蘆山地震災(zāi)區(qū)土壤流失方程研究

劉斌濤，宋春風(fēng)，史 展，陶和平

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

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蘆山地震災(zāi)區(qū)土壤流失方程研究

劉斌濤1，宋春風(fēng)1，史 展2，陶和平1

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

蘆山地震誘發(fā)大量崩塌、滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，植被破壞嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。建立土壤流失方程是進(jìn)行區(qū)域土壤侵蝕定量評(píng)估的最有效方法。通過(guò)對(duì)蘆山地震水土流失調(diào)查與評(píng)價(jià)工作的總結(jié)與提煉，介紹了蘆山地震災(zāi)區(qū)土壤流失方程的基本形式，給出了降雨侵蝕力因子(R值)、土壤可蝕性因子(K值)、坡長(zhǎng)坡度因子(LS值)、地表覆蓋與管理因子(C值)、水土保持措施因子(P值)的具體計(jì)算方法。本方程對(duì)蘆山地震災(zāi)區(qū)水土流失調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水土保持規(guī)劃、災(zāi)后生態(tài)恢復(fù)重建具有參考意義。

水土保持；蘆山地震災(zāi)區(qū)；土壤流失；水利普查；降雨侵蝕力

1 研究背景

2013年4月20日，四川省雅安市蘆山縣境內(nèi)發(fā)生Ms7.0級(jí)強(qiáng)烈地震，這是四川省自2008年汶川特大地震以來(lái)發(fā)生的第2次嚴(yán)重地震災(zāi)害，強(qiáng)震波及四川雅安、成都、樂(lè)山、眉山、甘孜、涼山、德陽(yáng)等市州的32個(gè)縣(市、區(qū))，受災(zāi)人口約218.4萬(wàn)人，遇難196人，失蹤2人，受傷14 785人。蘆山地震發(fā)生后，筆者負(fù)責(zé)了“蘆山地震災(zāi)區(qū)水土流失調(diào)查與評(píng)價(jià)”應(yīng)急項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)1 a的調(diào)查和分析，獲取了蘆山地震災(zāi)區(qū)1∶50 000、重災(zāi)區(qū)1∶10 000的土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)，掌握了蘆山地震災(zāi)區(qū)震前、震后土壤侵蝕的面積、強(qiáng)度及空間分布特征，編制了蘆山地震災(zāi)區(qū)分縣(市、區(qū))和重災(zāi)區(qū)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕強(qiáng)度圖，支撐了《“4·20”蘆山強(qiáng)烈地震水土保持專(zhuān)題公報(bào)》的及時(shí)發(fā)布?！疤J山地震災(zāi)區(qū)水土流失調(diào)查與評(píng)價(jià)”工作是在第一次全國(guó)水利普查水土保持情況普查、四川省水土保持情況普查工作基礎(chǔ)上開(kāi)展的。蘆山地震災(zāi)區(qū)水土流失調(diào)查綜合使用了遙感三參量調(diào)查法[1]、土壤流失方程計(jì)算法和空間抽樣調(diào)查法[2-3]，多種方法相互比較，取得優(yōu)良的調(diào)查精度。本文是對(duì)蘆山地震災(zāi)區(qū)水土流失調(diào)查工作中土壤流失方程計(jì)算方法的總結(jié)，可以為我國(guó)區(qū)域水土流失調(diào)查，尤其是西南土石山區(qū)水土流失調(diào)查工作提供借鑒和參考。

2 方程基本形式

Wischmeier等[4-5]于20世紀(jì)60年代提出了通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)模型。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，USLE模型已經(jīng)成為全世界廣泛應(yīng)用的土壤流失預(yù)報(bào)方程[6-10]。USLE模型在我國(guó)應(yīng)用十分廣泛，并出現(xiàn)了眾多國(guó)產(chǎn)化方程，如中國(guó)土壤流失方程(CSLE)[2, 11-12]、中國(guó)坡面水蝕預(yù)報(bào)模型[13-14]、云南省金沙江流域土壤流失方程[15-16]、黑龍江省土壤流失方程[17-18]、北京土壤流失方程[19-20]等。蘆山地震災(zāi)區(qū)土壤流失方程(Soil Loss Equation for the Area Affected by 4·20 Lushan Earthquake, LSSLE)仍采用USLE模型的基本形式，其公式為

