基于RS和GIS的江蘇省水土流失重點預防區(qū)和治理區(qū)定量監(jiān)測

李 盟， 方 瑞， 樂 峰， 吳 芳， 張 雪

(1.江蘇省水文水資源勘測局， 江蘇 南京 210029; 2.江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站, 江蘇 南京 210012)

水土流失是指在水力、風力、重力及凍融等自然營力和人類活動作用下，水土資源和土地生產能力的破壞和損失。長期以來，水土流失都是中國面臨的頭號生態(tài)問題，所以水土保持也是中國一貫堅持的基本國策之一。水土流失監(jiān)測工作可以快速、準確提供土壤侵蝕強度、水土流失分布狀況以及動態(tài)變化情況，也可為水土流失治理提供必要的科學依據和基礎數據支撐，隨著遙感和地理信息系統技術的迅速發(fā)展和廣泛應用，水土流失監(jiān)測的手段也開始從傳統的地面觀測轉向遙感監(jiān)測，因其宏觀性、時效性強，且以一定間隔重復的特點，逐漸成為區(qū)域尺度下水土流失定量動態(tài)監(jiān)測的核心手段?；赗S和GIS的水土流失定量監(jiān)測，就是將RS和GIS相結合，利用航空、衛(wèi)星、無人機獲得區(qū)域內的土地利用、植被覆蓋和水土保持工程措施實施情況，另外再計算坡度坡長因子、降雨因子和土壤可蝕性因子，結合CSLE方程逐個計算出各像元的水土流失量，最終獲得區(qū)域內的流失總量。本研究以RS和GIS技術為支撐，結合中國土壤流失方程CSLE，選擇徐州市銅山區(qū)和連云港市贛榆區(qū)作為研究區(qū)，利用2015年度高分1號遙感影像，首次對江蘇省省級水土流失重點預防區(qū)和重點治理區(qū)(簡稱“兩區(qū)”)代表區(qū)縣進行了水土流失定量監(jiān)測，以期能為水土流失動態(tài)監(jiān)測提供技術方法和理論支持。

1 研究區(qū)概況

1.1 徐州市銅山區(qū)

徐州市銅山區(qū)位于江蘇省西北部，地處東經116°43′—117°42′，北緯34°01′—34°35′(圖1)，北部與山東省微山縣、棗莊市為鄰，南部與西南部接安徽省宿州市、靈璧縣、蕭縣，東部與徐州市邳州市、睢寧縣交界，西北部與徐州市豐縣、沛縣毗鄰，該區(qū)東西長64.5 km，南北長61.5 km。區(qū)內年平均氣溫13.9 ℃，全年平均日照時數約2 300 h，年平均無霜期約210 d，年平均降水量832 mm，全年以偏東風為主，平均風速2.7 m/s左右，土壤最大凍結深度為0.3 m。區(qū)內西北部、東南部系廢黃河堤下沖積平原，地勢平坦、河道縱橫、田園平整，自西向東緩傾。東北、西南和東南部分地區(qū)為丘陵地區(qū)，分布有700余座山頭，屬魯中南沂蒙山區(qū)南緣的剝蝕殘丘，海拔高程50～200 m，平均坡度小于9°，山體矮小、高低不平、不成山脈。京杭大運河橫貫區(qū)境北部，廢黃河自西而東穿越區(qū)境，構成“三片平原三片山，黃河故道一高灘”的地貌特征。銅山區(qū)屬銅邳低山崗地農田防護土壤保持區(qū)，區(qū)內何橋鎮(zhèn)、黃集鎮(zhèn)、鄭集鎮(zhèn)、馬坡鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)、柳新鎮(zhèn)、單集鎮(zhèn)、房村鎮(zhèn)、銅山街道、大彭鎮(zhèn)、拾屯街道屬于江蘇省省級水土流失重點預防區(qū)，漢王鎮(zhèn)、三堡街道、伊莊鎮(zhèn)、徐莊鎮(zhèn)、茅村鎮(zhèn)、柳泉鎮(zhèn)、利國街道、利國鎮(zhèn)、新區(qū)街道、張集鎮(zhèn)屬于江蘇省省級水土流失重點治理區(qū)[1]。

