丘陵草原区小流域水土流失综合治理模式研究

刘艳萍，荣 浩，梁占岐

(水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020)

丘陵草原区小流域水土流失综合治理模式研究

刘艳萍，荣 浩，梁占岐

(水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020)

为探索丘陵草原区小流域水土流失综合治理模式，以锡林河水库小流域为研究区,采用线性规划方法，结合前期试验观测成果，在全面调查流域水土流失特点及治理格局的基础上，总结现有水土保持关键技术及常用的治理模式，并经数学模型的优化，提出丘陵草原区小流域水土流失综合治理优化模式，由坡面梯化治理模式+沟道治理模式构成。其中，缓坡(坡度3～5°)采用天然草地+人工草地+改良草地措施配置，最佳配置比例1∶0.4∶0.3；中坡(5～15°)采用林草措施(柠条+苜蓿)+封育措施配置，最佳配置比例1∶0.4；陡坡(15～25°)采用工程+林草措施(截水沟+柠条带)配置，最佳配置比例1∶0.5。

丘陵草原区；小流域；水土流失；综合治理；模式

我国草原面积占国土总面积的41%，而全国草原沙化面积占草原总面积的35.6%[1-3]。内蒙古草原总面积近0.87亿hm2，居我国五大草原之首，占全国草原面积的22%，是欧亚大陆草原的重要组成部分[4-5]。但近年来，由于受气候、土壤、植被等自然因素和人为因素的影响，草原生态环境持续恶化，水土流失十分严重，沙尘暴等自然灾害频繁发生，已经直接威胁到国家的生态安全和国民经济的可持续发展[6-7]。丘陵草原区小流域是草原小面积的集水区域，具有一定水文学特征，它既是具有系统功能和性质的自然地理单元，又是产流、产沙、水土流失治理的基本单元[8-9]。因此，以小流域为单元，在前期试验观测的基础上，通过全面调查研究区小流域水土流失特点及治理格局，总结现有水土保持关键技术，对流域内适宜的水土保持措施进行科学配置，并经数学模型的优化，提出小流域水土流失综合防治优化模式，以最小的措施投入及配比，产生最大的生态、经济和社会效益。该研究成果将对整个锡林河流域水土流失综合治理提供较高的应用价值，同时也可为类似地区小流域水土流失综合治理提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

锡林河水库小流域距锡林浩特市8 km，地理位置E 116°56′～117°04′，N 43°26′～43°33′，面积45 km2。主要由低山丘陵、缓坡丘陵和河谷平原三大地貌组成，丘陵河谷间夹带着固定沙地，总的地势为东南高，西北低。属中温带大陆性半干旱气候，春季干旱多风，秋季凉爽、湿润。降水量小，主要集中在7、8、9月，年均降水量为287.2 mm，年均蒸发量为1 759 mm，平均风速3.5 m/s，最大风速29 m/s，3～5月风最盛，全年盛行西北风。多年平均无霜期121 d，>10℃积温1 600～2 000℃[10-12]。流域内涉及18个牧业点。牧业人口300人，牲畜4 000头(只)。年产值162.5 元/ hm2。土壤侵蚀类型属风水复合侵蚀，以水蚀为主，间有季节性风力侵蚀，年侵蚀模数约3 500 t/km2。小流域土地资源配比见表1。该流域从2001年开始，进行分期综合治理，截至目前，林草措施、工程措施、生态修复措施都已经形成一定规模[13-14]。流域内水土流失综合治理各项措施实施以来，水土流失量显著降低，蓄水保土效果明显改善，推动了当地经济社会的发展和居民生活水平的提高。

表1 锡林河水库小流域土地资源配比

1.2 研究内容与方法

1.2.1 水土保持措施研究 在前期试验观测的基础上，通过野外现场调查，对流域内现有主要水土保持措施实施情况进行详查，分析该小流域现有治理模式的结构、功能、运行效果及存在的问题，总结水土保持效果较好的坡面治理、侵蚀沟治理、封禁治理措施的技术要点，对各项水土保持措施从适宜性角度按立地类型分类。

1.2.2 优化配置模式研究 在对研究区现有不同水土保持措施配置模式分析的基础上，采用线性规划方法，经数学模型的优化，从生态效益、经济效益和社会效益方面综合考虑，提出小流域水土流失综合治理优化模式[15-17]。建立小流域优化模式时，生产总值反映不同措施组合作用下的土地生产力水平和商品价值，优化模型以优化模式运行后正常年内最大经济效益(年产值)为目标，将土壤侵蚀模数和林草覆盖度这2个重要生态指标作为约束条件，其优化数学模型为：

Fmax(X)∑∑dij·xij

约束方程式∑∑dij·xij≥r(或≤R)

式中：F为经济纯收入(元)；dij为价值系数；bij为约束系数；R，r为约束常量；Xij为决策变量；i=1，2，3……n，n为土地类型；j=0，1，2，3……m，m为各业及从属。

