基于GIS方法的瀘沽湖流域水土流失敏感性評價

蔡文博，蔡永立

（上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點實驗室，華東師范大學 地理系，上海200241）

水土流失問題已經(jīng)成為目前全球面臨的最嚴重的生態(tài)問題之一，土壤侵蝕后的沉積物常常會留在陸地生態(tài)系統(tǒng)與水域生態(tài)系統(tǒng)中，導(dǎo)致生物棲息地和水質(zhì)退化［1］。影響水土流失的因素很多，包括降雨強度和頻率、植被覆蓋、場地的坡度、農(nóng)田經(jīng)營模式、土壤本身的抗侵蝕性等［1－7］。水土流失敏感性是指區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水土流失生態(tài)過程發(fā)生的潛在可能性及其程度［7］，它是區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、人口負荷、土地利用合理程度的指標之一，也是實施區(qū)域生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與管理的重要基礎(chǔ)依據(jù)［8］。

流域是區(qū)域匯水及水土流失生態(tài)過程發(fā)生的自然單元［1］。從流域角度研究水土流失問題，既便于闡明水土流失的機理，也有利于實施區(qū)域生態(tài)管理。水土流失敏感性評價受到廣泛關(guān)注，目前國內(nèi)學者多從行政區(qū)域研究水土流失敏感性問題，如全國水土流失敏感性分布規(guī)律［7］、省域水土流失敏感性［6］、區(qū)域水土流失敏感性［5］等，但以流域為單位進行區(qū)域水土流失敏感性的研究還較少。

瀘沽湖流域是全世界唯一保存的母系氏族文化——摩梭族文化保護區(qū)，具有許多珍貴的生物資源和美麗的自然風光。課題組于2012年4月對瀘沽湖流域進行野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該流域水土流失問題是當?shù)刈顬槠毡楹蛧乐氐纳鷳B(tài)問題。水土流失不僅直接威脅到當?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全，也導(dǎo)致一系列的生態(tài)問題，如湖泊富營養(yǎng)化和濕地嚴重淤積，同時也影響到這一地區(qū)獨特文化的傳承。

目前該流域總體開發(fā)程度較低，但隨著未來大香格里拉旅游區(qū)、機場和瀘沽湖流域內(nèi)道路建設(shè)，流域?qū)⒀杆俪惺軓姸容^高的旅游開發(fā)和筑路工程的壓力，對瀘沽湖流域水土流失狀況造成不可低估的影響。選取土地利用類型、坡度、溝谷密度和土壤4個影響因子，對瀘沽湖流域的水土流失敏感性及其空間分布特征進行分析評價，研究結(jié)果為流域水土流失防治和生態(tài)保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

瀘沽湖流域（100°43′36″—100°54′20″E，27°36′57″—27°47′2″N）地跨川、滇兩省，東部隸屬四川省涼山彝族自治州鹽源縣，西部隸屬云南省麗江市寧蒗彝族自治縣流域，屬溫帶山地季風氣候，年均氣溫20℃，最高溫29.1℃，最低溫－5.2℃，年均降水量910mm；瀘沽湖流域陸生植物有117科414屬832種、水生植物23科30屬42種，包括珍貴的菠葉海菜花；哺乳類動物29種、鳥類65種，其中濕地鳥類39種，兩棲爬行類動物7種、裂腹魚類40種，其中厚唇裂腹魚、瀘沽湖裂腹魚與寧蒗裂腹魚為瀘沽湖所特有；以獅子山為主的海拔3 000m以上山峰有大片的原始森林，其中珍貴的原始植物有云冷杉、云南松、高山櫟等［9］。目前，瀘沽湖流域云南片區(qū)旅游開發(fā)已經(jīng)初具規(guī)模，高原湖泊自然景觀與原始的摩梭族母系氏族文化賦予其發(fā)展旅游得天獨厚的條件［10］。同時，四川片區(qū)以保護為主，目前開發(fā)程度較低，旅游及道路正在規(guī)劃之中，由于其內(nèi)外路網(wǎng)尚不發(fā)達，基礎(chǔ)設(shè)施并不完善，旅游壓力相對較弱。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用數(shù)據(jù)包括瀘沽湖管理局提供的25m分辨率dem數(shù)據(jù)，30m分辨率2013年5月Landsat 8遙感影像（條代號131，行編號41，中心經(jīng)度100.7000，中心緯度27.4313），0.5m 分辨率2012年3月Worldview 1遙感影像（SO－01－2012－0191－1，SO－01－2012－0191－2），瀘沽湖管理局提供的1∶10萬土壤類型圖及土壤分布等基礎(chǔ)資料，以及2012年4月課題組瀘沽湖流域野外調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.2 評價指標的確定與分級

