基于GIS的多年土壤侵蝕對安基山水庫淤積的影響

鐘 磊，周 迎，劉 暢，程公德(. 濟(jì)南市水利建筑勘測設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 5004；．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 0098)

0 引 言

土壤侵蝕是土壤及其母質(zhì)在外營力作用下被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程，其輸出程度受人為因素和自然因素的綜合影響[1]。土壤侵蝕引起的水土流失不僅使土壤養(yǎng)分顆粒流失和土地退化，還使流域上游大量泥沙向下遷移造成水庫和河道淤積，以致影響水庫的正常使用[2,3]。因此，對土壤侵蝕的定量檢測和水庫淤積的估算是有效治理水土流失和保護(hù)水庫的前提。

GIS(Geographic Information System)具有的數(shù)據(jù)提取、管理和空間分析功能，在多尺度、大范圍集水地以及各級(jí)管理區(qū)域水土保持預(yù)測模型中應(yīng)用極其廣泛[4]，如游松財(cái)?shù)萚5]在GIS技術(shù)支持下，運(yùn)用通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)對灌溪鄉(xiāng)土壤侵蝕進(jìn)行定量估計(jì)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)有良好的相關(guān)性；周偉峰等[1]利用RS(Remote Sensing)和GIS技術(shù)在通用土壤流失方程的框架上建立區(qū)域土壤侵蝕模型，對北京市密云水庫土壤侵蝕量進(jìn)行定量估算。針對水庫淤積計(jì)算問題，很多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。如焦恩東等[6]對萬兩河水庫進(jìn)行水庫泥沙淤積分析計(jì)算，包括淤積程度判斷、淤積形態(tài)判別、淤積量計(jì)算和壩前淤積高程計(jì)算，并提出防治水庫淤積措施；王彥芳等[7]基于泥沙隨機(jī)沉降的原理，結(jié)合汾河靜樂水文站的歷年實(shí)測資料，建立汾河水庫泥沙淤積的隨機(jī)數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用模型對汾河水庫庫區(qū)泥沙淤積發(fā)展情況進(jìn)行模擬預(yù)測。然而以上研究并未針對流域上游土壤侵蝕和下游水庫淤積情況進(jìn)行探討，不能反映多年土壤侵蝕變化對下游水庫淤積影響的嚴(yán)重程度。因此，在防治水庫泥沙淤積工作中，研究多年土壤侵蝕變化對下游水庫淤積的影響十分迫切。

本文研究的是在GIS技術(shù)支持下多年土壤侵蝕對水庫泥沙淤積的影響，以安基山水庫為例，分析2007-2011年5 a間流域上游土壤侵蝕對安基山水庫淤積情況。利用RS遙感影像數(shù)據(jù)獲取流域內(nèi)的植被覆蓋度和土地利用分類信息，收集降雨資料和土壤數(shù)據(jù)；在流域DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用ArcGIS表面分析功能提取流域內(nèi)的坡度和坡長等地形數(shù)據(jù)；采用通用土壤流失方程USLE建立流域土壤侵蝕定量檢測模型，利用ArcGIS空間分析技術(shù)對安基山水庫集水區(qū)域連續(xù)5 a間的土壤侵蝕量進(jìn)行定量估算；根據(jù)多年土壤侵蝕量分析安基山水庫攔沙和淤沙量，以期為水土流失和水庫泥沙淤積治理提供指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 研究區(qū)概況

安基山水庫位于七鄉(xiāng)河上游，是南京市江寧區(qū)的村鎮(zhèn)飲用水源地(119°3′～119°7′E、32°4′～32°8′N)，流域面積為15.74 km2，庫區(qū)與句容市亭子鎮(zhèn)接壤。水庫壩頂長350 m，壩頂高程53 m，壩頂寬6 m。水庫總庫容618 萬m3，屬于小(一)型水庫。流域內(nèi)有安基山村、孟塘、葉庵、鹿山、袁家咀、韓家邊、螺絲沖、、華山村等村。流域上游為丘陵地形，水庫附近地勢較平緩，流域海拔范圍23～403 m。流域范圍內(nèi)以耕地和林地為主，其中林地占大部分。多年平均降雨量1 047 mm，降雨多集中在6-9月，暴雨一般多集中在7-8月。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

