基于RUSLE模型的祖厲河流域土壤侵蝕時(shí)空分異特征分析

貴立德

(甘肅省定西市水土保持科學(xué)研究所，甘肅 定西 743000)

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基于RUSLE模型的祖厲河流域土壤侵蝕時(shí)空分異特征分析

貴立德

(甘肅省定西市水土保持科學(xué)研究所，甘肅 定西 743000)

土壤侵蝕；RS；GIS；RUSLE；祖厲河流域

以祖厲河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，借助RS的圖像信息提取技術(shù)，對研究區(qū)遙感影像進(jìn)行校正與信息提取。利用GIS的柵格數(shù)據(jù)空間分析功能，將研究區(qū)空間離散化為30 m×30 m的柵格單元。根據(jù)修正的通用土壤流失方程RUSLE生成因子?xùn)鸥駡D，借助GIS空間分析功能，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)的土壤侵蝕評估模擬。研究結(jié)果表明：祖厲河流域1995、2005和2015年土壤侵蝕模數(shù)分別為2 877.87、3 372.24和3 713.23 t/(km2·a)；從侵蝕量變化來看，1995、2005、2015年土壤流失量分別為2 960.84萬、3 469.46萬、3 820.28萬t。從土壤侵蝕量空間分布和侵蝕量變化來看，研究區(qū)土壤侵蝕程度呈現(xiàn)南北低、中部高，河流深切區(qū)低、高山林立區(qū)高的特點(diǎn)。

1　研究區(qū)概況

祖厲河流域位于甘肅中部，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)104°12′～105°33′、北緯35°18′～36°34′之間，流域面積10 653 km2，地跨甘肅省定西、白銀、蘭州三地(市)和寧夏固原地區(qū)，包括定西市，會寧縣的絕大部分地區(qū)，以及靖遠(yuǎn)、榆中、隴西、通渭、西吉、海原縣的小部分地區(qū)。受賀蘭山和祁連山加里東褶皺帶的復(fù)合影響，地勢大致由南向北傾斜，海拔大多在1 500～2 000 m之間，最高峰在流域東北崛吳山的南溝大頂(海拔2 858 m)，最低點(diǎn)在祖厲河匯入黃河處(海拔1 392 m)。在第三紀(jì)末和第四紀(jì)初古地形的基底上，第四紀(jì)以來的多次侵蝕—堆積旋回和現(xiàn)代侵蝕作用，塑造了當(dāng)今以塬、梁、峁為特點(diǎn)的黃土丘陵地貌形態(tài)，呈現(xiàn)出梁峁交錯(cuò)、溝壑縱橫的景觀。由于深處內(nèi)陸，受六盤山和秦嶺山脈的屏蔽作用，海洋暖濕氣流不易到達(dá)，因此該區(qū)具有大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)[1]。

2　數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)包括研究區(qū)1995、2005和2015年三期降雨量臺站記錄數(shù)據(jù)、1∶100萬土壤數(shù)據(jù)、30 m×30 m GDEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)(.shp格式)、Landsat5/ETM和Landsat8/OLI影像，以及2000年以來的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)源及其信息如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)來源與說明

2.2研究方法

2.2.1土壤流失計(jì)算模型

修正的通用土壤流失方程(RUSLE)，計(jì)算公式為

A=R·K·LS·C·P

(1)

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(km2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·km2·h/(MJ·mm·km2)；LS為地形因子，無量綱；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。

本研究通過對上述數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，提取出影響土壤侵蝕模數(shù)的各個(gè)因子，從而測度研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)并劃分強(qiáng)度等級。

2.2.2各因子的提取

(1)降雨侵蝕力因子R。降雨侵蝕力是反映降雨對土壤侵蝕影響的一種指標(biāo)，是進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)報(bào)的重要因子[2]。本研究選用基于月平均降雨量和年平均降雨量的Wischmeier公式[3]計(jì)算1995、2005、2015年降雨侵蝕力。計(jì)算公式為

(2)

式中：pi、p分別為月平均、年平均降雨量，mm。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2　1995、2005和2015年研究區(qū)降雨侵蝕力因子

