基于GIS的低丘緩坡建設對水土流失的影響——以昆明市西山區花紅園區塊為例

張 洪， 石文華

(云南財經大學城市與環境學院,云南昆明 650000)

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基于GIS的低丘緩坡建設對水土流失的影響
——以昆明市西山區花紅園區塊為例

張 洪， 石文華

(云南財經大學城市與環境學院,云南昆明 650000)

摘要[目的]研究低丘緩坡建設對水土流矢的影響。[方法]采用地理信息系統(GIS)和RUSLE模型對昆明市西山區花紅園低丘緩坡項目建設區開展前、后土壤侵蝕量變化進行量化分析，對項目區建設前、后在不同土地利用類型和不同坡度下的水土流失特征以及建設后水土流失對項目區周圍生態環境、地表徑流、未做土地平整區域的影響進行了研究。[結果]建成后項目區總體水土流失現象得到極大緩解；保留植被因景觀破碎化導致土壤流失加??；建成后坡度>5°的區域地表徑流主要是沿著道路用地分布以及向道路的兩邊蔓延。[結論]低丘緩坡項目建設用地建成后的侵蝕類型為極微度侵蝕。

關鍵詞GIS；低丘緩坡；RUSLE；土壤侵蝕量；地表徑流

土壤侵蝕是造成水土流失的重要原因。我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，特別是云貴高原山地，水力侵蝕現象嚴重。云南是山地省份，山區、半山區占全省總面積的94%，壩子(盆地、河谷)僅占6%。為了保護壩區優質耕地，云南省實施了“城鎮上山”和“工業項目上山”戰略，建設開發低丘緩坡山地資源。然而，目前城鎮工業建設選址在生態敏感性較高的低丘緩坡山地，對當地水土流失影響的研究較少。低丘緩坡建設開展的土地平整、基礎設施建設、土地結構調整，造成建設項目區地形地貌變化，植被覆蓋率降低，必然會使土壤侵蝕變化。筆者以GIS為技術手段，以云南省昆明市西山區花紅園區地塊為例，運用土壤侵蝕經驗模型(RUSLE)，定量分析低丘緩坡建設開發前后土壤侵蝕量的變化，研究了建設后項目區保留植被的生態環境及地表徑流的變化，旨在為低丘緩坡山地建設開發生態評價提供基礎數據。

1材料與方法

1.1數據來源西山區花紅園區塊地處西山區團結街道辦事處，東至西山區與五華區交界處，西至棋盤山山腳，南至光頭山，北至大墨雨村，地理坐標為102°34′46″～102°36′52″E，25°4′23″～25°2′17″N。項目區處于壩區之外，總規模520.00hm2，開發建設規模297.42hm2，建設類別為城鎮建設。

該研究收集的數據：項目區2009年1∶10 000等高線，全國第2次土地調查涉及的項目區地類圖斑屬性，項目區功能區分區與規劃布局矢量數據，項目區土地利用總體規劃(2010～2020年)矢量面狀數據，項目區2009年TM遙感影像(分辨率30.0m)，項目區2012年quickbird遙感影像(分辨率0.5m)。通過項目區實地踏勘，采集項目區土壤樣點，收集項目區土壤數據，收集到的降雨數據為2000～2011年昆明市各月降雨數據。

1.2研究模型土壤侵蝕量計算采用修正后的美國通用水土流失方程USLE模型，即RUSLE模型。數據的處理和獲得采用ERDAS和ARCGIS軟件。該模型形式簡單，所需參數較易獲得。其模型表達式如下：

A=f×R×K×LS×C×P

式中,A為土壤年流失量；f為使A轉換為代表我國單位量綱t/km2的轉換常數224.2;R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可侵蝕性因子；LS為坡長坡度因子；C為作物覆蓋與管理因子；P為侵蝕防治措施因子。其中，L、S、C、P為無量綱單位因子。

1.3因子計算

1.3.1R值。運用聯合國糧食及農業組織(FoodandAgricultureOrganizationoftheUnited,FAO)建立的修訂Fournier指數求算R值的方法(ArnoldusHMM，1980)，既考慮年降水總量，又考慮了降水的年內分布，其計算公式如下：