A=R×K×L×S×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/(hm2·h·a)]；K為土壤可蝕性因子[t·km2·h/(hm2·MJ·mm)]；L為坡長(zhǎng)因子(無(wú)量綱，0～1)；S為坡度因子(無(wú)量綱，0～1)；C為地表覆蓋與管理因子(無(wú)量綱，0～1)；P為水土保持措施因子(無(wú)量綱，0～1)。

3 影響因子計(jì)算方法

3.1 降雨侵蝕力因子(R值)

降雨侵蝕力(rainfall erosivity)是指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力[21]。本研究采用第一次全國(guó)水利普查水土保持情況普查使用的降雨侵蝕力算法計(jì)算蘆山地震災(zāi)區(qū)降雨侵蝕力數(shù)據(jù)，其形式[2, 22-24]為

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

3.2 土壤可蝕性因子(K值)

環(huán)境政策綜合氣候(Environmental Policy-Integrated Climate，EPIC)模型是最常用的計(jì)算土壤可蝕性的方程之一，在我國(guó)應(yīng)用非常廣泛[25-30]。在蘆山地震災(zāi)區(qū)土壤流失方程中用EPIC模型計(jì)算土壤可蝕性K值。EPIC模型的公式為：

(7)

(8)

式中：Sa為砂粒(2～0.05 mm)含量(%)；Si為粉砂(0.05～0.002 mm)含量(%)；Cl為黏粒(<0.002 mm)含量(%)；C為有機(jī)碳含量(%)。

張科利等[27, 31]研究指出，EPIC模型計(jì)算的K值與中國(guó)各地區(qū)實(shí)測(cè)的K值相差較大，并提出K值修正公式為

K=-0.013 83+0.515 75KEPIC。

(9)

3.3 坡度坡長(zhǎng)因子(LS值)

地形因子(LS)是決定土壤侵蝕量的關(guān)鍵性因子。USLE，RUSLE模型給出了LS因子的計(jì)算公式[4-5, 32]。我國(guó)學(xué)者針對(duì)LS因子的修正算法開(kāi)展了大量研究，代表性的有劉寶元算法[33-34]、江忠善算法[13-14]、楊子生算法[15-16, 35]等。

楊子生[15-16, 35]在金沙江流域進(jìn)行了大量觀測(cè)，建立一個(gè)適用于金沙江流域陡坡環(huán)境的坡長(zhǎng)(L)因子算法。蘆山地震災(zāi)區(qū)地形特征與金沙江流域較為接近，因此本文使用楊子生算法計(jì)算蘆山地震災(zāi)區(qū)L因子，其公式為

(10)

筆者整理分析了西南土石山區(qū)的徑流小區(qū)資料，提出了10°～25°及≥25°兩個(gè)坡度范圍的S因子計(jì)算算法，修正了現(xiàn)有的劉寶元算法[33, 36]。修正的S因子計(jì)算公式為

(11)

3.4 地表覆蓋與管理因子(C值)

本文將地表覆蓋類(lèi)型分為農(nóng)地、林地、草地3類(lèi)。農(nóng)地C值與農(nóng)作物類(lèi)型、種植制度、耕地管理方式等有關(guān)。根據(jù)我國(guó)土地利用分類(lèi)制度，本文將耕地分為水田、旱地2類(lèi)分別確定C值。第一次全國(guó)水利普查水力侵蝕野外調(diào)查確定了每一個(gè)調(diào)查地塊的農(nóng)作物類(lèi)型、植被覆蓋度、農(nóng)作物種植制度等信息。根據(jù)楊子生等[37-43]的研究成果，確定該區(qū)域水稻、小麥、玉米、黃豆、甘薯、馬鈴薯、油菜、蔬菜等作物生長(zhǎng)期內(nèi)的C值分別為0.010 0，0.434 5，0.351 7，0.355 1，0.386 4，0.372 1，0.427 3和0.500 0。然后通過(guò)野外調(diào)查獲得的種植制度和種植結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)，確定各縣域耕地的C值。圖1展示了蘆山地震災(zāi)區(qū)21個(gè)縣(市、區(qū))水田和旱地的C值。

