基于GIS的陡河水庫流域水土流失研究

李海楠

（河北省唐山水文水資源勘測局，河北 唐山063000）

1 概況

陡河水庫及其上游流域位于河北省燕山南麓地區(qū)陡河上游，是河北省燕山南麓地區(qū)水土流失治理典范工程區(qū)，該水庫以水土保持、防洪、灌溉、供水為主要功能，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境服務(wù)于水源承載起著重要作用。然而，隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，庫區(qū)人為干擾強(qiáng)度增大，周邊土地開發(fā)強(qiáng)度大，土地利用類型以耕地、灌木林、建設(shè)用地為主，森林覆蓋遭受一定破壞，水土流失時(shí)有發(fā)生。鑒于此，以GIS為技術(shù)支持，借助水土流失方程評估水土流失強(qiáng)度等級及其空間分布，以期為區(qū)域生態(tài)規(guī)劃、水源保護(hù)提供參考依據(jù)。

2 分析數(shù)據(jù)來源

采用2017年8月的Andsat TM8遙感影像，于ENVI5.3平臺上取植被覆蓋度、土地利用類型、水土流失措施等因子；該數(shù)據(jù)融合后達(dá)15m，能夠滿足目視解譯。地形因子以GEODEN為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為30m，應(yīng)用ArcGIS10.3軟件的Spatia Anaysis模塊提取。圖件有1∶25萬的土壤圖，來自中國科學(xué)院南京土壤研究所，用于計(jì)算可蝕性因子。從國家氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站上下載臨近站點(diǎn)數(shù)據(jù)，以計(jì)算降雨侵蝕力。

3 分析理論研究

3.1 RUSE水土流失方程

RUSE水土流失方程，綜合考慮了區(qū)域降水侵蝕、植被涵養(yǎng)、地形效應(yīng)、土壤質(zhì)地等因子，量化評定區(qū)域水土流失量，在水土失監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。其公式[1]：

式中 RUSE為年水土流失量 [t/（hm2·a）]；R為降雨侵蝕力因子表征降水強(qiáng)度對水土流失的影響[MJ·mm/（hm2·h·a）]；不同土壤其質(zhì)地不同，降水強(qiáng)度對其侵蝕力具有一定差異，以K描述土壤可蝕性[t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）]；L，S，C，P分別為坡長、坡度、植被、水土保持措施等客觀因素。參照相關(guān)學(xué)者給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算各因子[1-4]。

3.2 R因子提取

降水是引起區(qū)域水土流失的主要直接因子。降水通過重力勢能與動(dòng)能直接破壞地表穩(wěn)定性，通過水蝕作用運(yùn)移表土物質(zhì)，是當(dāng)前水土流失監(jiān)測與防控的重要因素?；谙嚓P(guān)學(xué)者在山東地區(qū)的研究成果，確定R值的表達(dá)式[2]：

式中 i=1，2，…，12，表示月份；Pi為月降雨總量（mm）；R為降雨侵蝕力因子，其值越大，表明降雨強(qiáng)度越大，對地表侵蝕作用越大。

3.3 LS因子提取

地形通過高程、坡度、坡向、坡長等具體特征間接影響著降雨侵蝕力在地表空間上的再分配，通常地形平坦地區(qū)水土流失的可能性低于地形復(fù)雜處，這主要由于地貌特征起作用。水土流失方程中包含坡度、坡長兩個(gè)因子，研究表明水土流失量與坡度呈正相關(guān)，與坡長呈復(fù)雜相關(guān)性。坡度S、坡長L的計(jì)算如下[3]：

式中 θ為坡度值（°）；M為坡長指數(shù)，通常取0.5；S，L分別為坡度、坡長因子。LS為坡度坡長因子的組合，計(jì)算表明區(qū)域LS的取值為0～8.23，其分布特征如表1。

表1 流域坡度坡長因子面積分布

3.4 K因子提取

土壤質(zhì)地是由土壤有機(jī)質(zhì)、土壤機(jī)械組成等因素組成的，一般來講，土壤質(zhì)地越松軟、孔隙大，則其可蝕性越強(qiáng)，反之土壤可蝕性越小。可蝕性因子K計(jì)算公式如下[4]：

式中 Sd，Si，Ci分別為土壤砂粒、粉粒、黏粒含量比重（%），表征土壤機(jī)械組成；c為土壤有機(jī)碳（%）。

3.5 C因子提取

植被是地表生態(tài)系統(tǒng)中的核心要素，其對區(qū)域水土保持功能具有積極作用。植被的地上組織能夠減弱降水勢能，分散雨滴下落對地表的沖擊，地下組織則固結(jié)土壤、吸收水源。通常，引起一個(gè)地區(qū)的水土流失的客觀因素便是植被覆蓋度低、林草質(zhì)量差，這在我國西北地區(qū)尤為明顯。植被因子計(jì)算公式[5]：

式中 C為植被因子；f為植被覆蓋度，其值域?yàn)?～100%。

3.6 P因子提取

水土保持因子P的量化值主要依據(jù)地表土地覆被特征而確定。按照常規(guī)方法，將區(qū)內(nèi)自然植被覆蓋區(qū)賦值為1，園地為0.8，耕地為0.5，建設(shè)用地為1，水域、裸地為0[6]。