(1)

式中，I為月份，JI為月降水量，J為年降水量。R與該指數的關系為：

R=aF+b

(2)

式中，a與b的取值為常數，取決于當地的氣候條件，參考文獻[1-2]，a與b分別取值4．17和-152.00。將2000～2013年昆明氣象站的月降雨量數據代入上述公式，計算項目區建設前的R值?？紤]到項目區建設周期跨度較大，從2013年2期建設到2016年建設完成。該研究計算的項目區建設后的R值主要依據項目區建設規劃產生的地形坡度、坡長，地表土地覆蓋類型改變，2013年以后的月度降雨量數據也基于趨勢預測計算。

1.3.2K值。K因子反映土壤對侵蝕的敏感性及降水所產生的徑流量與徑流速率。估算K值的方法很多，一般根據無植被、完全休閑、無水土保持措施的標準小區內實測的A值，應用通用水土流失方程反求K值。土壤可蝕性因子是反映土壤抗侵蝕的能力，與土壤類型有關，是指在其他條件相同時，由于土壤性質不同所引起的侵蝕量差異。參照云南大學楊樹華教授等[3]研究給出的滇池流域土壤的K值，結合筆者對項目區實地踏勘調研，采集土壤并以土壤類型為成圖單元，再結合遙感圖像、地形圖、土地利用現狀圖，在ARCMAP中繪制土壤類型分布圖，生成因子柵格圖，從而得到K值的空間分布。項目區基巖現場踏勘判斷為石灰巖，喀斯特地形分布明顯。

低丘緩坡建設中，基礎設施的建設，路面的硬化，土地的平整，廢土、廢渣的產生，必然會改變項目區表層土壤的理化性質，進而改變土壤可蝕性因子，建設后K值不等同于未開發建設前的K值。

1.3.3L、S值。建設前項目區L、S值計算在RUSLE模型中進行，地形對土壤侵蝕的影響運用坡長和坡度因子(LS)計算。土壤侵蝕隨坡長和坡度的增大而加強。坡長因子和坡度因子可以通過高程模型(DEM)計算獲取。DEM根據項目區2009年1∶10 000等高線生成，再通過ARCGIS地形統計功能(slope)提取建設前的坡度。

筆者在RUSLE模型中，運用了坡度因子(S)公式：

S=10.8sinθ+0.03,θ<5.14°

S=16.8sinθ-0.50,5.14°≤θ<10°

(3)

同時，Liu(1994)對陡坡也提出了相應的公式：

S=21.91sinθ-0.96,θ≥10°

(4)

坡長是指從地表徑流源點到坡度減小直至有沉積出現的地方之間的距離，或到一個明顯的渠道之間的水平距離[4]。坡長因子(L)是在其他條件相同的情況下，特定坡長的坡地土壤流失量與標準小區坡長(在RUSLE中為22.13m)的坡地土壤流失量的比值。

運用ARCGIS9.3中水文分析模塊(Hydrology)中FlowDirection和FlowAccumulation功能提取柵格水流流向和匯流累積量。根據Wischmeier和Smith(1978)利用獲得坡長因子(L)的小區資料研究表明，坡長為λ(m)坡地上的平均侵蝕量按如下公式計算：

L=(λ/22.13)m

(5)

式中，L為坡長因子，λ為坡長，m為坡長指數，22.13是RUSLE采用的標準小區坡長。

通常情況下，m的取值范圍:θ<0.75°時，m取0.2；0.75°≤θ<1.72°時，m取0.3;1.72°≤θ<5.14°時，m取0.4；θ≥5.14°時，m取0.5。

低丘緩坡建設后坡長、坡度因子的計算關鍵是建設后地形地貌變化需要重新構建DEM。該研究的思路是根據項目區2013～2016年土地平整范圍矢量圖，項目區功能區分區與規劃布局矢量圖，西山區土地利用總體規劃(局部)圖(2010～2020年)，相關工程開發技術標準，修改由開發前的項目區等高線生成的不規則三角網(TIN)，生成平整范圍內的DEM，而未做土地平整的地形,數字高程模型未發生變化，將2個柵格數據進行融合即生成低丘緩坡建設后的項目區DEM。參考上述低丘緩坡建設前坡度、坡長因子的計算方法，可以計算建設后坡度、坡長因子，形成因子圖。

