基于GIS和RS的崩坎水小流域水土流失敏感性評(píng)價(jià)

劉朱婷，連少宏

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

水土流失是目前全球危害最大、影響最深遠(yuǎn)的環(huán)境和災(zāi)害問(wèn)題之一，嚴(yán)重的水土流失會(huì)破壞土壤肥力，從而導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降甚至土地退化[1]。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動(dòng)的不斷推進(jìn)，人類不合理開(kāi)發(fā)利用加劇了水土流失，嚴(yán)重制約了生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2]。水土流失敏感性是判斷生態(tài)系統(tǒng)水土流失發(fā)生的潛在可能性，可用于反映水土流失對(duì)人為擾動(dòng)的敏感程度[3]，是實(shí)施水土流失治理、生態(tài)環(huán)境綜合規(guī)劃和管理的重要依據(jù)[4]。小流域是江河水系中的基本單元，廣東省小流域眾多，多分布于河流源頭或流域上游。特殊的地形地貌以及地質(zhì)和氣象條件，使得小流域范圍內(nèi)時(shí)常受到山洪、滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的影響。小流域一般分布于農(nóng)村或邊遠(yuǎn)山區(qū)，基礎(chǔ)建設(shè)投入十分有限，抵御暴雨洪水災(zāi)害的能力不足，自然和人為雙重因素的影響導(dǎo)致部分小流域水土流失嚴(yán)重，下游清潔水源日益減少，防洪減災(zāi)壓力不斷加大，嚴(yán)重制約了地方的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此在小流域尺度開(kāi)展水土流失敏感性評(píng)價(jià)具有重要意義，可為日后水土保持治理工程的監(jiān)測(cè)和規(guī)劃提供技術(shù)支撐。本研究以位于廣東省揭陽(yáng)市的崩坎水小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于GIS和RS技術(shù)結(jié)合實(shí)地調(diào)查的方法，通過(guò)降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長(zhǎng)坡度以及地表植被覆蓋等評(píng)價(jià)因子計(jì)算以及水土流失敏感性指數(shù)的構(gòu)建[5-7]，開(kāi)展崩坎水小流域2011年和2021年水土流失敏感性分析與評(píng)價(jià)，揭示粵東山區(qū)小流域尺度不同等級(jí)水土流失敏感性的空間分布，旨在為粵東山區(qū)實(shí)施水土流失綜合防治提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

崩坎水小流域位于廣東省揭陽(yáng)市普寧市境內(nèi)，中心地理位置為東經(jīng)116.003°，北緯23.233°。流域范圍涉及梅林鎮(zhèn)、云落鎮(zhèn)、高埔鎮(zhèn)和馬鞍山農(nóng)場(chǎng)，面積約為296.11 km2。流域位于普寧市的西南部，為上升構(gòu)造剝蝕為主的地形，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，境內(nèi)水資源、植物資源和礦產(chǎn)資源豐富。依據(jù)普寧市第3次全國(guó)土地調(diào)查成果為基礎(chǔ)進(jìn)行更新解譯得到的數(shù)據(jù)，2021年崩坎水小流域總土地面積為296.11 km2，其中林地分布最為廣泛，面積為172.94 km2，占其土地總面積的58.42%，園地面積為54.20 km2，占比為18.30%，草地、耕地、建設(shè)用地、水域及水利設(shè)施用地的占比分別為9.12%、6.85%、4.06%和2.07%，其他土地的面積最小。研究區(qū)2011年和2021年的遙感影像如圖1和圖2所示。

圖1 2011年遙感影像示意

圖2 2021年遙感影像示意

研究區(qū)在2011—2021年期間共實(shí)施各類水土保持措施120.68 km2，主要包含造林和梯田2種水土保持措施，其中營(yíng)造水土保持林為94.46 km2，修建梯田為26.22 km2。造林措施主要分布在25°以下林草植被蓋度較低的區(qū)域，采用人工補(bǔ)植撫育等方式，25°以上陡坡耕地采用退耕還林的方式，25°～35°區(qū)域采取必要的土地平整、布設(shè)截排水溝和種植水土保持林的方式；梯田措施主要分布在坡耕地治理上，坡度在5°～15°范圍內(nèi)土質(zhì)較好、交通方便的坡耕地建設(shè)具有規(guī)模性的集中連片梯田，并配置生產(chǎn)道路和坡面小型蓄排工程等以減輕水土流失，對(duì)于難以實(shí)施坡改梯的坡耕地，采用等高耕作和改變作物種植結(jié)構(gòu)、增加地表植物覆蓋等方式。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 研究方法

水土流失受降雨、土壤、地形地貌和植被以及工程建設(shè)、人為活動(dòng)等自然和人為因素的綜合影響。在選取水土流失敏感性分析的評(píng)價(jià)因子時(shí)應(yīng)對(duì)上述因素進(jìn)行綜合考慮[8]?；谕ㄓ猛寥懒魇Х匠?USLE)，采用降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長(zhǎng)坡度及地表植被覆蓋等評(píng)價(jià)因子進(jìn)行崩坎水小流域的水土流失敏感性分析，評(píng)價(jià)模型公式為：

(1)

