基于GIS和RUSLE模型的松濤水庫上游水土流失定量分析

關學彬，史建康，呂淑果

(海南省環(huán)境科學研究院，海南 海口 571126)

?

基于GIS和RUSLE模型的松濤水庫上游水土流失定量分析

關學彬，史建康，呂淑果

(海南省環(huán)境科學研究院，海南 海口 571126)

松濤水庫上游；地理信息系統(tǒng)；遙感技術；RUSLE模型；水土流失

基于地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感技術(RS)，提取了松濤水庫上游降雨侵蝕力、地形、土壤可蝕性、植被與經(jīng)營管理和水土保持措施5個主要水土流失影響因子，運用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)估算該區(qū)域土壤侵蝕量，生成土壤侵蝕程度分布圖。運用GIS空間分析和數(shù)理統(tǒng)計方法，分析水土流失在地理空間上的分布特征，結(jié)果表明：水土流失主要以微度和輕度侵蝕為主，分別占研究區(qū)總面積的48.43%和26.76% ；坡度是引起水土流失的重要因子，水土流失主要分布在坡度>15°的區(qū)域；水土流失主要發(fā)生在人類干擾活動較強烈的草地、灌木林、速生林、熱作園等地類上，其水土流失面積占到研究區(qū)水土流失總面積的89.64%。

海南省土壤侵蝕以水力侵蝕為主，根據(jù)2013年海南省第一次水利普查結(jié)果，海南省現(xiàn)有水土流失面積2 116.04 km2，比全國第三次土壤侵蝕遙感調(diào)查結(jié)果增加了1 678.27 km2，水土流失呈加劇趨勢[1]。海南省水土流失總面積不大，但局地水土流失嚴重，主要集中在海口鴨程溪、文昌寶陵河、澄邁黃龍嶺、儋州螞蝗嶺一帶。針對海南省水土流失現(xiàn)狀，許多學者進行了研究，比如：趙玉國等[2-3]先后在海南開展了土壤侵蝕研究，結(jié)果表明海南島潛在土壤侵蝕量巨大，并且主要發(fā)生在中部山區(qū)；曾紅絹等[4]采用USLE方程對海南島松濤水庫流域2003—2005年平均土壤侵蝕量進行了定量模擬，結(jié)果顯示流域內(nèi)潛在土壤侵蝕量超過容許土壤流失量60倍，對人工經(jīng)濟作物采用水土保持措施或恢復林草植被能有效控制土壤侵蝕。

松濤水庫位于海南省儋州市南部，庫區(qū)回水至白沙縣平義鎮(zhèn)，大壩位于南渡江上游的儋州市親足口峽谷，集水面積1 440 km2，總庫容33.40億m3，為海南省第一大水庫。近年來，庫區(qū)范圍內(nèi)的毀林開墾、采石、采砂、取土等毀壞了水源林及周邊生態(tài)，造成大量水土流失，并引發(fā)水質(zhì)污染，危及周邊地區(qū)群眾用水安全[5]。本研究以松濤水庫上游為研究區(qū)，基于GIS和RUSLE模型，建立水土流失因子庫，估算研究區(qū)水土流失量及其空間分布，以及水土流失與土地利用、坡度的關系，為松濤水庫流域水土流失治理奠定基礎。

1 研究區(qū)概況

松濤水庫上游位于白沙黎族自治縣境內(nèi)，絕大部分位于海南中部山區(qū)國家級生態(tài)功能保護區(qū)內(nèi)，物種資源豐富，生態(tài)服務功能和生態(tài)價值大，為松濤水庫提供了74%的蓄水量；地處低山丘陵區(qū)，地勢西南高、東北低；雨量豐沛，多年平均降雨量1 875 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 179 mm，并且存在明顯的干濕兩季；土壤類型主要有磚紅壤、赤紅壤和黃壤，沿河各地帶分布的沖積沙壤土土地肥沃，是主要的耕地；植被種類繁多，自然植被主要包括常綠季雨林、溝谷雨林和山地雨林等，人工植被主要是橡膠、胡椒和檳榔等熱帶經(jīng)濟作物；以農(nóng)林業(yè)為主，除傳統(tǒng)農(nóng)作物外，偏重橡膠和果樹等經(jīng)濟林木，水庫養(yǎng)殖也占一定比重。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 基礎數(shù)據(jù)

