2010—2020年重慶市萬州區(qū)水土流失敏感性時(shí)空分析

涂 云 劉 港

（1.重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶 404120；2.重慶市三峽水庫岸坡與工程結(jié)構(gòu)災(zāi)變防控工程技術(shù)研究中心，重慶 404120）

0 引言

開展水土流失敏感性評價(jià)可以為水土流失防治提供科學(xué)依據(jù)，能更好地識別出水土流失的易發(fā)地區(qū)，從而提前制定防治方案，采取防治措施，減少土地生產(chǎn)力和水土資源的損失。目前，對于三峽庫區(qū)土壤保持重要區(qū)的研究大多數(shù)采用通用土壤流失方程和GIS空間技術(shù)結(jié)合，且選取的研究時(shí)間相對較遠(yuǎn)［1-3］。重慶市萬州區(qū)位于三峽庫區(qū)土壤保持重要區(qū)腹心［4］，開展水土流失敏感性研究對水土資源保護(hù)具有重要意義，但近年來對該區(qū)域水土流失敏感性的研究較少，本研究采用修正通用水土流失方程［5］和GIS空間技術(shù)對萬州區(qū)2010年、2015年和2020年三期數(shù)據(jù)進(jìn)行水土流失敏感性研究，分析萬州區(qū)2010—2020年的水土流失敏感性的空間分布和時(shí)間變化，旨在為萬州區(qū)水土資源保護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

萬州區(qū)位于三峽庫區(qū)腹心、重慶市東北部。下轄52 個鎮(zhèn)鄉(xiāng)街道，區(qū)域面積為3 457 km2。位于東經(jīng)107°52′22″—108°53′25″，北緯30°23′32″—31°0′20″，東鄰云陽，南接石柱、湖北利川，西連梁平、忠縣，北鄰開州和四川省開江縣［6］。地形起伏，平壩、丘陵、低山、中山、槽谷相間排列，屬典型丘陵地帶。地勢西高東低，長江自西南流向東北將其分為東南、西北兩部分。海拔范圍為106~1 762 m。相關(guān)數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源與說明

2 評價(jià)因子分析

以修正通用土壤侵蝕方程RLUSE 為理論依據(jù)，選取降雨、起伏度、土壤、植被、土地利用現(xiàn)狀等因子進(jìn)行水土流失敏感性單因子分析。參考《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》［7］和相關(guān)文獻(xiàn)［8-10］將上述因子對研究區(qū)水土流失敏感性的影響程度劃分為五個等級，分別是微度敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感以及強(qiáng)烈敏感。劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

2.1 降水侵蝕力因子（R）

降水侵蝕力因子計(jì)算公式是基于雨量性質(zhì)以及地理位置等自然條件的差異，各個區(qū)域的最佳R值測算方法也有所不同。本研究采用周伏建等［11］提出適合南方降雨侵蝕力的計(jì)算方法確定萬州區(qū)的年R值估算公式，如式（1）。

式中：Pi為平均月降雨量，mm；Ri為年降雨侵蝕力，MJ·mm/（hm2·h·a）。

采用2001—2010 年的逐月降雨數(shù)據(jù)、2006—2015 年的逐月降雨數(shù)據(jù)、2011—2020 年的逐月降雨數(shù)據(jù)計(jì)算出2010年、2015年、2020年三期的平均月降雨量，并代入式（1），得到R因子指數(shù)。按照表2對萬州區(qū)三期R因子指數(shù)進(jìn)行賦值，繪制三期R因子水土流失敏感性分級圖。

2.2 土壤可蝕性因子（K）

根據(jù)萬州區(qū)土壤質(zhì)地類型數(shù)據(jù)，萬州區(qū)土壤類型以壤土、黏土、粉砂壤土和壤質(zhì)砂土為主。按照表2 對萬州區(qū)土壤可蝕性因子K值進(jìn)行賦值，繪制萬州區(qū)土壤質(zhì)地對水土流失敏感性分級圖。

2.3 地形因子（LS）

以萬州區(qū)DEM柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ArcGIS10.7軟件中鄰域分析模塊，采用焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，提取出地形起伏度矢量。并按照表2對萬州區(qū)LS因子指數(shù)進(jìn)行賦值，繪制萬州區(qū)LS因子水土流失敏感性分級圖。

表2 水土流失敏感性影響因子分級賦值表

2.4 植被覆蓋度因子（C）

根據(jù)萬州區(qū)2010年Landsat TM 5影像、2015年Landsat OIL 8 遙感影像和2020 年哨兵2 號進(jìn)行遙感解譯得到三期的植被歸一化指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)，采用李苗苗［12］的方法，通過NDVI計(jì)算植被覆蓋度，計(jì)算公式如式（2）。

