尹嘉奇
(四川省環(huán)境信息中心,四川 成都 610093)
水土流失是造成區(qū)域土地生產(chǎn)力下降,生物棲息地和水質(zhì)退化,河流、湖泊污染的重要原因,土壤侵蝕已經(jīng)成為我國(guó)首要解決的環(huán)境問(wèn)題[1-2]。影響水土流失的因素很多,包括降雨強(qiáng)度和頻率、土壤抗侵蝕性、場(chǎng)地坡度、植被覆蓋等因素[3-4]。地貌條件作為流域下基本自然環(huán)境,對(duì)流域侵蝕產(chǎn)生的方式、過(guò)程、強(qiáng)度具有重要影響[5]。為建立科學(xué)的水土流失治理規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)快速高效綜合治理目標(biāo),需要研究全面流域土壤侵蝕空間分布狀態(tài)及變化趨勢(shì)。隨著GIS技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,采用土壤侵蝕模型和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方法,進(jìn)行土壤侵蝕空間變化的定量研究,成為一個(gè)新的發(fā)展方向[6-8]。如借助GIS和景觀格局指數(shù)分析法,從景觀水平來(lái)探討景觀格局對(duì)流域水土流失的過(guò)程影響,建立基于GIS基礎(chǔ)的分布式流域水文模型SWAT[9]。通過(guò)選取反映區(qū)域水土流失敏感性因子,對(duì)流域內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),分析不同土地利用方式下對(duì)流域產(chǎn)沙的影響[10]。利用GIS的空間分析方法建立水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,確定易發(fā)生水土流失區(qū)域,解釋水土流失不同敏感程度的空間分異規(guī)律[11]。
在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,以瀘沽湖典型流域河流為對(duì)象,結(jié)合遙感調(diào)查的土壤侵蝕數(shù)據(jù)和GIS模型,對(duì)該流域土壤侵蝕在高程、植被覆蓋度、坡度方面的空間分布特征進(jìn)行分析,以期為瀘沽湖流域水土保持規(guī)劃和水土流失治理提供理論依據(jù)。
瀘沽湖流域位于川、滇兩省交界處,東部位于四川涼山自治州,西部隸屬云南麗江市流域。全年平均溫度20 ℃,最高溫29 ℃,最低溫-5 ℃,年降水量910 mm,屬于溫帶山地季風(fēng)氣候。瀘沽湖流域各類植物共140科443屬874種,其中陸生植物117科,水生植物23科。哺乳類動(dòng)物29種,兩棲類7種,鳥(niǎo)類65種,包括珍貴的波葉海菜花,特有的裂腹魚(yú)。區(qū)域內(nèi)包括以獅子山為主的大片原始森林,是云冷杉、云南松等珍貴植被的分布區(qū)域。當(dāng)前,瀘沽湖流域云南片區(qū)開(kāi)發(fā)已初具規(guī)模,形成以原始摩梭族文化和湖泊自然景觀為主的獨(dú)特景觀特色。通過(guò)野外調(diào)研發(fā)現(xiàn),該流域水土流失普遍,導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和濕地嚴(yán)重淤積,嚴(yán)重影響到地區(qū)獨(dú)特文化傳承。而四川片區(qū)開(kāi)發(fā)程度較低,植被稀疏,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期地質(zhì)侵蝕,溝壑縱橫,形成梁峁丘陵地形。
研究采用數(shù)據(jù)包括覆蓋瀘沽湖全域1∶50 000地形圖、分辨率為10 m的全色景象3景規(guī)劃區(qū)域圖。1∶50 000地形圖用于生產(chǎn)數(shù)字高程模型(DEM),通過(guò)進(jìn)行矢量處理提取高程信息,通過(guò)3D Analyst生產(chǎn)柵格像元DEM,運(yùn)用ArcMap提取DEM中高程、坡度、坡向矢量數(shù)據(jù)。遙感圖像采用2019年采集的Landsat 8遙感影像,采用ENVI軟件進(jìn)行圖像幾何校正、圖像增強(qiáng)、影像裁減和融合等處理方式,實(shí)現(xiàn)影像與地物匹配。以融合后的影像數(shù)據(jù)作為土地利用和植被覆蓋度數(shù)據(jù)源,獲取相關(guān)數(shù)據(jù),運(yùn)用歸一化植被指數(shù)模型獲得植被覆蓋度數(shù)據(jù),瀘沽湖地區(qū)的不同土地類型如圖1所示。
選取2020年10月Landsat 8 遙感影像和地形圖為數(shù)據(jù)源,運(yùn)用3D Analyst柵格計(jì)算功能,提取瀘沽湖DEM、坡度、坡向等影響因子,運(yùn)用ENVI軟件獲取植被覆蓋度[12]。通過(guò)ArcMap空間疊加獲得區(qū)域水土流失敏感性空間分布情況。
