基于技术的生态小流域水土保持规划探究_张丽梅.pdf

科 技 创 新科 技 创 新收稿日期：2022-12-11作者简介：张丽梅，女，满族，承德市水土保持科学研究所，高级工程师。基于基于GISGIS技术的生态小流域水土保持规划探究技术的生态小流域水土保持规划探究摘要近年来随着国家对生态经济的大力扶持，小流域治理成效显著，但在规划设计中以传统手段进行基础资料的获取居多，文中结合承德市艾峪口小流域设计进行探究，运用 GIS技术及 ArcView软件对流域水土流失各影响因子进行叠加分析，获取更精准的数据，运用所构建起的工程区水土保持规划数据库进行了流域水土流失现状的定量分析，并针对流域水土流失地块单元进行措施布置，从而实现工程区水土保持规划的总体布局，有效提升水土保持规划设计成果的直观性和准确性。关键词GIS；艾峪口小流域；水土保持规划张丽梅承德市是京津冀水源涵养功能区和生态环境支撑区，位于河北省北部，境内河流属海河水系，主要河流包括滦河、潮白河、辽河及蓟运河。近年通过小流域项目的实施，不仅减少了项目区域水土流失，同时使土地实现了增产增收，明显提高了当地群众的生活水平。为使生态小流域设计基础数据更为精准，为后续工作提供可靠支撑，提出在生态小流域水土保持规划设计中引用GIS 技术，可提高设计成果的标准化、专业化并提高工作效率。1.工程区概况艾峪口小流域位于滦河水系长河支流，地处宽城县东南部，位于东经11809 31.4711832 41.25、北 纬4027 45.084025 26.38之间，属中低山丘陵区，最高海拔高程 836.7m，最 低 海 拔 高 程 266.3m，相 对 高 差570.4m。流域形状为不规则形，地势东南高、西北低，水流自北向南贯穿于整个工程区。工程区内土壤类型为褐土，质地较好，区内植被主要以经济林和灌木林为主，并生长少量乔木林。阴坡面主要以油松、灌木为主，阳坡面主要以山枣、荆条、板栗为主，平地主要栽植经济林，树种以板栗为主。工程区属暖温带半干旱大陆性季风型燕山山地气候。年 平 均 气 温 8.4，多 年 平 均 降 水 量610.1mm，大 于 等 于 10 年 活 动 积 温32003650，年均日照时数 2828h，无霜期 150d175d 左右，最大冻土深度 1.26m，年均风速 1.7m/s，主害风风向SW，多年平均蒸发量 1524mm。工程区土壤侵蚀类型为水力侵蚀，主要发生在汛期，水土流失形式主要是面蚀且以鳞片状面蚀为主。水土流失使工程区土壤、肥力流失，影响农作物产量和生活环境，抬高河床，缩小行洪断面，两岸村庄、耕地在雨季随时可能受到洪水威胁。2.基于 GIS 技术的工程区水土保持规划总体布局GIS 地理信息系统软件分析过程基于矢量格式和栅格格式，具有强大的空间数据分析功能、矢量数据转换功能、数据库管理查询功能等，根据艾峪口小流域数字化的土地利用现状图及流域地形图，通过 GIS软件进行流域地块单元划分，小流域水土保持规划设计数据库构建，土壤侵蚀及水土流失现状定量分析的基础上，进行流域水土保持治理规划总体布局 及 措 施 的 分析。2.1 地 块 单元的划分结合工程区实地取样分析，并 运 用 ArcView软件的数据库管理功能以及空间分析功能完成流域 地 块 单 元 划分。为进行艾峪口小流域地块单元的划分，以工程 区 1:10000 的数字化土地利用现状图及地形图为工作底图，并进行矢量化处理后 将 其 转 化 为ArcView 软 件 可以打开的空间数据开放文件，再运用ArcGIS 将线状空间数据开放文件转换为面状空间数据开放文件，确保每个资料图斑对应一个地块单元，经由上述步骤最终将工程区划分为 2000个资料图斑。2.2单元影响因子的提取对艾峪口小流域水保监测中心站2021年的遥感资料进行 GIS处理后，便可统计出工程区内土地利用现状、土壤侵蚀、坡度、地类划分等基本影响因子，再结合工程区社会经济现状、土地调整方向及农业发展规划，便可得出工程区内水土保持规划的总体布局。