龍門縣地形起伏度與土壤侵蝕嚴(yán)重程度的相關(guān)性研究

王光輝

(龍門縣水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)室,廣東 惠州 516800)

中國(guó)土壤侵蝕災(zāi)害不僅面積大、分布范圍廣，而且水土流失的強(qiáng)度高，受災(zāi)嚴(yán)重的地區(qū)占比極高，已經(jīng)成為我國(guó)最主要的自然災(zāi)害之一。地形是土壤侵蝕產(chǎn)生的載體，合理的地形條件會(huì)控制土壤侵蝕發(fā)生的強(qiáng)度[1]。地形起伏度是評(píng)價(jià)地形因子的關(guān)鍵因素，它是給定范圍內(nèi)高程最大和最小值之間的差值，它對(duì)土壤侵蝕敏感性有很大影響。在地區(qū)的水土流失研究中，隨著高程模型的分辨率降低，得到的坡度、坡向等信息往往不具有代表水土流失特征的科學(xué)含義[2]，而地形起伏比不僅具有數(shù)學(xué)含義，也具有地形信息含義。地形起伏因素的分析研究是區(qū)域土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)工作。本文在研究區(qū)域土壤侵蝕的過(guò)程中，引入地形起伏度，來(lái)探究土壤侵蝕與地形起伏度的關(guān)聯(lián)性。

1 研究區(qū)概況

龍門縣是廣東省惠州市的下轄縣，占比面積大，地形地貌呈現(xiàn)出西高東低的走勢(shì)，總面積為2 295 km2。龍門縣的主要河流是曾江，貫穿縣城南北[3]。曾江是東江最大的支流，在龍門地區(qū)被稱為龍口河。另一條為西林河，發(fā)源于新豐七星嶺，流經(jīng)新豐、龍門、增城，流經(jīng)增城孫家堡東江。全縣共有7條流域面積超過(guò)100 km2的河流，其中6條為曾江支流，分別為藍(lán)田河、鐵崗河、白沙河、葛浦水、永漢水，另一條為東江支流公莊水上游，龍門的平陵水。目前，惠州地區(qū)人類活動(dòng)造成的土壤侵蝕較為嚴(yán)重[4]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的數(shù)字高程模型提取自資源三號(hào)遙感測(cè)繪衛(wèi)星，通過(guò)ENVI和ARCGIS軟件進(jìn)行提取、校正等工作，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，提取精度較高[5]。其機(jī)身主要搭載4臺(tái)光學(xué)相機(jī)，包括1臺(tái)2.1 m分辨率的全彩相機(jī)、2臺(tái)3.6 m分辨率的正、反相機(jī)，能夠以長(zhǎng)期、連續(xù)和穩(wěn)定的方式獲得立體全色圖像、多光譜圖像和輔助數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1和圖1)。

表1 技術(shù)參數(shù)

2.2 研究方法

1) 均值變點(diǎn)法分析地形起伏度

研究區(qū)域高程的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值即是地形起伏度[6]。地形起伏度可以將地形因素進(jìn)行定量描述。地形起伏計(jì)算表達(dá)式如式(1)～(3)所示：

圖1 龍門縣DEM數(shù)據(jù)

Δh=hxy，max-hxy，min

(1)

(2)

M=S/N

(3)

式中hx，y為領(lǐng)域內(nèi)像元的高程值，hx，y，max和hxi， y， min分別代表目標(biāo)柵格最大和最小高程值(x，y=1，2，3，…，n)；Δh表示高程值差；N為柵格的個(gè)數(shù)；S為柵格的起伏度和；M為平均起伏度值。

均值變點(diǎn)法是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)當(dāng)中的方法。數(shù)據(jù)擬合曲線應(yīng)該是非線性的，并且只有一個(gè)變化點(diǎn)。在地貌研究中，該方法可以快速確定平均地貌生長(zhǎng)速率的拐點(diǎn)，即最佳統(tǒng)計(jì)單元。在系統(tǒng)模型統(tǒng)計(jì)中，當(dāng)一個(gè)時(shí)間突然變化時(shí)，時(shí)間就是變化點(diǎn)[7]。計(jì)算過(guò)程大致如公式(4)(5)：將樣本數(shù)據(jù)i=2，…，N，分為X1，X2，…，Xi-1和Xi，Xi+1，…，Xt。

