宁夏生产建设项目水土流失特征及其影响分级研究

张永娥,张国军,刘艳萍,马文涛,王立明,魏小燕,殷小琳,张晓明,魏 商,王 霄,陶清瑞,付建宁

(1.中国水利水电科学研究院,北京 100038; 2.宁夏回族自治区水土保持监测总站,宁夏 银川 750002;3.中咨海外咨询有限公司,北京100048; 4.北京市水生态保护与水土保持中心,北京 100074)

随着我国社会经济高速发展,城市化、工业化、现代化进程加快,大量公路、铁路、管线、水利水电、城镇建设、农林开发等生产建设项目陆续上马[1-2]。项目建设和生产运行过程中开挖填筑、堆垫、弃土(石、渣)等扰动、挖损、占压土地,导致地貌、土壤和植被破坏,造成了严重的人为水土流失[3],局部土壤侵蚀模数高达6万t/(km2·a)。宁夏地处我国西北内陆的黄河上游地区,是北方防沙带、丝绸之路生态防护带和黄土高原—川滇生态修复带“三带”交会处,中北部受腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、毛乌素沙地三面夹击,干旱少雨、植被稀疏、沙化严重,南部沟壑纵横,水力侵蚀严重,生态环境脆弱,水土流失严重[4]。随着宁夏经济社会的快速发展,生产建设项目建设带给区域资源和环境的压力愈来愈大[5]。

2023年,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于加强新时代水土保持工作的意见》,要求依法落实生产建设项目水土保持方案制度,加强全链条全过程监管,针对不同区域、不同行业特点,明确差异化、针对性要求,分类精准监管。为推进两办意见的贯彻落实,宁夏高度重视生产建设项目水土保持精细化管理。本研究收集2017—2021年宁夏已验收的各类型生产建设项目相关数据,分析其水土流失特征,并通过主成分分析和模糊聚类分析等方法,结合专家咨询论证,划分生产建设项目水土流失影响程度等级,以期能为生产建设项目水土保持分类精准监管提供数据支撑。

1 研究区概况

宁夏回族自治区地处我国西北地区东部,位于东经104°17′～107°39′、北纬35°14′～39°23′之间的黄河上中游地区,地跨黄土高原和内蒙古高原两大地形区,海拔1 090～2 000 m,地形南北狭长,地势南高北低、呈阶梯状下降。境内山地迭起、平原错落、丘陵连绵、沙丘沙地散布。属于典型的大陆性气候区,春暖快、夏热短、秋凉早、冬寒长,降水稀少,蒸发强烈,空气干燥,风大沙多。年均降水量230 mm,降水量由北向南递增,介于180～800 mm之间。年均水面蒸发量1 242 mm,是年均降水量的5.4倍,蒸发量由北向南递减,介于800～1 600 mm之间。干旱指数南北相差较大,由南向北介于1～9之间,大部分地区介于3～9之间,属干旱半干旱地带。

宁夏水土流失面积广。据态监测,截至2022年宁夏水土流失面积1.54万km2,占国土面积的23.12%,其中轻度、中度、强烈及以上水土流失面积占水土流失面积的比例分别为67.45%、22.01%和10.54%[4]。水土流失呈现中北部地区受三大沙漠包围风蚀沙化严重,南部黄土丘陵沟壑区以水力侵蚀为主的特点[6]。

2 研究方法

2.1 项目选取

选取宁夏回族自治区2017—2021年所有已验收项目,包括公路工程、露天煤矿、露天非金属矿、工业园区工程、风电工程、其他电力工程、引调水工程、井采煤矿、油气开采工程、油气管道工程、灌区工程、其他小型水利工程、油气储存与加工工程、城市管网工程、加工制造类项目、输变电工程、房地产工程、农林开发工程、其他城建工程、社会事业类项目、其他类型项目等。

2.2 数据收集和指标遴选

收集所选取项目的水土流失特征数据,包括扰动地表面积、永久弃渣量、土石方挖填总量、新增水土流失量、建设总工期、水土保持投资、对区域生态环境及水资源影响程度(是否涉及国家或省级水土流失重点防治区)、地貌类型(山区、丘陵、平原等)、项目区原地貌土壤侵蚀模数等,建立水土流失影响评价指标库。其中,新增水土流失量来源于生产建设项目水土保持监测报告,其余数据来源于水土保持设施验收报告。收集数据来源明确且经过专门的审查论证,能反映生产建设项目的真实情况,可满足分析评定要求。

考虑到在用统计方法研究多变量问题时,变量太多会增加计算量和分析问题的复杂性,本研究以上述指标建立的水土流失影响评价数据库为基础,充分考虑研究的主要目的,通过主成分分析、专家咨询和论证,最终筛选出扰动地表面积、永久弃渣量、土石方挖填总量、新增水土流失量、建设总工期、水土保持投资和对区域生态环境及水资源影响程度7项指标,构建宁夏生产建设项目水土流失影响评价关键指标体系。

2.3 数据处理和量化评价步骤

首先,受项目规模影响,同一类型生产建设项目水土流失特征可能存在较大差异,因此需对7项指标中的4项进行单元化处理,即土石方挖填总量、永久弃渣量、新增水土流失量、水土保持投资均需除以扰动地表面积,得出单位面积的土石方挖填总量、永久弃渣量、新增水土流失量、水土保持投资。单元化处理可有效避免这4项指标由所选项目规模不同造成的误差。

其次,除了定性指标对区域生态环境及水资源影响程度采取赋值法,属于重点防治区的赋值为0.3,不属于重点防治区的赋值为0,其他指标评价时会受数据量纲不同的影响。为消除量纲的影响,在分析计算时需对其进行标准化处理,将原始数据缩放到[0,1]内。计算公式为

xi′= (xi-xi min)/(xi max-xi min)