2 结果与分析

2.1 水土保持技术措施

2.1.1 研究区主要水土保持技术措施 (1)工程措施：主要有截水沟、鱼鳞坑、谷坊等。根据前期试验研究及总结研究区成功经验，为有效控制地表径流，促进林草快速生长，在>6°的坡面上沿等高线开挖截水沟，截水沟上下间距30～50 m，同一等高线上间距5 m。沟埂上种植柠条、苜蓿、沙打旺等草树种。为固定沟床、稳定沟坡、减少沟蚀。在沟谷底部修建谷坊，根据当地实际，修建土谷坊，谷坊高3 m，间距15 m。

(2)林草措施：根据当地成功经验，流域内林草措施主要有人工草地、水保林(护坡林、沟底防冲林、护埂林)等。水保林宜建在坡度大于10°、植被盖度低的荒草坡上，在坡度5°～10°的缓坡地上可建设旱作人工草地或实施补播等草地改良措施。沟底防冲林选择以抗旱抗寒的灌木树种杨树(三根二干)、柳树(二年生苗木)为主，在5月上中旬整地，整地方式均为穴状整地，沟底整地方向与水流方向成45°，呈燕翅状，减少水流对树木的冲刷作用。

(3)封育禁牧措施：对水土流失较严重草地实行围封禁牧，采取季节性休牧或禁牧措施。围栏封育草地封育期3～5年为宜。

(4)草地节水灌溉高效开发技术措施：研究区小流域地表水资源缺乏，浅层地下水资源相对较丰富，具有开采浅层地下水进行草原灌溉的有利条件，平缓地带建设灌溉人工草地和灌溉青贮饲料地。

(5)其他应用新技术：在草地水土保持生态建设中，一些新的技术逐步应用，研究区小流域主要应用了保水剂、牧草种子包衣等技术。2.1.2 研究区主要水土流失治理模式 研究区小流域常用的坡面水土流失治理模式为>15°～25°的坡地，主要采取截水沟+人工草地或截水沟+灌木带配置方式，截水沟沟内和沟埂上种植灌木用于拦截一部分水土，截水沟行间补播牧草或造林。坡度<15°且土层比较厚的坡地，以林草措施为主的，优化林草结构配置，主要采取灌+草、灌木水保林、乔木水保林方式。

研究区小流域常用的沟道水土流失治理模式为谷坊+灌木林和沟底防冲林两种配置方式，可在短期内控制水土流失，制止侵蚀沟的继续扩展，恢复改善沟道生态环境。

2.2 小流域水土保持优化配置模式

2.2.1 水土流失综合治理优化模式数学模型 (1)建模原则：优化土地利用结构，综合考虑经济效益、生态效益和社会效益，实现效益最大化。

(2)数学模型结构：①数学模型变量以小流域各类土地的适宜性和治理方式不同，表现出生态效益和经济效益差异很大，其构成层次及效能见表2；②目标函数的确定以生产总值反映不同措施组合作用下的土地生产力水平和商品价值，本模型以优化模式运行后正常年内最大经济效益(年产值)为目标，将土壤侵蚀模数和林草覆盖度两个重要生态指标作为约束条件[18-19]。则目标函数为：max(F)=405x1+330x2+330x3+750x4+120x5+45x6+150x7。

约束方程见表3。

表2 不同措施组合作用下的土地利用结构层次及生产力

Table 2 The land use structure and productivity of different measures combination

项目决策变量变量单位生物产量牧草产量/(kg·hm-2)枝条产量/(kg·hm-2)单位面积产值/(元·hm-2)土壤侵蚀模数/(t·km-2·a-1)林草覆盖率/%坡面治理模式(5°～15°)灌木+种草X1hm212751050405117085坡面治理模式(15°～25°)截水沟+灌木带X2hm21050450330123082坡面治理模式(3°～5°)补播种草X3hm216500330112080人工草地X4hm23750075089095天然草地X5hm26300120350060沟道谷坊+灌木林X6hm2045045250040其它围封草地X7hm2750150150050载畜量X8(羊单位/hm2)说明 1．生物产量为试验调查和当地经验结合，以低投入水平计得，以留有余地2．产值以2014年价计算，以便如实反映实际情况3．土壤侵蚀量根据试验区观测资料及当地水保部门观测资料计算，并取平均数4．林草覆盖度以植被生长旺季调查观测值计取

表3 小流域综合治理优化模型方程

2.2.2 模型最优解及应用分析 以上模型运用线性规划LINGO9.0软件计算，求最优解以及数学模式变量的优化解[20]，得出不同措施组合作用下的土地利用最佳比例和优化方案及效益最优解(表4，5)。

表4 不同措施组合作用下的土地利用最优解

表5 优化模式经济、生态效益最优解

在最优化模式中，围栏封育仍是主要措施之一，面积占比达33%，在灌木+种草治理模式面积占比70%，其余可用封育措施，坡度为15°～25°的坡面治理中，在截水沟+灌木带治理模式面积占比65%，其余可用封育措施，在缓坡地带天然草地、人工草地、补播种草措施比例宜为1∶0.4∶0.3。

在最优模式中，措施实施到位后，单位载畜量将由目前的0.89提高到1.4，年产值将由162.5元/hm2提高到282元/hm2，生态环境将有明显改善，土壤侵蚀模数下降至每年2 032 t/km2。

