三岔河流域基于RUSLE模型與GIS的土壤侵蝕模數(shù)

劉雪枚 劉爽

摘 要：對(duì)于喀斯特地區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕定量研究，可以為水土流失防護(hù)與治理工作提供科學(xué)理論指導(dǎo)。目前，在GIS技術(shù)的支持下，結(jié)合日降雨量數(shù)據(jù)、土壤類型、土地利用、DEM、MODIS-NDVI等數(shù)據(jù)，利用RUSLE模型可以快速地估算研究區(qū)域內(nèi)的土壤侵蝕量。經(jīng)計(jì)算，三岔河流域內(nèi)的土壤侵蝕在0-5493.48t/（km2·a）之間，其中，70%以上地區(qū)屬于輕度侵蝕，但問題仍然嚴(yán)峻。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕;三岔河;RUSLE;GIS

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）04-0014-03

水土流失作為一個(gè)常見的現(xiàn)象，已經(jīng)廣泛引起各國政府及專家學(xué)者的注意。一個(gè)國家的水土流失現(xiàn)象的加劇與緩解，不僅直接關(guān)系到農(nóng)林牧生產(chǎn)，而且影響到資源利用與環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)，乃至社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。深入研究不同自然和社會(huì)條件下水土流失的區(qū)域分布規(guī)律，能為水土流失防治宏觀決策的制定提供理論依據(jù)和信息基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

三岔河為烏江南源一級(jí)支流，位于東經(jīng)104°54'～106°24'、北緯26°06'～27°00'之間，流域面積為5968km2，流域地勢(shì)呈現(xiàn)西高東低的空間格局，海拔在911～2330m范圍波動(dòng)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：研究區(qū)30×30m的數(shù)字高程模型（DEM），3個(gè)縣級(jí)氣象站點(diǎn)2007-2017年的日降雨數(shù)據(jù)，2015年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，2015年月合成NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為500m，1：5萬土壤類型圖，以及聯(lián)合國糧農(nóng)組織和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所構(gòu)建的世界土壤特征數(shù)據(jù)庫。

2.2 土壤侵蝕模型

RULSE（Revised Universal Soil Loss Equation）是1997年由Renard K G和Foster G R倆人在修正USLE土壤流失方程的基礎(chǔ)上建立的，通過結(jié)合GIS與RS技術(shù)，在實(shí)用性和綜合能力方面相比較原有的ULSE得到了更大的提升。它的計(jì)算公式為：

公式中，A表示年均土壤侵蝕模數(shù)（t/km2·a）;R表示降雨力侵蝕因子（MJ·mm/km2·h·a）;K表示土壤可蝕性因子（t·km2·h/km2·MJ·mm）;LS表示坡長坡度因子，無量綱;C則表示地表植被覆蓋和管理因子，無量綱。

一般來說，是通過GIS技術(shù)與RS技術(shù)等，利用地區(qū)的降雨量、土壤、遙感影像以及土壤侵蝕普查數(shù)據(jù)，計(jì)算出各因子的量，之后再逐一相乘得到地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)[1]。

2.2.1 降雨侵蝕力R因子及其計(jì)算

降雨侵蝕力反映了降雨潛在的對(duì)土壤侵蝕的能力大小，進(jìn)而表明某地區(qū)土壤受到侵蝕的潛在可能性大小。據(jù)研究區(qū)流域的降雨具體情況考慮，以研究區(qū)附近的赫章、威寧、水城三個(gè)氣象站的2007年-2107年日降雨量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Yu等在澳大利亞建立的月降雨侵蝕力計(jì)算公式（Yu B.，1996;Yu B.，1998）進(jìn)行月降雨侵蝕力值的估算，公式如下：

式中，Ej表示j月的降雨侵蝕力（MJ·mm·hm-2·h-1）;Rd表示日降雨量（mm）;R0表示產(chǎn)生侵蝕的日降雨強(qiáng)度閾值，本文在前期研究的基礎(chǔ)上（彭韜，2009），采用臨界值12mm作為日降雨強(qiáng)度閾值;f表示頻率，取值1/12;j表示月份值;ω取值5π/6;N表示j月中日降雨量超過R0的天數(shù);S表示下半年5-8月份的總降雨量（mm）;P表示年均降雨量（mm）;η是一個(gè)由年均降雨量計(jì)算得來的模型參數(shù)（3），α與β在年降雨量不同的地方具有不同的關(guān)系計(jì)算表達(dá)式，年降雨量大于1050mm時(shí)，采用公式（1），年降雨量大于500mm而小于1050mm時(shí)，采用公式（2）具體如下;