1.2 連云港市贛榆區(qū)

連云港市贛榆區(qū)地處江蘇山東兩省交界，中心地理坐標為東經119°18′，北緯34°50′(圖2)，東濱黃海的海州灣，北臨山東省日照市，西靠山東省臨沂市，南接連云港市區(qū)和東海縣。贛榆區(qū)屬暖溫帶半潤濕季風氣候區(qū)，夏季盛行偏南風，氣候炎熱多雨；冬季帶有大陸性氣候特征，盛行偏北風，氣候寒冷干燥。區(qū)內多年平均氣溫13.9 ℃，多年平均降水量913.70 mm，多年平均風速2.8 m/s，歷年最大凍土深度31 cm，最大積雪深度19 cm。區(qū)內地形由西北向東南傾斜，依次為山嶺、平原和沿海，各占全區(qū)總面積的1/3左右。低山丘陵海拔主要在10～400 m左右，山體單薄，山坡坡度在20～35°左右，沿海海積平原高程0.5～3 m，低山和海積平原之間的過渡帶為隴崗洼地和河湖堆積平原。贛榆區(qū)屬連云港低山丘陵土壤保持農田防護區(qū)，區(qū)內沙河鎮(zhèn)、城頭鎮(zhèn)、柘汪鎮(zhèn)屬于江蘇省省級水土流失重點預防區(qū)，班莊鎮(zhèn)、黑林鎮(zhèn)、石橋鎮(zhèn)、金山鎮(zhèn)、塔山鎮(zhèn)、厲莊鎮(zhèn)屬于江蘇省省級水土流失重點治理區(qū)[1]。

圖1 徐州市銅山區(qū)水土流失分區(qū)

圖2 連云港市贛榆區(qū)水土流失分區(qū)

2 數據來源及調查方法

2.1 數據準備

本研究采用由水利部水土保持監(jiān)測中心提供的2015年度高分1號遙感影像(2 m分辨率)作為主要遙感數據，采用Landsat-8OLI遙感影像(30 m分辨率)作為輔助遙感數據以補充不足。數字高程模型(DEM)、行政界線、歷年降雨資料由江蘇省水利網絡數據中心提供，其中DEM為1∶1萬標準分幅，tif格式；行政界線采用shp格式；降雨資料選擇區(qū)域內代表雨量站，時間區(qū)間為1978—2014年。

2.2 調查方法

2.2.1 遙感解譯 本研究對銅山區(qū)和贛榆區(qū)的總國土面積以4%的密度抽樣，獲取了133個調查單元，范圍是1 km×1 km的方格。在建立解譯標志的基礎上，利用GIS采用人機交互解譯判讀方法對調查單元進行遙感解譯，根據《土地利用現狀分類標準(GB/T21010-2007)》對調查單元的土地利用情況進行分析。

2.2.2 野外復核 遙感解譯工作完成后，在自查、互查的基礎上，開展解譯成果實地野外復核工作。野外驗證采用抽樣調查的方法進行，并在空間上均勻分布，解譯結果抽取不少于總面積的5%進行核查，對核查對象5%～10%的樣本進行實地驗證，最終確定每個調查單元各地塊的具體信息，包括土地利用類型、水土保持措施等。

3 水土流失量計算

3.1 數學模型

本研究結合第一次全國水利普查水土保持情況調查的技術要求，采用中國土壤流失方程(CSLE)來計算土壤侵蝕模數。

A=R·K·LS·B·E·T

(1)

式中：A——土壤侵蝕模數〔t/(hm2·A)〕；R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；k——土壤可蝕性因子 〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；L——坡長因子(無量綱)；S——坡度因子(無量綱)；B——植被蓋度與植物措施因子(無量綱)；E——工程措施因子(無量綱)；T——耕作措施因子(無量綱)。

3.2 水土流失影響因子提取

3.2.1 降雨侵蝕力因子R降雨主要由降雨量、平均降雨強度、降雨歷時等特征值來反映。降雨侵蝕力因子R是一項評價降雨引起的土壤分離和搬運的動力指標，受降雨量、降雨強度的綜合影響，反映了降雨對土壤侵蝕的潛在能力[2]。本研究降雨量資料較為充分，故首先計算2015年各降雨觀測站點全年24個半月降雨侵蝕力平均值及各降雨觀測站點降雨侵蝕力多年平均值，再利用克里金插值法進行空間插值，得出銅山區(qū)和贛榆區(qū)降雨侵蝕力空間分布。