(2)土壤可蝕性因子K。土壤可蝕性因子是土壤對雨滴擊濺或地表徑流等侵蝕介質(zhì)剝蝕和搬運(yùn)的敏感程度，是土壤抵抗侵蝕能力的綜合體現(xiàn)，與降雨、徑流、滲透的綜合作用密切相關(guān)[4]。本研究選用侵蝕/生產(chǎn)力影響模型EPIC的公式計(jì)算各類型土壤的K因子值[5]。計(jì)算公式為

(3)

式中：SAN為砂粒含量，%；SIL為粉砂含量，%；CLA為黏粒含量，%；Cr為有機(jī)碳含量，%；SN1=1-SAN/100。

通過1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫，提取表層土壤的SAN、SIL、CLA和Cr的數(shù)據(jù)信息，計(jì)算出項(xiàng)目區(qū)的K因子值為0.49 t·km2·h/(MJ·mm·km2)。

(3)地形因子LS。地形對土壤侵蝕的影響因子包括坡度(S)和坡長(L)。本研究利用研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，以GIS為技術(shù)手段進(jìn)行地形特征分析，提取坡度、坡長數(shù)據(jù)。計(jì)算公式為

(4)

式中：λ為坡長，m；m為隨坡度變化的量；β為坡度(°)，當(dāng)β≥2.86°時(shí)m取0.5，當(dāng)1.72°≤β<2.86°時(shí)m取0.4，當(dāng)0.57°≤β<1.72°時(shí)m取0.3，當(dāng)β<0.57°時(shí)m取0.2。

(4)植被覆蓋與管理因子C。植被覆蓋與管理因子是植被覆蓋程度對水土流失的抑制程度，起著保持水土的作用，其取值范圍為0～1[6]。本研究選用蔡崇法等[7]建立的C因子值與植被覆蓋度之間的回歸方程，計(jì)算公式為

(5)

式中：c為植被覆蓋度，%。

先計(jì)算研究區(qū)范圍內(nèi)的NDVI值(植被覆蓋指數(shù))，并提取最大和最小NDVI值，從而計(jì)算出研究區(qū)范圍內(nèi)的植被覆蓋度。植被覆蓋度的計(jì)算公式為

(6)

式中：NDVI0為無植被或完全被裸土覆蓋地區(qū)像元的NDVI值；NDVIg為完全被植被覆蓋地區(qū)像元的NDVI值。

根據(jù)計(jì)算得到的C因子分布圖和研究區(qū)土地利用類型圖將C因子值賦予相應(yīng)的土地利用類型，結(jié)果見表3。

表3　研究區(qū)不同土地利用類型的C值

(5)水土保持措施因子P。水土保持措施因子是一種基于經(jīng)驗(yàn)和物理過程的混合模型，是采取專門措施后的土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量之比，其取值在0～1之間[8]，其中0代表根本不會發(fā)生土壤侵蝕的地區(qū)，1代表未采取任何水土保持措施的地區(qū)。本研究采用坡度權(quán)重對P因子進(jìn)行分級賦值，結(jié)果見表4。

表4　不同耕作方式下的P因子值

2.2.3模型的運(yùn)算

利用ArcGIS10中Spatial Analysis/Raster Calculator功能，將每個(gè)網(wǎng)格中各因子值相乘，計(jì)算每個(gè)柵格的土壤侵蝕量，根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)對其結(jié)果進(jìn)行重分類(Reclass)，形成土壤侵蝕量圖和土壤侵蝕空間分布圖。

