内陆河流域半干旱山区小流域综合治理模式研究

内陆河流域半干旱山区小流域水土保持综合治理模式研究1项目概况马家台流域隶属甘肃省天祝藏族自治县安远镇，地理位置东经102°50′,北纬37°18′，海拔2880～3560米之间，流域形状呈带状形，流域面积16.5km2，是甘肃省内陆河水系石羊河流域一级支流，属于典型的青藏高原冷凉干旱山区，主要的土壤侵蚀类型为水力侵蚀。1.1研究的目的和意义土壤侵蚀(soilerosion)是世界上各国政府和人民普遍关注的问题。水土流失及其导致的土地退化和泥沙等问题是全球性的严重环境和灾害问题，并且已经对人类的生存和发展构成了威胁。中国是世界上的人口大国、农业大国和水土流失大国，也是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一，各种类型的侵蚀遍及全国，而且强度高，成因复杂，危害极大。据水利部遥感中心1990年全国范围的土壤侵蚀调查全国轻度以上侵蚀的水蚀面积达179万km2、风蚀面积达到188万km2、融冻侵蚀面积达到125万km2、总计轻度以上侵蚀面积达到了492万km2、合51%的国土面积需要治理。据统计，新中国成立的初期，全国水土流失(水力侵蚀)面积153万km2。新中国成立后，中国政府十分重视水土保持，每年投入大量的人力、物力和财力开展这项工作，截止1995年底，累计治理水土流失面积67万km2。但是由于不合理的人为活动和人口的迅速增长，人们索取自然资源的强度日益增加，乱砍滥伐林木，草原过牧，陡坡2开荒、毁林毁草开荒以及开发建设中乱开乱挖乱倒废弃物等导致水土流失愈演愈烈。水土流失总的趋势是在发展的，认为造成新的水土流失比较严重，存在“边治理，边破坏”，有些地方甚至破坏大于治理的现象。水土流失使得大量土地贫瘠、荒芜，许多江河湖塘的行洪、蓄洪能力骤降。严重的水土流失失己经成为国民经济持续、稳定和地区间协调发展的制约因素。因此，研究土壤侵蚀的成因规律，积极开展水土保持，其意义深远而重大。天祝藏族自治县地处甘肃省中部，位于青藏、黄土、内蒙古三大高原交汇处，地理位置特殊，自然环境独特，生态系统非常脆弱，一旦破坏很难恢复。该流域属内陆河水系石羊河流域的一级支流，是典型的冷凉半旱山区。天祝藏族自治县国土总面积7194km2，其中耕地面积5.569万hm2（坡耕地占总面积的65%），草原面积46.25万hm2，森林覆盖面积17.03万hm2(乔灌)，工矿企业、居民等用地1.613万hm2，未利用地1.478万hm2。依据甘肃省水土流失类型区划分，主要有两大区域，即干旱草原区和土石山区。有119条小流域，其中：黄河流域69条，内陆河流域50条。水土流失总面积4675km2，占全县土地总面积的65%，平均侵蚀强度3800T/km2·a,，平均风速3～5m/s。由于受全球干旱气候的影响，多年平均年降水不足400mm，而蒸发量达1600mm以上，年均气温-1℃，无绝对无霜期。流域水源涵养区冰川、雪线逐年上升（均上升至海拔3000m以上），使流域水源涵养功能降低。人口密度32人/km2，超出国际环境组织提出干旱、半干旱山区人口最大负载能力20人/km2的标准12人；牲畜数量由360年代的17.4万头(只)发展到目前的64万头(只)，增长了2.7倍，畜占有鲜草量由7622.9kg下降到2081.04kg,超载23.85%。境内有两大水系即黄河流域和石羊河流域。以乌鞘岭为界，岭南黄河上中游生态区是黄河一级支流大通河的重要水源补给涵养地和庄浪河的发源地；岭北是甘肃河西三大内陆河之一的石羊河水源涵养区，养育着下游200多万人民，保证了数百家工矿企业用水，是河西走廊地区重要的生态屏障和农业生产命脉。长期以来，受自然和人为因素的影响，草原严重退化，森林线逐年后退，尤其是石羊河流域祁连山林区的森林带，由于全球暖式气候和人为破坏的影响，森林带海拔由1900m退缩到2300m以上，草灌林毁损严重，导致石羊河水量锐减，干旱、风沙加重，自然灾害频繁。