基于DEM的合川區(qū)地形因子分析

唐慶　賀春明　陳偉華

摘 要：該文通過合川區(qū)的高程數(shù)字模型（DEM數(shù)據(jù)），利用ArcGIS進(jìn)行水文分析提取溝壑密度、分析坡度、高程。分析結(jié)果表明：合川區(qū)溝壑密度為0.28km/km2，溝壑密度較小，但匯流累積量大；境內(nèi)坡度以2°～15°為主，主要分布在中部和西部的丘陵盆地區(qū)，>15°的地區(qū)主要為川東平行嶺谷區(qū)；區(qū)內(nèi)主要為丘陵盆地（200～500m），>500m的范圍主要在川東平行嶺谷區(qū)，呈東北西南走向。對合川區(qū)地形的研究為水土流失的分析、監(jiān)測管理提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：合川區(qū)；DEM；溝壑密度；坡度；高程

中圖分類號 P931.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）12-0162-03

水土流失是指在水流作用下，土壤被侵蝕、搬運(yùn)和沉淀的整個過程。我國是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一[1]，據(jù)第二次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查顯示，我國水土流失面積高達(dá)3.56×106km2，占國土總面積的37.6%[2]。地形是影響地表徑流和土壤侵蝕的重要因素[3]，溝壑密度、坡度、高程等指標(biāo)是影響土壤侵蝕的重要變量。在進(jìn)行水土保持方案規(guī)劃和工程建設(shè)之前，應(yīng)對區(qū)域的地形進(jìn)行準(zhǔn)確把握。

DEM是當(dāng)今地理學(xué)、地貌學(xué)界，特別是地理信息科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題[4]。本文基于DEM數(shù)字高程模型對合川區(qū)進(jìn)行地形分析。通過ArcGIS軟件對合川區(qū)的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行水文提取，計(jì)算溝壑密度、坡度、高程，以期對該區(qū)的地形特征形成綜合的認(rèn)識。當(dāng)前合川區(qū)工業(yè)化、城市化正在快速發(fā)展中，但水土流失阻礙了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展，破壞了生態(tài)環(huán)境。本研究通過對合川區(qū)的地形的分析，以為合川區(qū)的水土保持工作提供可靠的理論依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，并且為其他區(qū)域的地形因子分析、水土保持等提供經(jīng)驗(yàn)。

1 研究區(qū)概況

合川區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)105.58′37″～106.40′37″、北緯29.51′02″～30.22′24″，位于長江上游，重慶西北部，區(qū)內(nèi)嘉陵江、渠江、涪江三江匯流，處嘉陵江下游，上游來水量大。地處中丘陵和重慶平行嶺谷的交接地帶，全境地貌大致分為平行嶺谷和平緩丘陵兩大類型：東南邊緣的華鎣山區(qū)為平行嶺谷地形；西北部廣大地區(qū)，屬渝西丘陵盆地，為平緩丘陵地型。境內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量達(dá)1552.7mm，但降水分布不均，雨季降雨量約占全年的70%。土壤以紫色泥巖、砂巖為主，易風(fēng)化和流失[5]。全區(qū)幅員面積2343km2，總?cè)丝?56萬，人口密度大，土地墾殖系數(shù)高，水土流失問題依然嚴(yán)重[5]。

2 數(shù)據(jù)來源

本文使用的是由美國航天局（NASA）與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）共同推出的全球數(shù)字高程模型，簡稱ASTER GDEM[6]。該數(shù)據(jù)的分辨率為30m×30m，全球覆蓋范圍為83°N～83°S的所有陸地區(qū)域。在ArcGIS10.2中，定義合川區(qū)的矢量坐標(biāo)與DEM數(shù)據(jù)的坐標(biāo)相同，為D_WGS_1984。對DEM柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接裁剪，得到合川區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)而求出溝壑密度、坡度、高程地形因子（圖1）。

3 水文提取

3.1 洼地填 DEM是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于一些真實(shí)的地形地貌和誤差的存在，DEM中的洼地分為了自然洼地和偽洼地。研究表明，洼地影響水流的方向，柵格中的水只能流入洼地不能流出，故在進(jìn)行水文分析前，應(yīng)先進(jìn)行填洼，得到無洼地的DEM數(shù)據(jù)。

3.2 流向分析 計(jì)算流向采用的是ArcGIS中最常用的D8算法。其原理是計(jì)算DEM中每一柵格單元與其相鄰柵格單元間的最大坡降，以最大坡降的單元格為水流出的方向。如果存在相鄰柵格坡降相等，就向外擴(kuò)張至尋找到最大坡降為止。

3.3 匯流累積量 單位柵格的匯流累積量等于DEM中該柵格單元上游匯入的累加數(shù)目。匯流累積量是基于流向數(shù)據(jù)計(jì)算的。匯流累積量的大小直接反映了單元柵格的匯水能力。匯流累積量越大說明該地的地勢越低洼，最大值處易形成河流；相反，匯流累積量越小，說明該處地勢越高，最小值處可視為分水嶺。

