董亚维，曹雪峰

(黄河水利委员会 黄河上中游管理局，陕西 西安 710021）

水土保持率是反映水土流失预防治理成效的综合指标[1-4］,已纳入美丽中国建设的评估指标体系。2021年,全国各省(区)水行政主管部门根据水利部要求开展了本辖区水土保持率远期目标值的复核工作,水利部水土保持司会同黄河水利委员会研究确定了黄河流域九省(区)水土保持率。目前,关于水土保持率的研究处于起步阶段,已有成果多为重点关注区域的实际计算成果,有关黄河中游重点支流水土保持率的研究鲜有报道。本文基于黄河中游多沙粗沙区重点支流皇甫川流域2006年和2011年水土保持遥感监测成果、2019年度全国水土流失动态监测成果(黄河中游多沙粗沙区部分),进行皇甫川流域水土保持率动态变化情况分析及阈值预测,以期为其他支流水土保持率阈值的确定及黄河流域水土流失精准治理等提供参考。

1 流域概况与研究方法

1.1 流域概况

皇甫川流域位于黄河中游黄土高原与鄂尔多斯高原的交接地带,属水蚀风蚀过渡区,发源于内蒙古自治区准格尔旗点畔沟,自西北流向东南,在陕西省府谷县下川口村注入黄河,是黄河北干流北部的一级支流之一,干流长137 km,流域面积3246 km2,涉及内蒙古自治区达拉特旗、准格尔旗和陕西省府谷县等3个县(旗)。流域绝大部分区域属黄河中游粗泥沙集中来源区。流域内降水年际和年内变化较大,年降水量350～450 mm,6—9月降水量占全年的80%以上；降水量空间差异也较大,由东南向西北递减。多年平均径流量1.54亿m3,多年平均输沙量5050万t。流域内植被类型属于典型的干旱草原植被。流域内侵蚀类型多样,总体表现为以水力侵蚀为主,水力侵蚀、重力侵蚀和风力侵蚀共同存在[5-8］。皇甫川流域在黄河流域水土流失分区中属黄土丘陵沟壑区第一副区,根据地形地貌特征、地表组成物质、土壤侵蚀发生发展规律等,可进一步把皇甫川流域划分为黄土丘陵区、盖沙区、砒砂岩区3个水土流失亚区。

1.2 研究方法

水土保持率指区域内水土保持状况良好的面积(非水土流失面积)占区域国土面积的比例,分为水土保持率现状值和水土保持率阈值(远期目标值)。其中,水土保持率阈值是通过水土流失预防和治理,区域内水土保持状况良好的面积占区域国土面积比例的上限,其反映的是在符合自然规律并满足经济社会发展要求的情况下水土流失预防和治理应当达到的程度。结合生态文明建设和美丽中国建设要求,依据水利部水土保持司对水土保持率复核的有关要求,确定本研究中的阈值年份为2050年、现状基准年为2019年。水土保持率现状值和水土保持率阈值计算公式分别为水土保持率现状值＝区域内土壤侵蚀强度在轻度

水土保持率现状值计算的关键是确定土壤侵蚀强度在轻度以下的现状国土面积,基于2006年、2011年、2019年水土流失动态监测成果、《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)、中国土壤流失方程[9-11］,首先计算水土流失面积即轻度及以上各级强度土壤侵蚀面积,然后从区域国土面积中扣除水土流失面积,即可得到区域内土壤侵蚀强度在轻度以下的现状国土面积。水土保持率阈值计算的关键是确定区域内水土保持状况良好面积的上限,参考曹文洪等[12］提出的方法,以现状基准年水土流失面积为基础,结合研究区实际情况,首先确定远期目标年不需要治理和不可完全治理的水土流失面积,然后从区域国土面积中扣除不需治理和不可完全治理的水土流失面积,即可得到区域内水土保持状况良好面积的上限。

