基于R S保定市太行山區(qū)水土流失定量評價研究

尹君 張廣英 曹然

（1河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城建學(xué)院，2 保定市水土保持試驗站）

基于R S保定市太行山區(qū)水土流失定量評價研究

尹君1張廣英2曹然1

（1河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城建學(xué)院，2 保定市水土保持試驗站）

本文主要研究應(yīng)用通用水土流失模型，以Landsat-7遙感影像、1∶10萬數(shù)字地形圖、河北省土壤類型圖及其它輔助數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以當(dāng)?shù)亟涤炅?、土壤類型和質(zhì)地、坡度坡長、植被覆蓋度以及水土保護(hù)措施因子等作為影響因子，在RS和GIS技術(shù)的支持下，對模型各參數(shù)因子進(jìn)行定量計算，并進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度分級，實現(xiàn)了基于矢量柵格信息的土壤侵蝕強(qiáng)度定量計算，最后以保定市西部太行山區(qū)9個縣級單位為例，驗證了該方法的可靠性。研究結(jié)果表明：（1）該方法所獲取的土壤侵蝕強(qiáng)度信息與實際情況有較好的一致；（2）保定市西部太行山區(qū)土壤侵蝕以輕度和中度侵蝕為主，中度及以下所占面積比例為 63.54%，強(qiáng)烈及以上所占面積比例為36.46%；（3）以研究區(qū)各地理單元土壤侵蝕量，分析了不同單位、不同坡度坡度和不同土地利用類型土壤侵蝕強(qiáng)度分布特征。

土壤侵蝕 遙感 地理信息系統(tǒng) USLE

分類：中圖法 TP393 S157

我國是多山和降雨極不均衡的國家，土壤侵蝕非常嚴(yán)重，對土壤侵蝕進(jìn)行調(diào)查、監(jiān)測和評價，具有十分重要的意義。土壤侵蝕量的計算對防治土壤水土流失區(qū)域、水土流失量影響因子的鑒定、甄別和防治措施具有指導(dǎo)性作用。到目前為止，最為廣泛應(yīng)用的經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪峭ㄓ猛寥狼治g方程在土壤侵蝕系統(tǒng)建模方面先后引進(jìn)了USLE，RUSLE，WEPP等模型[1]。但長期以來各模型的參數(shù)確定主要以實地測量和估算為主，存在兩方面的不足：一方面受試驗環(huán)境、儀器精度和知識背景的限制，估算值與實際值有比較大出入，使得參數(shù)確定的隨機(jī)性大，精度低；另一方面，由于自然條件千差萬別，觀測范圍有限，使得參數(shù)估算缺乏代表性，無法回答土壤侵蝕的時空分布規(guī)律[1]。

遙感技術(shù)(RS)具有多種類、多平臺、多時段及多波段的特征，且具有信息豐富、實時性和動態(tài)性強(qiáng)等優(yōu)勢，地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)具有較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)存儲、計算、分析和顯示功能，因此，RS和GIS技術(shù)結(jié)合被應(yīng)用到土壤侵蝕的調(diào)查、監(jiān)測和評價工作中。本文在深入分析土壤侵蝕主要影響因素的基礎(chǔ)上，選取河北省保定市西部太行山區(qū)為研究區(qū)，應(yīng)用通用的土壤流失模型(Universal Soil Loss Equation，簡稱USLE)，在RS和GIS技術(shù)支持下，更準(zhǔn)確、快速的確定模型參數(shù)，提高計算精度和效率，并以此開展土壤侵蝕與相關(guān)因素的定量分析計算。

一、研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

保定市西部太行山區(qū)位于河北省中西部，冀中平原西部，北緯38 28-39 58，東經(jīng)113 40-115 50之間。北鄰北京市和張家口市，東接冀中平原，南與石家莊市相連，西部與山西省大同市和忻州市接壤。區(qū)域內(nèi)包括保定市淶水縣、淶源縣、易縣、順平縣、阜平縣、唐縣、曲陽縣、滿城區(qū)和徐水區(qū)的西部丘陵山區(qū)，區(qū)域總面積13154.46平方公里。

該山區(qū)地勢由西北向東南傾斜，可劃分為中高山區(qū)、低山區(qū)、丘陵及山前平原區(qū)四類。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫚敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均降水量525毫米～700毫米，降水主要集中在夏季，且年際變化大，易出現(xiàn)旱、澇災(zāi)害。該區(qū)域各縣年平均氣溫7℃左右，平均氣溫日較差達(dá)14.8℃。土壤類型屬于棕壤、褐土、潮土和栗鈣土類，土壤肥力不高。

