷速度很慢，往往与土壤形成过程保持相对平衡，从而使坡面得以完好。在人为的作用下，尤其是人为造成的对坡地植被的严重破坏，使坡面植被受到人为的破坏，使土壤的物质运动加快，从而导致了水土流失[8-9]。常见的水土流失处于高原地带，如我国的黄土高原。但在平原地区也存在大量的水土流失现象，平原地区的水土流失问题不仅存在，在一定条件下会导致平原地区形成不同程度的土壤侵蚀、河岸崩塌、水质恶化、农田侵蚀、洪水风险增大等，因此平原地区的水土流失治理势在必行[10-11]。本文以山东平原地区河道为对象，在研究其成因的基础上，分析其发生规律，从而提出相关治理措施。

山东地区位于我国北部的水力冲刷类型区，黄河古道沿线有一定的风蚀作用，其他地区主要是水力冲刷。其中，超过99%为水力冲刷，在水力侵蚀中，主要是表面侵蚀，沟蚀和崩岗侵蚀很少见，只有当基岩的风化层厚度和陡峭的地势时才会发生。山东平原地区由于其特殊的地理环境和南北气候的交界处，河道水土流失呈现多种特征，具体见图1。

图1 山东平原地区河道水土流失特征

从图1中可以看出，山东平原地区河道地区水土流失总量并不是很大，但其分布较为广泛，且强度较低，潜在威胁比较大；山东平原地区河道整体水土流失影响河道干流比较小，对支流影响比较大；其水土流失造成因素比较复杂，由多种因素组合造成。山东平原地区每年大雨时，都会产生大量的泥沙，这些泥沙大部分都是在附近的山沟、中小河道、库塘和排水沟中。A河道干流中游存在大量的闸坝，在汛期水位高时，往往会导致支流水位的顶托，对干流影响不大。山东地区河道水土流失造成的因素有很多，形成因素比较复杂，具体成因见图2。

图2 山东平原地区河道水土流失成因

从图2中可以看出，造成山东平原地区河道水土流失的原因包含自然因素和人类经济活动因素。其中，自然因素中包含气候因素、土壤地质因素、地形因素以及植被因素。在气候因素中，造成水土流失比较显著的是降水和风，雨雪中的雨量、雪量等都会对土壤的侵蚀产生影响，风则是利用风速形成的风力对土壤进行侵蚀，从而导致水土流失。随着黄河侵夺A河道，山东平原地区水土流失逐渐加重。坡度、坡长、沟壑密度等次生因子对水土流失也有较大影响，山东平原地区地形从西北到东南，除东北几座低矮的丘陵，其余都是平缓的。由于地势的原因，雨水从高处向低洼地区汇集，在汇集过程中，不断冲刷泥土，夹带泥沙，在地势较低处堆积，形成水土流失。

在自然因素中，植物是可以有效阻止水土流失的主要因子。在植被较好的地方，即使在陡峭的山坡上、在较弱的土壤上、在暴雨和风暴中，也很难造成水土流失。植物的防蚀作用主要体现在拦截缓冲雨水等对土壤的直接冲击。山东地区连年植被覆盖率逐渐下降，从而水土流失严重。

在人为因素中，主要还是经济的发展促使各类项目逐渐生成开展，从而对山东地区的生态环境造成极大的破坏，导致防止水土流失能力逐渐下降。

1.2 山东平原地区水土流失侵蚀量计算模型

水土流失是一种复杂的、综合性的自然地理现象，其最初涵义是由于侵蚀外部因素的影响，导致土壤中的微粒和水分的损失，由于雨水的拍打和径流的冲刷，造成土壤颗粒的剥落和运动，并且由于地貌和土地利用模式的重新分布，造成了实际的水土流失。为了针对性地给出防治措施，需要对山东平原地区水土侵蚀量进行相应的监督预测，并进行计算，得出相应的水土流失规律，进而提出相应措施。研究利用美国修正后的通用土壤流失方程模型(Revise Universal Soil Loss Equation，RUSLE)，该模型计算的水土流失总量由降雨对土壤的侵蚀力、土壤自身具备的可蚀性、植被相关的因子、水资源保护的因子以及地形因子所决定。RUSLE模型的水土流失计算流程见图3。

图3 RUSLE模型水土流失计算流程

从图3中可以看出，RUSLE模型中的水土流失计算流程首先是需要进行数据收集，然后开始同步利用数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)对地形进行数字化模拟、将植被的指数进行归一化处理(Normalized Vegetation Index，NDVI)、收集土壤、降雨以及土壤利用数据；然后利用DEM得出坡长坡度因子、运用NDVI得出植被覆盖和管理因子、利用土壤数据得到土壤可侵蚀性因子、利用降雨数据获得降雨侵蚀力以及根据土地利用数据获得水土保持措施因子；最后得出水土流失模数。