1.3 数据来源及处理

(1)土壤侵蚀强度等级计算基础数据,包括遥感影像数据、地形数据等。遥感影像数据方面,2006年和2011年信息源为采用DMC数字航摄仪拍摄的真彩色、彩红外和黑白数码航空影像,分辨率0.36 m；2019年信息源为分辨率为2 m的资源三号、高分一号卫星影像和分辨率为250 m的MODIS数据。地形数据方面,2006年、2011年采用1∶1万数字高程模型(DEM)提取研究区坡度、坡长信息,2019年采用1∶5万数字高程模型(DEM)提取研究区坡度、坡长信息。

(2)水土流失面积数据。水土流失面积指轻度及以上各级强度土壤侵蚀面积之和。2006年、2011年土壤侵蚀模数的计算:依据DEM提取坡度专题数据,结合土地利用、植被覆盖度、《土壤侵蚀分类分级标准》确定土壤侵蚀模数[7］。2019年土壤侵蚀模数的计算:基于土地利用、土壤类型、地形、降雨、植被等因子,采用中国土壤流失方程[10］确定水力侵蚀区土壤侵蚀模数；根据遥感影像解译获取的土地利用类型(耕地、灌草地、沙地等)选用对应的风力侵蚀模型,确定风力侵蚀区土壤侵蚀模数。各单元土壤侵蚀模数计算完成后,按照《土壤侵蚀分类分级标准》,对各级强度土壤侵蚀面积进行合并计算,得到研究区水土流失面积。

2 结果与分析

2.1 水土流失动态变化情况

皇甫川流域2006年、2011年、2019年3个年度水土流失监测结果见表1、图1。

图1 不同年度各级土壤侵蚀分布情况

表1 不同年度各级土壤侵蚀面积统计 km2

由表1可知,2006—2019年皇甫川流域水土流失(轻度及以上土壤侵蚀)面积呈现逐渐减小的趋势,与2006年相比,2019年水土流失面积减少1180.01 km2,减幅达42.5%,表明13 a间水土流失治理和生态保护效果显著。从各级土壤侵蚀强度等级来看,2006—2019年非水土流失面积大幅度增加,属水土流失的5个侵蚀强度等级中,轻度、强烈面积增加,中度、极强烈、剧烈侵蚀面积明显减少。结合不同年度土地利用、植被覆盖度监测结果等进行各级土壤侵蚀强度转移分析表明,2019年增加的强烈土壤侵蚀面积由极强烈、剧烈土壤侵蚀面积转移而来。

2.2 水土保持率现状值及动态变化

依据表2中不同年度轻度以下土壤侵蚀面积,计算的2006年、2011年、2019年水土保持率分别为14.39%、15.84%、50.74%,2006—2011年年均增长0.29个百分点,2011—2019年年均增长4.36个百分点,在13 a研究时段内后8 a增长速度高于前5 a的。

2.3 水土保持率阈值预测

综合考虑水土流失现状及治理难易程度、自然地理条件、经济社会发展及其对水土保持生态建设的要求等,从地形地貌、土地利用和人类活动等土壤侵蚀的主要影响因素入手,分析确定现状水土流失面积中哪些不需要治理、哪些不可完全治理,进而研判流域内远期可能长期存在的水土流失面积、水土保持状况良好面积的上限,进而预测计算水土保持率阈值。

2.3.1 不需要治理的水土流失面积

不需要治理的水土流失区的研判规则:高寒、高海拔人口稀疏地区,集中连片沙漠、戈壁及部分沙地,集中连片裸露基岩等现存水土流失区。皇甫川流域处于毛乌素沙地与黄土高原的过渡地区,在风力侵蚀区存在的集中连片沙地自然气候环境恶劣,治理难度大、经济投入高、见效慢,因而对其水土流失治理主要是在毛乌素沙地周边进行适度治理以防止沙漠扩张和风沙危害,可全部计入远期存在的水土流失面积。由2019年全国水土流失动态监测成果可知,研究区集中连片沙地轻度以上侵蚀面积为2.61 km2,本研究将其计入远期存在的水土流失面积,即研究区不需要治理的水土流失面积为2.61 km2。