1.3.4C值。作物覆蓋管理因子(C)是指一定條件下有植被覆蓋或實施田間管理的土地土壤流失總量與同等條件下實施清耕的連續休閑地土壤流失總量的比值，為無量綱數，取值為0～1。C值主要受植被覆蓋度和土地利用現狀的制約。低丘緩坡建設前項目區C值計算以土地利用現狀圖為基礎，根據西山區二調數據庫現狀地類圖層獲得。結合項目區氣候特點、種植特點、農業活動、土地利用特點、植被情況，發現項目區內復種指數很高，耕地基本沒有休耕期，林地在冬季覆蓋率仍很高，鄉村道路為水泥硬化地面，道路旁修建溝渠，排水量較大，農村居民點周圍耕地分布較多項目區邊界為高山，擬建設區域多位于項目區盆地內。結合張秀敏等[5]的研究，確定不同土地利用類型的C值，進行矢量數據柵格化后得到2009年項目區C值因子圖。

低丘緩坡建設后項目區C值計算參照項目區開發前C值的計算方法，結合項目區規劃地類和功能分區進行計算。經估算可知，項目區各地類的C值為耕地0.100,園地0.090,草地0.042,灌木地0.070，林地0.040,農村居民點0.020,荒地0.170,城市用地和水體均為0。

1.3.5P值。侵蝕防治措施因子(P)是指采用專門措施后的土壤流失量與順坡耕作時土壤流失量的比值。參考美國農業部537號手冊，P值的確定綜合土地利用類型數據和地形坡度數據，取值為0～1。未采取任何水保措施地區的P值為1，水土保持很好、無侵蝕風險地區的P值為0。

低丘緩坡項目區建設開發前的耕地大多分布在河谷、溝谷地帶，田埂是普遍采用的蓄水、保水農業技術措施。據楊子生[6]在滇東北山區的研究，田埂水土保持效果較好，P值為0.18。Csar[7]的研究表明，梯田及田埂的修建質量對P值有直接影響，并根據梯田及田埂的修建質量，分別給P賦值：0.040(好)，0.150(一般)，0.359(差)。據此，當耕地坡度小于1°時，P值取0.150;其余坡度時，根據項目區實際調查情況，按等高耕作取值，考慮項目區有的耕地大于24°，按24°進行取值。根據美國農業部537號手冊整理的不同耕作模式，通過圖形疊加，運用intersect工具將不同坡度下的耕地(包括水田和旱地)提取出來，并對P賦值，得到各耕地地塊的P值圖。項目區非耕地(如草地、林地等)，人為干預因素很少，基本沒有水土保持措施。

低丘緩坡建設后項目區P值計算方法類同于前述，只是DEM是按照建設后的地形地貌計算，用地類型也是按照規劃用地對P賦值，得到低丘緩坡建設后的項目區P值因子圖。

2結果與分析

2.1低丘緩坡建設前后土壤侵蝕量變化將低丘緩坡建設前后各因子圖層相乘，得到建設前后的項目區土壤侵蝕量圖，并根據表1進行重分類(Reclassify)，得到建設前、后土壤侵蝕等級(圖1、2)。

表1　項目區土壤侵蝕分級標準

圖1　建設前項目區土壤侵蝕等級Fig.1　Soil erosion in the project area before construction

圖2　建設后項目區土壤侵蝕等級Fig.2　 Soil erosion in the project area after construction

建設前項目區年侵蝕量為17 633.17t/km2，平均侵蝕模數為3 391.00t/(km2·a),為中度侵蝕，遠大于水利部SL190—2007標準中水力土壤侵蝕類型區西南土石山區的土壤允許流失量[500.00t/(km2·a)]；建設后項目區年侵蝕量為165.85t/km2，項目區平均侵蝕模數為31.89t/(km2·a)，土壤侵蝕量僅為建設前的0.95%。就項目區總體而言，水土流失對生態破壞的影響得到了顯著改善。

