基于GIS的喀斯特流域土壤侵蝕模數(shù)估算——以貴陽麥西河流域為例

趙海兵，安裕倫，夏品華，林 陶，白鵬福

（貴州師范大學 地環(huán)學院 貴州山地資源與環(huán)境遙感實驗室 山地環(huán)境重點實驗室，貴陽550001）

喀斯特區(qū)域地形復雜，植被、土壤、土地利用方式差異很大，造成土壤侵蝕的空間變化很大［1］。加之喀斯特區(qū)域水文條件復雜，地上地下二元結(jié)構(gòu)顯著，應用傳統(tǒng)的土壤侵蝕調(diào)查方法對于喀斯特區(qū)域流域的土壤侵蝕調(diào)查有比較大的難度［2］。

GIS技術(shù)為土壤侵蝕的調(diào)查、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、模型構(gòu)建提供了強有力的技術(shù)支持。土壤流失方程USLE和GIS的集成是目前中小尺度土壤侵蝕量預測和估算的主要方法，廣泛應用于土壤侵蝕的風險評價、標識關(guān)鍵源區(qū)、模擬評價不同水土保持方案等。相對于傳統(tǒng)的集中式方法進行土壤侵蝕量的預測，這種分布式方法運用GIS的柵格數(shù)據(jù)分析功能，可預測出每個柵格的土壤侵蝕量，便于管理者找出較為嚴重的土壤侵蝕區(qū)以針對性提出最佳的管理措施。

采用適宜喀斯特流域土壤侵蝕模型因子合適算法的前提下，運用Arc GIS建立流域的空間數(shù)據(jù)庫，生成USLE的各因子圖，并借助Arc GIS GRID模塊進行圖像運算，估算貴陽麥西河流域土壤侵蝕量和土壤侵蝕強度，并對其各子流域土壤侵蝕強度的空間分異進行分析。

1 麥西河流域概況

麥西河流域位于貴州省貴陽市金陽新區(qū)西部、清鎮(zhèn)市東北部，主要為低中槽谷地區(qū)，屬于季風濕潤型氣候區(qū)，年降雨量100～1 300 mm，年平均氣溫13．5～14．5℃，多年來平均降雨量為961．4 mm，多年平均氣溫14℃，年最大降雨量1 158．5 mm，年最小降雨量729．6 mm，年降雨在時間上分布不均勻，主要集中在5－9月，約占全年降雨量的72%。

該流域是一個典型的農(nóng)業(yè)景觀與工業(yè)城市景觀過渡的小流域，旱地和水田是流域內(nèi)兩種主要的農(nóng)業(yè)耕作景觀，旱坡地由于經(jīng)常耕作和使用農(nóng)藥化肥，是流域內(nèi)主要的非點源污染源地。麥西河流域居民主要為農(nóng)業(yè)人口，交通條件較好，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，經(jīng)濟有典型的郊區(qū)特征。

2 數(shù)據(jù)來源及USLE各因子值確定

2．1 USLE模型

本文選用修正的通用土壤流失方程（RUSLE）預測麥西河流域年均土壤流失量，其基本形式為：

A＝P·K·LS·C·P （1）

式中：A——土壤侵蝕量［t／（h m2·a）］；R——降雨侵蝕力因子［（MJ·mm）／（h m2·a）］；K——土壤可侵蝕性因 子 ［（t·h m2·h）／（h m2· MJ· mm）］；LS——坡長、坡度因子（無量綱）；C——覆蓋與管理因子（無量綱）；P——水土保持措施因子（無量綱）。

應用GIS和RUSLE模型預測土壤侵蝕的關(guān)鍵是各指標值的確定和各因子圖的生成［3］，針對RUSLE模型的5個因子，收集到研究區(qū)地形圖、土壤圖、土地分等數(shù)據(jù)庫、降雨數(shù)據(jù)及土壤志等文獻及相關(guān)資料。在Arc GIS、Arcview等軟件支持下，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具體操作步驟如下：

（1）圖層的建立和數(shù)字化。在Arcview和Arc－GIS軟件支持下，對研究區(qū)1∶50 000地形圖的等高線進行數(shù)字化，生成數(shù)字高程模型DEM，進而獲取坡度圖。同樣在Arc GIS軟件支持下對土地分等數(shù)據(jù)進行整理和提取，提取出土壤類型圖、土地利用現(xiàn)狀圖，為土壤侵蝕定量計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時利用地形圖和遙感影像提取流域河流、道路、居民點等輔助信息。

（2）各類圖層的空間校正和更新。應用GIS軟件，使用統(tǒng)一的投影方式，將整理出的圖層進行校正和投影變換，實現(xiàn)各類圖層的空間疊加。應用Google eart h高分辨率遙感影像對土地利用數(shù)據(jù)進行更新。

