密云沙廠小流域土壤侵蝕GIS和RS評價(jià)方法研究

曹艷超，楊 賢，管晨雪，高 陽，羅文敏

(1.桂林理工大學(xué)，桂林 541004；2.河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，石家莊 050021；3.招金礦業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，招遠(yuǎn) 265400；4河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016)

密云沙廠小流域是北京市重要的水源保護(hù)區(qū)，是首都人民生活用水和工業(yè)用水的重要來源。隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及人類不合理的規(guī)劃建設(shè)，流域水資源及生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，影響到人們的用水安全和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。本文針對密云水資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)問題，利用遙感技術(shù)和土壤侵蝕原理，建立小流域土壤侵蝕評價(jià)模型，估算土壤侵蝕量，用適宜的數(shù)學(xué)方法分析土壤侵蝕特征。

1 研究區(qū)背景

沙廠小流域位于北京市密云縣東南部，距離密云縣城約25km，位于沙廠水庫西側(cè)，總面積約17km2，流域地理坐標(biāo)為：東經(jīng)116°59′～117°02′，北緯40°21′～40°23′。流域?qū)儆谘嗌缴矫}，以淺山丘陵為主，地勢較低，流域內(nèi)溝道狹長，大體從東北向西南走向。坡度在0～39°之間。流域內(nèi)巖石主要有花崗巖、片麻巖等，土壤以褐土為主，土層厚度20～30cm，土壤質(zhì)地較粗，多為沙壤土，粘粒含量低，保水性能較差，容易產(chǎn)生土壤侵蝕。植被以油松、側(cè)柏、草灌坡為主，植被蓋度較高，近山以板栗、核桃等經(jīng)濟(jì)林為主。低山區(qū)為耕作區(qū)，人為活動頻繁，冬春季節(jié)植被覆蓋度較低，局部地區(qū)植被退化，易產(chǎn)生水土流失。流域?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)型大陸性半濕潤半干旱氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽宜人，冬季寒冷干燥。

2 研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文中主要采用的遙感數(shù)據(jù)源為 TM影像，用于研究區(qū)植被覆蓋度提取，輔助遙感影像為“北京一號”、Quick Bird影像，用于研究區(qū)土地利用類型提取。本文收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)的位置和范圍、自然地理和社會人文資料、氣象和水文資料等，主要用于輔助小流域土壤侵蝕影響因子的提取。

2.2 水利部土壤侵蝕標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)方法

本論文根據(jù)我國及密云縣土壤侵蝕實(shí)際情況，選擇水利部頒布的《土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)進(jìn)行沙廠小流域土壤侵蝕定量評價(jià)研究。

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》中全國土壤侵蝕類型區(qū)劃范圍及特點(diǎn)，可知沙廠小流域?qū)儆谒η治g為主的類型區(qū)中的北方土石山區(qū)，土壤侵蝕類型以面蝕為主。因此，本研究遵照水利部標(biāo)準(zhǔn)SL190-2007有關(guān)面蝕分級標(biāo)準(zhǔn)，以及沙廠小流域各影響因子分級情況，將沙廠小流域土壤侵蝕面蝕分級標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)為表1。將沙廠小流域土壤侵蝕強(qiáng)度分為6個(gè)等級，每個(gè)等級的劃分由土地利用類型、植被覆蓋度和地面坡度三個(gè)因子決定。

表1沙廠小流域土壤侵蝕分級評價(jià)

Tab.1AssessmentofSoilErosionDegreeofShachangSmallDrainageArea

2.3.1 植被覆蓋度

植被覆蓋度(f)指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比，即植土比。遙感器所測得的反射輻射R可表示為：

R=fRv+(1-f)RS

式中RV、RS分別為植被、土壤的總反射；f為植被覆蓋度。則

f=(R-RS)/(RV-Rs)

利用植被指數(shù)計(jì)算覆蓋度，公式即

f=(NDVI-NDVIS)(NDVIV-NDVIS)

