基于GIS和分形理論的喀什噶爾河水土流失空間分布研究

(新疆喀什噶爾河流域管理局，新疆 喀什 844000)

水土流失是人類活動與自然環(huán)境相互作用下土地退化的環(huán)境過程之一，其深刻影響區(qū)域作物生長、生態(tài)安全乃至可持續(xù)發(fā)展，是一項世界性環(huán)境問題[1]。水土流失空間分布是區(qū)域自然環(huán)境與景觀格局特征的自然體現(xiàn)，不同環(huán)境梯度導致水土流失強度產生復雜的空間差異性，這為區(qū)域水土保持帶來一定困難[2]。新疆地區(qū)是我國最大的內流區(qū)和綠洲分布密集地帶，河流是干旱半干旱環(huán)境下民生發(fā)展的保障，隨著人類活動強度加大以及區(qū)域氣候暖干化演替，本區(qū)水文背景、水土流失特征逐漸發(fā)生變化。分形維數(shù)是景觀空間分布的有效度量方法之一，本文擬采用分形維數(shù)法，以喀什噶爾河流域為研究對象，在ArcGIS環(huán)境下定量提取該流域水土流失空間信息。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

喀什噶爾河流域位于半干旱地區(qū)，西依帕米爾高原，南部接喀喇昆侖山脈，東同塔里木盆地，流域面積6.3×104km2，屬南疆西部地區(qū)最大內流河。區(qū)域屬于高原山麓向盆地過渡地形，海拔介于918～7559m之間，高程變化大。由于地處歐亞大陸腹地，地形封閉，水汽循環(huán)強度較弱，形成溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫7.3℃，年均降水量137mm，季候分明，冬冷夏熱。流域內水系由冰川融水發(fā)育形成，流程長度達77km，水資源總量1.56×108億m3。區(qū)域冰川覆蓋率為17%，植被覆蓋程度較低，水土流失以水利侵蝕為主。

1.2 分形理論

分形理論(Fractal)是英國科學家Mandelbrot于1967年提出的表征空間幾何形體自相似性的一種數(shù)學計量方法，由于其能夠定量表征區(qū)域性變量空間復雜性，因而在地理學、生態(tài)學、氣象水文等諸多領域取得良好應用。對于水土流失空間分布形態(tài)的度量，分形理論表示同質性斑塊面積與周長的雙對數(shù)關系，公式如下[3]：

式中FD——分形維數(shù)，其值介于1～2之間，數(shù)字越大，表明該景觀空間分布越復雜、穩(wěn)定性越差、變異程度高，反之其空間分布簡單、穩(wěn)定性好；通常認為FD介于1～1.5時，表明該景觀格局緊湊、自然規(guī)律性強、不易產生變化；當FD介于1.5～2時，表明景觀格局呈隨機分布；

H——線性斜率，F(xiàn)D隨著H的增加而減小[5]。

1.3 水土流失強度提取

根據通用水土流失方程(The Revised Universal Soil Loss Equation ,RUSLE)可知，區(qū)域水土流失量是地形因子、降雨強度、土壤質地、植被覆蓋、人為活動等因素的函數(shù)，鑒于此，相關學者基于不同因素耦合制定了《土壤侵蝕強度分級標準》(SL 190—2007)，基于該標準可通過疊加分析繪制區(qū)域水土流失強度圖斑。

喀什噶爾河流域土地利用類型為未利用地、林地、草地、耕地、建筑用地和水域等。以2017年10月該流域的Landsat OLI影像和DEM為基礎數(shù)據源，在ENVI 5.3和ArcGIS10.2平臺上，數(shù)據處理過程如下[5]：?于Feature extraction模塊上通過目視解譯與監(jiān)督分類的方法提取區(qū)域土地利用空間分布結構；?通過bandmath工具條差分第3、4波段計算(Normalized Difference Vegetation Index NDVI)進而獲得區(qū)域植被覆蓋度；?借助DEM數(shù)據通過GIS平臺Spatial Analysis模塊的aspect、slope功能提取區(qū)域坡度、坡向信息；?運用overlap分析功能，將土地利用類型、植被覆蓋度、DEM、坡度、坡向等圖層進行空間疊加，劃分區(qū)域水土流失強度；?將獲取的圖斑圖層轉換成arcgrid格式，并導入Fragstats軟件中，應用landscape matric模塊中的Perimeter-Area Fractal Dimension工具條，計算水土流失空間分形維數(shù)。

