區(qū)域水土流失地形因子分析與提取研究

何毅

（海晏縣農(nóng)牧水利綜合服務(wù)中心，青海 海晏 812299）

受到人類活動(dòng)的劇烈影響，自然氣候以及地表植被等在近十年來改變明顯，生態(tài)環(huán)境日益惡化，最為顯著的后果是土壤的侵蝕和退化[1]。水土流失作為自然災(zāi)害之一，其內(nèi)因是人類對森林的大量砍伐、牧場的過度養(yǎng)殖、以及土體鹽堿化和戈壁化等后果，其外部因素是雨水的地表沖刷和流動(dòng)[2]。中國的水土流失狀況不容忽視，其嚴(yán)重地導(dǎo)致了土壤退化、山體滑坡和泥石流、地表營養(yǎng)物質(zhì)流失等問題。在生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展理念下，水土流失等生態(tài)環(huán)境問題受到普遍關(guān)注，也獲得了越來越多的行業(yè)專家學(xué)者的研究[3-4]。在國家政策的指引下，水土流失的監(jiān)測與評估已經(jīng)從小范圍小流域逐步走向了大范圍、連片區(qū)域性治理，因此需要從多角度、多層次和多維度地了解地表區(qū)域性的水土流失變化情況，為政府的宏觀層面的水土流失區(qū)域治理和決策提供支撐[5]。

1 區(qū)域水土流失的特征及地形因子指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 區(qū)域水土流失的特征

我國的幅員遼闊，地形地貌豐富，地表植被和土地利用因地而別，因此表現(xiàn)出千變?nèi)f化的特點(diǎn)。但總結(jié)水土流失與地形方面的相關(guān)性具有以下特點(diǎn)。

1.1.1 土壤水土流失的特征與我國三級階地的劃分呈現(xiàn)明顯吻合。我國的地形地貌整體上呈現(xiàn)西高東低的特點(diǎn)，并可以明顯劃分為3 個(gè)階梯。第一階梯的平均高程約為4500m，以青海省、西藏自治區(qū)為代表；第二階梯的平均高程為1000m～2000m，以內(nèi)蒙古、云南、陜西為代表；第三階梯的平均高程為200m，以長江中下游各個(gè)省份為代表。在華東和華南地區(qū)（第三階梯），受到季風(fēng)氣候的影響，降雨充沛，地表的丘陵和盆地交接為水土流失提供了良好的客觀條件；而西北黃土高原（第二階梯），氣候干燥，主要表現(xiàn)為內(nèi)陸盆地地貌，降水量分布較少，主要受到風(fēng)力剝蝕和遷移的作用；在青藏高原（第一階梯）由于海拔較高，地表分布為積雪和冰磧土，水土流失主要受到凍融影響。

1.1.2 平原與山地丘陵交替的地貌格局進(jìn)一步加劇了水土流失的進(jìn)程。我國的國土面積廣闊，地形地貌復(fù)雜，陂陀起伏，有長江三角洲、珠江三角洲、黃河三角洲和華北平原等低地，也有云貴川高原、青藏高原等高地，也存在基于平原和高原山嶺之間的丘陵。高程劇烈變化的地表為水土流土提供了良好的條件。例如在陜西和陜西等黃土廣泛分布的地區(qū)，由于風(fēng)積黃土在沉積過程中比較松散，因此在雨水季節(jié)盡管降雨量較小，也容易產(chǎn)生劇烈的地表土壤顆粒的搬運(yùn)和侵蝕，使得黃土地區(qū)呈現(xiàn)出千溝萬壑的進(jìn)行；而在我國南方的湖南、重慶和廣西等地區(qū)，廣泛分布的喀斯特地貌就是雨水在長期的沖刷作用下形成的，導(dǎo)致地表丘陵被切割的奇峰峭壁。

1.2 區(qū)域水土流失評價(jià)地形因子指標(biāo)體系的構(gòu)建

目前，評價(jià)土壤水土流失的數(shù)學(xué)模型眾多，比如美國學(xué)者Wischmeie 等人提出的USLE 水土流失模型、改進(jìn)的通用RUSLE 水土流失模型、基于物理過程的WEPP水土流失模型、荷蘭學(xué)者提出的LISEM 水土流失模型等，所有的模型均把地形因子作為函數(shù)模型最為重要的參數(shù)之一[6]。因此對區(qū)域性的水土流失地形因子進(jìn)行提取是構(gòu)建水土流失方程的重要前提[7]。這是因?yàn)榈匦我蜃影说乇淼母叱?、坡度、起伏程度等物理屬性，因此也潛在地反映了受水沖刷后的可蝕性、地表水的沖刷勢能、侵蝕營力以及受人類活動(dòng)的影響強(qiáng)度。能夠反映地形性質(zhì)的因子眾多，水土流失方程建立前需要對其進(jìn)行提取[8]。由于水土流失地形因子的提取涉及到連個(gè)學(xué)科的交集，即地貌學(xué)與水土保持學(xué)的交叉，因此在選擇地形評價(jià)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)遵循兩個(gè)學(xué)科的基本規(guī)律，基于地貌學(xué)與水土保持學(xué)交叉的微觀層面、宏觀層面地貌因子體系分別如圖1、圖2 所示。在指標(biāo)體系的尺度上能夠建立宏觀層面的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，也應(yīng)建立微觀層面的地形坡度和坡長等指標(biāo)，同時(shí)宏觀指標(biāo)和微觀指標(biāo)之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)量轉(zhuǎn)換。

