基于DEM的涼山州水土流失地形因子分析

謝 陽 王如淵

（西華師范大學(xué)，四川 南充 637002）

1 引言

水土流失是指受到人們不合理利用土地和森林資源等人為活動因素以及一些環(huán)境或自然因素，導(dǎo)致地表的土壤和水分同時(shí)流失的現(xiàn)象［1］。中國是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一。水土流失對生態(tài)環(huán)境和人們的生活有著嚴(yán)重的影響［2］。四川省涼山州地區(qū)的水土流失現(xiàn)象覆蓋近半個(gè)州，是我國水土流失極其嚴(yán)重的地區(qū)之一［3］。本文主要利用30 m分辨率的涼山州DEM數(shù)據(jù)，分析地形因子y與涼山州水土流失的相關(guān)性［4］。DEM全稱是數(shù)字高程模型，在DEM中可以對剖面曲率，即坡度變化率等地形因子特性進(jìn)一步提取［5］。本文著重提取涼山州多個(gè)單一地形因子，對坡度、坡向和高程變異系數(shù)三個(gè)重要參數(shù)［6］進(jìn)行全州區(qū)域的提取，并對其進(jìn)行科學(xué)分析，為政府部門進(jìn)行水土治理工作提供數(shù)據(jù)參考。

2 研究區(qū)概況

涼山州位于四川省西南部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季降雨占該區(qū)域全年降雨量的90%以上，冬季少雨且干熱，形成了降雨集中、四季分明的特點(diǎn)。涼山州地表起伏大，地形地貌復(fù)雜，且多數(shù)呈南北走向。在這種氣候和復(fù)雜地形條件下，當(dāng)?shù)厝菀装l(fā)生山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺下載的四川省分辨率為30 m的HTG格式的文件。在ArcGIS10.3中通過地理處理——裁剪，得到?jīng)錾街莸腄EM柵格數(shù)據(jù)，再通過鑲嵌工具進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)拼接，然后通過數(shù)據(jù)管理工具將其設(shè)置為地理坐標(biāo)系WGS 1984，最后利用按掩膜提取工具得到分辨率為30 m的涼山州DEM數(shù)據(jù)（如圖1）。

圖1 涼山州DEM示意圖

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

3.2.1 坡度因子。坡度表示了地面在該點(diǎn)的傾斜程度。在ArcGIS軟件中，坡度的計(jì)算原理是計(jì)算某個(gè)柵格像元與其最鄰近的柵格像元之間的變化波動［7］。選擇坡度因子來分析水土流失因子的原因是在估算水土流失量的方程中，坡度因子是重要的一個(gè)參數(shù)指標(biāo)。

3.2.2 坡向因子。坡向通俗的理解就是地表由高及低的方向［8］。坡向?qū)χ脖坏纳L率、成活率及覆蓋率有著一定程度的影響。坡向的不同，不僅會導(dǎo)致山地植被及土壤受到太陽輻射強(qiáng)度和日照時(shí)間有較大不同，而且會導(dǎo)致雨水對山坡的侵蝕程度不同。而山地的被侵蝕程度、植被成活率、植被覆蓋率等都與水土流動息息相關(guān)，所以選擇該因子進(jìn)行分析。

3.2.3 高程變異系數(shù)。高程變異系數(shù)用高程變化的標(biāo)準(zhǔn)差與平均高程的比值來表示［9］。選擇高程變異系數(shù)開展研究的原因是，該系數(shù)反映了地區(qū)范圍內(nèi)高程值的變化，其對水土流失的流向有一定影響。其計(jì)算公式為：

其中，H表示高程變異系數(shù)，Hstd表示區(qū)域內(nèi)的高程標(biāo)準(zhǔn)差，Hmean表示區(qū)域內(nèi)高程的平均值。

4 結(jié)果與分析

4.1 坡度分析

坡度反映了地表的起伏狀況，對地表水水力侵蝕的速度和加速度、地表對降雨的滲透等有較大影響，進(jìn)而對地表物質(zhì)的侵蝕搬運(yùn)和堆積產(chǎn)生影響。由此可見，坡度對土壤侵蝕及水土流失有著重要的影響。加載ArcGis 10.3軟件，通過其中的坡度分析，進(jìn)行坡度計(jì)算，然后利用Spatial Analyst進(jìn)行重分類得到?jīng)錾街莞鞯貐^(qū)坡度結(jié)果（如圖2）。