2 結果與分析

2.1 喀什噶爾河流域土地利用類型特征

圖1 喀什噶爾河流域土地利用空間格局

以Landsat OLI影像可見光通道與全色波段重采樣，并依據面向對象監(jiān)督分類方法，繪制喀什噶爾河流域土地利用類型空間分布圖，結果如圖1所示。可知，該流域用地類型分布規(guī)律性顯著,?流域以未利用地為主，主要是荒漠、土石山、高山石漠，其面積達3.62萬km2，占流域總面積的57.45%，其他用地類型分布稀少，建筑用地、耕地、冰川、植被分別占29.94%、9.23%、1.16%、1.19%；?冰川隨地形分布于流域北側天山高海拔地區(qū)，分布特征相對穩(wěn)定；?耕地、建筑用地呈斑點狀離散分布，流域內整體生態(tài)環(huán)境惡劣、土地承載力低、人口聚集性差、社會性用地穩(wěn)定性弱；?喀什噶爾河流域水文具有夏汛、春汛特征，春夏時節(jié)水面寬闊，但由于影像空間分辨率限制，導致水面圖斑并不凸出。從上述流域內土地環(huán)境背景分析來看，該流域立地環(huán)境較差，可侵蝕地表分布廣泛，加之水文情勢變率大，這為區(qū)域水土流失提供了條件。

2.2 喀什噶爾河流域水土流失強度空間分布特征

參照水土流失強度分級標準，喀什噶爾河流域水土流失可分為微度、輕度、中度、強度、極強度5個等級，沒有劇烈等級，如圖2所示。微度水土流失分布于流域西部、北部高山地帶，與冰川分布特征耦合性強，可能由于在冰川、積雪融化過程中隨著水流動能造成對地表的侵蝕，其分布面積0.620萬km2，占流域總面積的9.84%。輕度水土流失區(qū)沿山麓分布，呈環(huán)狀向流域東部延伸，面積0.794萬km2，占總面積的12.61%。整個流域水土流失以中度為主，在喀什噶爾河上、中、下游均有分布，面積達2.98萬km2，占全流域的47.23%；強度水土流失區(qū)集中于流域中心偏南部，面積達1.48萬km2，占總面積的23.56%；強度水土流失區(qū)呈離散斑點狀，與建筑用地、耕地分布關系密切，達0.426萬km2，占流域總面積的6.76%。

圖2 喀什噶爾河流域水土流失空間格局

2.3 喀什噶爾河流域水土流失空間分維特征

如圖3所示，以喀什噶爾河流域不同水土流失強度圖斑的面積與周長的雙對數(shù)關系擬合其分形維數(shù)特征，R2介于0.118～0.488之間，通過了5%水平信度檢驗，表明該維數(shù)統(tǒng)計具有一定可信度。圖3中縱坐標為水土流失強度圖斑面積的對數(shù)值，橫坐標為其周長對數(shù)值，維數(shù)大小可通過線性擬合斜率來判斷?？芍何⒍?、輕度、中度、強度、極強等不同強度水土流失圖斑的面積、周長雙對數(shù)線性擬合斜率依次為0.829、0.638、0.630、0.613、0.524，依據公式(1)可知，其維數(shù)大小依次為1.173、1.362、1.37、1.387、1.476。由此表明：喀什噶爾河流域水土流失強度分形維數(shù)依次為微度<輕度<中度<強度<極強。微度水土流失區(qū)集中于高山、冰川地區(qū)，區(qū)域環(huán)境變化速率相對于流域低海拔處低，水土流失空間結構規(guī)則、不易發(fā)生變化；輕度水土流失區(qū)分布于高山、盆地結合地帶，該山前沖積扇區(qū)水資源充分、林草長勢茂盛，水土流失程度較輕，其空間分布與土壤、水熱資源密切相關，因而分布斑塊相對簡易；而強度、極強度水土流失區(qū)分布于人為活動頻繁的綠洲、耕地、建設用地區(qū)，這些地方地表環(huán)境脆弱、整體性差，局部地表環(huán)境破壞，易于引起水土流失以點源向面源形式擴張乃至惡化，因而其分布斑塊復雜、極不穩(wěn)定。

圖3 喀什噶爾河流域水土流失強度分形維數(shù)

3 結 論

喀什噶爾河流域是南疆西北部地區(qū)水資源、植被、耕地資源的重要載體，也是區(qū)域經濟社會可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)屏障，隨著氣候變化與人為活動加劇，該流域水土流失時有發(fā)生。以流域尺度為單元，借助分形維數(shù)理論探討該流域水土流失空間分布特征，發(fā)現(xiàn)水土流失強度與諸多環(huán)境因子耦合性強，且不同水土流失強度下其分布特征相異，這表明應采用差異化的措施加強水土保持工作。