(1)

式中:xi max和xi min分别为第i个因子的最大值和最小值;xi为第i个因子值;xi′为标准化处理后的第i个因子值。

最后,本研究采用层次分析法与熵权法相结合的组合赋权方法确定各个评价指标的权重。该方法不仅评价较为客观,而且考虑了专家知识和经验,评价结果能够较好地反映实际情况。最终得到建设总工期、扰动地表面积、单位面积的土石方挖填总量、单位面积的永久弃渣量、单位面积的新增水土流失量、单位面积的水土保持投资、区域生态环境及水资源影响程度的权重分别为0.10、0.10、0.20、0.15、0.15、0.10、0.20。经对各主成分标准化结果加权求和,并采用模糊聚类分析,结合专家咨询论证,最终得到水土流失程度等级。

3 结果与分析

3.1 生产建设项目水土流失特征分析

宁夏不同类型生产建设项目水土流失特征差异较大,21种生产建设项目水土流失特征见表1。据统计,其他电力工程扰动地表面积(195.76 hm2)最大,油气开采工程(137.78 hm2)、露天煤矿(96.66 hm2)、引调水工程(89.58 hm2)次之,房地产工程(6.95 hm2)、农林开发工程(5.30 hm2)较小。露天煤矿永久弃渣量(943.06 m3)和灌区工程(182.80 m3)较大,其他小型水利工程(3.04 m3)、房地产工程(2.78 m3)也会产生永久弃渣但相对较少,大多数项目未产生永久弃渣。露天煤矿土石方挖填总量(960.48 m3)最大,油气管道工程(4.68 m3)和输变电工程(3.65 m3)较小。井采煤矿新增水土流失量(18 958.62 t)最大,引调水工程(13 006.24 t)、油气开采工程(11 573.52 t)、油气储存与加工工程(9 506.40 t)次之,农林开发工程(398.64 t)、房地产工程(397.10 t)、其他城建工程(293.10 t)较小。油气储存与加工工程建设总工期(57个月)最长,农林开发工程(1个月)最短。油气开采工程水土保持投资(954.29万元)最大,农林开发工程(29.88万元)最小。

表1 宁夏不同类型生产建设项目水土流失特征

3.2 生产建设项目水土流失指标单元化分析

单元化处理后的土石方挖填总量、永久弃渣量、新增水土流失量、水土保持投资指标见表2。露天煤矿单位面积永久弃渣量(5.05 m3/m2)最大,灌区工程(3.70 m3/m2)次之,大多数项目小于0.10 m3/m2。露天煤矿单位面积土石方挖填总量(5.59 m3/m2)最大,灌区工程(4.31 m3/m2)次之,其他电力工程(0.17 m3/m2)最小。井采煤矿单位面积新增水土流失量(435.33 t/hm2)最大,其他城建工程(30.60 t/hm2)、露天非金属矿(29.21 t/hm2)较小。房地产工程单位面积水土保持投资(68.04元/m2)最大,引调水工程(4.75元/m2)、其他小型水利工程(4.61元/m2)、露天非金属矿(3.81元/m2)较小。

表2 宁夏不同类型生产建设项目水土流失指标单元化处理结果

3.3 生产建设项目水土流失影响程度分级

宁夏生产建设项目水土流失影响程度分级结果显示:重度水土流失影响类包括公路工程、露天煤矿、露天非金属矿、工业园区工程;中度水土流失影响类包括风电工程、其他电力工程、引调水工程、井采煤矿、油气开采工程和油气管道工程;轻度水土流失影响类包括灌区工程、其他小型水利工程、油气储存与加工工程、城市管网工程、加工制造类项目、输变电工程、房地产工程、农林开发工程、其他城建工程、社会事业类项目和其他类型项目。

4 讨论与分析

1)宁夏不同生产建设项目水土流失特征分析结果显示:露天煤矿的扰动地表面积、永久弃渣量、土石方挖填总量较大;农林开发工程的扰动地表面积、新增水土流失量、水土保持投资较小,建设总工期较短;其他电力工程绝大部分为光伏项目,是自治区的典型项目,其扰动地表面积虽最大,但永久弃渣量、土石方挖填总量等较小。为了消除行业内不同规模项目数据所带来的误差,本研究对指标数据进行单元化处理。指标单元化后,露天煤矿单位面积的永久弃渣量、土石方挖填总量仍较大。

2)基于生产建设项目水土流失特征分析,采用模糊聚类法等对不同项目水土流失影响程度等级进行划分。由于方法和手段较为单一,且部分项目类型样本数量相对较少,影响了行业代表性,因此本项目结合专家咨询法对分级结果进行适当调整。根据水土流失影响分级结果,将21种生产建设项目划分为重度水土流失影响类、中度水土流失影响类和轻度水土流失影响类3个等级。

3)受研究样本量的限制,本研究未对铁路、林浆纸一体化工程、机场工程、水利枢纽工程、水电站工程、涉水交通行业、井采金属矿、井采非金属矿、轨道交通工程、火电行业、堤防工程、蓄滞洪区工程、信息产业项目等的水土流失影响程度进行等级划分。因此,下一步研究将增加项目类型、延长选取年限,收集涵盖宁夏所有生产建设项目类型的水土流失特征参数,形成科学、全面的水土流失影响程度分级表,并结合区域生产建设项目类型、特点增加或细化项目类别。

4)分析宁夏各类生产建设项目水土流失特征,对其水土流失影响等级进行划分具有重要意义[6]。参考姜德文等[7-8]的研究成果,本研究成果可为水土保持项目实施简政放权、重点监管,以及推进区域高质量落实国务院“放管服”改革等提供决策依据。