3.4 河網(wǎng)提取 河網(wǎng)提取與匯流累計(jì)量的閾值有關(guān)，閾值越小，其河網(wǎng)越密集，閾值越大，河網(wǎng)越稀疏。但是閾值的選定與當(dāng)?shù)氐牡匦?、地質(zhì)、氣候、植被等因素相關(guān)。本文首先假設(shè)閾值為500，750，1000……8500，算出不同閾值對應(yīng)的溝壑密度，然后以溝壑密度趨于穩(wěn)定的第一個閾值為本文的最佳閾值。

4 結(jié)果與分析

4.1 溝壑密度分析 溝壑密度也叫溝道密度或溝谷密度，指單位面積內(nèi)溝壑的總長度，單位為km/km2。溝壑密度是評價地表侵蝕影響、水土流失情況、進(jìn)行地貌類型分析等的重要指標(biāo)[7]。本文根據(jù)合川區(qū)30米分辨率DEM進(jìn)行河網(wǎng)提取，得出當(dāng)閾值為8000時，溝壑密度相對穩(wěn)定，為0.28km/km2，區(qū)內(nèi)河流總長約為606.28km（表1）。溝壑密度愈大，表明地面被切割得愈破碎，侵蝕愈強(qiáng)烈[8]。合川區(qū)的溝壑較小，但境內(nèi)河流處于幼年時期，以侵蝕作用為主，且匯流累積量大，存在明顯的水蝕作用。

4.2 坡度分析 在ArcGIS中進(jìn)行坡度分析，步驟如下：打開Arc Toolbox 的Spatial Analyst—表面分析—坡度工具，就可以對合川區(qū)的DEM數(shù)字高程模型進(jìn)行坡度分析。再將坡度柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，得到坡度的分級。坡度是反映一個區(qū)域地形特征的基本參數(shù)，坡度對土壤侵蝕的影響最大，是水土保持工作中首先要考慮的因素之一[9]。坡度分級方法分為一般主觀分級法、臨界坡度分級法與模式分級發(fā)三類[10]，本文采取主觀分級的方法，簡單、靈活[11]。根據(jù)合川區(qū)的坡度數(shù)據(jù)，本文將坡度分為5級，分別是：0°～2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°。坡度小于2°，說明地形相當(dāng)平坦，一般無水土流失；坡度位于2°～6°的地區(qū)，坡度增大，存在輕度土壤侵蝕，應(yīng)注意水土保持；坡度為6°～15°的地區(qū)，可能存在中度土壤侵蝕，應(yīng)用梯田、等高種植等措施保持水土；15°～25°的地區(qū)，坡度較高，水土流失嚴(yán)重，應(yīng)該加強(qiáng)工程生物等措施防治侵蝕；坡度>25°，是開荒限制坡度，已耕種的應(yīng)該逐步退耕還林還草。合川區(qū)坡度>15°的地區(qū)，主要位于東南部平行嶺谷地帶，地形起伏大，坡度較高。境內(nèi)坡度主要集中在2°～15°的西部廣大地區(qū)，地形相對平坦，但受人類活動影響大，地表植被覆蓋差，土壤抗蝕力弱（圖2、圖3）。

4.3 高程分析 根據(jù)合川區(qū)總體的海拔高度，將該地分為低海拔（<200m），較低海拔（200～500m），中海拔（500～1000m），較高海拔（>1000m）四類。區(qū)內(nèi)>500m的范圍主要分布在東部和東南部，屬川東平行嶺谷地帶，呈東北—西南走向。200～500m的海拔高度在區(qū)內(nèi)占絕對優(yōu)勢，主要分布在中部和西部的廣大地區(qū)。雨季降水量大，降雨集中，山區(qū)易形成山洪、泥石流等災(zāi)害，水土流失問題嚴(yán)重（圖4、圖5）。

5 結(jié)論與討論

本研究基于DEM數(shù)據(jù)分析了合川區(qū)的溝壑密度、坡度、高程地形特征，并指出了地形對水土流失的影響。

合川區(qū)溝壑密度較?。?.28km/km2），但匯流累積量大，水蝕作用明顯；區(qū)內(nèi)地形主要以中部和西部的丘陵盆地為主，坡度范圍為2°～15°，海拔500m以下，農(nóng)業(yè)活動頻繁，地表植被以農(nóng)作物為主，土壤抗蝕能力差；合川區(qū)東部和東南部屬華鎣山低山區(qū)，坡度15°以上，海拔500m以上，在降水集中的夏季易發(fā)生山洪泥石流等災(zāi)害。

本文分析了溝壑密度、坡度、高程對合川區(qū)水土流失的影響，但是造成水土流失的因素是多方面的，未考慮到區(qū)域河流發(fā)展演化階段、人類活動、地表植被狀況、降水、土壤等客觀條件。因此，今后還需對合川區(qū)的水土流失狀況進(jìn)行系統(tǒng)研究。

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（責(zé)編：張宏民）