基于InVEST的赣南地区小流域水土保持措施优化分析

陈巧云

(吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000)

1 研究区概况

本次研究小流域位于江西省吉安县下岭项目区境内，距离县城约14km。小流域处于山地向河谷过渡地带，地势由西北向东南倾斜，地形主要为山地，自然坡角为15°～50°，一般坡度较陡，局部较缓。流域属于中温带大陆性季风气候，四季分明，年均降雨量653.2mm，多集中于夏季。流域内的土壤以褐土为主，部分地区分布有黄壤和水稻土，且主要分布于海拔较低的丘陵山区。流域内植被覆盖率为70.21%，主要由乔木和灌木构成，由于耕地较少，经常会出现陡坡开荒的情况，并造成植被破坏，在短时强降雨的作用下容易导致水土流失。

2 流域InVEST 模型的建立

2.1 模型的原理和特点

InVEST模型属于一种对区域生态系统进行评估的数学模型，由美国斯坦福大学、大自然保护协会(TNC)与世界自然基金会(WWF)联合开发[1-2]。该模型可以通过不同土地覆盖情境下生态系统物质量与价值量的变化的模拟，为人类活动的效益和影响评价提供科学支持。该模型的最大优势是实现了评估结果的可视化，解决以往的评估系统侧重于文字表述，直观性差的问题[3]。该模型自从发布以来已经更新了7个版本，可以提供淡水系统、海洋系统以及陆地生态系统3大模块，并且每个模块均有具体的评估项目[4]。

2.2 小流域坡面侵蚀单元划分

为了实现对小流域的精细化管理，研究中使用GIS水文工具进行流域水文分析模型，以提取小流域的最小单元，并将其作为研究中的坡面侵蚀单元，以利于后续的数据分析和管理[5]。具体而言，本文利用小流域的1∶10000的DEM数据，进行填洼、水流方向的计算、河网的提取、倾泻点的获取以及盆域提取。在单元提取过程中，需要依据研究的精度要求设置合适的汇流阈值，结合本次研究小流域的实际情况，经过多次阈值设置试验，最终选定汇流阈值为500，经过运行模型，最终获得453个坡面侵蚀单元，平均面积为9.06hm2。

2.3 模型因子参数和数据库的构建

根据相关学者的研究成果以及研究区的部分实测数据，计算获取降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡度坡长因子、植被覆盖与作物管理因子、水土保持措施因子、潜在蒸散量因子、植物可利用水含量因子、植物蒸散系数、泥沙持留率等模型因子参数[6]。在模型构建过程中，以上节划分的坡面单元为基础进行数据库构建，将收集到的文字、图片、表格资料以及地理基础数据进行整合，实现一体化与可视化管理[7]。

3 小流域水土保持措施优化

3.1 小流域土地适宜性评价

土地的适宜性评价是进行小流域治理和水土保持的必要前提，只有对流域内的每一块土地进行适宜性评价，才能发挥每一块土地的价值和作用[9-10]。

按照土地利用影响因素方面的研究成果，设定如下6个层面的评价指标：①土地利用现状，根据农业部卫星遥感数据获得，并按照农林果牧层面的适宜性程度划分为耕地、园地、林地、草地、建设用地和水域以及其他用地6个不同等级；②土壤侵蚀状况，按照上节构建的InVEST模型进行评价结果获取，并划分为轻微侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、严重侵蚀、重度侵蚀和强烈侵蚀6个等级；③流域地貌，根据陈道明的研究成果进行等级划分[8]；④研究区坡度，利用DEM空间数据获取，并划分为0°～4°、4°～9°、9°～15°、15°～22°、22°～32°以及大于32°等6个等级；⑤道路距离缓冲，⑥居民点距离缓冲，上述2个指标根据单元距离居民点与道路的距离，划分为0～50、50～100、100～150、150～200、200～250以及大于250六个等级。对选取的指标结合相关研究成果和小流域的实际情况，利用层次分析法获取指标权重，结果见表1。对于各个图层的空间化数据在ArcGIS 中按照表1中的权重进行加权叠加，最终获得土地适宜性评价结果。