1.2 數(shù)據(jù)源

遙感影像選擇2015年7月Landsat-7多波段遙感圖像（空間分辨率30m) 和全色波段圖像(15m)，植被生長旺盛，各地類判讀解譯清晰。保定市1：10萬DEM數(shù)據(jù)；保定市1：10萬土壤類型和地質(zhì)數(shù)據(jù)；研究區(qū)域保定市9個縣及周邊區(qū)域氣象站點(diǎn)2000-2010年的年均和月均降水量數(shù)據(jù)。

二、研究方法與技術(shù)路線

2.1 研究方法

保定市西部太行山區(qū)主要災(zāi)害是降雨量造成水土流失，因此應(yīng)用Wischmeier和Smith提出通用土壤侵蝕方程[2]，該模型是建立在土壤侵蝕理論及大量實地觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上。其表達(dá)式為：E=f R?K?L?S?C P?

式中，f為常數(shù)（224.2），換算單位；E為年平均土壤侵蝕量(t/hm2)；R為降雨量侵蝕因子；K為土壤可蝕性因子；L及S為地形因子；C為地表植被覆蓋或作物管理因子；子P為水土保護(hù)措施因子。計算賦給公式各因子定量值計算各評價單元土壤侵蝕量。

2.2 技術(shù)路線

保定市西部太行山區(qū)水土流失量的計算主要采用遙感解譯結(jié)果與地面抽樣調(diào)查相結(jié)合的方法。利用遙感監(jiān)測快速、宏觀、客觀的特點(diǎn)，研究區(qū)典型樣點(diǎn)區(qū)域土地利用情況和植被狀況，并根據(jù)區(qū)域地形地貌和土壤成果，定量評價區(qū)域水土流失狀況。

本次評價以融合后的30m分辨率landsat-7影像為信息源，通過資料收集、外業(yè)調(diào)查（建立解譯標(biāo)志庫）、圖像解譯、外業(yè)驗證及查錯修改、土壤侵蝕強(qiáng)度判定的作業(yè)流程，獲取土地利用、植被覆蓋度、水土保持措施等相關(guān)信息，結(jié)合降雨量、土壤類型、地形圖和DEM數(shù)據(jù)，分析保定市西部太行山區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度和分布情況，為將來治理和防治提供科學(xué)依據(jù)。

三、水土流失定量計算

本次計算以landsat-7影像為信息源為基礎(chǔ)進(jìn)行解譯，數(shù)據(jù)單元分辨率精度為30米，其他各類數(shù)據(jù)套合該精度計算數(shù)據(jù)作為評價的地理單元。根據(jù)通用土壤侵蝕方程的構(gòu)成項，分別計算各構(gòu)成因子的定量值。

3.1 降雨量侵蝕因子（R）計算

降雨侵蝕力是評價降雨對土壤剝離、搬運(yùn)侵蝕的動力指標(biāo)，也是按數(shù)學(xué)模型遙感評價土壤流失量的重要依據(jù)，以R表示。在通用土壤流失方程中，R計算涉及每次降雨的總動能 EN和不同時間段最大雨強(qiáng)I的乘積，隨著該模型在我國推廣，我國學(xué)者提出適宜不同地區(qū)的計算方法，結(jié)合本次研究太行山區(qū)數(shù)據(jù)可獲取性，本次計算采用劉秉正提出方法計算[3]：

式中，P6-9為月降雨量之和（mm）；P為年降水量（mm）。

本次采用項目區(qū)內(nèi)8個縣級行政單位氣象觀察站及周邊縣氣象觀察站數(shù)據(jù)，計算各個縣級單位降雨量侵蝕因子值，利用ArcGIS10.2軟件克里格插值法進(jìn)行內(nèi)插，繪制了保定市西部太行山區(qū)年降水侵蝕力R值柵格分布圖，見圖1a。

3.2 土壤可蝕性因子（K）計算

土壤質(zhì)地中各種粒徑含量和有機(jī)質(zhì)含量影響土壤塑性和土壤可蝕性，反映了土壤遭受侵蝕的敏感程度。細(xì)礫和有機(jī)質(zhì)含量多，土壤可蝕性因子小，抗侵蝕能力越強(qiáng)，水土流失的敏感性就小，水土流失的強(qiáng)度弱。本研究從河北省土壤類型圖和河北省地質(zhì)圖數(shù)可知，從保定市北到南太行山區(qū)分布的棕壤母質(zhì)為花崗巖、鈣質(zhì)粗骨土母質(zhì)為玄武巖、褐土母質(zhì)為石英巖、鈣質(zhì)石質(zhì)土母質(zhì)為石灰?guī)r、潮土母質(zhì)為河流沖擊土，其巖石母質(zhì)抗侵蝕能力依次減弱，賦予的土壤侵蝕敏感性因子分值從低到高（圖1b）。

