基于GIS的粵北青蓮水流域水土流失成因分析

鄭悅?cè)A，張曉遠(yuǎn)，劉協(xié)亭

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

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基于GIS的粵北青蓮水流域水土流失成因分析

鄭悅?cè)A，張曉遠(yuǎn)，劉協(xié)亭

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的加強(qiáng)，水土流失有持續(xù)惡化趨勢(shì)，青蓮水流域內(nèi)土壤肥力下降，河道泥沙淤積，影響河流行洪安全。本文選用通用土壤流失方程，利用ArcGIS的空間疊加分析等功能，分別計(jì)算分析研究區(qū)內(nèi)與土壤侵蝕相關(guān)的降雨、土壤、植被、地形、土地利用等因子，經(jīng)疊加分析后生成流域水土流失現(xiàn)狀圖。結(jié)果表明，地形地貌因子和土地利用因子是影響流域水土流失的關(guān)鍵因子，研究結(jié)果可為廣東省中小流域治理提供水土保持方面的理論支撐。

水土流失；青蓮水流域；通用土壤流失方程

青蓮水流域主要位于廣東省北部的陽(yáng)山縣，屬?gòu)V東省級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)。近年來(lái)，隨著流域內(nèi)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的持續(xù)增強(qiáng)，水土流失有持續(xù)惡化趨勢(shì)。持續(xù)的水土流失使流域內(nèi)土層變薄、肥力下降，同時(shí)大量泥沙下泄，淤積江河湖庫(kù)，降低調(diào)蓄和行洪能力，導(dǎo)致青蓮水流域河道淤積。本文利用GIS技術(shù)的空間疊加分析等功能，選用通用土壤流失方程，對(duì)降雨、地形、植被等影響水土流失各個(gè)單因子分析計(jì)算，生成各單因子圖層，疊加分析后得到流域內(nèi)的土壤侵蝕現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，探討了水土流失對(duì)流域內(nèi)洪澇災(zāi)害、河流淤積的影響，得出地形因子尤其是坡度因子以及土地利用現(xiàn)狀是影響流域內(nèi)水土流失的關(guān)鍵因子，為流域內(nèi)水土流失治理指明了方向。

1 流域概況

青蓮水流域主要位于廣東省陽(yáng)山縣，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，流域包含秤架瑤族鄉(xiāng)、黃岔鎮(zhèn)、嶺背鎮(zhèn)、青蓮鎮(zhèn)、江英鎮(zhèn)等鎮(zhèn)區(qū)，面積約為1 186.20 km2，人口約為7.43萬(wàn)人。流域內(nèi)青蓮水發(fā)源于廣東陽(yáng)山、乳源和湖南省宜章3縣交界的猛坑石，自北向南貫穿全境，主流長(zhǎng)約85 km，在青蓮圩注入連江，天然落差為 1 852 m；流域地貌類型主要為山地丘陵區(qū)，區(qū)域內(nèi)坡地集中，其中坡耕地面積約為43.12 km2，流域內(nèi)土壤以赤紅壤為主，表土層較松，抗蝕性差。流域內(nèi)植被覆蓋率約90%，年均氣溫約為21.0 ℃，年均降雨量約為1 959.9 mm。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)與分析軟件

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：青蓮水河流域空間分辨率為30 m的DEM； 近3 a的TM遙感影像圖；流域土地利用數(shù)據(jù)；流域2006—2015年降水資料(流域所在的陽(yáng)山縣及周邊18個(gè)自動(dòng)雨量站近年來(lái)逐月降雨量)。

分析軟件：ERDAS IMAGINE 9.0，用于處理遙感影像；ArcGIS 9.3，用于生成坡度、坡長(zhǎng)等數(shù)據(jù)，并對(duì)各圖層進(jìn)行空間分析。

2.2 技術(shù)路線

本文采用模型為通用土壤流失方程，用來(lái)分析流域內(nèi)各水土流失單因子并計(jì)算流域內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度，已有研究表明，該方程能夠較好地適用于廣東省境內(nèi)的的水土流失估算。具體計(jì)算公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(1)

其中A為單位面積年平均土壤侵蝕量，在量值上等于R(降雨/徑流侵蝕力因子)、K(土壤可蝕性因子)、L(坡長(zhǎng)因子)、S(坡度因子)、C(植被覆蓋與管理因子)、P(水土保持措施因子)6因子之乘積[1-2]。

