密云沙廠小流域土壤侵蝕GIS和RS評價方法研究

曹艷超，楊 賢，管晨雪，高 陽，羅文敏

(1.桂林理工大學，桂林 541004；2.河北省地礦局水文工程地質勘查院，石家莊 050021；3.招金礦業股份有限公司技術中心，招遠 265400；4河南省有色金屬地質礦產局第二地質大隊，河南 鄭州 450016)

密云沙廠小流域是北京市重要的水源保護區，是首都人民生活用水和工業用水的重要來源。隨著人口增長和經濟的快速發展，以及人類不合理的規劃建設，流域水資源及生態環境遭到嚴重破壞，影響到人們的用水安全和經濟的可持續發展。本文針對密云水資源保護和生態環境恢復問題，利用遙感技術和土壤侵蝕原理，建立小流域土壤侵蝕評價模型，估算土壤侵蝕量，用適宜的數學方法分析土壤侵蝕特征。

1 研究區背景

沙廠小流域位于北京市密云縣東南部，距離密云縣城約25km，位于沙廠水庫西側，總面積約17km2，流域地理坐標為：東經116°59′～117°02′，北緯40°21′～40°23′。流域屬于燕山山脈，以淺山丘陵為主，地勢較低，流域內溝道狹長，大體從東北向西南走向。坡度在0～39°之間。流域內巖石主要有花崗巖、片麻巖等，土壤以褐土為主，土層厚度20～30cm，土壤質地較粗，多為沙壤土，粘粒含量低，保水性能較差，容易產生土壤侵蝕。植被以油松、側柏、草灌坡為主，植被蓋度較高，近山以板栗、核桃等經濟林為主。低山區為耕作區，人為活動頻繁，冬春季節植被覆蓋度較低，局部地區植被退化，易產生水土流失。流域屬于暖溫帶季風型大陸性半濕潤半干旱氣候，四季分明，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽宜人，冬季寒冷干燥。

2 研究方法

2.1 研究數據

本文中主要采用的遙感數據源為 TM影像，用于研究區植被覆蓋度提取，輔助遙感影像為“北京一號”、Quick Bird影像，用于研究區土地利用類型提取。本文收集的基礎數據包括研究區的位置和范圍、自然地理和社會人文資料、氣象和水文資料等，主要用于輔助小流域土壤侵蝕影響因子的提取。

2.2 水利部土壤侵蝕標準評價方法

本論文根據我國及密云縣土壤侵蝕實際情況，選擇水利部頒布的《土壤侵蝕強度分級標準》(SL190-2007)進行沙廠小流域土壤侵蝕定量評價研究。

根據《標準》中全國土壤侵蝕類型區劃范圍及特點，可知沙廠小流域屬于水力侵蝕為主的類型區中的北方土石山區，土壤侵蝕類型以面蝕為主。因此，本研究遵照水利部標準SL190-2007有關面蝕分級標準，以及沙廠小流域各影響因子分級情況，將沙廠小流域土壤侵蝕面蝕分級標準改進為表1。將沙廠小流域土壤侵蝕強度分為6個等級，每個等級的劃分由土地利用類型、植被覆蓋度和地面坡度三個因子決定。

表1沙廠小流域土壤侵蝕分級評價

Tab.1AssessmentofSoilErosionDegreeofShachangSmallDrainageArea

2.3.1 植被覆蓋度

植被覆蓋度(f)指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比，即植土比。遙感器所測得的反射輻射R可表示為：

R=fRv+(1-f)RS

式中RV、RS分別為植被、土壤的總反射；f為植被覆蓋度。則

f=(R-RS)/(RV-Rs)

利用植被指數計算覆蓋度，公式即

f=(NDVI-NDVIS)(NDVIV-NDVIS)

對研究區NDVI值進行頻率統計，NDVI值按從小到大的順序排列，本研究中根據經驗對NDVIsoil和NDVIveg進行估計，取累計百分比為5%的NDVI值為NDVIS，取累計百分比為95%的NDVI值為NDVIV，根據上述公式可估算研究區的植被覆蓋度情況，依據水利部關于土壤侵蝕植被覆蓋度等級劃分標準，結合沙廠小流域的實際情況，將研究區植被覆蓋度分為五級，如圖1所示。

提取結果表明，研究區內植被覆蓋度較高，植被覆蓋度類型以高、中高為主。植被覆蓋度在60%以上的面積為1404.16公頃，占研究區總面積的83%。其中，植被覆蓋度在60%～75%之間的面積為691.80公頃，占研究區總面積的40.69%；植被覆蓋度>75%的面積為691.80公頃，占研究區總面積的41.90%；植被覆蓋度在45%～60%之間的面積為95.05公頃，占研究區總面積的5.59%；植被覆蓋度在30%～45%之間的面積為61.26公頃，占研究區總面積的3.6%；植被覆蓋度小于30%的面積為139.68公頃，占研究區總面積的8.22%。

2.3.2 土地利用類型提取

本研究依照國土資源部2007年發布實施的《土地利用現狀分類》(GB/T 21010―2007)的分類系統，水利部關于土壤侵蝕評價標準中土地利用分類要求，以及沙廠小流域實際情況進行提取土地利用類型。一級地類分為耕地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、水域及水利設施用地5類，結果以一級地類統計匯總。

