地形因子在蘆山縣水土流失評價中的應用研究

黎武 王汝蘭 梁明智 牛冬強 何曉宇 季澤 駱志敏

摘 要：地形因子是重要的水土流失影響參數(shù)，分析地形因子對區(qū)域水土流失評價具有重要意義。該研究以蘆山縣空間分辨率30m的DEM數(shù)據(jù)為基礎數(shù)源，在ArcGIS10.3中利用空間分析模塊計算蘆山縣坡度、坡長、LS因子、地形起伏度、地表切割深度和地表粗糙度，并結(jié)合蘆山縣水土流失現(xiàn)狀，分析地形因子對蘆山縣水土流失的影響，為該區(qū)域水土保持工作提供參考。

關鍵詞：地形因子;水土流失;DEM;蘆山縣

中圖分類號 S157 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）16-0168-04

Application of Topographic Factors in Soil and Water Loss Evaluation of Lushan County

LI Wu1，2，3 et al.

（1Organization Department of CPC Fushun County Committee， Fushun 643200， China; 2Water Affairs Bureau of Fushun County， Fushun 643200， China; 3Water Resources Bureau of Lushan County， Lushan 625600， China）

Abstract： Topographic factors is an important influencing parameter of soil and water loss， and the analysis of topographic factors is of great significance to the evaluation of regional soil and water loss. In this paper， the DEM data with 30m spatial resolution in Lushan County is used as the basic data source. In ArcGIS10.3， the spatial analysis module is used to calculate the slope， slope length， LS factor， relief amplitude， surface incision and surface roughness length of Lushan County. Combined with the current situation of soil and water loss in Lushan County， the influence of topographic factors on Soil and water loss in Lushan County is analyzed to provide some reference for the regional soil and water conservation.

Key words： Topographic factors; Soil and water loss; DEM; Lushan County

水土流失是指在水力、重力、風力等外營力作用下，水土資源和土地生產(chǎn)力遭受的破壞和損失[1]。地形是影響土壤侵蝕的重要因素[2]，地形因子包括微觀和宏觀地形因子[3]，坡度、坡向、坡長等是重要的微觀地形因子參數(shù)，地形起伏度、地表切割深度、地表粗糙度等則是比較常見的宏觀地形因子參數(shù)[4]。土壤侵蝕模型中用地形因子定量反映地形對土壤侵蝕的影響[5]，并成為土壤侵蝕定量研究的有效手段[6]。地形因子選取和提取是區(qū)域水土流失研究的基礎[7]。關于地形因子與土壤侵蝕的研究有很多，蔣榮[8]系統(tǒng)分析了地形因子對貴州喀斯特地區(qū)坡面土壤侵蝕及產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，并構(gòu)建坡度坡長因子的估算公式。梁曉珍等[9]比較地形因子計算方法對土壤侵蝕評價的影響，為不同地區(qū)的地形因子計算方法的選取和土壤侵蝕評價提供理論基礎。張哲[10]闡明黃土丘陵區(qū)地形因子對土壤水分的影響及其尺度效應。汪邦穩(wěn)等[11]利用DEM修正通用土壤流失方程提取地形因子的值。李琪等[12]利用地形因子修正土壤侵蝕評價指數(shù)，優(yōu)化了小流域尺度土壤侵蝕評價的精度。這些研究為地形因子在土壤侵蝕評價中的應用提供了理論指導。蘆山縣域多山、地形較陡，90%以上為中高山，降雨量大且集中[13]，不合理的開發(fā)活動極易引發(fā)水土流失。為此，筆者選取蘆山縣為研究區(qū)域，通過GIS軟件提取6個地形因子參數(shù)，探索地形因子對該區(qū)域水土流失的影響，并對比2018年蘆山縣土壤侵蝕圖，分析地形因子與土壤侵蝕之間的關系，為蘆山縣的水土保持工作和水土流失治理提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 蘆山縣地理位置在102°52′～103°11′E、30°01′～30°49′N，位于四川盆地西緣、雅安市東北部、青衣江上游，東接邛崍市，西北抵寶興縣，東北與崇州、大邑相連，南靠雨城區(qū)，西南接天全縣[14]。盆周山地地貌區(qū)，以中高山為主，地勢北高南低[15]，呈現(xiàn)西北向東南傾斜[16]。屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，降雨多且集中，多數(shù)集中于夏季，年平均降水量1313.1mm[13]。蘆山縣幅員面積1191.14km2，下轄1街道、7鄉(xiāng)鎮(zhèn)，人口11.82萬（2019年）。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法 采用ASTER-GDEM數(shù)據(jù)（地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載），空間分辨率為30m×30m，將獲取的DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS10.3中進行拼接、裁剪等處理得到蘆山縣的DEM數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀地形因子參數(shù)提取