式中：NDVI為植被歸一化指數(shù)；NDVIsoil為完全無植被覆蓋地表的NDVI值；NDVIveg為完全由植被所覆蓋的NDVI值。

采用NDVI的頻率累積值，以累積頻率為2%的NDVI值為NDVIsoil，累積頻率為98%的NDVI值為NDVIveg，運(yùn)用ENVI5.3軟件的band math模塊計(jì)算植被覆蓋度指數(shù)。并按照表2 對萬州區(qū)LS因子指數(shù)進(jìn)行賦值，繪制萬州區(qū)LS因子水土流失敏感性分級圖。

2.5 水土保持措施因子（C）

根據(jù)2010 年、2015 年和2020 年土地利用現(xiàn)狀圖，查閱相關(guān)文獻(xiàn)［13-15］，采用土地利用類型數(shù)據(jù)來表示水土保持措施因子。本研究依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》的相關(guān)劃分規(guī)定［16］，將萬州區(qū)30 m 土地利用數(shù)據(jù)通過ArcGIS10.7 軟件分類功能劃分為耕地、有林地、灌木林地、草地、濕地、水域、建設(shè)用地及未利用地8 大土地利用類型。并按照表2 對萬州區(qū)P因子指數(shù)進(jìn)行賦值，繪制萬州區(qū)P因子水土流失敏感性分級圖。

3 綜合評價(jià)分析

首先將以上數(shù)據(jù)在ArcGIS10.7 軟件重采樣工具下統(tǒng)一為30 m 分辨率柵格數(shù)據(jù)，其次進(jìn)行水土流失敏感性指數(shù)計(jì)算，然后采用ArcGIS10.7 軟件中的自然斷點(diǎn)分類工具將水土流失敏感性指數(shù)劃分為微度敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感以及強(qiáng)烈敏感5 個等級［17-18］，最后采用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算方法［1］進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析水土流失敏感性變化。水土流失敏感性指數(shù)計(jì)算公式如式（3）。

式中：SSi為i空間單元水土流失敏感性指數(shù)；Ri、Ki、LSi、Ci、Pi分別為降雨侵蝕力評估因子、土壤可蝕性評估因子、地形評估因子、植被覆蓋度評估因子、水土保持措施評估因子。

4 評價(jià)因子分析結(jié)果

4.1 降水侵蝕力因子（R）

根據(jù)式（1）計(jì)算出的R因子數(shù)值如表3。

表3 萬州區(qū)2010年、2015年、2020年R值變化表

由表3可知，2010—2020年，R因子的最低值和最高值都在不斷增加。

根據(jù)表2進(jìn)行劃分得到三個時(shí)期的R因子敏感性等級分布情況：2010年樓牌街道區(qū)域有極少部分處于輕度敏感區(qū)，占總面積的0.021%；2020 年武陵鎮(zhèn)有少部分處于高度敏感區(qū)，占總面積的0.149%，其他區(qū)域均處于中度敏感區(qū)；而2015 年萬州區(qū)全部處于中度敏感區(qū)。表明R因子水土流失敏感性等級基本不變。

4.2 土壤可蝕性因子（K）

根據(jù)表2進(jìn)行劃分得到萬州區(qū)K因子敏感性空間分布，分布敏感性有低度敏感、中度敏感和高度敏感3 種。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，低度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)分別占比14.92%、33.60%和51.47%，其中，中度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)占比為85.07%，表明萬州區(qū)K因子敏感性較大。

4.3 地形因子（LS）

根據(jù)表2 進(jìn)行劃分得到萬州區(qū)LS因子敏感性等級分布，如表4。

表4 萬州區(qū)LS因子敏感性等級分布表

由表4 可知，微度敏感占比為0.54%、低度敏感占比為4.52%、中度敏感占比為23.76%、高度敏感占比為69.43%、強(qiáng)烈敏感占比為1.75%。其中，中度敏感、高度敏感和強(qiáng)烈敏感占比為94.94%，表明K因子整體上敏感性較大。

4.4 植被覆蓋度因子（C）

根據(jù)表2進(jìn)行劃分得到萬州區(qū)C因子敏感性等級分布，如表5。

表5 萬州區(qū)C因子敏感性等級分布表

由表5 可知，2010 年微度敏感和低度敏感占比達(dá)到93.89%，C因子敏感性整體上比較低。在2015年呈現(xiàn)出敏感性擴(kuò)張，低度敏感區(qū)增加17.03%，中度敏感區(qū)增加15.01%，高度敏感區(qū)增加4.11%，強(qiáng)烈敏感區(qū)增加1.61%。表明2015 年C因子敏感性整體上升，低度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)擴(kuò)張明顯。