4 研究結(jié)果分析

4.1 陡河庫區(qū)流域地表覆被現(xiàn)狀特征

雖然陡河庫區(qū)流域面積狹小，但用地類型空間異質(zhì)性強(qiáng)。通過對研究區(qū)土地利用類型進(jìn)行解譯得到如下結(jié)論。

（1）本區(qū)以林地分布為主，面積22.89km2，占區(qū)域的52.02%。

（2）旱地是第二大用地類型，主要位于林地與建設(shè)用地結(jié)合部，達(dá)13.96km2。

（3）建設(shè)用地呈斑塊狀分布，面積2.92km2，結(jié)構(gòu)比為6.57%。

（4）園地和草地分布較少，依次為0.99，0.56km2，僅占區(qū)域的2.25%，1.27%。

（5）水田呈片狀集中分布于區(qū)域東南邊緣，面積2.10km2。

統(tǒng)計(jì)表明，陡河庫區(qū)流域林草覆蓋度較高，水土保持能力較好。

4.2 陡河庫區(qū)流域水土流失空間分布特征

將R，S，C，K，P等因子圖層統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，設(shè)置柵格大小為30m，通過ArcGIS軟件的Raster Cacuator功能提取研究區(qū)水土流失強(qiáng)度，并劃分水土流失等級。

（1）陡河庫區(qū)流域水土流失以微度為主，分布較廣，呈片狀延伸，表明區(qū)域水土流失總體較弱。

（2）微度水土流失區(qū)域面積達(dá)31.35km2，占71.28%。

（3）中度流失呈帶狀延伸，分布離散，占全域的10.2%。

（4）輕度水土流失面積達(dá)7.78km2，主要沿著丘陵溝壑分布。

（5）強(qiáng)度水土流失面積最小，僅0.37km2。

4.3 水土流失與土地利用類型的關(guān)系

疊加分析如表2。

表2 水土流失與土地利用類型關(guān)系

（1）微度水土流失區(qū)主要分布于旱地、林地，面積分別達(dá)9.724，14.75km2，分別占31.02%，47.05%。

（2）輕度水土流失區(qū)也以林地、旱地土地利用類型較多，分別達(dá)1.962，3.749km2。

（3）中度水土流失集中于建設(shè)用地和林地，面積依次為1.618，1.118km2，建設(shè)用地類型流失面積占35.65%。

（4）強(qiáng)度水土流失區(qū)中以建設(shè)用地面積最大，為0.407km2。

4.4 水土流失與海拔之間的關(guān)系

將DEM分等級并與水土流失強(qiáng)度圖疊加如表3。

表3 水土流失分布的海拔特征

（1）海拔小于200m的地區(qū)，水土流失以微度、中度為主，面積達(dá)8.5，2.034km2。

（2）海拔為200～300m的地區(qū)主要為微度，面積達(dá)14.22km2。

（3）海拔為300～400m的地帶以中度、微度為主，達(dá)1.759和7.21km2。

（4）海拔在400～500m的地帶，輕度水土流失1.280km2，微度為1.3km2，中度達(dá)1.238km2，強(qiáng)度達(dá)0.208km2。

（5）海拔大于500m的地帶，以輕度水土流失為主，面積達(dá)0.62km2，其次是中度水土流失，為0.198 km2。

4.5 水土流失與坡度之間的關(guān)系

分區(qū)統(tǒng)計(jì)后（表4）表明，水土流失主要集中于5°～13°的坡地帶。

表4 水土流失分布坡度特征

（1）坡度小于5°的地區(qū)，水土流失面積較小，水土流失由弱至強(qiáng)，分別達(dá)4.68，0.87，0.08，0km2。

（2）坡度介于5°～8°的地區(qū)，以微度為主，達(dá)8.95km2，

（3）坡度介于8°～13°的坡度處，微度、輕度、中度水土流失為主，面積依次是10.82，3.52，0.784km2。

（4）坡度介于13°～18°的坡度處，微度、輕度、中度水土流失為主，面積依次是4.62，2.72，2.365km2。

（5）坡度大于18°的坡度帶，微度水土流失2.32km2，輕度0.51km2，中度0.868km2。

5 結(jié)語

（1）以遙感和DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用GIS技術(shù)提取了陡河庫區(qū)流域水土流失敏感因子，結(jié)合水土流失方程，計(jì)算了庫區(qū)水土流失等級，并運(yùn)用ArcGIS疊加分析，提取水土流失強(qiáng)度與影響因子關(guān)系矩陣。

（2）陡河庫區(qū)流域水土流失以微度為主，是水土流失治理的重點(diǎn)。雖然區(qū)域林草覆被程度高、水土涵養(yǎng)能力好，但人為活動(dòng)強(qiáng)烈，局部建設(shè)用地、相對海拔較高的地帶存在一定范圍劇烈水土流失，特別是8°～18°的坡度帶，水土流失率高。應(yīng)結(jié)合水土流失分布與土地利用類型、地形之間的關(guān)系，分區(qū)治理。

（3）實(shí)施本區(qū)生態(tài)規(guī)劃，劃分水源涵養(yǎng)區(qū)、水土流失人工防護(hù)區(qū)，對于水源涵養(yǎng)區(qū)注重天然林草恢復(fù)、封山育林等策略；人工水土流失區(qū)采用人工林種植、護(hù)坡、淤壩等措施。

（4）優(yōu)化地表景觀結(jié)構(gòu)，即在立體空間上實(shí)施喬灌草立體生態(tài)防護(hù)，以減小降水強(qiáng)度并增加地表覆蓋度；橫向上構(gòu)建‘碳匯碳源’循環(huán)型用地景觀結(jié)構(gòu)，通常水域、林地、草地為碳匯景觀，建設(shè)用地、耕地為碳源景觀，在后續(xù)土地開發(fā)時(shí)考慮用地匯源平衡。

（5）緩坡為該區(qū)水土流失密集區(qū)，對于緩坡局部水土流失嚴(yán)重地段仍以人工護(hù)坡為主，但要向生態(tài)護(hù)坡轉(zhuǎn)化。