本研究采用的遙感影像為2010年9月6日覆蓋該區(qū)域的30 m分辨率的Landsat TM多光譜遙感影像，用于提取植被覆蓋度信息、地表覆蓋因子和水土保持措施因子。專題圖件數(shù)據(jù)包括：1∶25萬行政區(qū)圖，用于確定研究區(qū)邊界及結(jié)果統(tǒng)計；1∶25萬地形圖，用于建立數(shù)字高程模型、提取流域地形因子；土壤類型圖和土壤可蝕性數(shù)據(jù)來自海南省第二次土壤普查成果，用于提取土壤可蝕性因子。文本數(shù)據(jù)為氣象局提供的該區(qū)域多年的年均和月均降雨量，用于計算降雨侵蝕力因子。

2.2 水土流失評價模型

根據(jù)研究區(qū)實際情況和已獲取的各種數(shù)據(jù)，參考國內(nèi)學者周伏建等[6-7]在閩東南地區(qū)的研究成果，選取應用廣泛的RUSLE模型作為研究區(qū)土壤侵蝕模型，計算公式為

A=RKLSCP

(1)

式中：A為年平均土壤流失量，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L為坡長因子；S為坡度因子；C為植被與經(jīng)營管理因子；P為水土保持措施因子。

2.3 RUSLE模型因子提取

(1)降雨侵蝕力因子R。降雨侵蝕力因子R反映了由降雨引起水土流失的潛在能力、氣候因素對水力侵蝕的作用[8]，是實現(xiàn)定量監(jiān)測與評價一個地區(qū)水土流失的重要基礎因素。基于國內(nèi)學者的研究成果[9-11]，選取周伏建等[6]提出的福建省降雨侵蝕力因子R值的估算公式進行計算，公式為

(2)

式中：Pi為月降雨量，mm；R為降雨侵蝕力因子，J·cm/(m2·h·a)。

(2)地形因子LS。地形因子LS由坡度因子S和坡長因子L共同決定，反映了地形地貌特征對水土流失的影響。在坡面尺度上地形因子可以根據(jù)實測值計算，但大區(qū)域的估算只能用DEM數(shù)據(jù)進行提取。本研究選用RUSLE方程的坡長坡度因子計算方法，借鑒Liu等[12]研究成果，得出地形因子計算公式為

(3)

(4)

式中：S為坡度因子；θ為由DEM提取的坡度值，(°)；L為坡長因子；λ為由DEM提取的坡長值，m；M為可變的坡長指數(shù)，取0.5。

計算得到研究區(qū)LS因子取值為0～7.13，各取值區(qū)間面積分布情況見表1。

表1 研究區(qū)LS因子面積分布情況 km2

(3)土壤可蝕性因子K。土壤可蝕性因子K是土壤潛在侵蝕性的量度，反映了土壤容易遭受侵蝕的程度。本研究選用Williams等在EPIC模型中對土壤侵蝕因子K的估算方法，即根據(jù)土壤有機碳含量和土壤機械組成估算K值，計算公式為

(5)

式中：Sd為砂粒含量，%；Si為粉粒含量，%；Ci為黏粒含量，%；c為有機碳含量，%。

研究區(qū)土壤類型主要有磚紅壤、山地赤紅壤和山地黃壤，其中磚紅壤占研究區(qū)面積的53.84%，山地赤紅壤占26.61%，山地黃壤占13.89%。運用公式(5)計算磚紅壤、山地赤紅壤和山地黃壤的土壤可蝕性因子分別為0.38、0.39、0.40，可蝕性基本相當。

(4)植被與經(jīng)營管理因子C。植被與經(jīng)營管理因子C反映的是有關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、管理措施的綜合作用等。蔡崇法等[13]通過計算坡面產(chǎn)沙量與植被覆蓋度的相關關系，建立了坡面產(chǎn)沙量與植被覆蓋度的數(shù)學關系，并與標準狀況下的產(chǎn)沙量進行對比，得出C因子的計算公式為

(6)