圖1 瀘沽湖地區(qū)土地類型Fig.1 Land types in Lugu Lake
瀘沽湖地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂、節(jié)理及過(guò)渡性剪切帶發(fā)育,云貴高原地區(qū)主要受降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形、植被覆蓋、水土保持等因子的影響,且地區(qū)非喀斯特地形發(fā)育。為準(zhǔn)確表征水土流失狀況,以水土流失等級(jí)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)為參考[13],確定水土流失敏感性強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1 水土流失敏感強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)Tab.1 Classification of soil erosion sensitivity
(1)植被覆蓋度。植被的冠層削弱雨水對(duì)地面打擊力度,根系增加雨水的下滲能力和土壤的抗侵蝕能力。植被覆蓋度主要通過(guò)歸一化植被指數(shù)(NDVI)計(jì)算,將遙感影像中不同波段的灰度值進(jìn)行組合運(yùn)算,通過(guò)ENVI軟件的Transform模塊構(gòu)建NDVI模型來(lái)計(jì)算NDVI[14]。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》,結(jié)合瀘沽湖植被覆蓋情況進(jìn)行等級(jí)劃分,具體植被覆蓋度劃分等級(jí)為:非常低(0~30%)、低級(jí)(30%~45%)、中級(jí)(45%~60%)、良好(60%~75%)、優(yōu)秀(75%~100%),結(jié)合ArcGIS研究區(qū)域植被覆蓋度數(shù)據(jù)。
(2)坡度。坡度作為影響水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo),坡度越大,徑流越大,對(duì)地面沖刷力越強(qiáng)。坡度指標(biāo)以地形圖信息為數(shù)據(jù)源,利用ArcMap提取區(qū)域高程線和高程點(diǎn),運(yùn)用研究區(qū)邊界編輯TIN,生成DEM。由3D Analyst工具的Surface Analysis的坡度計(jì)算模型獲得區(qū)域坡度數(shù)據(jù),根據(jù)土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及土壤侵蝕遙感數(shù)據(jù)。其中,坡度不超過(guò)50°時(shí),隨坡度的增大,水土流失風(fēng)險(xiǎn)程度增大;坡度大于50°后,坡地的暴露程度迅速下降;當(dāng)坡度在50°~65°時(shí),坡地對(duì)水土流失風(fēng)險(xiǎn)程度在35%~50%,隨著坡度的進(jìn)一步增加,風(fēng)險(xiǎn)程度繼續(xù)下降;坡度為90°時(shí),影響完全消失。本文將瀘沽湖坡度劃分為6個(gè)不同等級(jí),分別為<5°,5°~8°、8°~15°、15°~25°、25°~35°、>35°。
(3)高程。海拔高度直接影響到氣候溫度、相對(duì)濕度和雨量,同時(shí)環(huán)境中的土輻射強(qiáng)度、空氣流動(dòng)、土壤性質(zhì)也發(fā)生改變[15]。本文根據(jù)瀘沽湖地形起伏情況,運(yùn)用ArcMap空間疊加原理,將高程分為7個(gè)等級(jí),分別為<+500 m,+500~+800 m,+800~+1 200 m,+1 200~+1 500 m,+1 500~+1 800 m,+1 800~+2 300 m。
植被具有防沙保土、截流降雨等功能,是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的功能體,植被覆蓋度直接關(guān)系到區(qū)域水土流失情況。運(yùn)用Arc-Map空間分析模塊,將植被覆蓋度數(shù)據(jù)與水土流失敏感評(píng)價(jià)指標(biāo)疊加,獲得植被覆蓋度與水土流失敏感度關(guān)系,見(jiàn)表2。
表2 水土流失敏感度與植被覆蓋關(guān)系Tab.2 Sensitivity of of soil erosion and vegetation cover
