基于3S技術(shù)的磨子潭水土流失動態(tài)監(jiān)測研究

王 冬， 楊學(xué)志， 董張玉， 鄒 橙

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230601; 2.工業(yè)安全與應(yīng)急技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

0 引 言

水土流失是指在水力、重力、風(fēng)力、凍融等自然狀態(tài)和人類活動影響下,對水土資源土地生產(chǎn)力造成損壞,包括土地表層侵蝕和水的損失[1]。若水土流失嚴(yán)重,則會導(dǎo)致耕地面積減少、土壤肥力降低,農(nóng)作物產(chǎn)量下降,從而會造成“越窮越墾、越墾越窮”的循環(huán)[2-3]。

水土流失動態(tài)監(jiān)測是水土保持措施工作開展的重要前提,也是對監(jiān)測區(qū)域水土保持措施驗(yàn)證的重要手段[4]。

美國早在1935年就設(shè)立了水土資源保護(hù)法(resources conservation act,RCA),特別是1954年設(shè)立的流域保護(hù)和防洪法案為美國水土流失防治工作提供了法律的保障,也為美國農(nóng)業(yè)部開展自然資源戰(zhàn)略規(guī)劃、建立水土保持監(jiān)測區(qū)與示范區(qū)提供指導(dǎo)[5-6]。歐洲為了治理荒溪、整治林地,建立了新經(jīng)濟(jì)體[7]。19世紀(jì)中期歐洲工業(yè)革命造成了阿爾卑斯山區(qū)環(huán)境急劇惡化,為防止山體災(zāi)害,阿爾卑斯山國家開展了荒溪治理行動并頒布相關(guān)法律,促進(jìn)了該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)[8]。20世紀(jì)90年代,歐洲主要通過數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析對山區(qū)生態(tài)監(jiān)測評價(jià),進(jìn)行山區(qū)生態(tài)環(huán)境的預(yù)警[9]。日本建立了許多水土保持方面的法律,如《砂防法》和《治山治水緊急處置法》[10]。1972年頒布了《山川防治法》、《河川法》、《砂防實(shí)施細(xì)則》。1990年,在水資源管理、河流恢復(fù)與保護(hù)方面,頒布了《近自然工法》和《河川法》[11]。日本在水土流失監(jiān)測方面,主要研究的內(nèi)容包括對監(jiān)測區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的綜合治理監(jiān)測,辨析生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展方向和影響要素[12]。

中國是世界上水土流失較嚴(yán)重的國家之一,截至2010年,根據(jù)全國第四次土壤侵蝕普查和水土保持措施等情況普查結(jié)果可知,全國仍有294.91×104km2水土流失面積,尤其在人口密度較大的水力侵蝕區(qū),水力侵蝕面積達(dá)129.32×104km2[13]。水土流失監(jiān)測評價(jià)是環(huán)境的重要評價(jià)指標(biāo)之一[14-15]。

本文將野外調(diào)研和室內(nèi)解譯相結(jié)合,致力于探究磨子潭水庫流域水土流失的變化規(guī)律,在磨子潭多個(gè)不同年份之間的對比基礎(chǔ)上,厘清了該地區(qū)水土流失的整體變化趨勢和其中重點(diǎn)區(qū)域的治理情況,為磨子潭流域后期的水土流失治理工作提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