2.1.1 坡度 坡度是指地表任意一點的切平面與水平地面的夾角[4]。坡度的大小影響土壤侵蝕的強弱，決定著水土保持措施的選取應用[17]。在ArcGIS10.3軟件中，提取蘆山縣的坡度，按照《土壤侵蝕分類分級標準》中地面坡度分級標準，將坡度分為0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°共6個等級[18]。

2.1.2 坡長與LS因子 坡長決定坡面水流能量沿程變化，影響坡面徑流與產(chǎn)沙過程[19]。LS因子常用于土壤侵蝕模型中土壤侵蝕量的計算。采用劉寶元[20， 21]的中國土壤侵蝕模型計算坡長和LS因子，其中L是坡長因子;S是坡度因子;θ為坡度值;[λ]為坡長值（m）;m為坡長指數(shù)。

[S=10.08×sinθ+0.03 ? ? θ<5° ?16.8×sinθ-0.5 ? ? ? ? ?5≤θ<10°21.91×sinθ-0.96 ? ? θ≥10°]

[L=（λ/22.1）m]，[m=0.2 ? ? ? ?θ≤1° ?m=0.3 ? ? ? ?1°<θ≤3°m=0.4 ? ? ? ?3°<θ≤5° m=0.5 ? ? ? θ>5°]

2.1.3 微觀地形因子分析 坡度、坡長和LS因子是定量分析水土流失的重要因子，基于DEM提取微觀地形3個參數(shù)，能較好地分析和評價區(qū)域水土流失。由表1可知，蘆山縣總體上坡度較大，坡度在25°～35°的占比最大，為28.07%，坡度>15°區(qū)域占比達79.09%。從空間分布特征來看，蘆山縣坡度整體上呈北大南小，并且坡度大致由西北向東南遞減，這種變化趨勢與蘆山縣地形地貌特征基本吻合（圖1）。坡度>25°的區(qū)域集中分布在北部和東部，這是由于北部和東部為中高山區(qū)，海拔較高、谷深坡陡的緣故;坡度<15°的區(qū)域主要分布在蘆山河和寶興河河谷兩側(cè)地帶，這些區(qū)域位于地形開闊地帶，海拔較低，地形起伏小，地形相對較平坦，是各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口集聚地。蘆山縣的坡長在30～207.167m，坡長總體較長。從空間分布來看，蘆山縣北部和東部的坡長總體上大于南部，坡長空間變化與坡度基本一致（圖1）。坡長較大值主要分布在大川鎮(zhèn)和太平鎮(zhèn)連續(xù)的山地斜坡上，較小值主要分布在蘆山河和寶興河的河谷地帶。但局部地區(qū)有所差異，坡度大的區(qū)域，坡長反而較小，坡長存在不連續(xù)性，這是由于ArcGIS計算坡長是基于水流方向，坡度較大的中高山地山脊匯流距離短，坡長小，致使坡度與坡長變化出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。蘆山河和寶興河的河谷地帶坡長小，主要由于河谷谷底坡度變緩，泥沙在低處容易發(fā)生沉積，坡長在計算時發(fā)生中斷，導致坡長較小。蘆山縣的LS因子為0.0319～62.645。LS因子在空間分布上整體表現(xiàn)為北部和東部區(qū)域大于南部，蘆山河和寶興河河谷地帶LS因子值較小，河谷兩側(cè)較大，這與坡度的空間分布特征一致（圖1）。北部大川鎮(zhèn)坡度和坡長皆大的區(qū)域，LS因子值也大，表明該區(qū)域LS因子值受坡度和坡長的綜合影響。局部地區(qū)如龍門鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)河谷平壩地帶和飛仙關鎮(zhèn)東部部分區(qū)域，坡長值不大，LS因子值反而較大，這說明LS因子值受坡度影響更大。