2.2.1土地利用现状运用桌面 GIS软件 ArcView 进行工程区土地利用状况栅格数据分析。工图 1流域土壤侵蚀等级图39科 技 创 新科 技 创 新程区农业用地占土地总面积的 8.53%；林业用地占 76.05%；草地占 6.34%；水域及水利设施用地占 3.24%；城镇村庄、交通及工矿用地占 5.84%。工程区经济林主要以板栗为主，但其大部分疏于管理，树下水土流失严重，对于这部分林地进行树下水平阶整地，加大树下水土流失治理力度，严格控制水土流失，提高果品质量和产量，发挥更大的经济效益。工程区林地面积虽广，但林草覆盖度低，坡度较陡，水土流失较大，对这部分面积进行封育治理。现状经济林地郁闭度在 0.600.75 之间，疏林地郁闭度在 0.18左右，封育区灌木林地和荒草地林草覆盖度在 35%40%之间。2.2.2土壤侵蚀情况运用桌面 GIS软件 ArcView 进行工程区土壤侵蚀栅格数据分析。工程区土壤侵蚀类型为水力侵蚀，主要发生在汛期，水土流失形式主要是面蚀且以鳞片状面蚀为主。经测算平均侵蚀模数930t/km2a，年侵蚀量 1.25万 t。2.2.3地块坡度工程区耕地总面积 10.19km2，其中坡耕地面积占 65.27%，坡度组成主要在 525之间，土地资源并未充分利用，且利用结构不合理，农地普遍存在广种薄收特征。2.2.4土壤侵蚀类型运用桌面 GIS软件 ArcView 进行工程区土壤侵蚀和土地利用程度栅格数据的叠加分析，得出工程区土壤侵蚀地类，见表 1。通过对工程区土壤侵蚀地类分布情况的分析可知，工程区土壤侵蚀主要是水力侵蚀，分布面广，在平耕地、坡耕地、经济林、有林地、疏林地裸露地表伴随沟蚀和面蚀等发生，并以坡耕地最为严重。就土壤侵蚀地类分布而言，坡耕地中度及以上侵蚀面积占总侵蚀面积的 94.71%，水土流失相当严重。2.3属性数据库打开 ArcView 软件中 1 10000土地利用现状图，根据图中公路网格确定出4 个不同的控制点，并输入地理矢量坐标数据，保存成坐标系图片，并通过 ArcView软件进行图片及矢量化面状文件的空间叠加，归并碎小地块，运用阿拉伯数字进行各个地块编码，再依据工程区土地利用现状对土地利用类型数据赋值，参照地形图对坡度及坡位属性数据赋值，最终对工程区地块单元植被、土壤等属性数据资料加以完善后建立起艾峪口小流域水土保持地块属性数据库。属性数据库既考虑到流域土地利用现状，又充分体现出土壤、植被、坡度、坡位等对区域土壤侵蚀特性可能的影响。3.工程区水土流失治理3.1水土流失现状运用桌面 GIS软件 ArcView 土壤侵蚀预报工具进行工程区不同地块单元土壤侵蚀现状的分析。根据流域实际情况运用 ArcView 软件数据库管理功能及空间分析功能进行数据库文件的读取，并根据各因子值生成土壤侵蚀量栅格图，依据栅格图便可得到流域土壤侵蚀等级图见图 1。通过土壤侵蚀等级图和土地利用状况栅格、坡度图的叠加处理，得到土地利用方式及坡度所对应的土壤侵蚀量。如表 1所示，工程区水土流失面积为 13.47km2，占总面积的 75.35%。微度侵蚀 1.48km2，占总面积的 10.98%；轻度侵蚀 1.87km2，占总面积的 13.93%；中度侵蚀 1.99km2，占总面积的 14.72%；强烈侵蚀 2.06km2，占总面积的 15.27%；极度强 烈 及 剧 烈 侵 蚀 分 别 为 3.25km2和2.82km2，分 别 占 总 面 积 的 24.1%和21%。3.2治理方式为保护河道两岸村庄、耕地的安全，在艾峪口村修建护地堤，护地堤工程级别为 5级，设计洪水标准为 10年一遇；为方便管护、采摘及人车通行，在艾峪口岔沟内修建果园道路。按照适地适树的原则，兼顾经济效益与景观，对于土质肥沃、坡度较缓的经济林实施水平阶整地和树盘，对于有一定根稞，郁闭度较低的灌木林地、疏林地进行封育治理，对密度小的地块实施补植侧柏和油松。水平阶整地工程采用人工挖土做埂。