3.3 地形因子(T)的坡度(S)和坡長因子(L)計算

水土流失最重要因子之一是地形因子的坡度（S）和坡長（L）因子，坡長及坡度可以采用數(shù)字高程模型(DEM)通過計算獲取。坡度可以采用數(shù)字高程模型(DEM)計算取得，坡長根據(jù)游松財推薦的各評價地理單元的坡長取值通過海拔相對高度估算調(diào)整得來的[4]（表1）

地貌圖根據(jù)河北省地貌圖和河北省1:100000的DEM圖疊加得到的，通過各評價地理單元坡度和坡長，根據(jù)公式計算T值[5]，

式中，C是常數(shù)(34.7046)， 是坡度（單位為度），D是坡長，根據(jù)Wischmier和Smith的研究[1]，m的取值為：當(dāng) ＞5%時，m=0.5；當(dāng) ＞3.5%～4.5%時，m=0.4；當(dāng)＞1%～3%時，m=0.3。

根據(jù)各評價地理單元地形因子T值繪制地形因子?xùn)鸥穹植紙D，見圖1c。

3.4 植被覆蓋或作物管理因子（C）計算

作物覆蓋與管理因子C是在相同的土壤、坡度和相同的降雨條件下，某一特定作物或植被情況時的土壤流失量與一耕種過后連續(xù)休閑地的土壤流失量的比值。這個因子衡量所有相互影響的覆蓋和管理變量，包括植被、作物種植順序、生產(chǎn)力水平、生長季長短、栽培措施、作物殘余物管理、降雨分布等的綜合效應(yīng)。C是根據(jù)地面植物覆蓋狀況不同而反映植被對土壤流失影響的因素，當(dāng)?shù)孛嫱耆懵稌r，C值為1.0，如果地面得到良好的保護(hù)時，C=0.001，所以C 值在0.001-1之間。

（1）歸一化植被指數(shù)和植被覆蓋度的計算

本次研究主要依據(jù)TM遙感影像紅色光波段和近紅外光波段比值計算各評價地理單元?dú)w一化植被指數(shù)（NDVI）[6-8]。歸一化植被指數(shù)是地表植被覆蓋特征的重要指標(biāo)之一，能夠消除太陽高度角、地形、云陰影和大氣干擾影響，相當(dāng)精確地反映植被綠度、光合作用強(qiáng)度、植被代謝強(qiáng)度及其季節(jié)和年際變化，可用于植被的監(jiān)測、分類和物候分析。植被覆蓋度（FVC）通過歸一化植被指數(shù)計算，公式為：

NDVI=(Nir-Red)/(Nir-Red)，F(xiàn)VC=(NDVINDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

式中：Nir表示近紅外波段；Red表示紅光波段；NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)最大和最小的NDVI值。

（2）C因子的確定

根據(jù)Wischmeier等的實際觀測，C因子除與地表覆蓋率有關(guān)外，還與植被冠層類型、高度等有關(guān)，也就是說與土地利用類型有關(guān)，因此C因子的取值(表2)還須參考土地利用類型[4]。

根據(jù)2015年7月Landsat-7遙感影像用ENVI4.8軟件解譯的土地利用類型結(jié)果和植被覆蓋度數(shù)據(jù)，確定評價區(qū)域C因子的值，繪制植被覆蓋或作物管理因子?xùn)鸥穹植紙D，見圖1d。

3.5 水土保護(hù)措施因子（P）計算

水土保護(hù)措施因子P是指特定保持措施下的土壤流失量與相應(yīng)未實施保持措施的順坡耕作地塊的土壤流失量之比值。土壤保持措施主要通過改變地形和匯流方式減少徑流量，降低徑流速率等作用減輕水土流失。農(nóng)耕地的水土保持措施主要有：等高耕作，帶狀耕作，梯田以及排水措施等。旱地和牧草地的土壤保持措施，多是沿等高線或在其附近進(jìn)行平翻耕作，增加土壤濕度，減少徑流量，以達(dá)到保持土壤的目的。

本文根據(jù)2015年7月Landsat-7遙感影像，利用ENVI4.8遙感解譯軟件的監(jiān)督分類，通過實際調(diào)查典型樣點(diǎn)地區(qū)遙感波譜情況，解譯評價區(qū)域的土地利用類型。依據(jù)解譯土地利用類型賦給各類型區(qū)的水土保護(hù)措施因子P值[3、4]（見表2），繪制水土保護(hù)措施因子?xùn)鸥穹植紙D，見圖1e。

3.6 土壤侵蝕量（E）計算

土壤侵蝕量的計算在地理信息系統(tǒng)的支持下，依據(jù)通用土壤侵蝕方程，將上述個因子相乘，獲得了各地貌單元的平均土壤侵蝕量。并結(jié)合研究地區(qū)的實際情況和國家土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，將研究地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級劃分為6級，研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級面積統(tǒng)計結(jié)果見表3，分布見圖2。

