基于RULSE的九寨溝縣地震后土壤侵蝕定量分析

唐藝嘉，王澤根

（西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500）

2017年8月8日21時(shí)19分，在四川省北部阿壩州九寨溝縣境內(nèi)發(fā)生7.0級(jí)中強(qiáng)地震，震中處比芒村距九寨溝核心景區(qū)僅5km，震源深度20km，震后發(fā)生多次余震。九寨溝國(guó)家自然保護(hù)區(qū)受損林地總面積為13 268.29hm2，強(qiáng)震不僅威脅災(zāi)區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，也使得該地區(qū)生態(tài)功能在不同程度上受到了損害，這必然導(dǎo)致土壤侵蝕量增加，加劇水土流失。地震會(huì)導(dǎo)致災(zāi)區(qū)的水土流失，致使其水土保持功能?chē)?yán)重受損，加重當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的惡化，因此土壤侵蝕量的計(jì)算和監(jiān)測(cè)也成了地震災(zāi)后重建工作中必須要重視的一環(huán)。

隨著3S 技術(shù)的快速發(fā)展，Wischmeier 等于1985年提出了通用水土流失方程（Universal Soil Loss Equation，ULSE），美國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部采用了該模型，隨著發(fā)展，之后有學(xué)者在此基礎(chǔ)上又提出了修正通用土壤流失模型（Revised Universal Soil Loss Equation，RULSE）。我國(guó)從20世紀(jì)80年代引入U(xiǎn)SLE 模型，但由于地區(qū)差異，美國(guó)使用的土壤侵蝕性模型并不適合我國(guó)的情況，因此需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。本文利用《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南[2017]》提出的RULSE 模型估算了九寨溝縣2018年的實(shí)際土壤侵蝕量。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

九寨溝縣位于四川省阿壩藏族羌族自治州境內(nèi)，地處青藏高原向四川盆地的過(guò)渡地帶，處于岷江斷裂帶和東昆侖斷裂帶東部交匯地帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。區(qū)域海拔為1 155～4 855m，屬高原濕潤(rùn)氣候。該地區(qū)降水較少，雨季為5 月到10 月，年平均降水量約為550mm，年平均氣溫12.5℃。九寨溝物產(chǎn)資源豐富，原始森林覆蓋面積達(dá)到了九寨溝縣總面積的一半以上，并孕育著多種珍稀動(dòng)植物。而突如其來(lái)的地震及其次生災(zāi)害，致使九寨溝縣17萬(wàn)余人受災(zāi)，并且造成了災(zāi)區(qū)環(huán)境資源的破壞，加快了水土流失。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究中所用到的數(shù)據(jù)主要有：分辨率為30m 的ASTGTM DEM 數(shù) 據(jù)、2018 年4 月9 日 的Landsat8 OLI_TIRS遙感影像、1 ∶100 萬(wàn)四川省土壤類(lèi)型圖、2018 年九寨溝縣氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)以及2019年行政邊界數(shù)據(jù)。土壤類(lèi)型圖為第二次全國(guó)土壤普查數(shù)據(jù)，并查考《四川省土種志》，利用ArcGIS 軟件插值可生成降水的柵格數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

本研究根據(jù)2017年國(guó)家環(huán)境保護(hù)部門(mén)頒發(fā)的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南[2017]》中所提到水土保持功能評(píng)估所采用的評(píng)估模型-修正通用土壤流失模型（RULSE）來(lái)定量計(jì)算2018年九寨溝縣土壤侵蝕量。水土保持量其計(jì)算公式如下所示：

式中：Ac為年平均水土保持量模數(shù)，t/（hm2·a）；Ap為潛在土壤侵蝕量模數(shù)，t/（hm2·a）；AR為實(shí)際土壤侵蝕量模數(shù)，t/（hm2·a）；R表示降雨侵蝕力因子，MJ·mm/（hm2·h·a）；K為土壤可侵蝕性因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；L表示坡長(zhǎng)因子；S表示坡度因子；C表示植被覆蓋因子，均無(wú)量綱。