2.2 宏觀地形因子參數(shù)提取

2.2.1 地形起伏度 地形起伏度是區(qū)域內(nèi)最大高程與最小高程的差[22]，反映區(qū)域地形起伏特征和水土流失類型區(qū)的土壤侵蝕特征，是區(qū)域水土流失評價合適的地形指標[23]。采用窗口分析法（默認矩形窗口，開始3×3，終止65×65，間隔2）計算蘆山縣地形起伏度，并用均值變點分析法確定最佳窗口，計算得出蘆山縣地形起伏度最佳窗口為21×21，起伏度為0～1064m。

2.2.2 地表切割深度 地表切割深度是區(qū)域內(nèi)平均高程與最小高程的差[23]，反映地表切割狀況，是研究水土流失和地表侵蝕發(fā)育的重要參數(shù)[4]。地表切割深度亦采用窗口分析法和均值變點法，得出蘆山縣地表切割深度最佳窗口為21×21，地表切割深度為0～581.274m。

2.2.3 地表粗糙度 地表粗糙度為地表單元的曲面面積與其在水平面上的投影面積之比[24， 25]，用以量化地形地貌起伏變化和侵蝕程度[26]，數(shù)值大小表示地面的破碎程度，地表越破碎，水土流失越嚴重，因此也可作為水土流失研究的一個重要參數(shù)。采用ArcGIS10.3的柵格計算器計算地表粗糙度。

2.2.4 宏觀地形因子分析 宏觀地形因子可以表達大區(qū)域的地表宏觀地形特征，是重要的水土流失定量研究參數(shù)。地形起伏度表征區(qū)域地形起伏大小，直接影響水土流失;地表切割度可用于衡量區(qū)域地表發(fā)育狀況;地表粗糙度可量化地表侵蝕程度大小。這3個參數(shù)的選取應用可以較為直觀地分析蘆山縣的水土流失宏觀變化特征。

由表2可知，蘆山縣地形起伏度主要在200～500m，占比達66.81%;其次為70～200m，占比達17.98%;500～1064m占比10.56%。從空間分布上看，蘆山縣北部和東部起伏度大，南部小，并且由西北向東南逐漸減小，這與地勢變化趨勢一致（圖2）。地形起伏度在0～200m主要集中分布在蘆山河和寶興河河谷兩側(cè)地帶，這些區(qū)域基本都是各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口集聚地或重要的沿河居民點，地形相對平坦，起伏度較小，比較適宜居住;起伏度在200～500m分布最廣，基本各鄉(xiāng)鎮(zhèn)都有分布，位于縣域內(nèi)中高山地和蘆山河、寶興河河谷兩側(cè)山地，其中大川鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)、雙石鎮(zhèn)、龍門鎮(zhèn)和飛仙關鎮(zhèn)東部分布最廣;500～1064m起伏度主要分布在大川鎮(zhèn)。起伏度越大，地形越破碎，土壤抗沖性和抗蝕性較差，生產(chǎn)活動容易導致水土流失，這些區(qū)域應加強人類活動的控制，避免大型建設項目，做好水土保持措施，減少水土流失。由表3可知，蘆山縣地表切割深度主要在100～300m，占比達68.73%;其次是50～100m，占比17.27%;地表切割深度<50m和>300m分別占10.09%和3.91%。在空間上，蘆山縣地表切割深度呈北部和東部大、南部小的特征。切割深度強烈的區(qū)域主要在大川鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)、雙石鎮(zhèn)和龍門鎮(zhèn)，地表切割深度小的區(qū)域主要分布在蘆山河和寶興河河谷平壩人口集中區(qū)地區(qū)，這種分布趨勢與地形起伏度特征大致吻合（圖2）。由圖2可知，蘆山縣地表粗糙度在1～5.5458，在空間上大川鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)和寶盛鄉(xiāng)地表粗糙度較大，蘆山河、寶興河河谷平壩地區(qū)地表粗糙度較小，主要在蘆陽街道、思延鎮(zhèn)和龍門鎮(zhèn)平壩地區(qū)。地表粗糙度越大，表明地表越破碎，一旦開展生產(chǎn)建設活動，極易造成水土流失。