2.3.2 不可完全治理的水土流失面积

不可完全治理的水土流失区的研判规则:一是陡坡水力、重力混合侵蚀区,一般分布在沟沿线以下沟坡；二是必要的生产建设活动造成的阶段性人为水土流失区。

有关研究成果表明25°是陡坡地土壤侵蚀发生较大变化的临界坡度,《中华人民共和国水土保持法》及《陕西省水土保持条例》均规定禁止在25°以上陡坡地开垦种植农作物,内蒙古自治区将禁止开垦的最小坡度限定为15°。这些禁垦陡坡地的水土流失防治以退耕还林还草、生态自我修复为主[13］,见效慢且不稳定,可视为不能治理到轻度以下的水土流失。基于全国水土流失动态监测成果分析可知,25°以上陡坡区域即使局部植被覆盖度较高,也依然存在较严重的水土流失,发生水土流失的面积比例约为90%。采用皇甫川流域1∶1万DEM提取25°以上陡坡面积为1025.3 km2,占流域面积的31.59%。综合考虑治理的难易程度[14］、混合侵蚀作用以及治理的技术经济可行性,将研究区25°以上发生水土流失的陡坡面积(占陡坡地总面积的90%)作为不可完全治理的水土流失面积,据此推算的不可完全治理的水土流失面积为922.77 km2。

根据2019年全国水土流失动态监测成果,皇甫川流域人为水土流失地块轻度及以上土壤侵蚀面积约为4.7 km2,即必要的生产建设活动造成4.7 km2水土流失面积。根据水利部加强生产建设项目“事中事后监管”的相关要求,施工过程中临时苫盖、拦挡及建筑物地面硬化等可一定程度减少水土流失,暂认为该年度4.7 km2的水土流失面积有30%进行了治理且达标,即实施治理后仍有不可完全治理的水土流失面积3.29 km2。

综上所述,皇甫川流域远期不可完全治理的水土流失面积为926.06 km2。

2.3.3 水土保持率阈值

综上,皇甫川流域不需要治理的水土流失面积为2.61 km2、不可完全治理的水土流失面积为926.06 km2,将长期存在的水土流失面积为928.67 km2,远期目标年份(2050年)水土保持状况良好的面积即非水土流失面积为2317.33 km2,对应的水土保持率阈值为71.39%。为了实现水土保持远期目标,在现状水土流失面积1598.98 km2的基础上,还应通过预防和治理再减少水土流失面积670.31 km2。

由《2019年中国水土保持公报》可知西北黄土高原区水土保持率现状值为63.44%[1］,水利部研究提出的西北黄土高原区水土保持率远期目标值为72.63%[12］。与之对比,皇甫川流域水土保持率阈值略低,考虑到流域内分布的砒砂岩等水土流失严重且治理难度极大,认为上述皇甫川流域水土保持率阈值71.39%基本合理且可以实现。

3 结论

(1)2006—2019年皇甫川流域水土流失面积和强度呈现“双下降”趋势,水土流失面积减少1180.01 km2,由2006年的2778.99 km2减少到2019年的1598.98 km2,剧烈和极强烈土壤侵蚀面积明显减少、轻度以下土壤侵蚀面积明显增加。

(2)2006年、2011年、2019年水土保持率分别为14.39%、15.84%、50.74%,2050年水土保持率阈值为71.39%。

(3)皇甫川流域不需要治理的水土流失面积为2.61 km2,不可完全治理的水土流失面积为926.06 km2,远期将长期存在的水土流失面积为928.67 km2,为了实现水土保持远期目标,还应通过预防和治理再减少水土流失面积670.31 km2。

建议加强水土保持监测工作,进一步研究黄河中游水土流失严重地区各支流水土流失治理对黄河流域水土保持率的贡献,为黄河流域水土流失精准治理、水土保持生态建设和高质量发展提供理论和技术支撑。