研究結(jié)合小流域內(nèi)的研究區(qū)野外調(diào)查現(xiàn)狀及瀘沽湖管理委員會生態(tài)保護總體實施方案對流域水土流失影響的重要程度評估，選取土地利用類型、土壤類型、坡度和溝谷密度4個主要因子，將土地利用因子視為最重要因子，坡度與土壤其次，溝谷最次。評價因子權(quán)重的確定運用德爾菲法和層次分析法，依據(jù)馬什·威廉.M對4個因子影響大小的重要性理論評估［1］，野外調(diào)查中4個因子的實際影響調(diào)查，對每一層級中各指標兩兩相比的相對重要性進行判斷，并借鑒Forbes和Galow 2002年創(chuàng)立、國內(nèi)外水土流失敏 感性研究常 用 的 因 果 分 析 法［2－7，11－12］。 為 確 保 水 土流失評價因子權(quán)重確定的相對合理性，采取主觀和客觀賦值相結(jié)合的權(quán)重賦值法，即采用層次分析法與熵值法相結(jié)合的方法確定權(quán)重［2，4，6－7，11，13］。評價因子權(quán)重見表1，各評價因子的選取原因和權(quán)重確定原因，以及未選取降雨、土壤侵蝕因子等因子的原因在討論中說明。

表1 水土流失評價因子權(quán)重值

（1）土地利用類型。采用的土地利用類型因子綜合植被覆蓋和人類活動兩部分的影響，突出體現(xiàn)人類活動干擾對水土流失的影響［1，14－15］。運用遙感方法［15－16］，利用ENVI（遙感圖像處理軟件）與 ArcGIS（地理信息系統(tǒng)平臺），對30m分辨率Landsat 8遙感影像進行配準、幾何精校正等預(yù)處理，然后采用人工目視判讀法解譯衛(wèi)片，獲取瀘沽湖流域土地利用的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，并結(jié)合0.5m分辨率2012年3月 Worldview 1遙感影像和野外調(diào)查，對解譯的結(jié)果進行驗證，得到土地利用類型現(xiàn)狀圖（附圖1）。運用Arc－GIS平臺將預(yù)處理后的土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為土地利用類型因子。

（2）坡度。坡度作為水土流失的直接影響因素之一，與地形起伏度不同，常被應(yīng)用于小尺度地區(qū)的水土流失敏感性評價中［1，17］。依據(jù)國家發(fā)布的《水土流失保持技術(shù)規(guī)范》中的坡度圖分級標準和國外學者的研究［1］，坡度不超過50°時，水土流失風險程度隨坡度的增大而增加，坡度大于50°后，坡地在雨水中的暴露程度急劇降低，坡度在50°～65°之間的坡地的水土流失風險程度小于35°～50°，65°～90°繼續(xù)降低，到90°時，則完全消失。故研究將50°～65°及65°～80°分別歸入高度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)［1］。