對研究區(qū)NDVI值進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，NDVI值按從小到大的順序排列，本研究中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對NDVIsoil和NDVIveg進(jìn)行估計(jì)，取累計(jì)百分比為5%的NDVI值為NDVIS，取累計(jì)百分比為95%的NDVI值為NDVIV，根據(jù)上述公式可估算研究區(qū)的植被覆蓋度情況，依據(jù)水利部關(guān)于土壤侵蝕植被覆蓋度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合沙廠小流域的實(shí)際情況，將研究區(qū)植被覆蓋度分為五級，如圖1所示。

提取結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度較高，植被覆蓋度類型以高、中高為主。植被覆蓋度在60%以上的面積為1404.16公頃，占研究區(qū)總面積的83%。其中，植被覆蓋度在60%～75%之間的面積為691.80公頃，占研究區(qū)總面積的40.69%；植被覆蓋度>75%的面積為691.80公頃，占研究區(qū)總面積的41.90%；植被覆蓋度在45%～60%之間的面積為95.05公頃，占研究區(qū)總面積的5.59%；植被覆蓋度在30%～45%之間的面積為61.26公頃，占研究區(qū)總面積的3.6%；植被覆蓋度小于30%的面積為139.68公頃，占研究區(qū)總面積的8.22%。

2.3.2 土地利用類型提取

本研究依照國土資源部2007年發(fā)布實(shí)施的《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010―2007)的分類系統(tǒng)，水利部關(guān)于土壤侵蝕評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中土地利用分類要求，以及沙廠小流域?qū)嶋H情況進(jìn)行提取土地利用類型。一級地類分為耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、水域及水利設(shè)施用地5類，結(jié)果以一級地類統(tǒng)計(jì)匯總。

沙廠小流域土地利用類型主要基于Quick Bird影像，進(jìn)行遙感解譯，對沙廠小流域土地利用類型進(jìn)行提取。結(jié)果如圖2所示，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)土地利用類型以林地為主，面積為1287.9公頃，占研究區(qū)總面積的76%，其次是建筑用地和草地，面積分別為183.41公頃、154.36公頃，分別占小流域面積的10.97%、9.08%；耕地和水體的面積很少，共占研究區(qū)總面積的4%，面積分別為45.9公頃、28.58公頃。

2.3.3 坡度因子

本文以北京市30mDEM數(shù)據(jù)源，在Arc GIS軟件中，將30mDEM數(shù)據(jù)重采樣為10m，采用空間分析(Spatial Analysis)模塊的坡度(Slop)功能，提取研究區(qū)的坡度分布信息。依據(jù)水利部關(guān)于土壤侵蝕坡度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合沙廠小流域的實(shí)際情況，將研究區(qū)坡度分為六級，如圖3所示。提取結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)坡度只要分布在8°～25°之間，占總面積的46.26%。其中8°～15°面積為446.81公頃，占研究區(qū)總面積的26.28%，15°～25°面積為786.41公頃，占研究區(qū)總面積的41%；坡度小于5°的面積為171.56公頃，占小流域面積的10.09%；坡度在5°～8°之間的面積為109.28公頃，占小流域面積的6.43%；坡度在25°～35°之間的面積為296.62公頃，占小流域面積的17.45%；坡度大于35°的面積為26.01公頃，占小流域面積的1.53%。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕評價(jià)分析

按照表1中的分級標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS中地圖代數(shù)的功能，獲得沙廠小流域土壤侵蝕強(qiáng)度等級圖，如圖4所示。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(表2)，沙廠小流域以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，占研究區(qū)總面積的98.68%，中度侵蝕和強(qiáng)度侵蝕很少，無極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕。輕度侵蝕分布相對集中，主要位于研究區(qū)的中部；中度侵蝕分布較分散，主要位于西部和東部；強(qiáng)度侵蝕很少，位于研究區(qū)西部。

3.2 不同影響因子的土壤侵蝕分析評價(jià)

應(yīng)用Arc GIS的空間分析功能，將植被覆蓋圖層、土地利用圖層、坡度圖層分別與土壤侵蝕強(qiáng)度圖層進(jìn)行疊加，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