式中：

S——水土流失敏感性指數(shù)；

R——降雨侵蝕力因子；

K——土壤可蝕性因子；

LS——坡長(zhǎng)坡度因子；

C——地表植被覆蓋因子。

總體技術(shù)路線見(jiàn)圖3。

圖3 崩坎水小流域水土流失敏感性評(píng)價(jià)總體技術(shù)路線示意

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1遙感影像處理

選用2011年和2021年覆蓋廣東省范圍的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，每16 d覆蓋1次。將MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)處理，主要包括投影轉(zhuǎn)換、空值確認(rèn)與去除等。

2.2.2評(píng)價(jià)因子計(jì)算

1) 降雨侵蝕力因子(R)：收集研究區(qū)附近2個(gè)氣象觀測(cè)站(惠來(lái)氣象站、揭西氣象站)的逐日降水量資料，按照降雨侵蝕力公式計(jì)算雨量站多年平均年降雨侵蝕力[9]，利用ArcGIS軟件的普通克里金空間插值方法，生成10 m空間分辨率的R因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)(見(jiàn)圖4)。

圖4 R因子分布示意

2) 土壤可蝕性因子(K)：基于收集到的廣東省土壤分布圖提取崩坎水小流域的土壤類型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采樣，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算土壤可蝕性因子，經(jīng)過(guò)重采樣后，生成10 m空間分辨率的K因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)(見(jiàn)圖5)

圖5 K因子分布示意。

3) 坡長(zhǎng)坡度因子(LS)：土壤侵蝕與地形坡度的關(guān)系一般表現(xiàn)為：坡度增大，土壤侵蝕隨之加重[10]。坡長(zhǎng)坡度因子(LS)主要通過(guò)計(jì)算坡長(zhǎng)因子(L)和坡度因子(S)獲取。收集2011年和2021年覆蓋研究區(qū)的1∶50 000數(shù)字高程模型(研究區(qū)2011年和2021年的DEM如圖6和圖7所示)，然后根據(jù)公式(2)和公式(4)分別計(jì)算坡長(zhǎng)因子和坡度因子，從而獲取坡長(zhǎng)坡度因子，最終生成2011年和2021年10m分辨率的LS因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)(見(jiàn)圖8和圖9)。

圖6 2011年DEM示意

圖7 2021年DEM示意

圖8 2011年LS因子示意

圖9 2021年LS因子圖

坡長(zhǎng)因子的計(jì)算公式為：

(2)

(3)

式中:

λi和λi-1——第i個(gè)和第i-1個(gè)坡段的坡長(zhǎng);

m——坡長(zhǎng)指數(shù)，隨坡度的變化而變化。

坡度因子的計(jì)算公式為：

(4)

4) 地表植被覆蓋因子(C)：植被措施對(duì)于預(yù)防和治理水土流失具有積極作用，植被通過(guò)截留降雨，增加入滲量達(dá)到緩解降雨對(duì)地表侵蝕的效果[11]。地表植被覆蓋越好，抗破壞能力增強(qiáng)，生態(tài)敏感性則越低[12-13]。C因子的計(jì)算公式為：

C=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(5)

式中:

NDVIveg和NDVIsoil——純植被像元和純裸土像元的NDVI值。

研究區(qū)2011年和2021年的NDVI如圖10和圖11所示。

圖10 2011年NDVI示意

圖11 2021年NDVI示意

由于絕大多數(shù)的植被覆蓋類型在影像中均為混合像元，無(wú)法采用固定的NDVIveg和NDVIsoil，因此通過(guò)計(jì)算NDVI的頻率統(tǒng)計(jì)表來(lái)取NDVI的累計(jì)頻率，將累積頻率為99%的NDVI值作為NDVIveg，將累積頻率為1%的NDVI值作為NDVIsoil[14]，再運(yùn)用公式(5)在ArcGIS的柵格計(jì)算器中計(jì)算植被覆蓋因子，最終形成2011年和2021年分辨率為10 m的C因子?xùn)鸥駡D(見(jiàn)圖12和圖13)。

圖12 2011年C因子示意

圖13 2021年C因子示意

2.2.3水土流失敏感性指數(shù)計(jì)算

1) 評(píng)價(jià)因子敏感性等級(jí)分析

采用自然斷點(diǎn)法并結(jié)合《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》等相關(guān)規(guī)定和文獻(xiàn)確定各評(píng)價(jià)因子敏感性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)研究區(qū)4個(gè)評(píng)價(jià)因子的計(jì)算方法和空間分布，以研究區(qū)水土流失敏感性前后變化差異性對(duì)比為出發(fā)點(diǎn)，確定各評(píng)價(jià)因子不同等級(jí)區(qū)間和對(duì)應(yīng)區(qū)間的分級(jí)值(見(jiàn)表1)。

表1 崩坎水小流域水土流失敏感性評(píng)價(jià)因子及分級(jí)賦值

2) 模型計(jì)算

根據(jù)式(1)，利用ArcGIS平臺(tái)的柵格計(jì)算器將4類空間分辨率均為10 m的評(píng)價(jià)因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到水土流失敏感性指數(shù)，并按照自然斷點(diǎn)分級(jí)法將研究區(qū)水土流失敏感等級(jí)劃分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、重度敏感和極敏感[14-15]。研究區(qū)2011年和2021年的水土流失敏感性指數(shù)分布見(jiàn)圖14和圖15。