（3）土壤。在進行水土流失敏感性評價時，由于具體地區(qū)土壤可蝕性因子測定困難，國內(nèi)學者常采用土壤類型代替土壤可蝕性因子進行評價［18］。本研究的土壤因子由基于ArcGIS平臺數(shù)字化處理后的土壤類型圖轉(zhuǎn)化成柵格數(shù)據(jù)生成。

（4）溝谷密度。研究證明，溝谷密度與山地滑坡的產(chǎn)生具有一定的相關(guān)性，溝谷密度越大，地面越破碎，越容易產(chǎn)生滑坡［19］。為保證相對精確性，本研究在DEM模型分析前進行了洼地填充預(yù)處理，再以dem模型為基礎(chǔ)，采用GIS模擬水文分析法，生成集水區(qū)和溝谷網(wǎng)絡(luò)，并以此為依據(jù)計算溝谷密度［20］。

（5）瀘沽湖流域水土流失敏感性評價分級標準。在結(jié)合瀘沽湖流域土地利用調(diào)研情況的前提下，土地利用類型圖分級標準依據(jù)《生態(tài)自然功能區(qū)暫行規(guī)程》；土壤類型分級標準依據(jù)瀘沽湖管理局提供的土壤分級標準以及鹽源縣志中土壤類型分級；溝谷密度分級標準參考相關(guān)文獻［19－20］；坡度圖分級標準依據(jù)《水土流失保持技術(shù)規(guī)范》和《景觀規(guī)劃的環(huán)境學途徑》。具體分級情況見表2。

表2 水土流失敏感性評價分級標準

2.3 水土流失綜合敏感性評價方法

利用ArcGIS疊置分析模塊，將上述各因子對水土流失敏感性影響的分布圖進行乘積運算，綜合反映瀘沽湖流域的水土流失敏感性。公式如下［5］：

式中：SSj——j空間單元水土流失敏感性指數(shù)；Si——i因素敏感性等級值。采用自然分界法將乘積結(jié)果分成5類［5］，繪制瀘沽湖流域水土流失綜合敏感性分級圖。

3 評價結(jié)果

3.1 單因子結(jié)果

3.1.1 土地利用類型 人類活動的干擾對瀘沽湖流域自然環(huán)境造成破壞，造成人地矛盾嚴重。流域內(nèi)的極敏感、高度敏感和中度敏感區(qū)面積共計39.58km2，占總面積的12.73%。其中極敏感和中度敏感區(qū)面積較低，而高度敏感區(qū)面積為38.26km2，占總面積的12.31%（表3）。高度敏感區(qū)主要分布于人類活動頻繁的地區(qū)，這些地區(qū)修路、耕作、砍伐等人類活動影響大，山體和植被破損相對比較嚴重。

表3 土地利用對水土流失敏感性評價

3.1.2 坡度 在瀘沽湖流域，極敏感區(qū)與高度敏感區(qū)面積共計84.90km2，占總面積的27.39%。其中，極敏感區(qū)面積為31.66km2，占總面積的10.21%，瀘沽湖流域約十分之一的山地坡度在35°～50°，易導(dǎo)致泥石流和山體滑坡的風險。高度敏感區(qū)，即坡度在25°～35°和50°～60°的地區(qū)面積為53.24km2，占總面積的17.18%，地形較陡峭，在植被破損的前提下，存在較高的水土流失風險（表4）。

3.1.3 土壤 流域內(nèi)，極敏感地區(qū)在舍垮村以東的山地，主要土壤類型為可侵蝕性極強的棕紫泥，面積達2.37km2，占總面積的0.77%。高度敏感區(qū)主要分布山地黃棕壤，面積高達166.54km2，占總面積的53.72%（表5）。山地黃棕壤是瀘沽湖流域主要的土壤類型，環(huán)繞瀘沽湖廣范分布于高程2 600～3 200m的地帶，是可侵蝕性強的土壤之一，直接導(dǎo)致流域內(nèi)水土流失風險的廣泛存在。