表1 基于层次分析法的指标权重计算结果

对获取的基本数据进行栅格化处理，结合加权叠加结果，提取出土地适宜性栅格面积及所占比例，结果如图1—2所示。根据计算结果，小流域的土地适宜性整体而言为良好态势，但是在局部地区仍旧存在比较显著的差异。从具体的等级划分上看，土地坡度较缓，交通条件良好，较为适宜用作农用地的第一级土地面积不大，占总面积的4.41%；交通便利，但是坡度较第一级陡，可用于果林种植，部分适用于农用地的第二级土地为16.16%；交通不便、坡度更大，比较适合林地和畜牧生产的第三级土地面积最大，占70.13%；质量较差、坡度陡峭的第四级和第五级土地占9.31%，应该是小流域规划建设的重点改造区域。

图1 不同等级土地面积

图2 不同等级土地占比

3.2 小流域土地利用方式的优化调整

结合水土保持的基本要求和该小流域的实际情况，确定水土保持综合治理的主要目标如下：①通过土地利用方式的调整，对当前的水土流失问题产生明显的抑制性作用，改善小流域的生态状况；②通过土地利用方式的优化和调整，强化流域生态系统服务质量，保护好有限的耕地资源，促进区域农业生产；③对一部分坡度较陡的耕地进行使用方式调整，发展果林业等特色经济，促进农村经济的长期稳定发展。

本次调整的基本思路是基于上文提取的坡面侵蚀单元，结合土地类型划分结果进行精细化管理，根据中华人民共和国水利部颁布的《水土保持规划技术规程》等相关水土保持领域的技术规范和文件为指导，结合小流域的土地适宜性评价成果，进行小流域水土流失治理规划。基于研究需要，本次研究中仅考虑林草措施、耕作措施以及部分区域实行的其他工程技术措施。基于上述考虑，小流域土地利用方式的优化调整思路为：对流域内的绝大部分农田予以保留，并利用本文构建的模型对农田的土壤侵蚀量进行计算，对超标的部分应该采取相应的优化处理。具体而言，对坡度在25°以上，且没有采取任何水土保持措施的旱田全部退耕还林；对于土壤侵蚀量在25°以下的坡耕地，如果水土流失量超标的，应该采取坡该梯措施，同时结合小流域土地适宜性评价，对部分情况较好的坡耕地可以采取果林化措施。具体的调整规划见表2，土地利用方式优化调整面积见表3。

表2 小流域土地利用方式优化调整规划

表3 小流域土地利用方式优化调整面积统计

利用模型计算的成果，基于图斑的精细化调整措施，对小流域进行土地利用方式的优化调整，措施的布置规化如图3所示。结合表2中的结果，最终采取优化措施的面积为1265.12hm2，这与利用模型计算获得的小流域土壤侵蚀面积基本一致，说明本文的土地利用方式优化调整措施已经基本覆盖流域内的水土流失面积，可以产生良好的水土流失治理和保持效果。

4 结语

(1)土地资源是是人类赖以生存和发展的物质基础，而人为因素是造成土壤加速流失的重要原因，开展以小流域为基本单位的水土流失综合治理研究，对实现我国的水土可持续发展具有重要的意义和价值。

图3 小流域土地使用方式优化调整措施布置示意图

(2)本文基于InVEST 模型，对江西省吉安县小流域土地利用方式进行了评价研究，并根据评价结果提出了有针对性的调整优化措施，对类似小流域的水土保持工作可提供借鉴。

(3)由于区域性水土保持工作是一项复杂、系统工作，不同土地类型、地形和植被条件下的影响因子复杂多变，在后续研究中还应视具体情况不断拓展信息来源，以进一步提高评价结果的准确性。