沙廠小流域土地利用類型主要基于Quick Bird影像，進行遙感解譯，對沙廠小流域土地利用類型進行提取。結果如圖2所示，經統計發現，研究區內土地利用類型以林地為主，面積為1287.9公頃，占研究區總面積的76%，其次是建筑用地和草地，面積分別為183.41公頃、154.36公頃，分別占小流域面積的10.97%、9.08%；耕地和水體的面積很少，共占研究區總面積的4%，面積分別為45.9公頃、28.58公頃。

2.3.3 坡度因子

本文以北京市30mDEM數據源，在Arc GIS軟件中，將30mDEM數據重采樣為10m，采用空間分析(Spatial Analysis)模塊的坡度(Slop)功能，提取研究區的坡度分布信息。依據水利部關于土壤侵蝕坡度等級劃分標準，結合沙廠小流域的實際情況，將研究區坡度分為六級，如圖3所示。提取結果表明，研究區內坡度只要分布在8°～25°之間，占總面積的46.26%。其中8°～15°面積為446.81公頃，占研究區總面積的26.28%，15°～25°面積為786.41公頃，占研究區總面積的41%；坡度小于5°的面積為171.56公頃，占小流域面積的10.09%；坡度在5°～8°之間的面積為109.28公頃，占小流域面積的6.43%；坡度在25°～35°之間的面積為296.62公頃，占小流域面積的17.45%；坡度大于35°的面積為26.01公頃，占小流域面積的1.53%。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕評價分析

按照表1中的分級標準，利用ArcGIS中地圖代數的功能，獲得沙廠小流域土壤侵蝕強度等級圖，如圖4所示。

經統計發現(表2)，沙廠小流域以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，占研究區總面積的98.68%，中度侵蝕和強度侵蝕很少，無極強度侵蝕和劇烈侵蝕。輕度侵蝕分布相對集中，主要位于研究區的中部；中度侵蝕分布較分散，主要位于西部和東部；強度侵蝕很少，位于研究區西部。

3.2 不同影響因子的土壤侵蝕分析評價

應用Arc GIS的空間分析功能，將植被覆蓋圖層、土地利用圖層、坡度圖層分別與土壤侵蝕強度圖層進行疊加，得到統計結果如下：

(1)不同植被覆蓋度下土壤侵蝕存在差異，沙廠小流域植被覆蓋度以高覆蓋和中高覆蓋為主，對應的土壤侵蝕強度也以微度侵蝕為主，植被覆蓋度小于60%時，土壤侵蝕以微度和輕度為主。在高覆蓋和中高覆蓋地區，土壤侵蝕類型有中度、強度侵蝕存在，主要原因是坡度較陡；在植被覆蓋度<30%的地區，雖然植被覆蓋度很低，但多數是地面被硬化的建筑用地，所以只有少量中度侵蝕區，未見強度侵蝕。

(2)不同土地利用類型之間，土壤侵蝕強度差異顯著，耕地的土壤侵蝕強度主要以微度為主，主要是因為耕作方式對有保持水土的功效；林地的侵蝕強度主要以微度和輕度為主，因為植被覆蓋的大小直接決定了土壤侵蝕強度等級，但由于某些地方坡度較陡，使侵蝕類型表現為輕度，甚至出現中度和強度。草地的侵蝕方式與林地相似，由于沙廠小流域內有些地區以自然草地為主，缺少人工保護措施，所以侵蝕強度偏高。建筑用地以微度和輕度為主，主要是因為地面被硬化后，在一定程度上防止了水土流失，降低了土壤侵蝕程度。

(3)不同坡度下，研究區內土壤侵蝕以微度侵蝕為主，在其他條件不變的情況下，在0°～25°范圍內，土壤侵蝕隨坡度的增加而加劇，且變化明顯；大于25°后，土壤侵蝕強度以輕度侵蝕為主，但變化不明顯。

表2 土壤侵蝕分級統計(SL190-2007)

4 結 論

本研究在GIS軟件的支持下，利用水利部標準SL190-2007對沙廠小流域土壤侵蝕進行定量研究，得出了沙廠小流域的土壤侵蝕情況。表明該區內土壤侵蝕以微度侵蝕為主，占總面積的70.87%，但是輕度及輕度以上的侵蝕面積仍接近30%，因此，在輕度侵蝕區，尤其是在中度和強度的侵蝕區，應采取水土保持措施，治理或緩解土壤侵蝕狀況。為了提高生態環境質量，本文給出以下建議：

(1)為了改善流域內坡地的種植園水土流失狀況，提高土地生產力和果品產量，在坡度為5°～15°、地形較為破碎的果園地修建樹盤。

(2)農作物種植生產過程中，禁止使用高毒、高殘留的農藥，控制化肥農藥施用、發展生態農業，減少面源污染。

(3)在中山、低山地區，采用封禁治理措施，設置封禁標牌、護欄，禁止人為開墾放牧等生產活動，減少人為活動和干擾，充分依靠大自然的力量，發揮生態系統的自我修復功能。

(4)在村莊內部及附近，植樹種草、鋪設步道，美化環境；按人口及垃圾生產量合理建設垃圾收集站；分別集中處理生活污水、禽畜養殖廢水、工業廢水。

參 考 文 獻

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[3]李京，李曉兵，宮阿都.基于遙感方法的小流域土壤侵蝕研究[J].自然災害學報.2008，17(6)：77～81.

[4]王小明.GIS技術支持下的小流域土壤侵蝕研究[學位論文].西安：西安科技大學，2010.