(2)

(3)

3.2.2 土壤可蝕性因子K土壤可蝕性因子K是一項評價土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運難易程度的指標[3]，主要由土壤的機械組成、粒級含量、有機質含量、土壤結構級別和土壤滲透級別等土壤性狀決定[4]，反映了土壤對侵蝕外營力剝蝕和搬運的敏感性，是影響土壤侵蝕的內在因素。本研究直接采用第一次全國水利普查水土保持情況調查計算的銅山區(qū)和贛榆區(qū)土壤可蝕性因子值[5]。

3.2.3 地形因子LS地形地貌特征對土壤侵蝕的影響集中表現在坡長和坡度兩方面，因此，一般用坡長(L)和坡度(S)因子估算地形因素對土壤侵蝕的影響[2]。LS因子表示的是，在其他條件相同的情況下，某一特定坡長(L)和坡度(S)的坡面上土壤流失量與標準徑流小區(qū)典型坡面上土壤流失量的比值[6]。

本研究利用銅山區(qū)和贛榆區(qū)1∶1萬DEM，根據RUSLE的改進坡長和坡度因子算式[7-8]，提取計算LS因子。

L=(λ/22.13)m

(4)

θ——坡度角(°)；λ——水平坡長(m)。

(5)

式中：S——坡度因子(無量綱)；θ——坡度角(°)。

3.2.4 植被蓋度與植物措施因子B本研究主要運用兩種方式，即不同土地利用類型直接賦值和遙感提取技術，來獲取銅山區(qū)和贛榆區(qū)的植被蓋度與植物措施因子B值。

(1) 不同土地利用類型賦值。依據第一次全國水利普查水土保持情況調查研究成果及相關文獻資料，若調查單元土地利用類型為耕地、住宅用地、工礦倉儲用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地和其他土地，在調查不同土地利用類型水土保持植物措施的前提下，可直接通過表1給B因子賦值。

表1 不同土地利用類型B因子賦值

(2) 遙感提取。若調查單元土地利用類型為園地、林地和草地，則依托遙感影像數據，采用歸一化植被指數(NDVI)進行植被蓋度的提取計算。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(6)

式中：NDVI——植被覆蓋指數(無量綱)； NIR——近紅外波段；R——紅外波段。通過公式變換得出如下公式：

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(7)

式中：fc——植被蓋度(%)； NDVIsoil——裸露地表或無植被覆蓋象元的NDVI值(無量綱)；NDVIveg——完全被植被覆蓋象元的NDVI值(無量綱)。

最終得出B因子計算公式：

(8)

式中：B——植被蓋度與植物措施因子(無量綱)；fc——植被蓋度(%)。

3.2.5 工程措施因子E本研究主要參考第一次全國水利普查水土保持情況調查研究成果及相關文獻資料，在調查不同土地利用類型水土保持工程措施的前提下，直接給工程措施因子E賦值(表2)。

表2 不同土地利用類型E因子賦值

3.2.6 耕作措施因子T耕作措施因子T是指采用專門措施后的土壤流失量與采用順坡種植時的土壤流失量的比值[15]。

通常包含于這一因子中的專門措施有:等高耕作、等高帶狀種植、輪作、間作與套種等，這些措施可以有效提高土壤的抗蝕能力。本研究主要參考第一次全國水利普查水土保持情況調查研究成果，對不同的耕作措施因子T直接賦值(表3)。

