上海市土壤侵蝕模數的研究與確定

宋建鋒，顧圣華，楊 二，王玲玲

(1.上海市水利管理處，上海 200002;2.上海市水文總站，上海 200232;3.黃河水利科學研究院，河南鄭州 450003)

為了全面貫徹實施《中華人民共和國水土保持法》，實施分區防治戰略，實行分類指導，有效地預防和治理水土流失，減輕水旱災害，促進經濟社會的可持續發展，依據水土流失調查結果，有必要劃定上海市水土流失重點預防區和重點治理區，而劃定的主要依據即是對土壤侵蝕模數的研究與確定。

在土壤侵蝕定量監測方面，美國率先提出了通用土壤流失方程式(USLE)。1958年，USLE被美國土壤保持局用于不同耕作制度與土地利用方式下土壤流失量的長期評估，之后世界各國相繼開展了對USLE應用的研究，包括對其進行改進以適應不同地區的氣候、地質、土壤、植被覆蓋和耕作制度條件等。該方程是目前應用最多、效果也較好的一個土壤侵蝕預測模型，本研究應用該模型計算上海市土壤侵蝕模數。

通用土壤流失方程(USLE)的表達式為式中：A為土壤侵蝕模數，t/(km2·a);R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(km2·h·a);K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm);LS為地形因子，無量綱;C為作物經營因子，無量綱;P為水土保持措施因子，無量綱。

1 土壤侵蝕模型因子計算

1.1 降雨侵蝕力因子

1.1.1 上海市降雨的時間分布特征

依據上海市高橋、夏字圩、邱移廟、青浦、青村、望新、淀浦河東閘、蘆潮港、祝橋9個雨量站點2000—2009年逐日降雨量資料，計算并繪制出該市年均降雨量逐月分布如圖1。從圖1和計算結果知，上海市降雨主要集中在5—9月，期間降雨量約占年降雨量的70%;最大降雨量發生在8月，最小降雨量發生在10月。

1.1.2 上海市降雨的空間分布特征

由于上海市的雨量站點是分散布設于面上的，因此在進行降雨空間分布特征分析時，須采用適當的方法對降雨觀測值進行空間離散。本研究采用反距離權重插值方法對上海市的實測降雨量進行插值(時間步長為 0.5 h)，計算式［1］為

式中：P(Z)為待插點的值;Zi是控制點的值;di是控制點i與點0之間的距離，表示由離散點(xi，yi)至P(x，y)點的距離;u為距離的方次，其取值在1.0～6.0之間，此處取2.0。

圖1 上海市年均月降雨量分布

應用ARC/INFO軟件繪制插值后的降雨量空間分布，可得到上海市直觀的年均降雨量分布圖(圖2)。

從圖2可知，上海市年均降雨量整體上由西向東逐漸增加，最大降雨中心出現在青村和祝橋。

1.1.3 降雨侵蝕力計算

圖2 上海市年均降雨量空間分布

降雨侵蝕力因子R，是一個評價由降雨引起的土壤離散和搬運的動力指標。在地表條件相同的水蝕區，同一地區不同年份或同一年份不同地區的侵蝕之所以能出現差異，皆源于R值的不同。R值的研究，自從Wischmeier提出經典的算法R=EI30以來，國內外有關專家分別根據降雨觀測資料的豐缺和流失量的實測值，應用中對其作出了修正或提出了適用于當地的簡便算法。在計算上海市年均降雨侵蝕力R時，本研究采用章文波等［2］以多年平均月降雨量求算侵蝕力的方法，其計算式為

其中

式中：Ff為中間變量;Pi，j為第 i年、第 j月的降雨量，mm;N為年數。

1.1.4 降雨侵蝕力(R)的空間插值

在降雨侵蝕力空間格局研究中，常用Kriging和Spline插值方法對我國降雨侵蝕力進行空間離散和擬合，但該插值法要求雨量站點要多于10個，因此本研究實行地統計和GIS相結合，采用Spline插值方法來實現上海市降雨侵蝕力數據的離散化和空間化，計算獲得的上海市年均降雨侵蝕力(R)分布見圖3。

圖3 上海市降雨侵蝕力分布

1.2 土壤可蝕性因子(K)

土壤可蝕性是指土壤是否易受侵蝕破壞的性能，即土壤對侵蝕介質剝蝕和搬運的敏感程度，是影響土壤侵蝕量大小的重要因素之一。在USLE中，K值被定義為標準徑流小區春天順坡耕翻一次裸土狀態下由單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失量。

土壤可蝕性與土壤機械組成、水穩性團粒結構、有機質含量、土壤入滲性能以及土層厚度等有關。本研究采用Williams等在侵蝕/生產力影響模型(EPIC)中發展的土壤可蝕性因子K值的估算方法，用已有的試驗觀測數據進行訂正和補充。K值的估算式為

式中：SAN、SIL、CLA和 C分別為砂粒、粉粒、黏粒和有機碳的含量，%。

對上海市不同類型土壤進行采樣和分析，通過計算獲得了土壤可蝕性因子(K值)分布(圖4)。

圖4 上海市土壤可蝕性因子(K值)分布

1.3 地形因子LS值計算

地形因子是坡度因子S和坡長因子L的總稱，坡度坡長因子LS是通用土壤流失方程式中反映地形對土壤侵蝕影響的量化指標，它在很大程度上決定了模型計算的精度。本研究采用楊勤科等［3］的研究成果計算上海市的 LS值，其方法是：基于較高分辨率的DEM，根據水流來向和流向關系，定義局部高點作為坡長累計計算的起點，從高到低，通過不斷尋求徑流結束點的方式，利用多重循環和迭代方法，完成對累計坡長的計算，其計算流程如圖5。