選用計(jì)算方程后，通過(guò)GIS軟件，利用研究區(qū)的TM遙感影像，提取歸一化植被指數(shù)，再以此為基礎(chǔ)計(jì)算地表覆蓋因子(C)；利用ArcGIS的空間分析功能，從所獲得的流域DEM中提取地形因子。然后將降雨因子圖層、土壤因子圖層、坡度坡長(zhǎng)因子圖層、植被覆蓋因子圖層及水土保持因子圖層根據(jù)公式(1)進(jìn)行疊加分析，得出流域內(nèi)土壤侵蝕現(xiàn)狀圖及侵蝕數(shù)據(jù)，最后，根據(jù)分析結(jié)果，找出影響流域內(nèi)水土流失的關(guān)鍵因子，進(jìn)而針對(duì)不同類型的水土流失提出不同的治理措施。

2.3 影響水土流失的單因子研究分析

2.3.1 降雨因子分析

影響水土流失的降雨因素表現(xiàn)為降雨侵蝕力，降雨侵蝕力是反映由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是土壤侵蝕模型的重要因子[3]。本文計(jì)算主要考慮年均降雨量及月均降雨量，計(jì)算公式采用在我國(guó)南方紅壤區(qū)廣泛應(yīng)用的威斯奇邁爾降水侵蝕力計(jì)算公式[4]：

(2)

式中 P為年均降水量，m；Pi為月均降水量，mm；R為降雨侵蝕力。

上述公式中，需計(jì)算流域內(nèi)及周邊雨量站數(shù)據(jù)，文中收集了流域所在的陽(yáng)山縣2個(gè)雨量站以及周邊縣市約16個(gè)雨量站自2000—2013年的各月平均降水?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)公式(2)計(jì)算出各雨量站的多年平均降雨侵蝕力R，然后在流域范圍內(nèi)對(duì)各雨量站的R值進(jìn)行線性內(nèi)插，得出流域內(nèi)各點(diǎn)的降雨侵蝕力。由計(jì)算結(jié)果知，小流域內(nèi)R值范圍為241.312～244.626，整體上流域內(nèi)降雨分布差異較小，不構(gòu)成影響流域內(nèi)水土流失差異的關(guān)鍵因素。

2.3.2 地形地貌因子分析

地形因子是將坡長(zhǎng)及坡度對(duì)坡面水土流失的影響進(jìn)行綜合描述的因子，流域所在的廣東省屬南方紅壤區(qū)，計(jì)算LS值時(shí)，選用楊艷生等提出的適用于南方紅壤地區(qū)的LS經(jīng)驗(yàn)公式[5]。

LS=0.002 6×1.1β×h×(1-cosβ)/sinβ

(3)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到青蓮水流域的LS值范圍為0 ～ 66.2，平均值為42.22 ，人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)可通過(guò)微地貌改變L、S因子，該因子是影響流域內(nèi)水土流失差異的關(guān)鍵因子。

2.3.3 土壤因子分析

土壤可蝕性是評(píng)價(jià)土壤是否易受侵蝕破壞的性能，體現(xiàn)在土壤對(duì)侵蝕的易損性或敏感性[6]。

據(jù)調(diào)查，青蓮水流域內(nèi)土壤主要為赤紅壤，分布有少量紅壤、水稻土等，各土壤可侵蝕性(K值)計(jì)算參考《中國(guó)水土流失防治與生態(tài)安全-南方紅壤區(qū)卷》中的結(jié)果，未列入的指標(biāo)本文通過(guò)WischmeierWH建立的土壤可蝕性(K)值的計(jì)算公式[7]來(lái)計(jì)算。

K=[2.1×(N1×N2)1.14×(12-OM)×(10-4)+3.25(S-2)+2.5(P-3)]/100

(4)

式中 N1為粒徑介于(0.002～0.1mm)的粉砂與極細(xì)砂百分比含量(%)；N2為粒徑介于(0.002～2.0mm)的粉粒與砂粒百分比含量(%)；OM為有機(jī)質(zhì)含量的百分比(%)；S為土壤結(jié)構(gòu)等級(jí)；P為土壤滲透等級(jí)。根據(jù)上述公式，得出研究區(qū)土壤K值介于0.232紅壤、0.423之間，屬于中度可侵蝕性土壤。

2.3.4 植被覆蓋因子分析

USLE方程中最為復(fù)雜的因子為植被因子，為特定條件下已種植土地的土壤流失量和未種植休耕地狀態(tài)下土壤流失量的比值，起到抑制侵蝕動(dòng)力的作用[8]。本文利用馬超飛等提出的回歸分析法，分析植被覆蓋度V與C之間的關(guān)系[9]，公式如下：

(5)

利用上述公式，通過(guò)遙感影像進(jìn)行歸一化植被指數(shù)計(jì)算，提取區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度。再利用GIS的空間疊加分析功能，計(jì)算得出流域內(nèi)植被覆蓋因子數(shù)據(jù)及圖件。