在这个过程中，5个因子值就是RUSLE模型的参数值。其中，降雨侵蚀力因子是水利侵蚀因子的一种动态因子，其反映了土壤侵蚀的潜力，是土壤侵蚀的主要因子；土壤可侵蚀因子表现的是土壤的抗蚀性，也称之为抗冲击能力，是土壤在侵蚀过程中对侵蚀介质的腐蚀和运输能力的敏感程度，是一种度量指标，也是影响侵蚀程度的一个内部因子；植被覆盖与管理因子表现的是植被水土保持的一个综合过程，植物的防蚀功能主要有削减雨水能量、保水和抗蚀等功能；水土保持措施因子是在具体的水土保持措施下，水土流失与坡耕地对应的水土流失比率，其值一般界定在0.25～1.00之间；坡长坡度因子又称之为地形因子，包含坡长因子和坡度因子。在此基础上，根据RUSLE模型最后得出的土壤侵蚀模数进行分级，见图4。

图4 基于RUSLE模型的土壤侵蚀模数分级标准

从图4中可以看出，分级标准总共分为7个等级，其根据土地每平方千米河道水土流失的总吨数来划分，分别为微度1、微度2、轻度、中度、强度、极强度以及剧烈。数值越高，表示水土流失级别越大，同时也表明其水土流失越明显。

2 山东平原地区河道水土流失防治措施研究

为了针对性地给出山东平原地区河道水土流失的相应防治措施，根据其水土流失的扰动规律进行相关实验。实验首先通过资料收集的方式，来判定山东平原地区河道水土流失对其支流和干流的影响程度，资料中包含A河道干流以及山东平原地区主要支流的实测水沙资料。见图5。

图5 山东平原地区干流和部分支流实测水沙部分对比结果

从图5中可以看出，A河道作为干流，虽然其控制面积以及年输沙量都是最大的，但是年含沙量反而更低，为0.293。并且年输沙模数也低于C河道，表明其输水量大，含沙量小，因而受泥沙威胁较小。另外，B河道和C河道的输沙能力较强，C河道年输沙模数为95.956t/km2，比A河道干流高32%左右。综合来看，单就山东平原来讲，其河道水土流失对支流的影响比较大，对干流比较小。因此，对山东平原地区水流防治来说，就需要将A河道干流等无明显侵蚀区进行农田与林地的水土保持，对于其他支流侵蚀较为严重的，就需要重点监督与防护。另外，研究继续在山东地区某水利工程的基础上进行实验，其相关实验涉及实验分区以及实验场的设计。对实验分区来说，包含工程建设区、土料场等；对实验场设计来说，包含实验场的选择、雨量点的布设、观测场的简易建设以及设定相应的观测方法。研究主要在降雨与土壤侵蚀两方面进行了观测。降雨的观测结果见图6。

图6 山东平原地区某水利工程5-9月份降水量情况

图6中，横轴括号中为月份。从图6中可以看出，该水利工程在近5个月内的降水量起伏波动较大，最高出现在7月27号，为68mm；最低出现在8月24号，为0.2mm。在RUSLE模型中，受到了降水量的影响，降水量越大表明其水土流失越严重，然而该地区的起伏比较大，因此需要进行分时段的治理。在此基础上，该水利工程的土壤侵蚀观测结果见表1。

通过表1的观测结果可发现，工程建设对地表土壤的干扰导致大量的水土流失，其中最大的侵蚀为13 434 t /(km2·a),最低为2 460 t /(km2·a)，而弃土区和临时堆土区的土壤侵蚀模数为11 737.134 34 t (km2·a)。对主体工程而言，主要水保措施包括护坡、护砌闸工程区绿化美化等。护坡和护砌措施都按计划进行，对土壤侵蚀起到很好的预防作用。工程竣工后一年内，必须完成对堤坝后草皮的保护、路肩草皮的保护、闸工程区的美化和绿化工作，目前仅进行了平整。对工程管理而言，其具备较好的排水措施，并存在一定的土壤侵蚀。对土料场而言，其排水系统较好，施工完成后，及时进行土地平整。对弃土区而言，施工期间，边平整边弃土；施工结束后，与导流沟同步平整，作为复垦土地。对临建工程而言，明渠、围堰均已平整，部分采用草垫保护；在临时堆土区和施工便道的两边都有排水沟。综合来看，需要对相应的工程进行分区治理，针对不同区域的特点来进行水土流失治理。

表1 山东某水利工程各区域的水土流失量监测结果

从山东平原地区整体水土流失上来看，同样需要进行水土流失区域的分区治理。根据其严重程度，将其分为重点预防保护区、重点监督区以及无明显侵蚀区。对重点防护区而言，大多为飞沙土区，因此需要采取防风固沙、聚沙固土以及客淤压沙等操作，同时需要进行合理的农田排灌方式。对重点监督区而言，需要采取排洪道、拦渣坝等措施，同时对该地区进行种树和种草。对无明显侵蚀区来讲，需要采取相应的农田水土保持措施。在此基础上，通过搜集相关资料，运用相关评价方法，评价山东某地区采取相关措施前后的经济生态系统现状，结果见图7。

图7 山东某地区治理前后生态经济系统评价结果

从图7中可以看出，山东平原地区河道流域采取措施后，综合评价指标从0.96提升至2.50，整体水平比之前增加1.6倍。其中，生态效益作用因子从1.02增加至2.65，增加160%；经济作用因子从0.91增加至12.38，增加162%；社会作用因子从0.99增加至2.47，增加150%。综合来看，研究所提出的防治措施效果比较好，水土流失显著降低，各种效益明显提高。