林地C值與林地郁閉度和林下地表覆蓋度密切相關(guān)。在USLE模型手冊(cè)[5]中，將林地劃分為：①未擾動(dòng)林地；②放牧、火燒或采伐過(guò)的林地；③采伐后進(jìn)行了跡地整理準(zhǔn)備再造林的林地。我國(guó)現(xiàn)行的土地利用分類(lèi)系統(tǒng)無(wú)法支撐這樣的處理方式。本文將林地分為茂密林地、有林地、灌木林地、其他林地等4類(lèi)，分別確定它們的C值。根據(jù)USLE模型手冊(cè)[5]以及王萬(wàn)忠等[44]、楊子生等[16]的研究，本文分別確定4種林地的C值賦值標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)第一次全國(guó)水利普查水力侵蝕野外調(diào)查單元中的林地郁閉度、地表覆蓋度調(diào)查參數(shù)，通過(guò)空間統(tǒng)計(jì)獲取了蘆山地震災(zāi)區(qū)縣域林地的C值。圖2展示了蘆山地震災(zāi)區(qū)21個(gè)縣(市、區(qū))茂密林地、有林地、灌木林地和其它林地的C值。

圖1 蘆山地震災(zāi)區(qū)耕地C值Fig.1 Value C of cultivated land in Lushan earthquake area

圖2 蘆山地震災(zāi)區(qū)林地C值Fig.2 Value of C of forest in Lushan earthquake area

草地C值主要取決于植被覆蓋度。江忠善等[13-14]提出了草地C值與植被覆蓋度的定量關(guān)系，其公式為

(12)

式中：C為草地C值；V為草地植被覆蓋度(%)。

本文使用HJ-1A/1B多光譜影像和蘆山地震災(zāi)區(qū)1∶50 000土地利用圖，借助像元二分法[45]計(jì)算了蘆山地震災(zāi)區(qū)2010年的植被覆蓋度數(shù)據(jù)，然后利用式(12)計(jì)算了全區(qū)草地的C值。

3.5 水土保持措施因子(P值)

蘆山地震災(zāi)區(qū)主要的水土保持措施有水平梯田(地)、坡式梯田(地)等類(lèi)型。其中，在我國(guó)南方地區(qū)種植水稻的耕地稱(chēng)為田，對(duì)應(yīng)的水土保持措施為水平梯田、坡式梯田；種植旱作作物的耕地稱(chēng)為地，相應(yīng)的水土保持措施為水平梯地、坡式梯地。我國(guó)學(xué)者對(duì)水平梯田(地)、坡式梯田(地)的減蝕效益開(kāi)展了大量研究，通過(guò)前人研究成果，本文確定該區(qū)域水田、水旱輪作田(地)、水平梯地、園地梯地、坡式梯田(地)的P值分別為0.010 0，0.052 8，0.136 2，0.103 5，0.187 9。利用第一次全國(guó)水利普查耕地野外調(diào)查資料，通過(guò)空間統(tǒng)計(jì)獲得每一個(gè)縣域耕地的P值。圖3給出了蘆山地震災(zāi)區(qū)21個(gè)縣(市、區(qū))旱地的P值。從圖3中可以看出，地處四川盆地西南部臺(tái)地、淺丘區(qū)的夾江、東坡、丹棱、雨城、名山等縣(區(qū))的P值較低，這與當(dāng)?shù)卮罅糠植嫉乃递喿魈?地)以及農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)方式有關(guān)；盆周山區(qū)各縣P值普遍較高，這主要是因?yàn)檫@些地區(qū)坡耕地較多的緣故。