根據(jù)公式（1）可知，土壤侵蝕量的計(jì)算公式為：

該方法利用植被覆蓋因子，與通用土壤流失模型（ULSE）中所用的植被覆蓋與管理因子相比，無(wú)須考慮水土保持因子的作用，處理更加簡(jiǎn)潔。

2 土壤侵蝕因子計(jì)算

2.1 降雨侵蝕力因子計(jì)算

降雨對(duì)土壤侵蝕可造成的潛在影響，可根據(jù)多年平均年降雨侵蝕力因子R計(jì)算。本文參考王萬(wàn)忠教授利用大量降水資料，對(duì)100多個(gè)城市R值進(jìn)行計(jì)算的研究方法[1]，利用ArcGIS 軟件，采用插值方法繪制R值柵格數(shù)據(jù)圖。

2.2 土壤可侵蝕性因子

土壤可侵蝕性因子是指在降雨的作用下，土壤顆粒被分離和搬運(yùn)的難易程度，反映了土壤對(duì)侵蝕的抵抗作用，與土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系，常用EPIC 模型來(lái)計(jì)算土壤可侵蝕性因子KEPIC。根據(jù)張科利等的研究表明，國(guó)外所使用的土壤侵蝕性模型并不適用于中國(guó)的土壤侵蝕性計(jì)算[2]，因此本文參考《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南[2017]》中所提到的公式對(duì)KEPIC進(jìn)行了修正。

2.3 坡度坡長(zhǎng)因子

地形是影響土壤結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素，除此之外，對(duì)植被的覆蓋也有植一定的影響。由于研究區(qū)地處山區(qū)，地形起伏較大，本文采用劉元寶提出的坡度坡長(zhǎng)因子算法[3]。

2.4 植被覆蓋因子

植被具有保持水土的作用，因此，植被覆蓋因子是侵蝕動(dòng)力的抑制因子。本文參照《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南[2017]》對(duì)水田、荒漠、濕地和建筑的賦值，分別為0、0.7、0、0.01，而旱地按植被覆蓋度計(jì)算。本研究利用Landsat8 OLI 數(shù)據(jù)按照上述所提到的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，通過(guò)人工目視解譯的方法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)并賦值。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)

本文參照SL190—2007土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研究區(qū)的土壤侵蝕結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)，然后結(jié)合RULSE 模型計(jì)算結(jié)果可知，2018年九寨溝縣的年土壤侵蝕總量為1 636.0kt，年平均土壤侵蝕模數(shù)為311.10t/（km2·a），土壤侵蝕面積為5 258.89km2，輕微度土壤侵蝕面積占土壤侵蝕總面積的86.30%，而輕度和中度土壤侵蝕量占土壤侵蝕總量的共69.19%，但并無(wú)劇烈侵蝕區(qū)域，可見(jiàn)研究區(qū)土壤侵蝕總體較為嚴(yán)重。

3.2 土壤侵蝕空間分布分析

九寨溝縣土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布如圖1所示，從圖中可以直觀地看出，研究區(qū)域內(nèi)較為嚴(yán)重的土壤侵蝕主要分布在漳扎鎮(zhèn)、永樂(lè)鎮(zhèn)、保華鎮(zhèn)和永豐鄉(xiāng)等，其中包括了震中處比芒村和九寨溝旅游景區(qū)，皆位于漳扎鎮(zhèn)內(nèi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得，漳扎鎮(zhèn)、大錄鄉(xiāng)、馬家鄉(xiāng)和黑河鄉(xiāng)的年土壤侵蝕量較高，而震中所在的漳扎鎮(zhèn)，其土壤侵蝕量占總侵蝕量的53.33%。

圖1 九寨溝縣土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布

3.2.1 土壤侵蝕與海拔的關(guān)系

九寨溝縣地勢(shì)以高山為主，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，該研究區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕量與海拔具有一定的相關(guān)性，土壤侵蝕量隨區(qū)域海拔的上升而增加，海拔在4 000m 以上時(shí)，土壤侵蝕量達(dá)到最大，為1 275.48t/（km2·a），海拔在2 000m 以上的土壤侵蝕量約占了總侵蝕量的91.67%。

