典型巖溶區(qū)小流域土壤流失量估算研究——以桂林寨底地下河

蔡德所，王 魁，張永祥，馬祖陸

(1．廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004;2．中國地質(zhì)大學(xué)，北京100083;3．中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西桂林541004)

水土流失是我國西南巖溶區(qū)重要的環(huán)境問題之一，水土流失給當(dāng)?shù)丨h(huán)境帶來了巨大危害，不僅造成生態(tài)的破壞，而且影響到當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展，致使貧困加劇。國內(nèi)外學(xué)者對巖溶區(qū)的水土流失進行了多方面的研究［1］，其中以小流域為基本單元的水土流失研究取得了不少成果［2］，小流域的水土流失治理也取得了明顯的效果［3］。以小流域為單元已經(jīng)成為當(dāng)前巖溶區(qū)水土流失研究和治理工作開展的基礎(chǔ)。

土地利用是人類作用于巖溶環(huán)境的最主要表現(xiàn)形式，不合理的土地利用方式是造成巖溶區(qū)水土流失和環(huán)境退化的主要因素［4］。以小流域為單元分析土地利用格局對水土流失的影響，對于促進流域綜合治理和維護土地可持續(xù)利用具有重要的意義［5］。

廣西北部是我國西南巖溶區(qū)水土流失較為嚴重的區(qū)域之一，本研究以桂林市寨底地下河流域為研究對象，應(yīng)用遙感(RS)技術(shù)進行土地利用分類，在地理信息系統(tǒng)(GIS)支持下進行多元數(shù)據(jù)的集成，結(jié)合修正的通用土壤流失方程，計算巖溶區(qū)小流域土壤流失的空間分布，以期為該區(qū)小流域水土流失研究和治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

寨底地下河流域位于廣西桂林市靈川縣境內(nèi)，面積約33 km2，地處北回歸線附近的低緯度地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，受季風(fēng)活動影響降雨年內(nèi)分布不均，夏季濕熱多雨，秋季干旱少雨，雨熱基本同季，雨季為4—8月份，其降雨量占全年降雨量的70%以上。

研究區(qū)出露地層主要為泥盆系灰?guī)r，巖性較純，灰?guī)r覆蓋面積占流域總面積的89．5%，主要地貌類型為峰叢洼地，屬典型的巖溶區(qū);流域地下分水嶺與地表分水嶺基本一致［6］，流域內(nèi)有總長約5 km 的地上河，通過落水洞、漏斗等巖溶結(jié)構(gòu)與地下河聯(lián)通，基本集中于寨底地下河出口處排泄。研究區(qū)為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)區(qū)，土地利用方式以農(nóng)田和果園為主，中西部區(qū)域石漠化現(xiàn)象比較嚴重。

2 土壤流失量計算

2．1 計算方法及數(shù)據(jù)來源

采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)進行土壤流失量計算。RUSLE 是在通用土壤流失方程(USLE)基礎(chǔ)上經(jīng)補充完善而得到的，其表達式為

A=R·K·LS·C·P

式中:A 為年均土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a);R 為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(km2·h·a);LS 為地形(坡長坡度)因子，無量綱;K 為土壤可蝕性因子，t·km2·h/(MJ·mm·km2);C 為植被覆蓋與管理因子，無量綱;P 為水土保持措施因子，無量綱。

基于RUSLE 模型，針對其5 個因子收集研究區(qū)的相關(guān)資料:降雨資料通過研究區(qū)內(nèi)2 個氣象自動觀測站獲取;土地利用數(shù)據(jù)通過高精度影像(WorldView－1 影像，分辨率為0．5 m)解譯獲得;地形資料通過研究區(qū)1 ∶1 萬地形圖獲得;NDVⅠ(歸一化植被指數(shù))以SPOT5 影像為基礎(chǔ)獲取。

2．2 RUSLE 各因子值的確定

2．2．1 R 值的確定

周伏建等人基于Wischmeier 提出的EⅠ30算法，提出了基于月降雨量的R 值簡易算法［7］，較為適合我國南方地區(qū)，本研究即選用該算法估算研究區(qū)的R 值。由于研究區(qū)面積不大，可認為流域內(nèi)降雨沒有顯著差異，因此選用2009年流域內(nèi)2 個氣象觀測站記錄的日、月降雨量的平均值計算R 值，計算結(jié)果為R=485 000 MJ·mm/(km2·h·a)。

2．2．2 K 值的確定

根據(jù)土地利用現(xiàn)狀的分類標準(GB/T 21010—2007)，在ENVI4．8軟件中，對研究區(qū)2009年的WorldView－1 遙感影像進行解譯，各類土地面積統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。