磨子潭水庫位于安徽省六安市霍山縣的磨子潭鎮(zhèn),整個(gè)水庫大壩高85 m,平湖面積15 000畝,研究區(qū)位于東經(jīng)116°7′0.67″～116°28′44.76″,北緯30°58′18.09″～31°14′52.63″,研究區(qū)域總面積為570 km2。研究區(qū)具有由暖溫帶半濕潤地區(qū)往亞熱帶濕潤區(qū)過渡的特征,平均氣溫維持在15 ℃,無霜期約230 d,年降雨約900 mm。研究區(qū)內(nèi)怪石嶙峋、奇才多姿,土壤呈垂直節(jié)理發(fā)育,耕作以坡耕地為主。磨子潭地區(qū)的地質(zhì)地貌屬于極易引發(fā)水土流失、泥石流、滑坡等災(zāi)害的類型,易造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞[16]。1987年安徽省人民政府進(jìn)行皖西大別山區(qū)水土保持規(guī)劃,規(guī)劃基礎(chǔ)年為1985年,規(guī)劃目標(biāo)年限為2000年,期間整個(gè)皖西大別山區(qū)完成190×104畝的封山育林面積。規(guī)劃指出磨子潭為重點(diǎn)水土流失治理區(qū),要求水庫上游50%以上集水面積封山育林。磨子潭鎮(zhèn)看重生態(tài)資源,采取多種形式來發(fā)展當(dāng)?shù)毓I(yè)和旅游業(yè),在擁有豐富的自然資源下,磨子潭鎮(zhèn)積極開展扶貧工作,進(jìn)一步做活庫區(qū),讓生態(tài)經(jīng)濟(jì)長遠(yuǎn)發(fā)展。近年來,退耕還林補(bǔ)助資金由農(nóng)戶申報(bào)后,財(cái)政局統(tǒng)一通過惠農(nóng)平臺打卡入戶,通過一系列鼓勵(lì)政策,磨子潭鎮(zhèn)的生態(tài)得到極大的保護(hù)和改善[17]。利用30 a水土流失變化動態(tài)監(jiān)測,對磨子潭流域生態(tài)環(huán)境治理與建設(shè)具有深遠(yuǎn)意義。

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

針對研究區(qū)域,本文采用1984年、1992年、2002年、2009年、2015年的Landsat TM數(shù)據(jù)和1∶50 000的數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù),同時(shí)采用2015年高分一號數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用解譯復(fù)核,對Landsat TM影像數(shù)據(jù)中模糊區(qū)域進(jìn)行校準(zhǔn),從而大大提升土地利用解譯正確率。

Landsat TM是于1982年發(fā)射的,其影像包括了7個(gè)波段,波段1～5和波段7的空間分辨率為30 m。高分一號數(shù)據(jù)2013年4月26日發(fā)射,配置了2臺2 m全色分辨率相機(jī)、8 m分辨率多光譜相機(jī),4臺16 m分辨率多光譜寬幅相機(jī)[18]。對Landsat TM和高分一號數(shù)據(jù)分別進(jìn)行校正、融合、鑲嵌,再經(jīng)過裁剪得到研究區(qū)域影像數(shù)據(jù)。

DTM是表征高程各種地貌因子在內(nèi)(如坡度、坡向、坡度變化率等因子)的線性和非線性組合的空間分布,其中DEM為單項(xiàng)數(shù)字地貌模型,其他如坡度、坡向及坡度變化率等地貌特征可在DEM的基礎(chǔ)上衍生。

2 研究方法

土壤侵蝕的影響因子主要包括降水、地貌、地面組成物、土地利用、植被覆蓋、水土保持設(shè)施的數(shù)量和質(zhì)量等7個(gè)因素,其中,可采用坡度、土地利用、植被覆蓋的3因子技術(shù)進(jìn)行不同侵蝕度級別的劃分[19-20]。

本文采用Remote Sensing、全球定位系統(tǒng)(global position system,GPS),地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)的“3S”技術(shù)獲取上述3因子,依據(jù)水利行業(yè)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007),將磨子潭水庫流域進(jìn)行侵蝕度分類,具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 磨子潭水庫水土流失監(jiān)測技術(shù)路線

本文中的土地利用數(shù)據(jù)采用TM數(shù)據(jù)作為信息源,建立相應(yīng)的解譯標(biāo)注,通過土地利用分類編碼,在eCognition軟件和GIS技術(shù)的支持下,采用人機(jī)交互判讀,獲取磨子潭水庫流域不同時(shí)期的土地利用面積和相鄰年面積變化情況,并制作圖表。