2.3.5 地表覆蓋因子分析

在土壤侵蝕研究中，地表覆蓋是治理土壤侵蝕必須研究的對(duì)象，地表覆蓋因子為特定條件下已種植土地的土壤流失量和未種植休耕地狀態(tài)下土壤流失量的比值，起到抑制侵蝕動(dòng)力的作用。該因子用于衡量覆蓋地表的植被減緩侵蝕保持水土能力的大小。

通過(guò)流域內(nèi)土地現(xiàn)狀各地類分布數(shù)據(jù)圖，本文采用蔡崇法等提出的針對(duì)不同土地利用方式P取定值[10]，即：林地0.006，疏林地0.017，荒地0.06，經(jīng)濟(jì)林0.05，坡耕地0.31，水田0.18，居民地0.04，將這些值賦值到土地利用圖層中，得到流域內(nèi)P值分布數(shù)據(jù)及圖件。

3 流域水土流失現(xiàn)狀及關(guān)鍵因子分析

3.1 水土流失現(xiàn)狀分布分析

在GIS軟件中將上述影響水土流失的各單因子圖層統(tǒng)一坐標(biāo)、柵格大小等，通過(guò)ArcGIS的空間分析功能，對(duì)各水土流失單因子圖層進(jìn)行疊加分析，得出流域內(nèi)水土流失現(xiàn)狀分布圖 (見(jiàn)圖1)。

通過(guò)分析，流域內(nèi)年均侵蝕模數(shù)約762.07t/(km2·a)，其中微度侵蝕面積1 008.56km2，占總面積的85.02%；輕度侵蝕面積100.51km2，占8.47%；中度侵蝕面積41.22km2，占3.47%，強(qiáng)烈侵蝕面積20.95km2，占1.77%；極強(qiáng)烈侵蝕面積9.92km2，占0.84%，劇烈侵蝕面積5.04km2，占0.42%。流域內(nèi)年均土壤侵蝕模數(shù)約762.07t/(km2·a)，整個(gè)流域年侵蝕總量約67.33萬(wàn)t/a。由表1數(shù)據(jù)可知，流域內(nèi)總體上水土流失較嚴(yán)重，局部地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)15 000t/(km2·a)。

表1 青蓮水流域水土流失強(qiáng)度等級(jí)

圖1 流域內(nèi)水土流失現(xiàn)狀分布示意

圖2 流域內(nèi)地形地貌分布示意

3.2 水土流失關(guān)鍵因子分析

分析計(jì)算結(jié)果，降雨侵蝕力因子、土壤可侵蝕性因子在流域內(nèi)表現(xiàn)相差不大，流域內(nèi)植被覆蓋也比較均勻，并且降雨侵蝕因子、土壤可侵蝕性因子等均非人為可以控制的因子，而流域內(nèi)林草植被覆蓋率在一定時(shí)期內(nèi)也不會(huì)有大的變動(dòng)。因此本文著重分析影響流域內(nèi)人為因素可控的地形因子和水土保持措施因子，分析其與水土流失關(guān)系，通過(guò)人為可控因素，采取相應(yīng)措施防治水土流失。

3.2.1 地形地貌

流域內(nèi)地形地貌對(duì)水土流失的影響主要表現(xiàn)在地形坡度上(見(jiàn)圖2)，利用GIS的空間疊加分析功能，在ArcGIS中對(duì)流域水土流失現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加分析，得出流域坡度與水土流失的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

疊加分析表明，流域內(nèi)坡度小于5°的流域域面積為618.53km2，年均土壤侵蝕量為259.2t/(km2·a)；坡度在5°～15°以內(nèi)的流域面積195.99km2，年均土壤侵蝕量724.86t/(km2·a)；坡度15°～25°范圍的的面積為225.03km2，年均土壤侵蝕量900.94t/(km2·a)；坡度大于25°區(qū)域約146.65km2，年均土壤侵蝕量1 146.72t/(km2·a)；流域內(nèi)年均土壤侵蝕量主要集中分布于坡度15°～25°范圍內(nèi)，其他坡度區(qū)間范圍內(nèi)均相應(yīng)減少(如表2所示)。

表2 青蓮水流域各級(jí)坡度水土流失土壤侵蝕量

據(jù)小流域土壤侵蝕與坡度對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出小流域內(nèi)水土流失程度與地形坡度關(guān)系相關(guān)性。數(shù)據(jù)顯示，水土流失輕微區(qū)主要是坡度為在<5°的平緩河谷、村莊等區(qū)域，大于25°的坡度、植被覆蓋良好區(qū)上同樣分布較為集中；中度以上土壤侵蝕區(qū)域主要分布在5°～25°的區(qū)域(見(jiàn)表3)。