式中：f為植物覆蓋度，%。

(4)水土保持措施因子P。參照美國農(nóng)業(yè)部手冊703號和黃金良等[14]在九龍江流域土壤侵蝕研究中P因子取值的研究成果，進行P因子值的率定。研究區(qū)內(nèi)自然植被(包括天然林地、灌木林地、草地)，無水土保持措施，P值取1；橡膠、速生林等經(jīng)濟作物多采用順坡種植方式，無水土保持措施，P值取1；熱作園P值取0.8；耕地一般位于沿河低地，部分采取了水土保持措施，P值取0.5；建設用地P值取1；水域P值取0。流域內(nèi)經(jīng)濟作物大多是順坡種植，極易引發(fā)水土流失。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)水土流失現(xiàn)狀

將R、LS、C、K、P各因子空間分布圖轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一坐標系，像元大小為30 m分辨率，應用ArcGIS軟件分析模塊的“Raster Calculator(計算)”功能進行疊加相乘運算，再乘以100，得到研究區(qū)土壤侵蝕強度等級圖。根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準(SL 190—2007)》確定水土流失分級指標，得到研究區(qū)土壤侵蝕強度分級及面積統(tǒng)計結(jié)果，見表2。由表2知，研究區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)狀以微度、輕度和中度為主，分別占總面積的48.43%、26.76%和21.60%。

3.2 水土流失空間分布特征

研究區(qū)水土流失等級分為微度、輕度、中度、強烈、極強烈5個等級。為更好地反映松濤水庫上游地區(qū)水土流失空間分布特征，將該區(qū)域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界與水土流失分布圖疊加，分析每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水土流失情況。位于該流域的7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(除了青松鄉(xiāng)、王下鄉(xiāng)是部分位于研究區(qū)內(nèi)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)全部位于研究區(qū)內(nèi))水土流失類型以輕度和中度侵蝕為主，土壤侵蝕率(輕度以上土壤侵蝕面積除以研究區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積)在50%以上的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有5個，其中：青松鄉(xiāng)土壤侵蝕率最高，達59.64%；之后是細水鄉(xiāng)、王下鄉(xiāng)、元門鄉(xiāng)和南開鄉(xiāng)，分別為58.04%、56.74%、52.14%和51.77%。土壤侵蝕率最低的是白沙鎮(zhèn)和牙叉鎮(zhèn)，分別為46.14%和37.94%。

表2 研究區(qū)土壤侵蝕強度分級

3.3 水土流失與土地利用的關系

土地利用是人類活動的集中體現(xiàn)，土地利用方式的不同，很大程度上影響著區(qū)域水土流失發(fā)生面積和強度特征[15]。將水土流失分級圖與土地利用類型圖疊加分析，獲取研究區(qū)不同土地利用類型的水土流失情況，結(jié)果見表3。從表3可以看出，不同土地利用類型的水土流失差異較大，水土流失主要發(fā)生在草地、灌木林、速生林、熱作園和有林地等5類地類上，其水土流失面積占研究區(qū)水土流失總面積的89.64%。5類土地利用類型水土流失程度以輕度和中度侵蝕為主：草地水土流失面積占草地總面積的74.13%，其中輕度侵蝕占40.70%、中度侵蝕占29.07%；灌木林水土流失面積占灌木林面積的71.14%， 其中輕度侵蝕占的37.58%、中度侵蝕占29.51%；速生林水土流失面積占速生林面積的61.03%，其中輕度侵蝕占30.23%、中度侵蝕占26.03%； 熱作園水土流失面積占熱作園面積52.89%，其中輕度侵蝕占44.44%、中度侵蝕占8.22%；有林地水土流失面積占有林地面積的51.01%，其中輕度侵蝕占21.16%、中度侵蝕占24.02%。綜上，研究區(qū)水土流失情況整體不算嚴重，但局部地區(qū)如人類干擾活動較強烈的灌木林、速生林和草地分布區(qū)水土流失較為嚴重，因此要特別加強對這幾類地類的管理，在坡度較大的地區(qū)實行退耕還林。