2.3 地形因子與水土流失的關系 為進一步闡述微觀和宏觀地形因子參數(shù)與研究區(qū)水土流失的關系，依據(jù)四川省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站提供的2018年蘆山縣土壤侵蝕圖，對比提取的地形因子參數(shù)空間分布圖，得出蘆山縣土壤侵蝕強度與地形因子的關系主要表現(xiàn)為：（1）蘆山縣強烈及以上侵蝕主要分布在大川鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)中高山區(qū)和蘆山河、寶興河河谷平壩人口聚集區(qū)。這主要是由于大川鎮(zhèn)和太平鎮(zhèn)是中高山區(qū)，海拔較高，坡度較大，坡長較長，并且多暴雨，容易引起水土流失。蘆山河和寶興河河谷平壩地區(qū)水土流失嚴重，主要是由于這些區(qū)域人口集中，生產(chǎn)活動多，容易造成水土流失。（2）蘆山縣坡度和LS因子均表現(xiàn)為北部和東部大、南部小，盡管坡長局部區(qū)域有所差異，但總體上亦呈這種變化趨勢。據(jù)2018年蘆山縣土壤侵蝕圖，大川鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)和寶盛鄉(xiāng)土壤侵蝕嚴重，這與LS因子空間分布基本吻合。但蘆山河、寶興河河谷平壩地帶坡度、坡長和LS因子都較小的區(qū)域土壤侵蝕劇烈，這是由于采用CSLE模型計算土壤侵蝕量，計算結(jié)果還受區(qū)域生物措施因子、工程措施因子和耕作措施因子的影響。蘆山縣的人口、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)活動主要集中在蘆山河、寶興河河谷平壩地帶，這些區(qū)域地表擾動破壞較大，水土流失嚴重。（3）蘆山縣地形起伏度、地表切割深度和地表粗糙度均表現(xiàn)為北部和東部中高山地大、南部地形開闊區(qū)小的空間分布特征。宏觀地形因子空間變化特點與微觀地形因子空間分布大致相同。蘆山河、寶興河河谷平壩地帶宏觀地形因子值較小，土壤侵蝕強度卻較強，這種變化趨勢與該區(qū)域人為活動頻繁有關。

3 結(jié)論與討論

基于分辨率30m的DEM提取蘆山縣影響水土流失的地形因子參數(shù)，通過分析蘆山縣坡度、坡長、LS因子、地形起伏度、地表切割深度和地表粗糙度，研究蘆山縣的水土流失特征。結(jié)果表明：選取的地形因子能較好地表達地貌形態(tài)特征，蘆山縣目前水土流失強度空間分布特征與選取的參數(shù)反映的結(jié)果較為契合。坡度和坡長是LS因子計算的重要參數(shù)，LS因子的變化特征反映了研究區(qū)坡度與坡長的特征，LS因子在空間上的分布特征與坡度的分布特征更為相似。LS因子總體上與坡長變化趨勢類似，但局部細微地形中存在反?，F(xiàn)象，即坡長值不大，但LS因子值反而較大，說明研究區(qū)LS因子受坡度影響更大。地形起伏度、地表切割深度和地表粗糙度空間變化趨勢較為一致，較好地從宏觀尺度上反映了蘆山縣的地形特征，而這種地形地貌特征是研究區(qū)域水土流失宏觀評價的重要評價依據(jù)，認識其變化規(guī)律對蘆山縣水土流失預防和治理工作具有重要意義。

由于數(shù)據(jù)收集的限制，本研究僅分析相對穩(wěn)定的地形因子對蘆山縣水土流失的影響，而未分析生物措施因子、工程措施因子和耕作措施因子等相對動態(tài)的因子對蘆山縣水土流失的影響，下一步將配合四川省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站積極開展年度水土流失消長評價，以便更好地開展蘆山縣水土保持日常工作。

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（責編：徐世紅）