圖14 2011年指數(shù)示意

圖15 2021年指數(shù)示意

3 結(jié)果及分析

研究區(qū)在2011—2021年期間R因子和K因子變化非常微小，此處主要分析LS因子、C因子以及水土流失敏感性指數(shù)的變化。通過(guò)計(jì)算得到R、K、LS和C等4個(gè)因子的值，根據(jù)表1進(jìn)行敏感性指數(shù)分級(jí)賦值，通過(guò)面積加權(quán)得到各因子的敏感性指數(shù)，再根據(jù)式(1)計(jì)算獲取研究區(qū)2011年和2021年的水土流失敏感性指數(shù)(見(jiàn)表2所示)。結(jié)果表明，崩坎水小流域水土流失呈現(xiàn)局部聚集狀分布，水土流失敏感區(qū)主要位于流域西北部和東部的高山丘陵，雖然這些區(qū)域的植被覆蓋度相比周邊區(qū)域高，但較高的地形起伏導(dǎo)致土體性質(zhì)松軟易蝕，且發(fā)生降雨時(shí)沖刷強(qiáng)度大，容易加劇水土流失，因此上述區(qū)域的水土流失敏感性指數(shù)高。

表2 崩坎水小流域2011年和2021年LS、C因子及水土流失敏感性變化分析

2011—2021年期間崩坎水小流域水土流失敏感性指數(shù)由2.157降至1.958，LS因子的敏感性指數(shù)由1.683降至1.510，C因子敏感性指數(shù)由1.721降至1.302，研究區(qū)內(nèi)極敏感、重度敏感及中度敏感區(qū)面積均有減少，尤其是重度敏感和極敏感區(qū)面積下降最為明顯。通過(guò)對(duì)2011年和2021年研究區(qū)的LS因子、C因子及水土流失敏感性指數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析(見(jiàn)表3)。

表3 崩坎水小流域2011年和2021年LS、C因子及水土流失敏感性轉(zhuǎn)移矩陣分析

由表3可知，流域內(nèi)水土流失敏感性指數(shù)受C因子和LS因子的綜合作用，總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，水土流失風(fēng)險(xiǎn)程度降低，水土流失敏感性由高敏感級(jí)別降為較低敏感級(jí)別的面積為63.37 km2，敏感性級(jí)別不變的面積為183.07 km2，二者合計(jì)占流域總面積的比例為83.23%。水土流失敏感性降低受C因子變化的影響最大，C因子由高敏感級(jí)別降為較低敏感級(jí)別的土地面積為84.89 km2，敏感性級(jí)別不變的面積為198.22 km2，合計(jì)占流域總面積的比例為95.61%，這表明崩坎水小流域2021年植被覆蓋度相比2011年增加，尤其是位于流域西北部和東部的高山丘陵區(qū)植被覆蓋度上升較為明顯，C因子相應(yīng)增大，因此區(qū)域中度敏感、重度敏感和極敏感面積均有所下降；同時(shí)，水土流失敏感性指數(shù)降低一定程度上也受到LS因子變化的影響，LS因子由高敏感級(jí)別降為較低敏感級(jí)別的土地面積為68.50 km2，而由低敏感級(jí)別上升為較高敏感級(jí)別的土地面積為31.45 km2，占流域總面積的比例分別為23.13%和10.62%，流域內(nèi)局部地區(qū)進(jìn)行整地活動(dòng)導(dǎo)致原地面坡度降低，同時(shí)，由于布設(shè)了有效的水土保持措施，此類區(qū)域的水土流失敏感性較之前有所下降，但也有少部分敏感性級(jí)別較低的區(qū)域由于不合理的開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致敏感性指數(shù)上升，總體而言2021年LS因子相比2011年有所減小，水土流失敏感性指數(shù)隨之下降。

4 結(jié)語(yǔ)

利用GIS和RS技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查開(kāi)展了粵東地區(qū)崩坎水小流域10 a間的水土流失敏感性分析評(píng)價(jià)，2011—2021年期間崩坎水小流域水土流失敏感性指數(shù)由2.157降為1.958，流域內(nèi)中度敏感、重度敏感和極敏感區(qū)的面積均有所減少，影響水土流失敏感性指數(shù)變化最大的影響因素是地表植被覆蓋因子，其次是坡長(zhǎng)坡度因子?？傮w而言，2021年相比2011年流域內(nèi)地表植被覆蓋因子增大，坡長(zhǎng)坡度因子減小，水土流失敏感性指數(shù)隨之下降，該方法具有數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)便、分析直觀、操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但也存在遙感影像精度不高、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有限以及通用土壤侵蝕模型不完全適用具體研究區(qū)域等問(wèn)題，下一步將繼續(xù)優(yōu)化水土流失敏感性評(píng)價(jià)的監(jiān)測(cè)體系和方法，旨在更好的服務(wù)于小流域水土流失綜合防治實(shí)施工作。