3　土壤侵蝕結(jié)果分析

3.1土壤侵蝕時(shí)間變化特征

研究區(qū)不同侵蝕強(qiáng)度的面積、侵蝕量結(jié)果見表5。由表5知，1995年中度侵蝕及以上面積3 788.22 km2，占研究區(qū)總面積的36.82%。到了2005年，中度侵蝕及以上面積增加到4 448.42 km2，占研究區(qū)總面積的43.24%，比1995年面積增加660.20 km2。2015年中度侵蝕及以上面積4 812.36 km2，占研究區(qū)總面積的46.77%，比2005年增加363.94 km2，比1995年增加1 024.14 km2。從侵蝕面積來看，20年來研究區(qū)土壤侵蝕面積不斷擴(kuò)大，中度及以上侵蝕面積年均增長近51.21 km2，且強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積逐年增加，表明在總體侵蝕面積不斷增加的同時(shí)，嚴(yán)重侵蝕面積也在逐年增加。從侵蝕量看，1995年侵蝕總量為2 960.84萬t，侵蝕模數(shù)為2 877.87 t/(km2·a)；2005年侵蝕總量增加到3 469.46萬t， 侵蝕模數(shù)為3 372.24

t/(km2·a)；2015年侵蝕總量進(jìn)一步增加到3 820.28萬t，侵蝕模數(shù)為3 713.23 t/(km2·a)；根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》，屬于中度—強(qiáng)烈侵蝕。

圖1　1995、2005、2015年研究區(qū)土壤侵蝕面積統(tǒng)計(jì)

侵蝕強(qiáng)度[t/(km2·a)]1995年面積(km2)比例(%)侵蝕量(t)2005年面積(km2)比例(%)侵蝕量(t)2015年面積(km2)比例(%)侵蝕量(t)微度(<1000)2759.8926.837942612.002417.0823.498150982.432268.2422.058422512.73輕度(1000～3000)3740.1836.3510763774.883422.7933.2711541777.503207.6931.1811910900.83中度(3000～5000)2055.3519.985915046.242126.0120.667169417.242120.1020.617872427.84強(qiáng)烈(5000～7000)914.078.882630568.821137.3411.053836050.841205.1611.714475049.94極強(qiáng)烈(7000～9000)433.064.211246279.34573.185.571932916.75666.096.472473340.09劇烈(>9000)385.743.751110115.95611.895.952063443.89821.017.983048586.21合計(jì)10288.2910029608397.2310288.2910034694588.6510288.2910038202817.64

3.2土壤侵蝕空間變化特征

從研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布特征來看(圖2)，極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)和劇烈侵蝕區(qū)主要分布在會寧縣西北部的新莊鄉(xiāng)、頭寨子鎮(zhèn)和東北部的草灘鄉(xiāng)、土高山鄉(xiāng)，還有定西市安定區(qū)北部的白錄鄉(xiāng)、魯家鎮(zhèn)溝和東北部的石灣峽鄉(xiāng)、新集鄉(xiāng)，以及靖遠(yuǎn)縣的西南部若笠鄉(xiāng)和東北部等廣大地區(qū)。這些地區(qū)植被覆蓋度較低、生態(tài)異常脆弱，遇到短歷時(shí)強(qiáng)降雨，會產(chǎn)生嚴(yán)重的土壤侵蝕。輕度和微度侵蝕區(qū)主要分布在靖遠(yuǎn)縣東北部的高灣鄉(xiāng)和會寧縣北部的大部分地區(qū)，涉及郭城驛鎮(zhèn)、白草原鄉(xiāng)、河畔鎮(zhèn)、劉家寨子鄉(xiāng)等，此外安定區(qū)南部的內(nèi)宮營鎮(zhèn)、團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)、香泉鎮(zhèn)土壤侵蝕程度也比較輕。從土壤侵蝕空間分布和侵蝕量變化來看，研究區(qū)土壤侵蝕程度呈現(xiàn)南北低、中部高，河流深切區(qū)低、高山林立區(qū)高的特點(diǎn)。因此，在水土保持工作中要特別重視植被的保護(hù)和培育，減輕人為影響，發(fā)展多功能型節(jié)水農(nóng)業(yè)，改變不合理的土地利用方式。將模型計(jì)算數(shù)據(jù)與甘肅省土壤普查辦公室提供的實(shí)測數(shù)據(jù)[9]、《甘肅省年鑒》和宋維峰等[10]研究成果進(jìn)行對比，侵蝕模數(shù)和侵蝕量的計(jì)算精度均在90%以上，侵蝕面積的計(jì)算精度為85%，說明本研究計(jì)算方法是可行和有效的。