研究中用到的數(shù)據(jù)包括該地區(qū)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)、Landsat7遙感影像數(shù)據(jù)(2007-2011年)、降雨資料(2007-2011年)、土壤數(shù)據(jù)。其中DEM數(shù)據(jù)用于提取地形信息[見圖1(a)]，根據(jù)匯水區(qū)域分水嶺利用ArcGIS軟件中Arc Hydro Tools功能確定安基山水庫集水流域范圍[8][見圖1(b)]。

遙感影像成像時(shí)間選擇在6-9月為最佳，并用流域范圍對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，進(jìn)而應(yīng)用監(jiān)督分類的方法處理遙感影像。如2011年6月27日研究區(qū)Landsat遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)圖像預(yù)處理、影像增強(qiáng)、監(jiān)督分類、人工校核等，獲取該時(shí)期集水流域內(nèi)農(nóng)田、水域、村莊、裸地、林地等土地利用類型[見圖1(c)]。土壤數(shù)據(jù)是全國第二次土壤普查土壤類型及其理化性質(zhì)分析資料。

圖1 研究區(qū)數(shù)據(jù)

2 研究方法

2.1 模型建立

通用土壤流失方程(USLE)是眾多土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型應(yīng)用最為廣泛的模型[9,10]，它具有形式簡單、參數(shù)易求、利于計(jì)算、適用于資料短缺的地區(qū)等特點(diǎn)。USLE模型綜合考慮人為因素和自然因素的影響，其核心內(nèi)容是R、K、L、S、C和P6個(gè)因子的計(jì)算，具體表達(dá)式如下：

A=fRKLSCP

(1)

式中：A為年土壤侵蝕量，t/km2；L為坡長因子；S為坡度因子；R為降雨侵蝕因子；K為土壤可蝕性因子；C為植被覆蓋度(管理)因子；P為水土保持因子；f為單位換算系數(shù)，若A取用英美單位，f=1，若取我國常用的t/(km2·a)，f=224.2。

2.2 因子計(jì)算

2.2.1R因子計(jì)算

降雨侵蝕因子是雨滴擊濺產(chǎn)生削蝕現(xiàn)象和雨水徑流形成地表沖涮作用的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算是采用吳素業(yè)[11]研究提出的適合我國長江流域地區(qū)降雨侵蝕因子的簡單計(jì)算方法，以此根據(jù)安基山流域多年降雨資料計(jì)算降雨侵蝕因子。由于流域面積小，降雨分布比較均勻，全流域每年只采用一個(gè)R值，并利用ArcGIS軟件轉(zhuǎn)化為柵格圖像。R由下式計(jì)算：

(2)

式中：Pi為月降雨量，mm；170.2為轉(zhuǎn)化為R的美制單位換算系數(shù)。

2.2.2K因子計(jì)算

土壤可蝕性因子K采用EPIC模型中的計(jì)算方法[12]，在ArcGIS軟件中由土壤類型分布進(jìn)行賦值，再轉(zhuǎn)化為土壤K值得到柵格數(shù)據(jù)。計(jì)算如下：

(3)

式中：SAN為砂粒(0.05～2 mm)含量百分?jǐn)?shù)；SIL為粉粒(0.002～0.05 mm)含量百分?jǐn)?shù)；CLA為黏粒(<0.002 mm)含量百分?jǐn)?shù)；C為有機(jī)碳含量百分?jǐn)?shù)；SN=1-SAN/100。

2.2.3S、L因子計(jì)算

坡度和坡長因子是反映地形特征對土壤侵蝕的影響程度，其計(jì)算是利用ArcGIS軟件對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)處理得到。坡度因子和坡長因子計(jì)算公式[13]如下：

(6)

式中：θ為坡度，(°)；λ為坡長，m；m為坡度坡長系數(shù)；β為細(xì)溝和細(xì)溝間侵蝕的比率。

2.2.4C、P因子計(jì)算

植被覆蓋度因子C表示植物葉面生長覆蓋地面情況，可抑制土壤侵蝕發(fā)生，根據(jù)馬超飛等[14]建立的植被覆蓋度與C值數(shù)學(xué)關(guān)系式求得：

(7)