2．2 麥西河流域的提取

利用提取的DEM數(shù)據(jù)和河流數(shù)據(jù)，在Arc View軟件的水文分析模塊（hydro）支持下進行流域的匯水線、匯水邊界提?。ㄒ姼綀D6）。對結(jié)果進行人工歸類，進而計算出流域的總面積和各支流的匯水面積，見附圖7。通過上述分析可以得出麥西河流域面積為31．38 k m2，全流域根據(jù)水文狀況由計算機輔助劃分為7個子流域，匯水面626個。其中1，2，3，4號子流域為獨立子流域；5號黃土坡子流域?qū)儆诘叵掳岛酉到y(tǒng)；6，7號子流域為匯水區(qū)。各子流域情況表1所示。

表1 麥西河子流域劃分及面積

2．3 RUSLE各因子值的確定和因子圖層的生成

2．3．1 降雨侵蝕力因子R值的估算 降雨侵蝕因子R與降雨量、降雨強度、歷時、雨滴的大小以及雨滴下降速度有關(guān)，它反映了降雨對土壤的潛在侵蝕能力。降雨侵蝕力難以直接測定，大多用降雨參數(shù)，如強度、雨量等來估算降雨分侵蝕能力，進行R的敏感性分析。本文采用R值的簡便算法計算，即Wish meier年降雨侵蝕力經(jīng)驗公式［4］：

式中：Pi——月降雨量（mm）；P——年降雨量（mm）；R——全年的降雨侵蝕力。本文收集了貴陽市2004－2009年共6 a的月平均降雨量數(shù)據(jù)，分別求解年均降雨量，然后代入公式（2），進行計算得出流域降雨侵蝕力因子R 值為160．613 6（MJ·mm）／（h m2·a）。由于流域面積較小，加之氣象站點數(shù)據(jù)獲取困難，因此全流域使用一個R值。

2．3．2 土壤可蝕性因子K值的估算 K因子反映了土壤對侵蝕的敏感性及降水所產(chǎn)生的徑流量與徑流速率的大小。K的大小與土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)含量有較高的相關(guān)性。根據(jù)土地分等數(shù)據(jù)庫成果和《貴州省土壤志》［5］，獲得麥西河流域各類土壤的質(zhì)地和有機質(zhì)含量，參考Wisch meier等建立的土壤可蝕性K 因子圖，并參閱相關(guān)文獻［6－10］，根據(jù)楊廣斌等2006年土壤質(zhì)地和有機質(zhì)含量確定K的方法［11］，近似確定出麥西河流域不同土壤類型的可蝕性因子K值（表2），并以土種為成圖單元，生成K值分布圖（附圖8）。

表2 麥西河流表層土壤質(zhì)地及K值

2．3．3 坡長、坡度因子LS值的估算 LS因子反映地形地貌特征對土壤侵蝕的影響。LS表示在其他條件相同的情況下，某一給定坡度和坡長的坡面上，土壤流失量與標準徑流小區(qū)典型坡面土壤流失量的比值，是侵蝕動力的加速因子。本文采用 Wisch meier提出的LS因子計算方法，利用流域5 m×5 m的DEM數(shù)據(jù)，在Arc GIS中的Spatial Analyst模塊下計算坡度，分別計算基于角度Degree和百分比Percent的運算，得到兩個坡度圖層（圖1）。根據(jù)湯國安等關(guān)于坡長因子提取的算法（湯國安等Arc View空間分析原理），通過水文分析模塊計算各像元坡長L因子值和L圖層。再將計算好的角度坡度因子代入λ；將計算好的百分比坡度因子按照公式（4），重分類得到各像元m值和圖層（附圖9）。

圖1 麥西河流域不同因子分布

根據(jù)公式：

式中：L——坡長因子；λ——坡長（m）；m——坡長指數(shù)；θ——百分比坡度。其取值范圍如下：

使用上述公式來計算每個像元的坡長、坡度因子LS值和圖層（圖1）。

2．3．4 覆蓋與管理因子C值的估算 作物管理因子C是在相同的土壤、坡度和降雨條件下，某一特定作物或植被情況時的土壤流失量與耕種過后連續(xù)休閑地的土壤流失量的比值。植被覆蓋和經(jīng)營管理C因子為侵蝕動力的抑制因子，其值小于或等于1。C因子反映的是有關(guān)覆蓋度和管理變量對土壤侵蝕的綜合作用，其值大小取決于具體的作物覆蓋、輪作順序及管理措施的綜合作用等。C的取值主要與植被覆蓋和土地利用類型有關(guān)。根據(jù)Wich meier等［4］，并結(jié)合流域土地利用，獲得麥西河流域不同土地利用方式下的C因子值（表3）。