(4)

(5)

式中 表示各樣本段的算術(shù)平均數(shù)，Si為樣本數(shù)據(jù)分割后的統(tǒng)計(jì)數(shù)，S為原始樣本的統(tǒng)計(jì)數(shù)，t為目標(biāo)網(wǎng)格總數(shù)。當(dāng)S和Si的差異達(dá)到最大值時(shí)，這一時(shí)間對(duì)應(yīng)于研究區(qū)地形起伏變化的拐點(diǎn)，這是最好的統(tǒng)計(jì)單位。

2) 土壤侵蝕

原則上，土壤侵蝕強(qiáng)度的分類以允許土壤流失和最大國(guó)民損失為兩極值，并通過(guò)插值法分為6個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表2)。由于研究區(qū)地域遼闊，自然類型多樣，不同地區(qū)的土壤形成速率不同，不同侵蝕區(qū)的土壤容許流失量不同[8]。土壤允許流失量是指長(zhǎng)期保持土壤肥力的最大流失量和土地生產(chǎn)力的基本穩(wěn)定性。

表2 土壤侵蝕強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)

① 提取坡度系數(shù)。在ArcGIS 10.2軟件中，利用資源三號(hào)遙感衛(wèi)星提取出龍門縣數(shù)字高程模型，然后運(yùn)用“空間分析”模塊中的“地表分析”工具生成研究區(qū)的坡度分布柵格圖，并按5°、5°～8°、8°～15°、15～25°25～35°和>35°的范圍進(jìn)行重新分類。

② 土地利用分布類型因子。根據(jù)2014年研究區(qū)的奧利圖像，在envi 5.1軟件中，研究區(qū)的土地利用類型分為：

③ 植被覆蓋因子的提取。在envi 5.1軟件中，利用波段數(shù)學(xué)工具，利用遙感方法估算植被覆蓋度。NDVI二元模型是線性混合像元分解模型中最簡(jiǎn)單、最準(zhǔn)確的一種，用于植被覆蓋度的估計(jì)。根據(jù)研究區(qū)域2014年的oli圖像，利用研究區(qū)域的紅外波段和近紅外波段，根據(jù)以下公式估算研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素的歸一化植被指數(shù)(NDVI)：

(6)

式中NIR表示近紅外波段;RED表示紅外波段。

然后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取置信區(qū)間， 確定NDVIsoil和NDVIveg， 依照下式估算各像元的植被覆蓋度FVC:

(7)

最后從30%～70%每隔15個(gè)百分點(diǎn)分一類，在ArcGIS 10.4軟件中進(jìn)行植被覆蓋度的重分類。并將得到的結(jié)果疊加分析。

3 結(jié)果分析

3.1 起伏度分析

在ARCGIS 5 km×5 km的分析窗口中，提取了地形起伏度指標(biāo)，然后依據(jù)地形起伏度劃分標(biāo)準(zhǔn)表3對(duì)地形起伏度進(jìn)行重分類色塊顯示。

表3 地形起伏度劃分

圖2 龍門縣地形起伏度示意

表4 龍門縣地形起伏度統(tǒng)計(jì)

地形起伏度分級(jí)面積/km2占比/%平原302.9413.20臺(tái)地213.4359.30丘陵422.2818.40小起伏山地87.213.80中起伏山地534.73523.30大起伏山地635.71527.70極大起伏山地98.6854.30

由圖2和表4可知，龍門縣境內(nèi)以山地為主，其中大起伏山地占比最高，為37.7%；極大起伏山地占比最低，僅為4.3%，是南昆山國(guó)家森林公園用地；平原地區(qū)占比為13.2%，多為城鎮(zhèn)用地和耕種用地；臺(tái)地占比9.3%；丘陵地區(qū)集中在平原周圍，占比為18.4%。整體空間上，呈現(xiàn)西部高東部低的過(guò)渡性地形差異。

3.2 土壤侵蝕分布分析

對(duì)各個(gè)圖層進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，在龍門縣土地利用類型中，通過(guò)調(diào)查分析，將水體劃分為無(wú)土壤侵蝕強(qiáng)度類型，建設(shè)用地劃分為微土壤侵蝕強(qiáng)度類型?？偨Y(jié)其他四類土地，得到龍門縣2018年土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖(見(jiàn)圖3所示)。