式中：C為植被覆蓋度因子；f為植被覆蓋度，可通過遙感數(shù)據(jù)歸一化植被指數(shù)求得。

水土保持因子P是指采用特定水土保持措施后的土壤侵蝕量與相應(yīng)無實(shí)施順坡耕地土壤侵蝕量比值，P大小范圍為0～1，0表示未發(fā)生土壤侵蝕地區(qū)，1表示未采取任何保持措施地區(qū)。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)[12,15]知，自然植被區(qū)、裸地、農(nóng)村居民區(qū)和建筑用地均為1，水域?yàn)?，水田為0.15，旱田為0.35。由該集水流域內(nèi)土地利用類型，利用ArcGIS對C、P因子賦值計(jì)算，得到柵格化圖層。

2.3 多年侵蝕量統(tǒng)計(jì)

基于6大因子計(jì)算得到的柵格因子專題圖層，運(yùn)用GIS技術(shù)空間分析功能進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到2007-2011年安基山水庫流域土壤侵蝕模數(shù)G，并依據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)[16]對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)，分級(jí)級(jí)別為：微度[0～500 t/(km2·a)]；輕度[500～2 500 t/(km2·a)]；中度[2 500～5 000 t/(km2·a)]；強(qiáng)度[5 000～8 000 t/(km2·a)]。安基山水庫流域各點(diǎn)土壤侵蝕模數(shù)不同，故根據(jù)土壤侵蝕模數(shù)柵格圖層屬性值和像元大小，計(jì)算安基山水庫流域每年向下游水庫輸沙量W(入庫泥沙量)。

3 水庫淤積

土壤顆粒在降雨作用下隨著地表徑流形成的匯流進(jìn)行遷移，當(dāng)進(jìn)入水庫后，水深增加，水流速度減小，水流挾沙能力降低，導(dǎo)致水流中的部分懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙在庫區(qū)內(nèi)沉淀，使水庫不斷淤積，進(jìn)而影響水庫使用壽命和污染水庫[6]。

3.1 水庫攔沙率

水庫攔沙率β表示土壤顆粒淤積在水庫庫底的沙量與進(jìn)入水庫的沙量比值[3]，與水庫庫容和徑流量的比值有關(guān)，計(jì)算公式為：

(9)

式中：β為水庫攔沙率，%；T為年入庫水量，m3；f為流域年降雨量，mm；αi為各種下墊面徑流系數(shù)，由《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)[17]查得；Ai為各種下墊面面積，m2。

3.2 水庫淤積量

對長期蓄水情況下的中小型水庫來說，通過計(jì)算水庫淤沙量分析滯留在水庫庫底的泥沙情況，以便確定水庫的壽命或使用年限，可以根據(jù)水庫攔沙率法計(jì)算[3]：

S=Wβ

(10)

式中：S為水庫淤積泥沙量，以質(zhì)量計(jì)算，t；β為水庫攔沙率；W為入庫泥沙量，t。

4 結(jié)果與分析

4.1 侵蝕強(qiáng)度分析

根據(jù)安基山水庫上游土壤侵蝕監(jiān)測結(jié)果，統(tǒng)計(jì)土壤侵蝕強(qiáng)度分布狀況，2007-2011年土壤侵蝕量分級(jí)結(jié)果見圖2，5 a土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)見表1。

4.1.1土壤侵蝕區(qū)域分析

由圖2可知，侵蝕級(jí)別所占面積關(guān)系是微度>輕度>中度>強(qiáng)度>，強(qiáng)度侵蝕主要發(fā)生在流域中下部，中度侵蝕分布區(qū)域緊鄰強(qiáng)度侵蝕發(fā)生區(qū)附近，輕度侵蝕主要是在流域中部和下部，其余均是微度侵蝕，無明顯侵蝕現(xiàn)象。

分析知，強(qiáng)度侵蝕主要發(fā)生在裸地和地勢起伏大的區(qū)域，其原因?yàn)槁愕氐孛嬷脖桓采w度較小和未采取水土保持措施；地勢起伏大的區(qū)域地面坡度坡長較大，地表徑流速度和水流長度增加，致使坡度因子和坡長因子較大。中度和輕度侵蝕主要發(fā)生在人類活動(dòng)頻繁地區(qū)和丘陵山區(qū)，其原因是人類活動(dòng)頻繁地區(qū)土地利用類型發(fā)生了改變，丘陵山區(qū)山高坡陡等地形條件。微度侵蝕所占比例均在80%以上，該區(qū)植被覆蓋較好，大部分區(qū)域是以林地為主，人類活動(dòng)干擾小。