根据天祝县农牧业目前发展的实际现状分析，制约县域农牧业经济发展的主要因素是气候冷凉干旱、水土流失严重等。因此，1998年由原武威地区水土保持工作站和天祝县水土保持工作站，结合天祝县农牧业发展的实际，分析影响天祝县农牧业经济发展（即主要冷凉干旱、水土流失严重等）因素，向省水保局申请，并由甘肃省水土保持局批复列项实施。该项目按照“预防为主，保护优先，因地制宜，因害设防，综合治理，注重效益”的原则，通过流域水土保持综合治理各项措施的落实，总结和探索冷凉干旱山区水土资源综合治理与开发的经验和建设及管理模式，对促进冷凉干旱山区农牧业经济发展、促进水资源优化配置、提高水资源利用率、改善生态环境、实现可持续发展战略具有科学的参考价值和指导意义。41.2国内外研究动态1.2.1土壤侵蚀模型研究的发展动态土壤水力侵蚀是一个复杂的物理过程，也是天祝县土壤侵蚀的一种主要形式，伴随的是能量和物质的转移。对土壤水力侵蚀其机理的研究有助于寻求合理、有效的土壤侵蚀预测模型，而一定时期建立的预测模型的精度基本上代表了那一时期对土壤侵蚀规律研究的深入程度。土壤侵蚀模型则是在对土壤侵蚀机理与过程理解的基础上，所构造的数学模型，模型经常被定义为一种事物或过程的微型表示。它为定量评价土壤侵蚀强度提供了手段，成为进行土地利用和土壤侵蚀防治规划，以及工程设计的基础。1877年德国土壤学家Wollny刚开始土壤侵蚀研究时，只限于表面现象的观察和定性描述。从20世纪20年代开始，有学者开始进行土壤侵蚀的定量研究，但直到60年代，此类研究基本上仍是经验性的，60年代末，才有基于侵蚀过程原理的物理模型出现。但由于土壤侵蚀问题涉及面太广，目前对侵蚀产沙的基本规律仍然还不完全清楚，即使在物理模型中，仍存在大量依靠经验手段来加以确定的变量。早期学者如ZinggA.W.(1940年)、smithDD、MusgraveG.W.(1947年)提出的定量模型大多是经验模型，重点分析影响土壤侵蚀的降水及植被、土壤、地形、土地利用等因素，并利用大量的观测资料建立土壤侵蚀与主要影响因子之间的回归分析模型，将它们应用于土壤侵蚀评价。1959年，WischmeierWH和SmithDD第一次提出了通用土壤流失方程USLE(UniversalSoilLossEquation)，并两次以USDA(美5国农业部)农业手册252号(1965年)[12]和537号(1978年)【13]的形式由官方颁布执行。USLE是在对美国东部30个州10000多个径流小区近30年的观测资料进行统计分析的基础上提出的，所依据的资料丰富，涉及区域广泛，具有较强的实用性，在世界范围内得到了广泛的应用。1997年美国土壤保持局(SCS)又推出了USLE的修订版RUSLE[l4]，对USLE进行了重大的改进。从80年代开始，国外一系列基于土壤侵蚀过程的物理模型相继出现，其中以美国的CREAMS及欧洲的EUROSEM[15]、荷兰的LlSEM[16]最具代表性。WEEP模型是目前国际上较为完整的土壤侵蚀预报模型，它几乎涉及到与土壤侵蚀相关的所有过程，包括天气变化、降雨、截留、入渗、蒸发、灌溉、地表径流、地下径流、土壤分离、泥沙输移、植物生长、根系发育、根冠生物量比、植物残茬分解、农机的影响等子过程。EUROSEM模型将侵蚀分为细沟间侵蚀和细沟侵蚀两部分，考虑了植被截流对下渗和降雨动能的影响，并考虑了土壤表层岩石碎块覆盖对下渗、流速和溅蚀的影响。LISEM模型也较详细地考虑了土壤侵蚀产沙的各个环节，能较好地模拟土壤侵蚀发生过程，且能与GIS完全集成并可直接利用遥感数据。我国在二十世纪50年代初开始土壤侵蚀评价研究，20世纪80年代以来，我国也开展了侵蚀与产沙物理过程模型的研究。黄秉维院士总结大量研究成果，根据水力侵蚀机制认为，坡面上的降雨径流侵蚀分两步进行，首先是土粒与土体分离，其次是与土体分离的土粒被6搬走，并认为细沟水流侵蚀力和搬运能力均远远大于雨滴打击和坡面片状水流所具有的侵蚀力和搬运能力。