3.2.2 土壤侵蝕與坡度的關(guān)系

地形是影響土壤侵蝕的一個(gè)主要因素，在本研究中，將10°作為坡度劃分的間隔，共分成8個(gè)坡度帶進(jìn)行研究，結(jié)果表明：土壤侵蝕會(huì)隨坡度的增加而大幅增長(zhǎng)，由此可得，土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度之間存在很好的相關(guān)性。當(dāng)坡度在20°～40°時(shí)，土壤侵蝕面積比率和侵蝕量比率達(dá)到最大，分別為66.86%和65.22%，因此加強(qiáng)20°～40°坡度區(qū)間內(nèi)的水土流失治理工作迫在眉睫。

3.2.3 土壤侵蝕與坡向的關(guān)系

坡向主要是影響了日照時(shí)常、水分以及溫度，使植被覆蓋情況有所不同，最終影響土壤侵蝕。研究結(jié)果表明：西南坡與東南坡土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕量比率最大，是由于受到西南季風(fēng)和東南季風(fēng)交替影響，降雨量增加，致使土壤侵蝕量增加；東坡與東北坡的侵蝕面積比率最大，分別為13.34%和13.13%，由于東坡和東北坡受光照時(shí)間較短，積溫，植被覆蓋率較低，使土壤侵蝕量增加。

3.2.4 土壤侵蝕與生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的關(guān)系

生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型決定了植被覆蓋因子的取值，因此不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型也會(huì)對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生影響。研究結(jié)果表明：旱地的土壤侵蝕模數(shù)最大，為2 201.89t/（km2·a），其次為水田和草地，森林和建筑的土壤侵蝕模數(shù)較小，而濕地幾乎不會(huì)造成土壤侵蝕。

4 結(jié)論

本文利用《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南[2017]》中提出的修正通用土壤流失模型（RULSE）對(duì)2018年九寨溝縣的土壤侵蝕量進(jìn)行了定量計(jì)算，并將該區(qū)域內(nèi)的土壤侵蝕強(qiáng)度劃分等級(jí)，定量分析了九寨溝縣土壤侵蝕的分空間布特征，并探求其與海拔、坡度、坡向和生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型之間的關(guān)系，可對(duì)九寨溝縣災(zāi)后重建中水土流失的治理提供參考。

1）九寨溝縣土壤侵蝕面積為5 258.89km2，年土壤侵蝕總量達(dá)到1 636.0kt，年平均土壤侵蝕模數(shù)為311.10t/（km2·a），中度及中度以下侵蝕強(qiáng)度面積占總侵蝕面積的94.34%，強(qiáng)度以上侵蝕面積所占比率較小。研究區(qū)域總體上土壤侵蝕較為嚴(yán)重，需要對(duì)侵蝕強(qiáng)度較大區(qū)域重點(diǎn)進(jìn)行防治。

2）九寨溝縣中度及其以上土壤侵蝕主要分布于漳扎鎮(zhèn)，永樂(lè)鎮(zhèn)、永豐鄉(xiāng)、保華鄉(xiāng)和郭元鄉(xiāng)。漳扎鎮(zhèn)、大錄鄉(xiāng)、馬家鄉(xiāng)和黑河鄉(xiāng)的年土壤侵蝕量較大，占總侵蝕量的77.52%，其中包括震中處比芒村和九寨溝景區(qū)在內(nèi)，因此，需重點(diǎn)加強(qiáng)上述各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水土流失治理。

3）研究區(qū)域內(nèi)，土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域主要分布在海拔2 000m 以上，占總侵蝕量的91.67%；坡度在20°～40°時(shí)，土壤侵蝕量占總侵蝕量的65.22%；坡向?yàn)闁|北坡、東坡、東南坡和西南坡時(shí)，土壤侵蝕量占總侵蝕量的57.49%；旱地、水田和草地的土壤侵蝕模數(shù)最大，分別為2201.89t/（km2·a）、1507.39t/（km2·a）、427.17t/（km2·a）。

九寨溝縣孕育了我國(guó)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和重點(diǎn)風(fēng)景名勝-九寨溝，但由于地震襲來(lái)，加劇了區(qū)域內(nèi)的水土流失，為了恢復(fù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域內(nèi)水土流失的監(jiān)測(cè)和治理，重建“九寨天堂”。