表3 各土地利用類型水土流失情況

3.4 水土流失與坡度的關系

坡度是影響土壤侵蝕的關鍵因子之一。研究區(qū)坡度系統(tǒng)分成6個等級，將坡度圖與水土流失等級圖疊加分析，得出不同坡度帶土壤侵蝕程度分布情況，見表4。研究區(qū)山高坡陡，其中：0～15°緩坡地區(qū)占研究區(qū)動；15°～35°坡度地區(qū)占研究區(qū)總面積的56.46%；大于35°陡坡地區(qū)面積較小，僅占研究區(qū)總面積的7.79%。從表4可以看出，各坡度水力侵蝕均以輕度和中度侵蝕為主，其中：微度和輕度侵蝕主要分布在8°以下區(qū)域；8°～15°區(qū)域輕度侵蝕面積占34.77%，強烈和極強烈侵蝕占1.42%；15°～25°區(qū)域輕度和中度侵蝕分別占28.83%和24.79%，強烈和極強烈侵蝕占3.01%；25°～35°區(qū)域輕度和中度侵蝕分別占23.64%和29.07%，強烈和極強烈侵蝕占5.05%。

表4 不同坡度帶土壤侵蝕程度分布情況

4 結(jié) 論

本研究在GIS、RS技術的支持下，提取地表覆蓋因子、水土保持措施因子、坡度坡長因子、土壤可蝕性因子和降雨侵蝕力因子作為研究區(qū)水土流失評估指標，運用RUSLE模型，分析計算流域范圍內(nèi)的水土流失量、分布狀況，以及水土流失與土地利用、坡度的關系，得出結(jié)論：松濤水庫上游地區(qū)水土流失以微度和輕度侵蝕為主；坡度是引起水土流失的重要因子，水土流失主要分布在坡度>15°的區(qū)域；水土流失主要發(fā)生在人類活動干擾較強烈的草地、灌木林、速生林、熱作園等地類上，其水土流失面積占到研究區(qū)水土流失總面積的89.64%。

[1] 林郁.海南省水土保持的現(xiàn)狀及對策[J].中國水土保持,2015(3):7-9.

[2] 趙玉國,張甘霖,龔子同.SOTER支持下海南島土壤侵蝕模擬與影響因子分析[J].土壤通報,2003,34(3):219-224.

[3] 肖寒,歐陽志云,王效科，等.GIS支持下的海南島土壤侵蝕空間分布特征[J].土壤侵蝕與水土保持學報,1995,5(4):75-80.

[4] 曾紅娟,楊勝天,王凌,等.海南省松濤水庫流域土壤侵蝕及控制方案[J].地理研究,2009,28(5):1197-1207.

[5] 劉陽生.海南省重要飲用水源地污染源調(diào)查及保護策略研究[J].水利科技與經(jīng)濟,2006,12(11):748-750.

[6] 周伏健,陳明華,林福興,等.福建省土壤流失預防研究[J].水土保持通報,1995,9(1):25-30.

[7] 黃炎和,盧程隆,付勤,等.閩東南土壤流失預報研究[J].水土保持通報,1993,7(4):13-18.

[8] 王健.降雨及其侵蝕力研究方法探討[J].廣東水利電力職業(yè)技術學院學報,2008,6(2)：53-57.

[9] 周伏建,陳明華,林福興,等.福建省降雨侵蝕力指標R值[J].水土保持學報,1995,9(1):13-18.

[10] 吳素業(yè).安徽大別山區(qū)降雨侵蝕力指標的研究[J].中國水土保持,1992(2):32-33.

[11] 劉秉正.渭北地區(qū)R值的計算與分布[J].西北林學院學報,1993,8(2):21-29.

[12] Liu Baoyuan,Nearing M A,Risse L M.Slope gradient effects on soil loss for steep slopes[J].Transactions of the ASAE,1994,37(6):1835-1840.

[13] 蔡崇法,丁樹文,史志華,等.應用USLE模型與地理信息系統(tǒng)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.

[14] 黃金良,洪華生,張洛平,等.基于GIS和USLE的九龍江流域土壤侵蝕量預測研究[J].水土保持學報,2004,18(5):75-79.

[15] 倪晉仁,李英奎.基于土地利用結(jié)構(gòu)變化的水土流失動態(tài)評估[J].地理學報,2001,56(5):611-621.

(責任編輯 李楊楊)

S157.1

A

1000-0941(2016)10-0056-04

關學彬(1977—)，女，吉林集安市人，工程師，碩士，從事環(huán)境遙感和宏觀生態(tài)研究。

2015-12-16