表4 坡度對水土流失敏感性評價

表5 土壤對水土流失敏感性評價

3.1.4 溝谷密度 瀘沽湖流域內(nèi)高度敏感區(qū)總面積達154km2，占49.67%。其中，高度敏感區(qū)范圍最廣，面積達153.99km2，占總面積的49.67%（表6）。高度敏感區(qū)（溝谷密度在1.5～2km／km2）主要位于瀘沽湖南北兩側(cè)的山地，這兩側(cè)山地河網(wǎng)密集，在植被覆蓋遭受破壞的條件下，徑流對山體坡面的沖刷將加劇這些區(qū)域的水土流失風險。

表6 溝谷密度對水土流失敏感性評價

3.2 綜合分析結(jié)果

對瀘沽湖流域水土流失敏感性進行綜合評價發(fā)現(xiàn)，極敏感和高敏感區(qū)面積總和達29.09km2，占總面積的9.38%，瀘沽湖流域水土流失總體現(xiàn)狀良好，但是本研究表明，流域內(nèi)存在水土流失風險。極敏感地區(qū)斑塊數(shù)達130塊，占總斑塊數(shù)的6.60%；面積達1.41km2，占總面積的0.45%（表7）。其中，極敏感面積最大斑塊位于在污水處理廠附近的山體，面積為0.10km2，這里有山坡裸地和高侵蝕性的山地黃棕壤分布。高敏感地區(qū)493塊，占總斑塊數(shù)量的25.01%；面積達27.68km2，占7.24%；其中高度敏感面積最大斑塊位于小草海以北，瀘沽湖鎮(zhèn)以西，面積為4.27 km2，這里除坡度較緩?fù)?，具有敏感性較高的農(nóng)田、高侵蝕性的山地黃棕壤和僅次于最高的溝谷密度。

表7 水土流失敏感性綜合評價

4 討論

研究評價因子的選取受到數(shù)據(jù)可獲得性及研究方法的制約。嚴格意義上，研究區(qū)流域內(nèi)各細分區(qū)域的降雨量并不相同，但是由于本文研究區(qū)范圍相對較小和資料可獲得性的原因，本文將研究區(qū)小流域內(nèi)的降雨因子視為恒定因子，不將降水侵蝕力作為評價因子。另外，研究區(qū)流域內(nèi)地形主要為山地，地形復(fù)雜，土壤可侵蝕因子的具體數(shù)值測量難度較大，本文參考國內(nèi)學者的方法用土壤類型代替土壤可蝕性因子［18］。改進本研究需要獲得區(qū)域降雨量等詳盡的瀘沽湖流域氣象數(shù)據(jù)，對山地、濕地及湖區(qū)土壤進行全面調(diào)查，以便計算可靠的降雨侵蝕因子和土壤可蝕性因子。

雖然敏感性評價和評價因子權(quán)重確定應(yīng)用因果分析法、德爾菲法和層次分析法，保證相對科學性和合理性，但是仍具有一定的主觀性。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人類修路、砍伐、耕作等活動對流域內(nèi)水土流失現(xiàn)狀及未來發(fā)展的影響超過自然因素，而土地利用因子綜合體現(xiàn)了人類活動及部分自然因素（例如植被等）對研究區(qū)水土流失狀況的影響，研究視其為最重要的因子；坡度和土壤類型都對當?shù)厮亮魇Мa(chǎn)生重要影響，咨詢多位專家認為不能斷定兩者的重要性孰重孰輕；相對而言，溝谷密度對當?shù)厮亮魇Мa(chǎn)生的影響較小，可能是由于瀘沽湖流域大部分地區(qū)河網(wǎng)不稠密、支流水量小所致。改進本研究需要對各個影響因子在瀘沽湖流域的實際影響進行長期觀察和評估。