表1 2007-2011年安基山水庫上游土壤侵蝕變化統(tǒng)計(jì)表

4.1.2土壤侵蝕年際分析

由圖2和表1可知，2007-2011年5 a中2007年土壤侵蝕最為嚴(yán)重，強(qiáng)度侵蝕所占面積百分比為0.35%，中度侵蝕所占面積百分比為3.26%，輸沙量最多；2008年土壤侵蝕最弱，未發(fā)生強(qiáng)度侵蝕，中度侵蝕所占面積百分比僅為0.15%；2009-2011年土壤侵蝕情況大致相同，其中2010年土壤侵蝕情況稍弱。

降雨條件和人為擾動(dòng)是影響2007-2011年土壤侵蝕的變化主要因素，其中降雨是水土流失的載體，2007年各月降雨強(qiáng)度相差不大，但其降雨侵蝕力R明顯大于其他年份，以致2007年安基山水庫上游輸沙量最多和強(qiáng)度侵蝕面積較大。2008年降雨量較少，導(dǎo)致降雨侵蝕力下降，土壤侵蝕強(qiáng)度最小。人為擾動(dòng)因素主要影響植被覆蓋度和水土保持控制因子，發(fā)生在人類活動(dòng)頻繁的區(qū)域，但相鄰年間植被變化不明顯。

4.2 水庫淤積分析

根據(jù)安基山水庫流域降雨資料和土壤侵蝕結(jié)果計(jì)算水庫攔沙率、輸沙量和淤積量，結(jié)果見表2。2008年水庫攔沙率最大，其他年份攔沙率差別不大。2007年水庫的輸沙量明顯多于其他年份，2008年輸沙量最小，僅為2007年輸沙量的43%。2007年和2011年水庫泥沙淤積量最多，2008年最少，僅為2007年淤積量的49%。降雨是影響水庫泥沙淤積量的重要因素，包括降雨侵蝕因子和年入庫水量，致使攔沙率和輸沙量不同，綜合影響水庫泥沙淤積量。人類活動(dòng)的干擾也會(huì)增大土壤侵蝕強(qiáng)度，增加向下游水庫的泥沙輸送量。

表2 2007-2011年安基山水庫淤積情況

5 結(jié) 語

本研究根據(jù)通用土壤流失方程USLE利用遙感影像數(shù)據(jù)、降雨資料、土壤信息和地形資料提取相關(guān)影響因子，應(yīng)用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)安基山水庫上游2007-2011年多年土壤侵蝕變化檢測，進(jìn)而分析上游水土流失對水庫的泥沙淤積影響，為流域土壤侵蝕和水庫淤積治理提供技術(shù)支持和參考。其中流域強(qiáng)度侵蝕主要發(fā)生在裸地和地勢起伏大的流域中下部；中度和輕度侵蝕主要發(fā)生在人類活動(dòng)頻繁地區(qū)和丘陵山區(qū)；微度侵蝕則以植被覆蓋較好的林地為主，所占比例均在80%以上；5 a中2007年土壤侵蝕最為嚴(yán)重，2008年土壤侵蝕最弱。在水庫淤積方面，2008年水庫攔沙率最大；2007年水庫的輸沙量明顯多于其他年份，2008年輸沙量最小。2007年和2011年水庫泥沙淤積量最多，2008年最少。

根據(jù)土壤侵蝕動(dòng)態(tài)檢測分析和統(tǒng)計(jì)結(jié)果知，流域土壤侵蝕治理對減少水庫淤積至關(guān)重要。通過植樹造林、退耕還林、修建截流溝和前置庫、改造坡耕地等措施，減少地表徑流速度，提高地表抗蝕能力，以減少泥沙輸送量，保護(hù)水庫蓄水功能和延長使用年限。

因數(shù)據(jù)資料的精度限制和計(jì)算方法的選取不同，其計(jì)算結(jié)果會(huì)與真實(shí)值有所偏差，但不影響流域土壤侵蝕的分布趨勢，在土壤侵蝕預(yù)測方面仍有指導(dǎo)作用。在今后的應(yīng)用中，盡可能使用高精度數(shù)據(jù)并選擇合理的區(qū)域性計(jì)算方法，以此提高土壤侵蝕預(yù)測準(zhǔn)確度。

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