表1 寨底地下河流域土地利用分類統(tǒng)計

根據(jù)土地利用類型及分布，在研究區(qū)內(nèi)進行集中采樣，每種土地利用類型采集8～10 個土壤樣品在實驗室內(nèi)進行土壤粒徑分析，利用Wischmeier 模型計算K 值［8］，計算結(jié)果見表2。其中:工礦用地土壤流失最為嚴重，可認為此地類土壤可蝕性最大，經(jīng)換算后K 值為0．131 7 t·km2·h/(MJ·mm·km2);交通用地土壤可蝕性賦值為工礦用地的一半，經(jīng)過換算后K 值為0．065 9 t·km2·h/(MJ·mm·km2);住宅用地和水域不發(fā)生土壤流失，K 值為0。

表2 研究區(qū)土壤可蝕性因子K 值

2．2．3 LS 值的確定

LS 因子反映地形對水土流失的影響，在RUSLE 方程中L和S 可以單獨計算也可以合在一起計算。本研究利用研究區(qū)1 ∶1萬數(shù)字化等高線圖，在ArcGIS 軟件中生成DEM，以此為基礎(chǔ)在ArcGIS 軟件中生成坡度柵格數(shù)據(jù)，采用Burch 等人提出的像元坡段思路［9］，采用參考文獻［9－10］中的方法，計算出研究區(qū)5 m×5 m 像元的L、S 值和L、S 圖層，分別見圖1 和圖2。

2．2．4 C 值的確定

C 因子反映了植被覆蓋和經(jīng)營管理措施對水土流失的影響，但是覆蓋和管理因素?zé)o法獨立評估，二者的綜合作用往往受到許多交互作用的顯著影響［8］。RUSLE 中C 值是某種狀態(tài)下種植作物地塊上的土壤流失量與對應(yīng)的清耕、連續(xù)休閑地塊土壤流失量的比值，結(jié)合于嶸等人［11－12］的研究成果，利用NDVⅠ和植被覆蓋率之間的關(guān)系對C 因子進行估算。首先利用研究區(qū)2009年的SPOT5 影像計算出NDVⅠ，進而求出植被覆蓋率，在此基礎(chǔ)上計算得出C 值，具體計算公式見參考文獻［11－12］。

2．2．5 P 值的確定

P 因子指的是某種水保措施下的土壤流失量與對應(yīng)的順坡耕作條件下土壤流失量的比值。目前對P 值的估算多以土地利用類型為基礎(chǔ)，很少采用專門的水土保持措施，因此本研究中P 值參照美國農(nóng)業(yè)部手冊703 號和相關(guān)的文獻［11］進行率定，結(jié)果見表3。

表3 研究區(qū)水土保持措施因子P 值

3 土壤流失量計算結(jié)果及討論

3．1 土壤流失量計算結(jié)果

在ArcGIS 中將各因子轉(zhuǎn)化為柵格圖進行計算，可得到研究區(qū)基于土地利用的年均土壤侵蝕量圖，根據(jù)《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標準》(SL 461—2009)，將寨底地下河流域土壤侵蝕強度劃分為6 個等級，得到研究區(qū)土壤侵蝕強度分級圖(圖略)。

統(tǒng)計結(jié)果表明，寨底地下河流域年均土壤流失總量為17 007．74 t，年均侵蝕模數(shù)為515．38 t/(km2·a);按照《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標準》劃分，寨底地下河流域土壤侵蝕強度屬于中度，其年均土壤侵蝕模數(shù)約為巖溶區(qū)容許土壤流失量50 t/(km2·a)的10 倍。

3．2 討 論

3．2．1 土壤流失分級統(tǒng)計

對研究區(qū)土壤侵蝕按侵蝕級別和土壤流失量進行統(tǒng)計，其結(jié)果見表4。其中，強烈、極強烈和劇烈侵蝕面積之和雖只占流域總面積的10．05%，但土壤流失量卻占總流失量的79.75%，由此可見巖溶區(qū)強烈以上侵蝕造成的土壤流失對環(huán)境的影響。因此，在水土保持工作中，應(yīng)針對這些區(qū)域的特性采取專門的措施，加強對該區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護工作。

表4 研究區(qū)土壤流失統(tǒng)計結(jié)果

3．2．2 不足

在研究區(qū)土壤流失估算中，直接采用了前人的研究成果，這在研究方法上并不十分嚴謹，有些應(yīng)用問題需要進一步商榷。同時，個別數(shù)值是在參考文獻的基礎(chǔ)上進行擬定的，如工礦區(qū)的土壤可蝕性因子計算，研究中直接賦予最大值，這會導(dǎo)致計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果有一定的偏差，但對于巖溶區(qū)小流域土壤流失量估算仍具有一定的參考意義。

［1］王魁，馬祖陸，蔡德所，等．我國巖溶地區(qū)水土流失研究進展及發(fā)展趨勢［J］．中國水土保持，2011(9):30－32，41．

［2］付叢生，陳建耀，曾松青，等．國內(nèi)外實驗小流域水科學(xué)研究綜述［J］．地理科學(xué)進展，2011，30(3):259－267．

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