2.2.3 综合治理优化模式 根据典型小流域水土流失综合治理的数学模型优化解，在调查分析项目区地形地貌特征、水土流失特点以及主要影响因素的基础上，从生态效益、经济效益和社会效益方面综合考虑，从流域坡顶到沟底配置林草与工程相结合的技术措施，形成丘陵草原区小流域水土流失综合防治的立体结构优化模式，由坡面梯化治理模式+沟道治理模式构成(图1)。

图1 丘陵草原区小流域水土流失综合治理模式Fig.1 The structure of the soil and water loss comprehensive control modelin the hilly grassland small watershed

①坡面梯化治理模式

丘陵区小流域的治理重点是坡面梯层化治理[19]，缓坡治理模式(坡度3°～5°)采用天然草地+人工草地+改良草地措施，措施配置比例1∶0.4∶0.3；中坡治理模式(5°～15°)采用林草措施配置模式(柠条+苜蓿)+封育措施，措施配置比例1∶0.4；陡坡治理模式(15°～25°)采用林草+工程措施配置模式(截水沟+柠条带)，措施配置比例1∶0.5，结合封育措施(表6)。

②沟道治理模式

沟道治理模式采用谷坊+灌木林。通过沟道防护体系和坡面防护体系相互补充，形成层层拦蓄的立体防护模式，达到林草措施与工程措施的有机结合。植被是地表最基本，也是最有效的保护层，可以恢复其保护地表土壤不受侵蚀的功能，治理模式通过快速恢复植被，提高林草覆盖率，改善土壤理化性状，达到控制水土流失改善生态的效果(表6)。

表6 丘陵草原区小流域综合治理优化模式

Table 6 Composition of the soil and water loss comprehensive control model in the hilly grassland small watershed

模式关键措施组合及配置比例措施组合配置比例治理区域丘陵草原区小流域综合治理优化模式坡面梯化治理模式天然草地+人工草地+改良草地1∶0．4∶0．3坡度3°～5°的缓坡林草措施(柠条+苜蓿)+封育1∶0．4坡度5°～15°的中坡林草+工程措施(截水沟+柠条带)1∶0．5坡度15°～25°的中坡沟道治理模式谷坊+灌木林支沟

3 讨论

草地小流域由于区域自然及社会经济条件的差异，各治理区即使在同一区域内所面临的问题有相同的，也有其特殊的一面，因而，不同类型区所提出的治理模式也就不是唯一模式。研究在多年工作实践和野外试验观测的基础上进行，通过采用线性规划方法，提出的小流域水土流失综合治理优化模式，还需在当地或是类似地区进行大面积的示范、应用、验证，不断调整完善。

4 结论

综上所述，通过对研究区现有水土保持技术措施及常用治理模式的分析研究，经数学模型的优化，提出丘陵草原区小流域水土流失综合治理优化模式，由坡面梯化治理模式+沟道治理模式构成。结果表明，在丘陵草原区小流域水土流失治理中，重点是坡面梯层化治理，缓坡(坡度3°～5°)采用天然草地+人工草地+改良草地措施配置模式，措施配置比例1∶0.4∶0.3；中坡(5°～15°)采用林草措施(柠条+苜蓿)+封育措施配置模式，措施配置比例1∶0.4；陡坡(15°～25°)采用林草+工程措施配置模式(截水沟+柠条带)，措施配置比例1∶0.5。

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Study on comprehensive management model for controlling soil and water loss in small watershed of hilly grassland

LIU Yan-ping，RONG Hao，LIANG Zhan-qi

(DepartmentofWaterResourcesforPastoralAreasoftheMinistryofWaterResources,huhhot010020)

In order to explore the integrated management model for controlling soil-water erosion in small watershed of hilly grassland,the study selected the small watershed located in Xilin River reservoir as the studying area.Based on the former experimental results,we used linear programming method and then provided the optimized management pattern after optimizing the mathematical model based on the existed techniques and common management models of soil and water conservation.The optimized management pattern was composed of terraced slope control model and ditch control model.On the gentle slope (3～5°),the management pattern should be integrated by natural grassland,sown grassland,and improved grassland,the optimized allocation should be 1∶0.4∶0.3.On the middle slope (5～15°),the wood-grass integrated model (CaraganaKorshinskiiKom.+Medicagosativa.) with enclosure measures should be adopted,the optimized allocation should be 1∶0.4.On steep slope (15～25°),the engineering method with wood-grass integrated method (intercepting ditch + Caragana Korshinskii Kom.) should be adopted,the optimized allocation should be 1∶0.5.

hilly grassland areas;small watershed;soil and water loss;comprehensive control;model

2016-05-06；

2016-06-21

水利部公益性行业专项(201301049)；内蒙古自治区科技计划项目(20140713)资助

刘艳萍(1975-)，女，内蒙古鄂尔多斯市人，高级工程师，主要从事草地水土保持生态建设研究。 E-mail：mkslpy@126.com

S 157

A

1009-5500(2016)06-0039-06