由表2可以看出,不同植被覆蓋度下的水土流失強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著特征。隨著植被覆蓋度增加,水土流失敏感度區(qū)域面積前期迅速上升,植被覆蓋度在30%~45%時(shí)達(dá)到峰值,隨后緩慢下降,表明瀘沽湖水土流失主要分布在植被覆蓋度30%~45%區(qū)域。根據(jù)植被覆蓋與水土流失比較,隨著水土流失等級(jí)和植被覆蓋度的增加,流失面積逐漸較小,植被覆蓋度與水土流失面積呈負(fù)相關(guān),大部分輕度以上水土流失敏感區(qū)域分布在植被覆蓋度30%~45%。
水土流失敏感性與坡度間的關(guān)系見(jiàn)表3。由表3可以看出,瀘沽湖水土流失敏感性區(qū)域集中在坡度為15°~35°。這個(gè)坡度范圍水土流失敏感區(qū)域占輕度以上流失區(qū)域80%以上,面積達(dá)到654.13 km2。隨坡度的增加,水土流失峰值表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì),坡度對(duì)水力侵蝕存在一個(gè)臨界坡度,當(dāng)超過(guò)該臨界坡度時(shí),土壤侵蝕面積下降。這是由于在投影面積相同情況下,坡度大的區(qū)域平均水量越小,水土流失增加。由表3可以看出,當(dāng)坡度大于35°后,瀘沽湖水土流失強(qiáng)度下降,由于瀘沽湖作為生態(tài)功能區(qū),在35°坡度實(shí)行了退耕還林政策,人為干預(yù)較小,因此,坡度15°~35°應(yīng)該作為水土流失防治核心地帶。
表3 水土流失敏感度與坡度關(guān)系Tab.3 Relationship between soil erosion sensitivity and slope
水土流失敏感度與高程關(guān)系見(jiàn)表4。水土流失敏感度集中在高程+800~+1 400 m內(nèi),占輕度以上水土流失敏感區(qū)的75%,并且不同等級(jí)的水土流失高程特征表現(xiàn)出典型的單峰變化趨勢(shì),即隨著高程的增加,各等級(jí)水土流失敏感性面積表現(xiàn)出一個(gè)先增加后下降的趨勢(shì),除輕度水流失敏感度范圍在高程+1 100~+1 400 m外,其他均在高程+800~+1 100 m達(dá)到最高值。由于瀘沽湖活動(dòng)主要在高程+800~+1 400 m,而該研究區(qū)的平均高程均在+1 100 m,地區(qū)人類活動(dòng)較頻繁。同時(shí)該地區(qū)降水集中在高程+800~+1 400 m內(nèi),在該范圍水土流失達(dá)到一個(gè)峰值,后續(xù)水土流失中應(yīng)以高程+800~+1 400 m作為治理核心區(qū)。
表4 水土流失敏感度與高程關(guān)系Tab.4 Relationship between sensitivity and elevation of soil erosion
根據(jù)ArcMap空間分析特征,將區(qū)域坡度、植被覆蓋度、高程因子疊加分析,對(duì)瀘沽湖水土流失敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)見(jiàn)表5。由表5可以看出,輕度以上水土流失敏感區(qū)占整面積的67.41%,敏感區(qū)面積達(dá)到812.63 km2,其中主要以輕度和中度為主。輕度水土流失敏感性區(qū)域站總面積的49.13%,敏感區(qū)域面積591.26 km2,中度水土流失敏感度占總面積12.31%,敏感區(qū)面積148.26 km2,強(qiáng)度、極強(qiáng)、劇烈水土流失區(qū)較小,圖斑破碎。研究表明瀘沽湖水土流失敏感區(qū)域分析,主要呈點(diǎn)狀分布,聚居于人類活動(dòng)相對(duì)密集區(qū)域,極少區(qū)域呈面狀分布。
表5 瀘沽湖水土流失敏感性強(qiáng)度特征Tab.5 Sensitivity and intensity of soil erosion in Lugu Lake
利用地理空間信息技術(shù)對(duì)瀘沽湖地區(qū)水土流失敏感度進(jìn)行分析評(píng)價(jià),從高程、坡度、植被覆蓋度等因素考慮,研究不同影響因子和水土流失敏感性強(qiáng)度關(guān)系,并對(duì)地區(qū)水土流失敏感性強(qiáng)度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),研究結(jié)論如下。
(1)水土流失敏感性區(qū)域出現(xiàn)在植被覆蓋度30%~45%,坡度15°~35°,高程+800~+1 400 m范圍內(nèi),輕度以上侵蝕面積表現(xiàn)出先增加后下降的單峰分布,后續(xù)水土流失防治中,以該范圍作為核心治理地帶。
(2)瀘沽湖區(qū)域水土流失敏感區(qū)主要以輕度和中度等級(jí)為主,輕度以上水土流失敏感區(qū)占總面積的67.41%,敏感區(qū)面積達(dá)到812.63 km2,強(qiáng)度、極強(qiáng)、劇烈水土流失區(qū)較小,圖斑破碎。主要呈點(diǎn)狀分布。