圖2　土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布

4　結(jié)論與討論

本研究利用RS和GIS技術(shù)，以祖厲河流域作為研究區(qū)，結(jié)合修正后的通用土壤流失方程(RUSLE)分析了1995—2015年研究區(qū)土壤侵蝕時(shí)空變化特征及分布規(guī)律，得出以下結(jié)論：①祖厲河流域1995、2005和2015年土壤侵蝕模數(shù)分別為2 877.87、3 372.24和3 713.23 t/(km2·a)；從侵蝕量變化來看，1995、2005、2015年土壤流失量分別為2 960.84萬、3 469.46萬、3 820.28萬t。②從土壤侵蝕時(shí)空變化來看，土壤侵蝕最嚴(yán)重的的區(qū)域主要分布在會寧縣西部、靖遠(yuǎn)縣南部及安定區(qū)北部地區(qū)。相比而言，會寧縣東北部、靖遠(yuǎn)縣東南部土壤侵蝕程度較輕?？傮w來看，研究區(qū)土壤侵蝕度呈現(xiàn)南北低、中部高，河流深切區(qū)低、高山林立區(qū)高的特點(diǎn)。

研究結(jié)果表明，雖然1995—2015年的20年間祖厲河流域各縣區(qū)在水土保持方面均采取了一些措施，但受自然環(huán)境、地質(zhì)地貌、氣候變化等綜合因素影響，部分地區(qū)土壤侵蝕呈加劇趨勢，因此當(dāng)?shù)卦陬A(yù)防自然災(zāi)害、保持水土流失等方面依然任重而道遠(yuǎn)。此外，由于研究區(qū)的氣象站點(diǎn)偏少，土壤數(shù)據(jù)比例尺偏小等一些原因，研究結(jié)果的精度會受到一定程度的影響，對部分地區(qū)計(jì)算結(jié)果尚不理想，需要在今后的工作中進(jìn)一步完善。

[1] 趙傳燕,馮兆東,南忠仁,等.黃土高原祖厲河流域潛在植被分布模擬研究[J].地理學(xué)報(bào),2007,62(1):52-61.

[2] 怡凱,王詩陽,王雪,等.基于RUSLE模型的土壤侵蝕時(shí)空分異特征分析——以遼寧省朝陽市為例[J].地理科學(xué),2015,35(3):365-372.

[3] Wischmeier W H,Smith D D.Predicting Rainfall-Erosion Losses from Cropland and East of the Rocky Mountains[M].Washington D C:USDA,Agriculture Handbook No.282,1965:31-42.

[4] 張小文.祖厲河流域土壤侵蝕與水文—地貌過程變化的GIS輔助模擬[D].蘭州:蘭州大學(xué),2006:772-776.

[5] 孟慶香.基于遙感、GIS和模型的黃土高原生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2006:342-347.

[6] 岳瑋,劉慧明,孫國鈞.基于遙感和GIS技術(shù)的祖厲河流域植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,45(6):6-11.

[7] 蔡崇法,丁樹文,史志華,等.應(yīng)用USLE 模型與地理信息系統(tǒng)IDRISI 預(yù)測小流域土壤侵蝕量的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(2):19-24.

[8] 魏偉,趙軍,王旭峰.RS、GIS支持下高寒草原退化過程中土壤流失及治理模式仿真研究[J].干旱區(qū)地理,2009,32(1):47-56.

[9] 甘肅省土壤普查辦公室.甘肅土壤[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1993:77-84.

[10] 宋維峰,張明璽,韓承鼎.祖厲河水沙特性及水利、水土保持措施減沙效益分析[J].中國水土保持,1994(4):8-11.

(責(zé)任編輯李楊楊)

S157

A

1000-0941(2016)08-0043-04

貴立德(1964—)，男，甘肅定西市人，學(xué)士，高級工程師，主要從事水土保持綜合治理規(guī)劃與管理方面的研究。

2016-02-15