坡度因子S的計算式為

圖5 地形因子LS值計算流程

坡長因子L的計算式為

式中：L為坡長因子;λ為坡長，m;m為坡長指數，根據坡度大小取值，即

經計算，獲得如圖6所示的上海市地形因子LS值分布圖。

圖6 上海市地形因子LS值分布

1.4 作物經營因子C值

C因子評價的是所有有關植被覆蓋和管理變量對土壤侵蝕的綜合作用，其值大小取決于具體的作物覆蓋、輪作順序及管理措施的綜合作用以及作物不同生長期侵蝕性降雨的分布狀況。不同覆蓋度下C值的計算，采用蔡崇法的植被覆蓋度(c)與C值的關系式［4］

經計算，得到如圖7所示的上海市作物經營因子C值分布圖。

圖7 上海市作物經營因子C值分布

1.5 水土保持措施因子P值

根據2011年最新水利普查結果，上海市共有水土保持措施357.6 hm2，措施主要包括水土保持林和草兩部分。其中：喬木林260.1 hm2，占水土保持措施面積的72.74%;灌木林64.6 hm2，占18.06%;具有明顯水土保持功能的草地面積為32.9 hm2，占9.20%。

上海市地處河網平原區，水土保持措施主要分布在各郊區縣尚未采取護坡措施、基本呈自然狀態的泥質河岸河道的兩側邊坡、堤防兩側邊坡以及少量的海岸地帶，分布較為零散。對于其他區域，由于地勢平坦，高樓、硬化地面廣為分布，河道護坡措施良好，土壤侵蝕強度非常低，因此本次計算中P值取1。

2 土壤侵蝕模數計算結果

在上述各個影響因子計算的基礎上，利用USLE計算獲得了如圖8所示的上海市土壤侵蝕模數空間分布。

圖8 上海市土壤侵蝕模數分布

需要說明的是，由于USLE本身的局限性，無法準確地估算出河岸坍塌的侵蝕模數，因此我們利用收集到的相關資料，對船行波造成的河岸侵蝕強度、淀山湖沿岸坍塌強度進行了估算。在上海市通航河道中，嚴重坍塌的岸線長度為865 km，一般坍塌的岸線長度為904 km，合計1 769 km。20世紀80年代以來，這些航道每年損失的土地高達87 hm2，即年均塌岸約0.5 m，其中淀山湖和元蕩沿岸每年損失的土地超過1.5 hm2。按照河流兩岸各100 m(湖岸為100 m)為影響區、平均坍塌高度為1.5 m、土壤容重為1.3 t/m3計算，則通航河道影響區范圍內，由于船行波造成的侵蝕強度每年高達9 500 t/km2，淀山湖沿岸影響區范圍內每年的侵蝕強度也高達10 400 t/km2。

依據USLE計算的上海市土壤侵蝕模數，并結合對上海市主要通航河岸、湖岸坍塌侵蝕范圍和強度的計算，獲得了上海市不同級別土壤侵蝕模數的面積及所占比例(表1)。

表1 上海市土壤侵蝕模數分級統計

按照水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)，上海市的容許土壤侵蝕模數為 500 t/(km2·a)。研究結果表明，上海市水土流失非常輕微，96.71%的面積為微度侵蝕，全市輕度以上﹝＞500 t/(km2·a)﹞的流失面積為207.2 km2，占全市土地總面積的3.29%。嚴重侵蝕區主要集中分布在佘山、黃浦江上游及其主要支流攔路港、太浦河、大蒸港和大泖港沿線，吳淞江、大治河等部分河道沿線，以及淀山湖和元蕩的部分岸線，其中骨干河道和湖岸線狀水土流失面積176.9 km2，西部地勢較高的佘山及附近區域水土流失面積30.3 km2。

3 結語

本研究依據上海市降雨、土壤類型、地形圖和水土保持措施等資料，在GIS技術支持下，分析了影響水土流失的主要因子，獲得了各像元侵蝕因子圖，應用USLE模型計算獲得了上海市土壤侵蝕模數及空間分布狀況，并結合對上海市主要河岸、湖岸坍塌范圍和強度的計算，獲得了上海市不同級別土壤侵蝕模數的面積及所占比例。該研究成果不但為上海市水土流失重點預防區和重點治理區的劃分提供了重要依據，而且為今后編制上海市水土保持規劃和開展綜合治理奠定了基礎。

［1］洪偉，吳承禎.Krige方法在我國降雨侵蝕力地理分布規律研究中的應用［J］.土壤侵蝕與水土保持學報，1997，3(1)：91-96.

［2］章文波，付金生.不同類型雨量資料估算降雨侵蝕力［J］.資源科學，2003，25(1)：35-41.

［3］楊勤科，郭偉玲，張宏鳴，等.基于DEM的流域坡度坡長因子計算方法研究初報［J］.水土保持通報，2010，30(2)：203-207.

［4］蔡崇法，丁樹文，史志華，等.應用USLE模型與地理信息系統IDRISI預測小流域土壤侵蝕量的研究［J］.水土保持學報，2000，14(2)：19-24.