土地利用分類流程如圖2所示。

圖2 土地利用分析解譯路線

植被覆蓋度和植被指數(shù)之間存在顯著相關(guān)性,TM數(shù)據(jù)近紅外波段(near infrared red,NIR)和紅外段(red,R)分別位于綠色植被的強(qiáng)反射光譜區(qū)和植物葉綠素的強(qiáng)吸收波段,通過歸一化植被指數(shù)(normalized differential vegetation index,NDVI)進(jìn)行反演得到植被覆蓋分級。NDVI數(shù)據(jù)可通過Landsat TM影像反演得到,其計(jì)算公式為:

其中,NIR和R分別為近紅外波段(0.76～0.96 μm)和紅外波段(0.62～0.69 μm)。植被覆蓋的分級流程如圖3所示。

坡度圖通過DEM數(shù)據(jù)在ARCGIS軟件中快速提取,數(shù)據(jù)采用1∶50 000的30 m分辨率數(shù)字高程圖。

圖3 植被覆蓋度分析路線

坡度是指地表單元的陡峭程度,一般把坡面垂直高度與水平距離之比稱為坡度。坡度計(jì)算公式為:

(1)

其中,S為坡度因子；θ為坡度。

根據(jù)(1)式并依照《水土保持技術(shù)規(guī)范》將坡度劃分成<5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°共6個(gè)等級。

在上述土地利用類型、植被覆蓋度和坡度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行相交處理,本文依照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》對水土流失分類公式進(jìn)行等級劃分。水土流失等級劃分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈6個(gè)等級,其中微度為非水土流失面積。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水土流失現(xiàn)狀特點(diǎn)

本文通過對磨子潭流域土地利用和植被覆蓋度的反演,再結(jié)合坡度對磨子潭流域進(jìn)行水土流失分析。首先,利用TM數(shù)據(jù)對磨子潭流域各年份的土地利用進(jìn)行解譯,解譯后的各年份土地利用通過高分二號進(jìn)行室內(nèi)驗(yàn)證以及野外驗(yàn)證點(diǎn)驗(yàn)證保證精度后,對各個(gè)年份的土地利用面積分類。土地利用分類面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1所列。

表1 磨子潭流域各年份土地利用面積 km2

同時(shí)針對各相鄰年份,給出林地到耕地、耕地到林地、林地到建設(shè)用地和其他土地等變化類型,并對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。磨子潭流域土地利用各相鄰年份面積差異見表2所列。

表2 磨子潭流域土地利用相鄰年份面積差異 km2

由表2可知,磨子潭流域以林地和耕地為主,1984—2015年間的林地面積持續(xù)增加,其中以1992—2002年間的增長最為明顯。整體上來說,水土保持的治理對當(dāng)?shù)亓值乇Ｗo(hù)起到了很大作用。建筑面積隨著年份的增加呈遞增趨勢,這與當(dāng)?shù)氐耐恋亟ㄔO(shè)息息相關(guān)。

根據(jù)土地利用相鄰年份差異分析可知,磨子潭水庫流域在林地變?yōu)楦氐耐瑫r(shí),耕地也在演變?yōu)榱值?并且林地演變耕地的面積遠(yuǎn)沒有耕地演變?yōu)榱值氐拿娣e多,這一點(diǎn)得益于政府對該流域的植被保護(hù)。

對TM數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋度反演,并對植被覆蓋各個(gè)年份圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到磨子潭流域各年份植被覆蓋面積見表3所列。