汤立群等分析了物理成因产沙模型研究中巫待解决的几个问题，从流域水沙产生、运动和沉积过程及其机理出发，尝试建立了流域产沙随时间、空间分布的确定性模型。谢树楠等从泥沙运动力学的基本理论出发，通过一系列推导和假定，确定坡面产沙量为降雨强度、坡长、坡度、径流系数和地表泥沙中数粒径的函数，在此基础上，考虑植被覆盖和不同土壤的抗侵蚀能力对土壤侵蚀的影响，得出流域产沙量的计算公式；蔡强国建立的模型对流域的单元划分则进了一步，模型针对黄土丘陵沟壑区的复杂地形和侵蚀产沙的垂直分带规律，按照坡面、沟坡、沟道的划分标准，分别建立了3个子模型；邵学军提出了有细沟和集中水流的坡面上地表流动的一维动力波模型及运动波模型，并对两种模型求出了数值近似解。包为民，提出了概念性坡面产沙、沟蚀产沙、坡面汇沙和沟道汇沙模型，并结合水文学中的概念性汇流计算方法，构成了一个有一定物理意义的流域水流、泥沙耦合模型；李清河等人分别从不同角度对坡面侵蚀产沙预报模型进行了分析。孙立达、孙保平在西吉县调查分析了165个流域后，选用降雨侵蚀力指标、坡度、林草面积所占比例、水平梯田所占比例和坡耕地所占比例，通过回归分析建立了小流域土壤侵蚀模型。我国学者广泛开展了GIS与RS技术在土壤侵蚀中的应用研究。例如，水利部已两次进行了全国遥感土壤侵蚀调查；卜兆宏等从80年代开始进行了一系列的土壤侵蚀定量遥感的研究，参考通用土壤流7失方程的形式，建立了土壤年流失量监测模型、防治强度预报模型和各因子提取的算法，并在山东、福建、江西等地进行了应用，取得了良好的效果。利用遥感技术提取植被覆盖的做法目前‘应用极为广泛，一般通过计算NDVI或RVI，再通过回归分析建立经验公式来反演植被盖度，马超飞等更是提出了利用线性混合像元分解的方法来提取植被盖度。而GIS是在土壤侵蚀中的应用主要可归结为三个方面：应用GlS技术进行侵蚀环境的空间分析；应用GIS进行土壤侵蚀调查评价和水土保持规划；以及利用GlS平台进行土壤侵蚀评价模型的开发。1.1.2小流域治理研究的发展动态目前我国的土壤侵蚀评价研究可概括为地块或坡面、小流域、区域或国家三个层次。其中，面积为几平方公里到几十平方公里的小流域是土壤侵蚀的基本地域单元，它构成侵蚀过程的完整系统，以小流域为地域单元进行土壤侵蚀的特点分析，可以作为连接坡面和区域层次的纽带，有利于全面认识土壤侵蚀规律，并可探索侵蚀过程的内在机理。而且，对小流域的土壤侵蚀的空间分布作出正确地评价，是合理地实施小流域水土保持措施的基础。为了实施水土保持措施，许多学者对小流域综合治理进行了研究。例如，李永贵等在北京市西南山区小流域综合治理示范研究中首次提出了干旱冷凉陡峭石灰岩山区的综合治理开发战略和相应的水土保持及林牧农各业综合配套技术体系；高淑清等提出了“立体治理，综合开发”的山区小流域综合治理的模式，实践证明这种治理模式的实施使土地利用结构更趋于合理，生态效益逐年增加，经济效益明显8提高；罗万勤，马国斌，应用ＧＩＳ技术对黄土高原小流域土壤侵蚀进行了定量评价研究。１．３研究内容与方法１.３.１主要研究内容（１）对小流域现状和环境恶化趋势进行调查分析；（２）结合流域现状，调查分析流域水土流失和生态环境恶化的情况和原因，计算现状及治理后径流模数、输沙模数、林草覆盖、土壤侵蚀模数，以及群众经济收入、土地利用等指标，寻求总结最有效的控制技术措施；（３）利用生物措施、工程措施和农业综合技术开发等水土保持综合防治措施，以“预防优先，因地制宜，合理规划，综合治理，注重效益”为原则，合理对位布设各项措施，防治并重，调高流域治理的经济效益、社会效益和生态效益，关键是要突出治理的生态效益；（４）探讨小流域水土保持综合治理模式；（5）分析水土保持治理的效益效果。１.３.２研究方法1.3.2.1效益监测的方法1.3.2.1.1生态效益监测试验在春秋夏三季进行，分别选择不同防治区：⑴在上游生态功能区，按不同坡向、坡位、坡度、以及草灌木类型和密度进行试验研究，在每个试验部位内设置2～4个固定标准地，每块标准地面积2hm2，并指定专人定期观察调查。⑵中下游农