5 結(jié)論

瀘沽湖流域整體水土流失現(xiàn)狀良好，但是自北向南分布著多處水土流失敏感性較高的區(qū)域。結(jié)果表明：除了易侵蝕土壤所在區(qū)的水土流失敏感性較高外，道路施工區(qū)和農(nóng)田耕作區(qū)的水土流失敏感性較高。

從高度與極度水土流失敏感區(qū)的空間分布來看，A—D區(qū)是流域北部的密集分布區(qū)：A位于瀘沽湖北面小洛水至達祖沿岸，B位于瀘沽湖鎮(zhèn)西面至湖靠近小草海附近的農(nóng)田區(qū)及道路兩側(cè)山體，C位于瀘沽湖鎮(zhèn)北面小河流經(jīng)谷地，D位于瀘沽湖鎮(zhèn)以東母支至海門道路兩側(cè)山體。E位于密瓦、山南至直普附近的農(nóng)田區(qū)、梯田區(qū)及道路兩側(cè)山體，F(xiàn)位于舍垮東面的大片農(nóng)田、梯田及山體。這些地區(qū)分布著開墾的農(nóng)田和道路兩側(cè)山體上的裸地、坡度相對較高、可侵蝕性較高的山地黃棕壤廣泛分布，溝谷密度在流域內(nèi)相對較高。其中，極敏感區(qū)主要分布于坡度較高、山地裸地分布的區(qū)域。高度敏感區(qū)大都分布于農(nóng)田和梯田區(qū)（附圖2）。

E區(qū)是流域中部的密集分布區(qū)。雖然溝谷密度和坡度值相對不高，但也是水土流失高敏感區(qū)和極敏感區(qū)分布的主要區(qū)域之一。這些區(qū)域山體裸地和農(nóng)田、梯田廣泛分布，水土流失敏感性受山地黃棕壤及少量極具可侵蝕性的棕紫泥的影響。

F區(qū)是流域南部的密集分布區(qū)。湖以東，舍垮東面的大片農(nóng)田、梯田及山體是水土流失高敏感和少量極敏感區(qū)，這些區(qū)域是當?shù)乜汕治g性最強的土壤—棕紫泥的主要分布區(qū)。

極敏感與高敏感區(qū)的空間分布情況表明，人類活動是導(dǎo)致瀘沽湖流域大部分區(qū)域水土流失敏感性較高的主因。流域內(nèi)旅游開發(fā)和城鎮(zhèn)建設(shè)的速度正在提升，必須在開發(fā)強度增大前，預(yù)先針對敏感性高的地區(qū)加強防護措施，并對目前存在問題的地區(qū)進行生態(tài)修復(fù)，及時保護流域生態(tài)環(huán)境，維護文化依存的生態(tài)基礎(chǔ)。研究表明，修路、采石和砍伐造成的山體裸露以及農(nóng)田和梯田耕作造成的土地退化，是造成瀘沽湖流域水土流失的主因，如果不經(jīng)防護和修復(fù)，將造成瀘沽湖流域水土流失的長期隱患。

后龍山地區(qū)（附圖2中圈劃地區(qū)）建議列為核心區(qū)重點保護。后龍山地區(qū)植被覆蓋度高，是原生態(tài)狀況良好的大面積斑塊之一，必須盡早控制游客進入和開發(fā)，以免其在旅游高壓下改變生態(tài)狀況，引發(fā)新的水土流失問題。

同時，大草海濕地對于進入瀘沽湖水體前的水土凈化起到至關(guān)重要的作用，瀘沽湖流域的地表水在匯入湖泊前必須經(jīng)過大草海濕地。目前，大草海濕地仍有私自侵占改造為農(nóng)田和苗圃的問題，如果不能對大草海濕地采取及時有效的保護措施，那么水土流失所帶來的不利影響將直接對湖泊水體及生物產(chǎn)生影響。建議瀘沽湖管理委員全面禁止大草海內(nèi)的私人造田和種植苗木的活動，并且建設(shè)圍欄等措施進行隔離保護。

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