利用上述公式計(jì)算三個(gè)氣象站2007-2017年的逐月降雨侵蝕力后，匯總得到個(gè)各氣象站點(diǎn)的多年平均降雨侵蝕力R。導(dǎo)入Arcgis中后，采用反距離權(quán)重（IDW）插值方法內(nèi)插點(diǎn)降雨侵蝕力數(shù)據(jù)，形成流域內(nèi)的多年平均降雨侵蝕力圖層：

2.2.2 土壤可蝕性K因子及其計(jì)算

土壤可蝕性表示土壤抵抗降雨、徑流以及徑流侵蝕能力的大小，并側(cè)面表示土壤受到侵蝕的潛在可能性大小。K因子值與土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)、坡面滲透性、土壤有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)。

在數(shù)據(jù)上由于缺少各土壤類型的滲透性和結(jié)構(gòu)系數(shù)等參數(shù)，因此這里李用聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所（HASA）共同構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD），結(jié)合研究區(qū)1：10萬的土壤類型圖，用EPIC的公式來計(jì)算子研究區(qū)內(nèi)各種土壤類型的K值。公式如下：

式中，K表示土壤可蝕性（t·hm-2·h·MJ-1·mm-1·hm-2），SAN、SIL、CLA、C分別表示砂粒含量百分比、粉粒含量百分比、粘粒含量百分比、有機(jī)碳含量百分比，SN1表示：1-SAN/100。

經(jīng)公式計(jì)算后獲得各土壤類型的K值，流域內(nèi)各種土壤類型的K值。

2.2.3 坡長與坡度LS因子及其計(jì)算

坡度因子S是指，在其它條件相同情況下，任意坡度下的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡度下的單位面積土壤流失量之比;坡長因子L是指，在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下，任意坡長的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下單位面積土壤流失量之比。

S因子采用劉寶元修正過后的陡坡分段計(jì)算公式：

其中θ值為坡度柵格圖，利用Arcgis中的柵格計(jì)算器工具，使用以上分段公式計(jì)算得到流域內(nèi)的S因子圖層。

坡長因子采用Wischmerier和Smith的坡長因子計(jì)算公式：L=

其中m=，λ為近似坡長（m），22.1為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡長（m），θ值為表面坡度，計(jì)算結(jié)果得到L因子圖層。

最后將L因子與S因子做柵格運(yùn)算后所得的LS柵格圖層。

2.2.4 植被覆蓋與管理因子C及其計(jì)算

植被覆蓋與管理因子C，以在某一特定作物或者植被覆蓋下的土壤流失量與耕種后的連續(xù)休閑地的流失量比值表示，衡量了植被覆蓋與經(jīng)營管理對(duì)土壤侵蝕的抑制作用。以蔡崇法等建立的C因子值與植被覆蓋度fv兩者之間的回歸方程來計(jì)算C值，公式如下：

其中，C表示植被覆蓋與管理因子，fv表示植被覆蓋度，植被覆蓋度以公式fv=（NDVI-NDVIsoil）/（NDVIveg-NDVIsoil）計(jì)算。其中，NDVIveg與NDVIsoil分別為純植被覆蓋與裸地的歸一化植被指數(shù)值。計(jì)算所得得C值圖層。

2.2.5 水土保持措施因子P及其計(jì)算

水土保持措施因子P表示采取水土保持措施后的土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值，值介于0-1之間。經(jīng)充分考慮研究區(qū)的實(shí)際地形、植被等因素后，對(duì)不同的土地利用類型進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)P因子賦值，得到P值柵格圖層。

2.2.6 土壤侵蝕量的計(jì)算

在Arcgis的運(yùn)算支持下，將各因子圖層歸一為同一坐標(biāo)系下的柵格圖層后，利用柵格計(jì)算器按照RUSLE模型進(jìn)行乘積運(yùn)算，得到三岔河流域的土壤侵蝕量的分布圖。

3 結(jié)果與分析

將土壤侵蝕模數(shù)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出分析表明：（1）三岔河流域的土壤侵蝕模數(shù)值范圍在0至5493.48t/km2·a之間;（2）三岔河流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)在0-2000t/km2·a之間的占比73%以上;（3）三岔河流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)在5000t/km2·a以上的占比不足0.06%;

按照國家水利部頒發(fā)的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-96）土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來看，大部分是屬于輕度侵蝕，僅有極其小的面積具有重度侵蝕隱患;但考慮到喀斯特地區(qū)本身土壤量就比較少的特殊性，輕度侵蝕地區(qū)的流失量仍遠(yuǎn)高于喀斯特地區(qū)的允許流失量。

參考文獻(xiàn)

[1] 高璐，王學(xué)鳳，曲本亮，等.基于RUSLE模型的遼寧省土壤侵蝕定量研究[J]，長江科學(xué)學(xué)院院報(bào)，2015，32（12）：25-29.

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