表3 磨子潭流域各年份植被覆蓋面積 km2

由表3可知,磨子潭水庫流域在1984年的中覆蓋及其以上面積(中覆蓋、中高覆蓋以及高覆蓋三者之和)占總面積比重為41.46%,1992年為58.21%,到2002年中覆蓋及其以上面積占總面積比重達(dá)到了80.67%。此后,在2010年和2015年的中覆蓋及其以上面積占總面積比重依次為85.65%和89.62%。從數(shù)據(jù)上看,在1984—2002年以及2002—2009年2個(gè)時(shí)間段的中覆蓋及其以上面積占總面積比重迅速提升。磨子潭水庫流域在1984—2015年間中覆蓋、中高覆蓋和高覆蓋在持續(xù)增長,結(jié)果與表2中各年份的林地持續(xù)增多現(xiàn)象相對應(yīng)。同時(shí),對相鄰年份的非建筑面積轉(zhuǎn)為建筑面積的統(tǒng)計(jì),即對相鄰年份地表擾動進(jìn)行分析。磨子潭相鄰年份土地?cái)_動面積變化如下：1984—1992年、1992—2002年、2002—2009年、2009—2015年土地?cái)_動面積變化分別為3.72、9.50、8.42、9.28 km2。這些變化反映出了20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初工業(yè)發(fā)展迅速,在2009-2015年間,土地?cái)_動的面積就達(dá)到了9.28 km2,這更說明了隨著工業(yè)化的發(fā)展,磨子潭流域土地?cái)_動面積的增長不斷擴(kuò)大,從而要求當(dāng)?shù)厝嗽诓粩嗌罨?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)還要樹立環(huán)境保護(hù)的思想。根據(jù)上述分析結(jié)果,將土地利用矢量、植被覆蓋矢量和坡度矢量進(jìn)行相交處理,通過水土流失等級劃分公式,對磨子潭水庫流域水土流失各年份進(jìn)行矢量分析。磨子潭各年份水土流失面積見表4所列。

表4 磨子潭流域各年份水土流失面積 km2

從表4可以看出,1984年、1992年、2002年、2009年的水土流失微度面積占比分別為48.46%、62.29%、 67.34%、68.79%，由此可看出,在1984-2015年間水土流失的程度逐年向好,其中2015年微度面積占比更是達(dá)70.78%。

3.2 水土流失動態(tài)監(jiān)測分析

水土流失動態(tài)監(jiān)測能夠反映磨子潭水庫流域隨時(shí)間的水土流失變化情況,能夠?yàn)樵搮^(qū)域水土流失治理情況提供一個(gè)更好的跟蹤措施,可評價(jià)該區(qū)域內(nèi)水土流失等級之間轉(zhuǎn)換情況,因?yàn)樗亮魇е傅氖浅⒍鹊燃壨獾钠渌械燃?所以將相鄰年份輕度轉(zhuǎn)微度、中度轉(zhuǎn)微度的部分提取出來。另外,由于工程建設(shè)和人為活動等原因造成的耕地林地破壞,會引起中度轉(zhuǎn)強(qiáng)烈和微度轉(zhuǎn)強(qiáng)烈的情況發(fā)生,因此，本文采用4個(gè)不同等級之間的面積轉(zhuǎn)換對磨子潭水庫流域的水土流失監(jiān)測進(jìn)行動態(tài)分析。磨子潭流域各年份水土流失動態(tài)面積變化如圖4所示。

圖4 相鄰年份水土流失面積變化

根據(jù)圖4對磨子潭水庫流域進(jìn)行水土流失動態(tài)矢量圖的統(tǒng)計(jì)，得到磨子潭流域水土流失相鄰年份面積差異見表5所列。

表5 磨子潭流域水土流失相鄰年份面積差異 km2

據(jù)資料記載,1969—1984 年磨子潭綜合治理措施以植樹種草、塘堰壩為主[21]。由表5知,1984—1992年間輕度、中度轉(zhuǎn)換為微度面積共為211.6 km2,這說明在該段時(shí)間內(nèi),水土保持措施發(fā)揮了很好的效果,水土流失程度得到明顯的改善。1992—2002年,輕度與中度轉(zhuǎn)換為非水土流失成分的面積為87.5 km2。進(jìn)入20世紀(jì)以來,磨子潭水庫流域的水土流失平均每10年間改善60 km2左右。在中度與微度轉(zhuǎn)換為強(qiáng)烈情況中,各相鄰對比年份的面積總數(shù)均不大于10.5 km2,其中1984—1992年間為10.1 km2,為對比年份當(dāng)中最大項(xiàng),這也說明在水土流失改善的過程中,通過建設(shè)塘堰壩與水土保持措施的工程雖很大程度改善了水土流失,但也會對水土流失造成一定負(fù)面影響。