圖3 龍門縣土壤侵蝕強(qiáng)度分布示意

表5 龍門縣土壤侵蝕面積占比

VALUE等級(jí)面積占比/%1微度侵蝕56.32輕度侵蝕17.53中度侵蝕11.564強(qiáng)度侵蝕7.35極強(qiáng)度侵蝕6.776劇烈侵蝕0.57

由圖3可以看出，龍門縣土壤侵蝕較為分散，微度侵蝕范圍最廣，面積達(dá)到了56.3%，集中分布在地勢(shì)較為平坦的平原、臺(tái)地和丘陵地區(qū)。輕度和中度侵蝕區(qū)域主要分布在臺(tái)地地區(qū)，面積占比分別為17.5%、11.56%。大起伏山地區(qū)域主要以強(qiáng)度和極強(qiáng)度侵蝕為主，占比為7.3%、6.77%。劇烈侵蝕零星分布在山地地區(qū)，占比最小，僅為0.57%(見(jiàn)表5所示)。

經(jīng)計(jì)算得出龍門縣年均土壤侵蝕總量為3 399 354 t，年均侵蝕模數(shù)為31 200 t/(km2·a)。由土壤侵蝕現(xiàn)狀(見(jiàn)表6)可以得出各級(jí)侵蝕的侵蝕面積和侵蝕量分別為：微度侵蝕1 292 km2，258 417 t；輕度侵蝕401.6 km2，200 812 t；中度侵蝕265.3 km2，663 255 t；強(qiáng)烈侵蝕167.5 km2，837 675 t；極強(qiáng)烈侵蝕155.3 km2，1 242 972 t；劇烈侵蝕13 km2，196 222.5 t。年侵蝕量最大的是極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域，最小的是輕度侵蝕區(qū)域(見(jiàn)圖4所示)。

表6 龍門縣土壤侵蝕量計(jì)算

圖4 侵蝕面積與侵蝕量占比示意

3.3 地形與土壤侵蝕相關(guān)性

土壤侵蝕綜合指數(shù)可以用來(lái)分析不同地形起伏度條件下的土壤侵蝕狀況，該指數(shù)能夠反映土壤侵蝕的嚴(yán)重程度，可以用土壤侵蝕指數(shù)來(lái)表示。值越高表示對(duì)土壤侵蝕的綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)越大，其計(jì)算如下式[9]：

(8)

式中Wij代表第i類第j級(jí)的土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)值;Aij代表第i類第j級(jí)的土壤侵蝕強(qiáng)度的面積比重。

利用GIS技術(shù)， 對(duì)高程圖與土壤侵蝕圖進(jìn)行疊加， 產(chǎn)生土壤侵蝕與地形起伏之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)表7)。

表7 不同區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)

通過(guò)表7可以看出，極大起伏山地的侵蝕強(qiáng)度最高，為3.22，臺(tái)地的土壤侵蝕強(qiáng)度最低，為1.35。龍門縣土壤侵蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)都集中在中起伏山地以上的區(qū)域。地形起伏度越大，土壤侵蝕指數(shù)也越高，說(shuō)明，土壤侵蝕與地形起伏具有正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

基于從遙感影像中提取的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)龍門縣地形起伏度和土壤侵蝕的相關(guān)性分析，龍門縣境內(nèi)以山地為主，其中大起伏山地占比最高，為37.7%，整體地勢(shì)呈現(xiàn)西部高東部低的趨勢(shì)。龍門縣土壤侵蝕，微度侵蝕分布范圍最廣，面積占比為56.3%，而年均侵蝕量貢獻(xiàn)最大的為極強(qiáng)列侵蝕區(qū)域，侵蝕量為1 242 972 t，年均侵蝕量貢獻(xiàn)最小的部分為劇烈侵蝕區(qū)域，雖然侵蝕模數(shù)高，但是侵蝕面積占比下，侵蝕量?jī)H為196 222.5 t。隨著地形起伏度的增加，土壤侵蝕指數(shù)也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，二者的相關(guān)性為正相關(guān)。