圖3 蘆山地震災(zāi)區(qū)旱地P值Fig.3 Value of P of dry land in Lushan earthquake area

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)“蘆山地震災(zāi)區(qū)水土流失調(diào)查與評(píng)價(jià)”工作的總結(jié)與提煉，筆者建立了蘆山地震災(zāi)區(qū)土壤流失方程(LSSLE)，給出了降雨侵蝕力因子(R值)、土壤可蝕性因子(K值)、坡長(zhǎng)坡度因子(LS值)、地表覆蓋與管理因子(C值)、水土保持措施因子(P值)的具體計(jì)算方法。該方程對(duì)于指導(dǎo)蘆山地震災(zāi)區(qū)水土流失調(diào)查與監(jiān)測(cè)、水土保持規(guī)劃和災(zāi)后生態(tài)恢復(fù)重建具有重要參考意義。

筆者利用蘆山地震災(zāi)區(qū)土壤流失方程(LSSLE)已經(jīng)計(jì)算獲得了災(zāi)區(qū)1∶50 000和重災(zāi)區(qū)1∶10 000的土壤侵蝕空間數(shù)據(jù)，編制了災(zāi)區(qū)分縣(市、區(qū))和重災(zāi)區(qū)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕強(qiáng)度圖，統(tǒng)計(jì)獲取災(zāi)區(qū)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕模數(shù)、年土壤侵蝕量、土壤侵蝕面積等數(shù)據(jù)，充分展示方程的應(yīng)用前景，特別是在大比例尺土壤侵蝕制圖方面的應(yīng)用能力。

筆者在后期工作中，對(duì)蘆山地震災(zāi)區(qū)土壤流失方程(LSSLE)進(jìn)行了發(fā)展和完善，將模型拓展成四川省土壤流失方程(Sichuan Soil Loss Equation，SCSLE)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四川全省1∶50 000空間精度的土壤侵蝕調(diào)查與制圖。限于篇幅，本文只給出了蘆山地震災(zāi)區(qū)土壤流失方程(LSSLE)的基本形式和各個(gè)因子的計(jì)算方法，后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)方程的精度驗(yàn)證、蘆山地震災(zāi)區(qū)土壤侵蝕空間分布特征、蘆山地震誘發(fā)的土壤侵蝕以及基于無(wú)人機(jī)遙感和LSSLE的大比例尺(1∶10 000，1∶1 000)的土壤侵蝕制圖技術(shù)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)分析。

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(編輯：黃 玲)

Soil Loss Equation of Lushan Earthquake Area

LIU Bin-tao1，SONG Chun-feng1，SHI Zhan2，TAO He-ping1

(1.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China； 2. School of Geography Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Many secondary disasters such as collapse, landslide and debris flow were induced by Lushan earthquake. The vegetation was seriously destroyed and ecological environment was under serious threat. The most effective method for quantificationally evaluating the regional soil erosion is to establish the soil loss equation. Through summarizing the soil loss investigation and assessment results in Lushan earthquake area, we described the soil loss equation which had been used in Lushan earthquake area. The specific calculation methods of rainfall erosivity factor, soil erodibility factor, slope length and slope gradient factor, surface cover and management factor and the soil and water conservation measures factor were given in this paper. This equation can be referenced for the investigation and dynamic monitoring of soil and water loss, the soil and water conservation planning and the ecological reconstruction of Lushan earthquake area.

soil and water conservation；Lushan earthquake area；soil loss；water conservancy survey；rainfall erosivity

2014-08-08；

2014-09-12

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2015CB452706)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201457)；地理空間信息工程國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201117)

劉斌濤(1984-)，男，山東德州人，助理研究員，碩士，主要從事冰緣地貌過(guò)程與生態(tài)過(guò)程、土壤侵蝕、山地垂直帶譜等領(lǐng)域的研究工作，(電話)15982060905(電子信箱)lbt609@163.com。

10.11988/ckyyb.20140674

2016,33(01):15-19

S157

A

1001-5485(2016)01-0015-05