4 結(jié)論與討論

1984—2015年間磨子潭水庫流域的水土流失程度逐年向好發(fā)展,微度等級的增加說明水土保持措施起到了良好作用。林地逐年增多,說明該區(qū)域生態(tài)環(huán)境有很大轉(zhuǎn)變,另外中覆蓋、中高覆蓋和高覆蓋在2015年達(dá)到了510.89 km2,占區(qū)域總面積的89.6%。高植被覆蓋有效降低整個(gè)磨子潭水庫流域的水土流失程度,中覆蓋及其以上面積(中覆蓋、中高覆蓋以及高覆蓋之和)、林地面積與非水土流失面積(微度)之間的關(guān)系見表6所列。

表6 各年份中覆蓋及其以上、林地、非水土流失面積 km2

由表6可知,林地面積與中覆蓋及其以上面積與非水土流失面積正相關(guān),林地面積與中覆蓋及其以上面積的提升,能夠?yàn)樗亮魇Ц纳茙碇苯拥拇龠M(jìn)作用,磨子潭水庫流域應(yīng)該重視林地的保護(hù)措施,同時(shí)要注意建設(shè)項(xiàng)目的開發(fā)是否合理。磨子潭水庫流域所處的霍山縣,在1991年普查時(shí),全縣水土流失面積達(dá)到1 592 km2,占總面積的78%,每年水流土壤達(dá)到600多萬噸。1992年開始,霍山縣被列為淮河流域水土保持綜合治理開發(fā)的重點(diǎn)縣,開展了大規(guī)模小流域連片治理,建立起水保經(jīng)濟(jì)林基地。2003年霍山縣水土流失面積相比較1992年減少了近800 km2,取得了顯著成績。磨子潭水庫流域水資源豐富,環(huán)境基礎(chǔ)正在建設(shè)中[22],在進(jìn)行水土流失治理的過程中,應(yīng)注意以下問題:

(1) 嚴(yán)格把控開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目。在磨子潭水庫流域旅游業(yè)迅速開展的過程中,需要針對道路修建、景點(diǎn)建設(shè)制定相應(yīng)政策,防止破壞現(xiàn)有的大片林地,以及對當(dāng)?shù)厮Y源的污染。針對破壞程度存在商榷的項(xiàng)目,政策應(yīng)該嚴(yán)格把關(guān);對破壞程度較高的建設(shè)項(xiàng)目,政府應(yīng)直接不予批復(fù)[23]。在項(xiàng)目執(zhí)行過程中,政府需要進(jìn)行監(jiān)督,在項(xiàng)目完成后需要對水土流失部分進(jìn)行快速治理,做到經(jīng)濟(jì)與水土保持共同向好發(fā)展。

(2) 持續(xù)推動退耕還林政策。磨子潭水庫流域現(xiàn)擁有較好的植被覆蓋,耕地面積也占多數(shù),在退耕還林的政策面前,既改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境,又保證人均收入。堅(jiān)持因地制宜的政策,開展旅游業(yè)和水產(chǎn)業(yè)的同時(shí)要保護(hù)林地。另外,發(fā)揮水資源和環(huán)境優(yōu)勢,在經(jīng)濟(jì)、市場、技術(shù)面前進(jìn)行第三產(chǎn)業(yè)的開發(fā),有規(guī)劃地進(jìn)行林地保護(hù)。

(3) 規(guī)范坡耕地開發(fā)活動。坡地進(jìn)行茶園種植活動是磨子潭地區(qū)的特點(diǎn)之一,通常坡地存在土壤薄、保水差的特點(diǎn)。另外,若坡耕地配套設(shè)施不完善,水資源難以及時(shí)補(bǔ)充,造成水土流失的概率很大。因此需要規(guī)范坡耕地建設(shè),做到農(nóng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)防止水土流失發(fā)生。

經(jīng)過多年規(guī)范的水土流失治理,磨子潭水庫流域水土流失程度改善效果明顯,應(yīng)堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境治理相結(jié)合,本文通過近30 a來磨子潭水庫流域水土流失進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測分析,不僅可對該區(qū)域前30 a的水土流失治理手段進(jìn)行評價(jià),更為該區(qū)域后續(xù)的水土流失治理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。