2．3．5 水土保持措施因子P值的估算 水土保持措施因P是采取水保措施后，土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量的比值。侵蝕防治措施因子P是采用專門措施之后的土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量的比值，通常的侵蝕控制措施有：等高耕作、修梯田等。由于沒有實驗資料，主要參照美國農(nóng)業(yè)部手冊703號和在亞熱帶區(qū)域、福建地區(qū)的相關(guān)研究［6］對P進行率定（表3）。

表3 麥西河流域C、P因子取值

然后將土地利用的類型以及對應的P、C值進行鏈接，并在Arc GIS軟件下進行矢柵轉(zhuǎn)換處理，以便于進行GRID運算；從而得到P、C圖層，詳見附圖10－11。

2．4 土壤侵蝕量估算

將上述各因子圖層均轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一坐標系下像元大小為5 m×5 m的柵格圖，在Arc GIS軟件支持下，將各因子圖（GRID格式）進行連乘，得到各像元年土壤流失量A值（圖2）。根據(jù)水利部頒布的《水土保持技術(shù)規(guī)范》SD2382－28和《土壤侵蝕分類分級標準》SL190－2007侵蝕強度標準確定土壤侵蝕分級指標，并生成研究區(qū)土壤侵蝕強度等級圖（附圖12）。將上述成果，按照各子流域進行統(tǒng)計，得出不同子流域、不同侵蝕強度下的侵蝕模數(shù)，結(jié)果見表4。

圖2 麥西河流域各像元年土壤流失量A值分布

表4 麥西河各子流域土壤侵蝕模數(shù)及分級統(tǒng)計

3 結(jié) 論

（1）麥西河流域面積為31．38 k m2，全區(qū)域按照分水嶺可以分為7各子流域，匯水面626個，確定了流域的實際范圍；匯水線的計算可以作為重要的污染物流入通道，為治污工程布置提供位置參考；（2）麥西河流域年均土壤侵蝕速率為1 230．81 t／（h m2·a），侵蝕強度類型以微度和輕度為主。這與區(qū)域地形起伏較為緩和有關(guān)；（3）中度以上侵蝕類型主要發(fā)生在坡度大于25°，植被覆蓋較差的山體位置，尤其是旱地類型。從子流域上看麥乃7號子流域土壤流失較為嚴重。

值得探討的問題：（1）DEM的數(shù)據(jù)精度問題。使用1∶5萬的地形圖對于小流域水文分析有些粗略，匯水線的計算存在一定的誤差。（2）關(guān)于喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕分級標準有所不同，由于缺乏實測數(shù)據(jù)，這里使用的標準可能不太符合區(qū)域現(xiàn)實，有待在進一步的研究中確立針對喀斯特流域的土壤侵蝕模數(shù)的估算模型；（3）流域涉及巖溶溶蝕，這里沒有考慮，有待進一步研究中加以充實。

［1］ 曹建華，蔣忠誠，楊德生，等．我國西南巖溶區(qū)土壤侵蝕強度分級標準研究［J］．中國水土保持科學，2008，6（6）：1－7．

［2］ 蔡雄飛，王濟，雷麗，等．中國西南喀斯特山區(qū)土壤侵蝕研究進展［J］．貴州農(nóng)業(yè)科學，2008，36（3）：81－84．

［3］ 蔡崇法，丁樹文，史志華，等．應用ULSE模型與地理信息系統(tǒng)IDRISI預測小流域土壤侵蝕量的研究［J］．水土保持學報，2000，14（2）：19－24．

［4］ Wisch meier W H，Smith D D．Agriculture Handbook No．537，Predicting rainfall erosion losses：A guide to conservation planning with the Universal Soil Loss Equation（USLE）［M］．Springfield United States Department of Agriculture，USA：1978．

［5］ 貴州省土地普查辦公室．貴州省土壤［M］．貴陽：貴州科技出版社，1989．

［6］ 洪華生，黃金良，曹文志，等．九龍江流域農(nóng)業(yè)非點源污染機理與控制研究［M］．北京：科學出版社，2008．

［7］ 卜兆宏，李全英．土壤可蝕性（K）值圖編制方法的初步研究［J］．農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，1995，11（1）：51－59．

［8］ 周斌，楊柏林，洪業(yè)湯，等．基于GIS的巖溶地區(qū)水土流失遙感定量監(jiān)測研究［J］．礦物學報，2000，20（1）：132－221．

［9］ 胥彥玲，李懷恩，倪永明，等．基于USLE的黑河流域非點源污染定量研究［J］．西北農(nóng)林科技大學學報：自然科學版，2006，34（3）：138－142．

［10］ 許月卿，邵曉梅．基于GIS和RUSLE的土壤侵蝕量計算：以貴州省貓?zhí)恿饔驗槔跩］．北京林業(yè)大學學報，2006，28（4）：67－71．

［11］ 楊廣斌，李亦秋，安裕倫．基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)的貴州土壤侵蝕敏感性評價及其空間分異［J］．中國巖溶，2006，25（1），74－78．