圖1 基于地貌學(xué)與水土保持學(xué)交叉的微觀層面地貌因子體系

圖2 基于地貌學(xué)與水土保持學(xué)交叉的宏觀層面地貌因子體系

2 基于多尺度DEM 模型的區(qū)域水土流失評價(jià)地形因子指標(biāo)提取

2.1 區(qū)域水土流失評價(jià)地形因子指標(biāo)分析

在區(qū)域水土流失的數(shù)學(xué)函數(shù)中，一般需要有5 個(gè)方面的輸入?yún)?shù)，分別是土壤地質(zhì)因子、地形因子、植被覆蓋因子、地質(zhì)水文因子、降雨因子。以往的評價(jià)指標(biāo)中往往側(cè)重于降雨因子的提取，以反映地表水體對土體顆粒的運(yùn)移規(guī)律，但是反映地形地貌的地形因子沒有側(cè)重考慮，導(dǎo)致以降雨因子為重點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型存在一定的局限性。

在水土流失評價(jià)數(shù)學(xué)函數(shù)模型中，Williams 提出的改進(jìn)通用土壤侵蝕方程應(yīng)用較為廣泛，其包含的參數(shù)考慮了地表徑流Q（地質(zhì)水文因子）、降雨峰值qpeak（降雨因子）、地形因子La、植被覆蓋率Ca（植被因子）、土壤含礫石百分比D、土壤侵蝕系數(shù)k（土壤因子）。水土流失量Sed的具體計(jì)算公式如方程（1）所示。

式中，A 為流域面積；p 土壤防水土流失措施。

對于地形因子La 的計(jì)算公式，可以由坡長L、坡度S、坡角度θ 確定，其具體的計(jì)算公式如方程）（2）～（3）所示。

2.2 基于多尺度DEM 模型的區(qū)域水土流失評價(jià)地形因子提取工程實(shí)例

青海省海晏縣位于青海湖盆地的東北部，境內(nèi)多高山，其中扎勒根山峰為境內(nèi)最高山峰，其峰頂黃海高程為4584m，而境內(nèi)最低高程為2725m，位于水峽河谷，境內(nèi)平均黃海高程為3010m。境內(nèi)地形地貌復(fù)雜多變，分布有高山、灘地、湖泊、河流和低山丘陵，為雨水和地表徑流提供了良好的排泄路徑。海晏縣屬于高原亞干旱氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季涼爽，秋季短暫，冬季漫長。海晏縣年平均氣溫1.5℃左右，年日照時(shí)數(shù)2980 小時(shí)左右，年降水量在400mm 左右，年蒸發(fā)量為1581.75mm 左右。

基于多尺度DEM模型分析區(qū)域水土流失需要對縣域內(nèi)的地形進(jìn)行高程信息獲取。一般而言，生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)的測繪方法主要有航攝法和地形圖屏幕數(shù)據(jù)化法。前者具有較快的測繪速度和較高的DEM精度，但是其測繪成本較高，更新的周期性也較快，而后則在測繪速度上表現(xiàn)的較慢，得到的DEM精度也較低，但獲取DEM數(shù)據(jù)的成本較低，更新的周期性較慢。

為了獲取縣域內(nèi)地表的DEM 進(jìn)度，本文采用地形圖屏幕數(shù)字化法，縣域內(nèi)的ArcGIS 環(huán)境下DEM模型圖如圖3 所示。

圖3 青海省海晏縣ArcGIS 環(huán)境下DEM 模型圖

經(jīng)過尺度DEM模型分析可以得到青海省海晏縣La地形因子空間分布如圖4 所示，地形因子的基本規(guī)律為區(qū)域內(nèi)的高程差異較大，高程最大值為扎勒根山峰4583m，最低為水峽河谷海拔僅2726m，平均高程為3000m，高程的變異系數(shù)大，區(qū)域內(nèi)地表起伏大，整體上表現(xiàn)為北部多高山，西部為青海湖的特點(diǎn)。La地形因子的數(shù)值為50～320，平均值為55.78, 變異系數(shù)達(dá)到23.35%。同時(shí)對宏觀層面和微觀層面的地形因子建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，如表1 所示。

圖4 青海省海晏縣地形因子空間分布

表1 宏觀比例和微觀比例的地形因子建立轉(zhuǎn)換關(guān)系

3 結(jié)論

地形因子是水土流失數(shù)學(xué)函數(shù)評價(jià)模型的重要輸入?yún)?shù)，它反映了地表受到流水沖刷作用下的可能侵蝕強(qiáng)度，因此提取地形因子和評估分析其空間分布特征是評價(jià)區(qū)域水土流失的重要前提。研究結(jié)合青海省海晏縣區(qū)域水土流失評價(jià)實(shí)例，在分析我國區(qū)域水土流失特征的基礎(chǔ)上，遵循水土流失數(shù)學(xué)函數(shù)模型原理，從宏觀層面和微觀層面構(gòu)件了區(qū)域水土流失評價(jià)地形因子指標(biāo)體系，并基于多尺度DEM模型對區(qū)域水土流失評價(jià)地形因子指標(biāo)進(jìn)行提取。研究成果可為青海省海晏縣水土流失監(jiān)測、評價(jià)和治理提供參考。