與此同時，低丘緩坡建設開發改變了項目區地形地貌和坡度分布。由表2可知，建設前項目區大部分區域為極微度侵蝕和微度侵蝕，分別占項目區面積的64.62%和8.34%，侵蝕等級為劇烈的區域占13.09%；建設后項目區69.89%的土地為極微度侵蝕，30.11%為劇烈侵蝕，其中平整范圍內的城市用地基本為輕微度侵蝕，而未做土地平整的保留林地、保留園地、保留耕地、其他草地基本為劇烈侵蝕，土地平整范圍邊緣的邊坡、堆積坡、人工切割坡也為劇烈侵蝕。這些劇烈侵蝕區域若不開展生態防護林和綠化建設，可能將加重項目區的水土流失。因此，低丘緩坡山地建設開發必須與生態防護林、邊坡綠化建設同步。

2.2低丘緩坡建設前后項目區不同坡度級土壤侵蝕利用ARCGIS地形分析功能，通過建設前后項目區DEM,將項目區土地坡度按<5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°和>35° 6個土地坡度等級進行分類，然后疊加圖1、2進行空間分析，得到項目區建設前極微度和微度侵蝕的區域大部分位于坡度為<5°的項目區盆地，分別占各自侵蝕面積的57.24%和99.38%；重度以上土壤侵蝕區域集中在8°～15°和15°～25°的土地上，這種坡度的土地人為破壞土壤因素更大，人類開發造成的邊坡、堆積坡更易破壞表層土。項目區坡度25°～35°和>35°的土壤侵蝕面積比例很小，分別為4.03%和0.81%，該坡度區域人為干擾土壤行為較少，土壤多為自然狀態。

建設后項目區<5°的土地由原來占項目區面積的46.38%轉變為57.57%，通過開展建設平整土地，使項目區平坦地形增多，而坡度為25°～35°和>35°的土地由原來的4.03%和0.81%轉變為11.38%和18.45%，低丘緩坡建設導致項目區極陡峭地形增多。建設后項目區的水土流失受土地覆被現狀和侵蝕防治措施因子影響較地形因子影響顯著。在人類干預強、開發強度大的低丘緩坡山地區域，人類保持水土的意識和保持水土的措施對水土流失的影響更加重要。

2.3低丘緩坡建設對項目區周圍生態環境的影響對項目區低丘緩坡建設前后地類圖斑、項目區周圍地類圖斑和項目區范圍圖進行疊置分析，并進行目視解譯。數據源為西山區土地第2次調查數據庫中的地類圖斑圖層、項目區功能分區與規劃布局圖。研究發現，項目區保留植被在項目區建設開發后基本為劇烈侵蝕(圖3、4)，項目區的建筑物和交通道路設施建設導致城市不透水面增多，使項目區西北、西南、東南區域的植被生態景觀破碎化。植被斑塊數量增多，面積減小，內部生境面積減少，生物廊道被隔絕，生態周長變長，生態邊緣增多，導致生態物種多樣性減少。項目區建設還導致植物的蓄水能力下降，枯落物分解較以往困難，土壤抗侵蝕性降低。因此，如何充分利用地形，加強低丘緩坡山地建設開發的生態規劃，在項目區保留一定數量和斑塊面積的自然植被和生態廊道，低丘緩坡山地建設開發生態可持續性是重要課題，須引起高度重視。

表2　建設前后項目區各侵蝕等級統計

圖3　建設前項目區及周圍土地利用現狀Fig.3　The land use status in project area and surrounding area before construction

圖4　建設后項目區周圍生態影響分析Fig.4　Ecological impact around the project area after construction