表3 青蓮水流域土壤侵蝕強(qiáng)度與地形坡度相關(guān)性

綜上分析，流域區(qū)的土壤侵蝕集中分布在5°～25°之間的區(qū)域，該區(qū)域是海拔較低的低山區(qū)，坡度較小，人類活動(dòng)頻繁，坡耕地較多，植被破壞嚴(yán)重，容易造成水土流失。在坡度較大的地區(qū)，因當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植經(jīng)濟(jì)作物，造成的水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，人為因素是造成當(dāng)?shù)厮亮魇У闹匾蛩亍?/p>

3.2.2 土地利用類型

根據(jù)最新國(guó)土二調(diào)數(shù)據(jù)，青蓮水流域土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖3 流域內(nèi)土地利用現(xiàn)狀分布示意

圖4 流域內(nèi)坡耕地分布示意

表4 青蓮水流域內(nèi)不同土地利用類型水土流失情況 km2

從表4知，不同地類的土壤侵蝕程度差異較大。經(jīng)分析，林草地水土流失主要發(fā)生在疏林地中，以輕度侵蝕為主。中度及以上水土流失主要發(fā)生在耕地和其他地類中，區(qū)域內(nèi)坡耕地?cái)?shù)量多且坡度較陡，不易保水保土，容易造成水土流失；其他地類主要是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)較強(qiáng)的地區(qū)，如修路、開(kāi)礦采石等造成的水土流失。

綜上，水土流失治理時(shí)，治理重點(diǎn)應(yīng)重視集中連片的坡耕地區(qū)、林下水土流失嚴(yán)重的疏林地區(qū)及人類生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)較強(qiáng)的修路、采礦區(qū)等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用通用土壤流失方程，通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)影響水土流失的單因子、多因子綜合分析，對(duì)流域水土流失進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。得到青蓮水流域土壤侵蝕各單因子分布數(shù)據(jù)及土壤侵蝕現(xiàn)狀分布圖及數(shù)據(jù)，并通過(guò)研究影響流域水土流失的關(guān)鍵因子，明確了流域內(nèi)水土流失的空間分布規(guī)律及主導(dǎo)因子，得出流域內(nèi)水土流失總體較輕，但局部嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)狀，流域內(nèi)平均土壤侵蝕模數(shù)約762.07t/(km2·a)，整個(gè)區(qū)域年侵蝕總量約67.33萬(wàn)t/a，流域內(nèi)水土流失是造成區(qū)域內(nèi)河道淤積、生態(tài)惡化的重要因素，因此，流域內(nèi)水土流失防治重點(diǎn)是防治人為水土流失的控制，特別是坡耕地開(kāi)發(fā)及修路、開(kāi)礦采石等生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，應(yīng)提高流域內(nèi)各級(jí)政府和人民群眾對(duì)水土流失危害性的認(rèn)識(shí)，提高水土保持生態(tài)建設(shè)質(zhì)量，有計(jì)劃有步驟的進(jìn)行坡耕地改造，實(shí)施退耕還林還草，同時(shí)貫徹落實(shí)水土保持法，加大監(jiān)督執(zhí)法力度，堅(jiān)持預(yù)防為主、保護(hù)優(yōu)先的水土保持工作方針，采取工程、植物結(jié)合的多種綜合措施，加大流域內(nèi)的水土流失治理力度。

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(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Causes Analysis of Soil Erosion in Qinglian River Watershed of North Area of Guangdong Province Based on GIS

ZHENG Yuehua, ZHANG Xiaoyuan, LIU Xieting

(Guandong Hydropower Planning&Design Institute , Guangzhou 510635, China)

With the strengthening of human social and economic activities, water and soil erosion has continued to deteriorate in Qinglian River Watershed, which not only reduce soil fertility, also caused the river silt, and affect the safety of river flood. By using GIS technology and selecting the Universal Soil Loss Equation (USLE) as The mathematical models, using the spatial analysis function of the GIS, calculation and overlay analysis the factor of rainfall, soil, vegetation, topography, land use and so on, generate status maps of soil erosion. And soil erosion of the region are analyzed and evaluated. Research results show that, topographic factors and land use factors are the key factor of soil erosion, and the result could support technical supporting for the middle and small watershed soil erosion of Guangdong province.

soil erosion； Qinglian river watershed； USLE

2016-05-10;

2016-06-30

鄭悅?cè)A(1966),男，高級(jí)工程師，主要從事水土保持及環(huán)境保護(hù)研究。

S157.1;P208.2

A

1008-0112(2016)05-0024-05