在原有栽植经济林的山坡或坡耕地上进行树下水平阶整地，沿等高线修建水平阶，将坡面修筑成窄条的台阶状台面。阶面水平或稍向内倾斜，宽 1m1.5m，阶外沿做 0.3m 高、0.3m 宽土埂并拍实，阶与阶中心距 2m4m，具体尺寸还要依据现有地形和原有造林密度适当调整。树盘工程采用人工挖土做埂。方案设计在原有地面坡度小于 5的区域树盘为圆形，一般半径为 0.5m，外沿做0.15m 高 0.1m 宽土埂并拍实，土埂向树盘内外放坡，坡比均为 1 1，具体尺寸依据现有地形和原有造林密度适当调整。封育补植采用侧柏和油松进行人工补植，侧柏苗为容器苗。采用鱼鳞坑整地方式，整地时表土上翻，生土翻在下沿作成弧状土埂并踩实，表土填坑内，呈里低外高之势，长径 0.6m，短径0.4m，坑深 0.5m，栽植时间安排在 7 月底8 月底，利于保水保墒，提高苗木成活率。3.3治理措施表 1工程区水土流失分布及侵蚀程度表土壤侵蚀地类耕地林地其他合计占比（%）平耕地坡耕地经济林有林地疏林地灌木林地面积（km2）1.527.881.150.141.300.461.0213.47水土流失程度（km2）及等级微度-0.461.021.4810.98轻度0.280.940.160.040.45-1.021.8713.93中度0.371.110.250.040.22-1.9914.72强烈0.351.080.400.050.18-2.0615.27极度强烈0.312.440.340.010.15-3.2524.1剧烈0.212.31-0.30-2.8221.040科 技 创 新科 技 创 新按照适地适树的原则，兼顾经济效益与景观，对于土质肥沃、坡度较缓的经济林实施水平阶整地和树盘，对于有一定根稞，郁闭度较低的灌木林地、疏林地进行封育治理，对密度小的地块实施补植侧柏和油松，具体的治理措施包括：修 建 护 地 堤 650m，果 园 道 路4225m，实施经济林树下水平阶整地6820.65亩，经济林树下树盘 873.15亩，封育治理 7306.2 亩，其中封禁标志牌10 块，补植油松 535.95 亩，补植侧柏1191.9亩。3.4治理成果通过各项水土保持措施的实施，小流域内 10km2的水土流失面积得到治理，累 计 水 土 流 失 治 理 程 度 达 到74.23%。到设计水平年小流域林草覆盖率达到 70%，林草面积占宜林宜草面积的 81.13%。工程区可增加蓄水能力11.26万 m3，起到涵养水源，净化水质作用，减少土壤侵蚀量 0.57万 t，减沙效益达 72%，土 壤 侵 蚀 模 数 由 原 来 930t/km2a 下降到 200t/km2a 以下，起到防风固沙，减少水土流失，改善生态环境的巨大作用。按照投资回收期 20年计算，合计年均增产值 217.72 万元，人均收入可增加 360 元以上。工程建设促进了地方经济的发展，群众积极参与水土保持生态环境的保护和建设，大大提高水土保持社会效益和舆论氛围，加速了小康社会建设进程。4.结论通过对 GIS技术及 ArcView 软件在小流域水土保持规划设计中应用情况的研究表明，GIS 技术及 ArcView 软件在区域水土保持规划设计方面精确度较高，土地利用现状、土壤侵蚀、地块坡度、土壤侵蚀地类等基本因子的统计快捷且准确，GIS 技术及 ArcView 软件能充分利用小流域土地利用状况、水土流失及水土保持措施等变量之间的关联性，提升水土流失治理效果，不断推动水土保持规划工作向专业化、自动化、精准化方向的转变。上，计算域被离散为 56 个单元，在垂直方向上离散计算域为 48个 单 元。单 元 的 最 小 尺 寸 约 为 0.50.5m，接近防渗墙，在坝基上游侧单元的最大尺寸增加到 7.54m，如图 1所示。2.3大坝库区条件大坝于 2010 年竣工并开始蓄水。大坝轴线处的河床在蓄水前为 112m，由于大量泥沙淤积而增加到 118m，并在研究期内大坝水库的水位变化主要保持在 118m129m 之间，如图 2 所示。这些变化可作为非