從表3和圖2可知，保定市西部太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度主要為輕度和中度侵蝕，各類面積所占比例分別為27%和23%；強(qiáng)烈和劇烈等級土壤侵蝕所占比例最小，分別為14%和11%。積比重最大；15～25坡度帶強(qiáng)烈到劇烈等級所占面積比重最大；＞25的坡度帶極強(qiáng)烈到劇烈等級所占面積比重最大，但相對于15～25坡度帶對應(yīng)等級面積均有很大比例減小，這是因為15～25人為擾動較大，而該坡度帶其土地利用類型是以林地、草地和原始自然植被為主、人為干擾減小，所以它們的土壤侵蝕強(qiáng)度等級對應(yīng)面積均小于15～25。

四、結(jié)果分析

4.1 不同行政單元土壤侵蝕強(qiáng)度分布特征

對研究區(qū)不同土壤侵蝕強(qiáng)度等級面積進(jìn)行統(tǒng)計（表3），中度及中度以下侵蝕強(qiáng)度的面積為8359.75km2，占研究區(qū)總面積的63.54%。其中，保定市西部太行山區(qū)水土流失輕度侵蝕強(qiáng)度面積最大，為3513.96km2，占研究區(qū)總面積的27%，其次是中度占研究區(qū)總面積的23%，微度和極強(qiáng)烈所占面積比重14%左右。強(qiáng)烈和劇烈所占面積相差不大且最小所占面積比重11%。

9個縣級單位中，有部分平原區(qū)縣中度及其以下侵蝕強(qiáng)度面積均占到本縣總面積的60%以上，其中曲陽縣、滿城區(qū)和徐水區(qū)比重最高，占到80%以上；其次為易縣和順平縣所占比例為73%左右；最小的為唐縣和淶水縣，所占比例為65%左右。強(qiáng)烈及其以上土壤侵蝕強(qiáng)度等級面積占到本縣總面積的比重較大的有淶源縣和阜平縣，比例分別為54%和48%。因此淶源縣和阜平縣產(chǎn)生水土流失風(fēng)險最大。

4.2 不同坡度土壤侵蝕分布特征

從表4中可以看出，土壤侵蝕強(qiáng)度等級與坡度密切相關(guān)，隨坡度的增加土壤侵蝕強(qiáng)度等級等級整體呈增加趨勢。＜5坡度帶主要為微度和輕度土壤侵蝕強(qiáng)度等級；5～8坡度帶主要為中度和輕度土壤侵蝕強(qiáng)度等級；8～15坡度帶中度到極強(qiáng)烈等級所占面

4.3 不同土地利用類型土壤侵蝕分布特征

對水土流失發(fā)展中有重要影響的是土地利用類型，對應(yīng)不同土地利用類型就有相應(yīng)的植被覆蓋度和人類干擾程度，從而影響水土流失的動力和抗侵蝕阻力系統(tǒng)。從表5中可以看出，除建設(shè)用地和水域外，裸地的水土流失風(fēng)險可能性最大，其次是草地、耕地、林地依次減小，說明植被覆蓋度是影響水土流失風(fēng)險性的重要因素；水土流失風(fēng)險性最高的為裸地，中度及其以上土壤侵蝕強(qiáng)度等級的面積最大，這是因為未利用地植被覆蓋度低，土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，水土保持防護(hù)措施不到位；依次為草地、林地。保定市西部太行山區(qū)的耕地由于條件較好，如坡度小、土壤質(zhì)地佳土層厚、人為采取保護(hù)耕作措施等，水土流失風(fēng)險性相對較低。

五、結(jié)論與討論

(1)本研究以landsat-7遙感影像為主體信息源，通過ENVI4.8軟件迅速解譯了研究區(qū)土地利用類型和利用植被指數(shù)模型快速獲得植被覆蓋度和水土保護(hù)措施因子信息，該類信息是水土保持治理和植被建設(shè)規(guī)劃的一種依據(jù)。

(2)本研究以根據(jù)通用土壤侵蝕模型，定量化給出了研究區(qū)各地理單元6個影響因子值，快速準(zhǔn)確計算出研究區(qū)各地理單元土壤侵蝕量，明確給出各地理單元水土保持治理方向和措施。

(3)本研究以研究區(qū)各地理單元土壤侵蝕量，分析了不同行政單元、不同土地利用類型和不同坡度土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布特征。

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注：該研究得到“城市水源地水土保持生態(tài)補(bǔ)償研究”和“河北省山區(qū)坡改梯關(guān)健技術(shù)研究”課題支持。