2.4低丘緩坡建設對地表徑流的影響通過ARCGIS的地形分析功能，提取出項目區建設前后的地表徑流流向圖，并疊加建設后的項目區坡度分級圖。研究發現，項目區建設導致地表徑流流向變化，建成后坡度>5°的區域地表徑流主要是沿著道路用地分布以及向道路兩邊蔓延。這證明了低丘緩坡建設中道路基礎設施建設對當地地形構成了較顯著的影響，直接改變了原項目區的道路設施占用區域的地表徑流流向，從而對項目區及其周圍的水土流失產生影響。

2.5建成后項目區保留未建設區域侵蝕情況疊加項目區范圍矢量圖和項目區平整范圍圖，通過擦除(ERASE)分析得到項目區未做土地平整的保留未建設區域，再與圖2做掩膜分析(ExactbyMask)得到圖5，然后與建成后項目山脊線圖進行疊置分析。研究發現，項目區保留未建設區域坡度為8°～25°的地形陡峭及山地開發利用潛力較大的區域，極微度侵蝕區域與項目區的山脊線高度重合；山谷、河谷等凹形坡的水土流失比山頭、山腰等凸形坡的水土流失現象嚴重。這說明地形坡度坡長因子對水土流失的影響在坡度為8°～25°的區域比對坡度在<5°區域的影響大。

圖5　項目區保留區域的土壤侵蝕等級Fig.5　Soil erosion grade of reserve area in project area

3結論與討論

(1)該研究模擬了低丘緩坡項目建成后項目區水土流失情況，結果表明：建設用地建成后的侵蝕類型為極微度侵蝕。但是在城市化進程中，建筑物地基挖建、土地平整等基礎設施建設必不可免地產生了大量廢渣、廢土。山地城市由于地形起伏較大，溝谷縱橫易造成水土流失，對當地的水安全和居民的生命安全造成威脅。因此，應該由項目實施單位在特定地點修建護坡、擋土坡，將建設工程中產生的廢土、廢渣傾倒在其中。同時，在下雨時還要鋪蓋帆布，防止雨水直接沖刷造成水土流失。具體建設實施方案中，土地平整的填挖方量應盡量平衡，使廢土、廢渣盡快用于填充土地凹陷處，并夯實。

(2)該土壤侵蝕評價模型主要有2個問題：一是尺度的轉換問題，坡面、小流域、各區域不同評價尺度之間土壤侵蝕評價指標的選擇和建立缺乏有機聯系，不同空間尺度之間的評價模型難以進行有效的信息交換；二是評價模型具有特定的地域性，不同區域之間缺乏統一高效的評價模型，各評價因子的選擇和計算方法也會對評價結果產生影響。

參考文獻

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[7]CSAR.Erosionhazardassessment[M]//Secondlandresourceevaluationandplanningproject(LREP-Ⅱ)partC.TechnicalreportNo.16,Version1.0,Bogor.Indonesia,1995:7-12.

基金項目國土資源部公益性行業科研專項(201311001-3)。

作者簡介張洪(1958- )，男，四川成都人，教授，博士生導師，從事山地開發與區域經濟研究。

收稿日期2016-04-18

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)16-078-05

EffectsofHillySlopeConstructionBasedonGISonSoilErosion—ACaseStudyofHuahongyuanBlockinXishanDistrictinKunmingCity

ZHANGHong,SHIWen-hua

(SchoolofUrbanandEnvironment,YunnanUniversityofFinanceandEconomics,Kunming,Yunnan650000)

Abstract[Objective] The aim was to study effects of slope construction on soil erosion. [Method]Based on GIS and RUSLE model, the change of soil erosion amount before and after hilly slope construction in Huahongyuan, Xishan District in Kunming City was analyzed, soil erosion festures of different land use type and different slope were studied, as well as effects of soil erosion on eco-environment around the project area, surface runoff and level area.[Result]The results showed that after hilly slope construction, soil erosion was greatly alleviated; due to landscape fragmentation, preserved vegetation resulted in soil loss increase; the surface runoff in the region of slope > 5° was mainly distributed along the road and spread to both sides of the road.[Conclusion] After construction of slope projects, soil erosion is minimal degree.

Key wordsGIS; Hilly slope; RUSLE; Soil erosion amount; Surface runoff