表3 不同土地利用類型T因子賦值

4 結果分析

4.1 水土流失現狀

通過計算，首先獲取133個調查單元的7個水土流失影響因子值，再根據銅山區(qū)和贛榆區(qū)全區(qū)不同土地利用類型的面積，采用面積加權計算出不同土地利用類型的7個因子平均值，進而計算出各調查單元的土壤侵蝕模數，再根據土壤侵蝕強度分類分級標準，獲取各單元的土壤侵蝕強度，最后通過面積加權的方式得到銅山區(qū)和贛榆區(qū)水土流失面積和強度情況。截止到2015年，銅山區(qū)和贛榆區(qū)水土流失現狀詳見表4。由表4可知，根據計算結果，銅山區(qū)水土流失面積1 917.82 km2，輕度以上流失面積175.76 km2，占總流失面積的9.16%;贛榆區(qū)水土流失面積1511.2 km2，輕度以上流失面積131.95 km2，占總流失面積的8.73%。從縱向角度相比，銅山區(qū)和贛榆區(qū)的水土流失情況均以微度侵蝕為主，流失面積遠高于其他侵蝕強度，水土流失待治理面積僅分別占該區(qū)流失面積的9.16%和8.73%;從橫向角度相比，銅山區(qū)除輕度、中度流失面積略低于贛榆區(qū)以外，其他強度水土流失面積均明顯高于贛榆區(qū)，水土流失總面積也高出406.62 km2。近幾年來，銅山區(qū)境內開發(fā)力度較大，大批生產建設項目上馬開工，對原地貌擾動較為劇烈，加之丘陵崗地的地貌特性，造成了當前銅山區(qū)的水土流失狀況。

表4 代表縣區(qū)水土流失現狀 km2

4.2 水土流失動態(tài)變化情況

銅山區(qū)和贛榆區(qū)2011年水利普查與2015年本研究調查水土流失動態(tài)變化情況對比詳見表5。可以看出，銅山區(qū)2011—2015年共減少輕度以上水土流失面積為30.73 km2，除極強烈和劇烈的侵蝕面積有較大幅度增加外，輕度、中度、強烈均有明顯下降。

近年來，銅山區(qū)水土流失治理力度較大，實施了蔡丘小流域等綜合治理工程，同時還專門成立了水土保持監(jiān)督機構，針對生產建設項目水土保持開展監(jiān)督執(zhí)法，這一系列工作對改善銅山區(qū)的水土流失起到了積極作用。同時也要看到，極強烈和劇烈侵蝕的面積增加較多，盡管有可能是因為本研究方法調查單元圖斑上圖面積變小，突出了侵蝕程度較嚴重的調查單元所致，但在待治理水土流失面積中所占比例也達到了30.8%，所以相關工作仍需進一步加強。贛榆區(qū)2011—2015年共減少輕度以上水土流失面積30.75 km2，除輕度、劇烈侵蝕面積略有增加外，其他侵蝕強度均有不同程度的減少，其中強烈侵蝕面積減少最多，達到28.16 km2;輕度侵蝕在待治理水土流失面積中所占比例最大，達到73.6%。2013—2015年，贛榆區(qū)連續(xù)3 a分別實施了青口河小流域、蘆山小流域和泊船山小流域水土保持綜合治理項目，對緩解當地水土流失、改善生態(tài)環(huán)境有著積極地推動作用。

5 結 論

本研究以中國土壤流失方程(CSLE)為基礎，利用ArcGIS軟件，結合遙感影像和DEM數據，分析了江蘇省省級水土流失重點預防區(qū)和重點治理區(qū)代表縣徐州市銅山區(qū)和連云港市贛榆區(qū)的水土流失時間和空間變化，進行了水土流失定量監(jiān)測。與2011年開展的全國第一次水利普查水土保持情況調查所采用的技術方法相比: ①本研究運用遙感監(jiān)測加調查單元野外復核的方法，以高分辨率遙感影像為信息源，來確定調查單元的土地利用狀況和水土保持措施;水利普查直接采用人工野外調查的方法劃分圖斑。前者消除了后者的人工誤差，在工作精度上得到了提高。 ②本研究選擇了4%的調查單元抽樣密度，高于水利普查1%的密度，基本覆蓋了銅山區(qū)和贛榆區(qū)的全部行政區(qū)域，更加具有代表性，也提高了插值計算結果的可靠性。 ③本研究調查單元圖斑的上圖面積(1 000 m2)要小于水利普查，避免了某一調查單元中小圖斑被大圖斑合并的狀況。今后，該研究方法通過進一步優(yōu)化因子取值和土壤流失方程參數選取，能為江蘇省水土流失動態(tài)監(jiān)測提供高效可行的技術方法。