2020 年與2015 年相比，低度敏感區(qū)減少14.78%，中度敏感區(qū)減少7.89%，高度敏感區(qū)減少2.10%，強(qiáng)烈敏感區(qū)減少0.95%，其中，低度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)有明顯減少。表明2020 年C因子敏感性整體下降。在2010—2020 年C因子敏感性變化趨勢為先升高后降低。

4.5 水土保持措施因子（P）

根據(jù)表2進(jìn)行劃分得到萬州區(qū)P因子敏感性等級分布，如表6。

表6 萬州區(qū)P因子敏感性等級分布表

根據(jù)表6 分析可知，三期P因子的敏感性占比基本一致，P因子敏感性以高度敏感區(qū)和低度敏感區(qū)為主。通過ArcGIS10.7 軟件進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)據(jù)分析，得到2010—2020年間P因子敏感性保持不變的區(qū)域占97.97%，其中，低度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)分別占比50.51%和44.03%，表明P因子敏感性整體上保持穩(wěn)定。

5 綜合評價(jià)分析結(jié)果

將上述各因子的敏感性等級劃分代入式（3），將敏感性指數(shù)在ArcGIS10.7 軟件重分類模塊下進(jìn)行自然斷點(diǎn)分類等級劃分，得到萬州區(qū)水土流失敏感性等級分布表，如表7。

表7 萬州區(qū)水土流失敏感性等級分布表

由表7 可知，2010—2020 年中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和強(qiáng)烈敏感區(qū)整體上呈先升高后下降的趨勢。

通過ArcGIS10.7 軟件分析，得知2010 年高度敏感區(qū)和強(qiáng)烈敏感區(qū)主要分布在長江沿岸。2015年與2010 年相比，長江沿岸的高度敏感區(qū)和強(qiáng)烈敏感區(qū)有明顯減少；但在除長江沿岸其他區(qū)域，中度敏感區(qū)有明顯的擴(kuò)張。2020 年與2015 相比，中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和強(qiáng)烈敏感區(qū)有所下降。在空間上強(qiáng)烈敏感區(qū)和高度敏感區(qū)主要分布在天城鎮(zhèn)、熊家鎮(zhèn)、高峰鎮(zhèn)、羅田鎮(zhèn)。

通過ArcGIS10.7 軟件進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)據(jù)分析得到表8和表9。

表8 萬州區(qū)2010年和2015年水土流失敏感性狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表

表9 萬州區(qū)2015年和2020年水土流失敏感性狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表

由表8 可知，2010—2015 年由微度敏感、輕度敏感狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高度敏感、強(qiáng)烈敏感狀態(tài)的面積占3.51%，面積占比??；但微度敏感、輕度敏感狀態(tài)轉(zhuǎn)換為中度敏感狀態(tài)的面積占26.36%，敏感性狀態(tài)整體上有明顯上升趨勢。由表9 可知，2015—2020年由中度敏感、高度敏感、強(qiáng)烈敏感狀態(tài)轉(zhuǎn)換為微度敏感、輕度敏感狀態(tài)的面積占比22.03%，面積占比較大，敏感性狀態(tài)整體上有明顯降低趨勢。

通過ArcGIS10.7 軟件進(jìn)行空間分析得知，2010—2020 年期間敏感性較高的長江沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道、熊家鎮(zhèn)和天城鎮(zhèn)區(qū)域整體上有明顯的降低，目前萬州區(qū)水土流失敏感性狀態(tài)處于下降趨勢。2010—2015年期間全域敏感性狀態(tài)整體升高，這與該期間城市化建設(shè)和城鎮(zhèn)化建設(shè)擴(kuò)張導(dǎo)致植被覆蓋度降低有關(guān)。在2010年、2015年、2020年三個時(shí)期敏感性較高的高峰鎮(zhèn)、羅田鎮(zhèn)、天城鎮(zhèn)、熊家鎮(zhèn)、大周鎮(zhèn)、百安壩街道、五橋街道、鐘鼓樓街道仍然是水土流失防治需要優(yōu)先考慮的區(qū)域。

6 結(jié)論

通過2010 年、2015 年和2020 年三期數(shù)據(jù)的綜合評價(jià)分析，得到以下結(jié)論。

①總體上2010—2020 年敏感性空間上呈現(xiàn)出長江沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道敏感性高、四周敏感性低的分布形式；時(shí)間上表現(xiàn)為由“條帶狀高度敏感”向“全面中度敏感”再向“全面低度敏感”狀態(tài)演變；整體上先升高后下降。

②研究結(jié)果表明，研究方法對2010—2020 年萬州區(qū)水土流失敏感性空間分布和演化趨勢上有較好的呈現(xiàn)，可以為萬州區(qū)水土流失防治和水土資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。