涼山州坡度小于15°的地區(qū)占全域總面積的33%。此區(qū)域地形較為平坦，發(fā)生水土流失的概率較小，適合人們生產(chǎn)生活。對于此類區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行定期監(jiān)測，防止其坡度出現(xiàn)突發(fā)性變化。

涼山州坡度為15～35°的地區(qū)面積占比最大，占涼山州全域面積的60%。有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對這些區(qū)域的生態(tài)保護(hù)和地形勘察，做好水土保持工作。

涼山州坡度大于35°的地區(qū)占總面積的18%。此區(qū)域地形最為陡峭和險(xiǎn)峻，在夏季降雨豐富的時(shí)候，容易發(fā)生較為嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象。該區(qū)域占涼山州的總體面積比重較大，政府部門應(yīng)對此足夠重視，在地表加固、路堤防護(hù)、安裝標(biāo)識的基礎(chǔ)上，及時(shí)對水土沖刷區(qū)的居民實(shí)施搬遷。

4.2 坡向分析

坡向通俗的理解就是一個(gè)山坡坡面的朝向。在DEM中，根據(jù)不同方向的投影，將其進(jìn)行9個(gè)方向的劃分［10］。不同坡向?qū)χ脖簧锷L量、接受日照的時(shí)間、生長速率以及對土壤的受侵蝕程度都有頗為顯著的影響。加載ArcGis 10.3軟件，在進(jìn)行坡面分析的基礎(chǔ)上，通過Spatial Analyst進(jìn)行重分類，得到?jīng)錾街萜孪蚍治鼋Y(jié)果（如圖3所示）。

圖3 涼山州坡向圖

結(jié)果表明，在本區(qū)域中，陽坡區(qū)域占涼山州總面積的59%，陰坡區(qū)占涼山州總面積的40%。陽坡接受的太陽輻射能量較多，但所得到的雨水量比陰坡少，因此，植被覆蓋度較低，所以在雨季容易出現(xiàn)水土流失。陰坡接受的日照輻射量較少，土壤中的水分蒸發(fā)較緩慢，植被覆蓋率較高，易形成森林，對水土的保持效果較好。

因此，在水土治理工作中，應(yīng)對陽坡占比較大的區(qū)域加強(qiáng)管理。在此類地區(qū)，宜大力種草植灌，增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)植被覆蓋率；對于陰坡區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)對森林防盜伐和森林防火的管理，設(shè)置森林保護(hù)區(qū)，不斷提高植被的生長速率。

4.3 高程變異系數(shù)分析

高程變異系數(shù)可衡量地面高程的變化以及地面起伏變化情況。在數(shù)字高程模型中，高程變異系數(shù)與地面高程變化和地面起伏變化率呈正相關(guān)，其值越大就表明越容易導(dǎo)致水土流失［11］。加載ArcGIS 10.3軟件，通過Spatial Analyst鄰域分析和塊統(tǒng)計(jì)，再進(jìn)行柵格計(jì)算和重分類，得到?jīng)錾街莞叱套儺愊禂?shù)圖（如圖4）。

圖4 涼山州高程變異系數(shù)圖

涼山州地形高程變異系數(shù)的變動范圍為0.000～0.344。從整體來看，該區(qū)域的地形高程變異系數(shù)值的增長幅度大致均等，其中高程變異系數(shù)在0.002 7～0.0080的區(qū)域占比較大，由此可知該地區(qū)的地面起伏變化率不大；但是也有部分區(qū)域高程變化較大，占全州總面積的1.17%。高程變化較大區(qū)域發(fā)生水土流失的可能性較大。因此，政府部門應(yīng)把此類區(qū)域納為重點(diǎn)治理對象。

5 結(jié)論

涼山州地形復(fù)雜多樣，區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)坡度較大，對此區(qū)域應(yīng)該加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)和地形勘察，做好水土保持工作。對于占全州18%面積的陡峭區(qū)域，由于其水土流失風(fēng)險(xiǎn)較高，政府部門應(yīng)對此高度重視，做好生態(tài)修護(hù)、災(zāi)害預(yù)警工作。對于陽坡水土流失的潛在危機(jī)，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)加強(qiáng)植被恢復(fù)；對陰坡潛在的森林火災(zāi)危害，應(yīng)做到及時(shí)監(jiān)測預(yù)警。對于全州地形起伏大的區(qū)域，涼山州政府應(yīng)將其納入水土流失重點(diǎn)治理范圍，減小水土流失風(fēng)險(xiǎn)。