(1)不同植被覆蓋度下土壤侵蝕存在差異，沙廠小流域植被覆蓋度以高覆蓋和中高覆蓋為主，對應(yīng)的土壤侵蝕強(qiáng)度也以微度侵蝕為主，植被覆蓋度小于60%時(shí)，土壤侵蝕以微度和輕度為主。在高覆蓋和中高覆蓋地區(qū)，土壤侵蝕類型有中度、強(qiáng)度侵蝕存在，主要原因是坡度較陡；在植被覆蓋度<30%的地區(qū)，雖然植被覆蓋度很低，但多數(shù)是地面被硬化的建筑用地，所以只有少量中度侵蝕區(qū)，未見強(qiáng)度侵蝕。

(2)不同土地利用類型之間，土壤侵蝕強(qiáng)度差異顯著，耕地的土壤侵蝕強(qiáng)度主要以微度為主，主要是因?yàn)楦鞣绞綄τ斜３炙恋墓π?；林地的侵蝕強(qiáng)度主要以微度和輕度為主，因?yàn)橹脖桓采w的大小直接決定了土壤侵蝕強(qiáng)度等級，但由于某些地方坡度較陡，使侵蝕類型表現(xiàn)為輕度，甚至出現(xiàn)中度和強(qiáng)度。草地的侵蝕方式與林地相似，由于沙廠小流域內(nèi)有些地區(qū)以自然草地為主，缺少人工保護(hù)措施，所以侵蝕強(qiáng)度偏高。建筑用地以微度和輕度為主，主要是因?yàn)榈孛姹挥不?，在一定程度上防止了水土流失，降低了土壤侵蝕程度。

(3)不同坡度下，研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕以微度侵蝕為主，在其他條件不變的情況下，在0°～25°范圍內(nèi)，土壤侵蝕隨坡度的增加而加劇，且變化明顯；大于25°后，土壤侵蝕強(qiáng)度以輕度侵蝕為主，但變化不明顯。

表2 土壤侵蝕分級統(tǒng)計(jì)(SL190-2007)

4 結(jié) 論

本研究在GIS軟件的支持下，利用水利部標(biāo)準(zhǔn)SL190-2007對沙廠小流域土壤侵蝕進(jìn)行定量研究，得出了沙廠小流域的土壤侵蝕情況。表明該區(qū)內(nèi)土壤侵蝕以微度侵蝕為主，占總面積的70.87%，但是輕度及輕度以上的侵蝕面積仍接近30%，因此，在輕度侵蝕區(qū)，尤其是在中度和強(qiáng)度的侵蝕區(qū)，應(yīng)采取水土保持措施，治理或緩解土壤侵蝕狀況。為了提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，本文給出以下建議：

(1)為了改善流域內(nèi)坡地的種植園水土流失狀況，提高土地生產(chǎn)力和果品產(chǎn)量，在坡度為5°～15°、地形較為破碎的果園地修建樹盤。

(2)農(nóng)作物種植生產(chǎn)過程中，禁止使用高毒、高殘留的農(nóng)藥，控制化肥農(nóng)藥施用、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，減少面源污染。

(3)在中山、低山地區(qū)，采用封禁治理措施，設(shè)置封禁標(biāo)牌、護(hù)欄，禁止人為開墾放牧等生產(chǎn)活動，減少人為活動和干擾，充分依靠大自然的力量，發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)功能。

(4)在村莊內(nèi)部及附近，植樹種草、鋪設(shè)步道，美化環(huán)境；按人口及垃圾生產(chǎn)量合理建設(shè)垃圾收集站；分別集中處理生活污水、禽畜養(yǎng)殖廢水、工業(yè)廢水。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]袁克勤，倪九派，宮春明，陳曉燕.基于GIS的土壤侵蝕預(yù)測與評價(jià)研究進(jìn)展[J].水土保持應(yīng)用技術(shù).2009，(1)：16～20.

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[3]李京，李曉兵，宮阿都.基于遙感方法的小流域土壤侵蝕研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào).2008，17(6)：77～81.

[4]王小明.GIS技術(shù)支持下的小流域土壤侵蝕研究[學(xué)位論文].西安：西安科技大學(xué)，2010.