基于GIS的粵北青蓮水流域水土流失成因分析

鄭悅華，張曉遠，劉協亭

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

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基于GIS的粵北青蓮水流域水土流失成因分析

鄭悅華，張曉遠，劉協亭

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

隨著人類社會經濟活動的加強，水土流失有持續惡化趨勢，青蓮水流域內土壤肥力下降，河道泥沙淤積，影響河流行洪安全。本文選用通用土壤流失方程，利用ArcGIS的空間疊加分析等功能，分別計算分析研究區內與土壤侵蝕相關的降雨、土壤、植被、地形、土地利用等因子，經疊加分析后生成流域水土流失現狀圖。結果表明，地形地貌因子和土地利用因子是影響流域水土流失的關鍵因子，研究結果可為廣東省中小流域治理提供水土保持方面的理論支撐。

水土流失；青蓮水流域；通用土壤流失方程

青蓮水流域主要位于廣東省北部的陽山縣，屬廣東省級水土流失重點預防區。近年來，隨著流域內人類社會經濟活動的持續增強，水土流失有持續惡化趨勢。持續的水土流失使流域內土層變薄、肥力下降，同時大量泥沙下泄，淤積江河湖庫，降低調蓄和行洪能力，導致青蓮水流域河道淤積。本文利用GIS技術的空間疊加分析等功能，選用通用土壤流失方程，對降雨、地形、植被等影響水土流失各個單因子分析計算，生成各單因子圖層，疊加分析后得到流域內的土壤侵蝕現狀數據，探討了水土流失對流域內洪澇災害、河流淤積的影響，得出地形因子尤其是坡度因子以及土地利用現狀是影響流域內水土流失的關鍵因子，為流域內水土流失治理指明了方向。

1 流域概況

青蓮水流域主要位于廣東省陽山縣，屬亞熱帶季風氣候區，流域包含秤架瑤族鄉、黃岔鎮、嶺背鎮、青蓮鎮、江英鎮等鎮區，面積約為1 186.20 km2，人口約為7.43萬人。流域內青蓮水發源于廣東陽山、乳源和湖南省宜章3縣交界的猛坑石，自北向南貫穿全境，主流長約85 km，在青蓮圩注入連江，天然落差為 1 852 m；流域地貌類型主要為山地丘陵區，區域內坡地集中，其中坡耕地面積約為43.12 km2，流域內土壤以赤紅壤為主，表土層較松，抗蝕性差。流域內植被覆蓋率約90%，年均氣溫約為21.0 ℃，年均降雨量約為1 959.9 mm。

2 研究方法

2.1 數據與分析軟件

基礎數據：青蓮水河流域空間分辨率為30 m的DEM； 近3 a的TM遙感影像圖；流域土地利用數據；流域2006—2015年降水資料(流域所在的陽山縣及周邊18個自動雨量站近年來逐月降雨量)。

分析軟件：ERDAS IMAGINE 9.0，用于處理遙感影像；ArcGIS 9.3，用于生成坡度、坡長等數據，并對各圖層進行空間分析。

2.2 技術路線

本文采用模型為通用土壤流失方程，用來分析流域內各水土流失單因子并計算流域內土壤侵蝕強度，已有研究表明，該方程能夠較好地適用于廣東省境內的的水土流失估算。具體計算公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(1)

其中A為單位面積年平均土壤侵蝕量，在量值上等于R(降雨/徑流侵蝕力因子)、K(土壤可蝕性因子)、L(坡長因子)、S(坡度因子)、C(植被覆蓋與管理因子)、P(水土保持措施因子)6因子之乘積[1-2]。

選用計算方程后，通過GIS軟件，利用研究區的TM遙感影像，提取歸一化植被指數，再以此為基礎計算地表覆蓋因子(C)；利用ArcGIS的空間分析功能，從所獲得的流域DEM中提取地形因子。然后將降雨因子圖層、土壤因子圖層、坡度坡長因子圖層、植被覆蓋因子圖層及水土保持因子圖層根據公式(1)進行疊加分析，得出流域內土壤侵蝕現狀圖及侵蝕數據，最后，根據分析結果，找出影響流域內水土流失的關鍵因子，進而針對不同類型的水土流失提出不同的治理措施。

2.3 影響水土流失的單因子研究分析

2.3.1 降雨因子分析

影響水土流失的降雨因素表現為降雨侵蝕力，降雨侵蝕力是反映由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是土壤侵蝕模型的重要因子[3]。本文計算主要考慮年均降雨量及月均降雨量，計算公式采用在我國南方紅壤區廣泛應用的威斯奇邁爾降水侵蝕力計算公式[4]：

(2)

式中 P為年均降水量，m；Pi為月均降水量，mm；R為降雨侵蝕力。

上述公式中，需計算流域內及周邊雨量站數據，文中收集了流域所在的陽山縣2個雨量站以及周邊縣市約16個雨量站自2000—2013年的各月平均降水數據，通過公式(2)計算出各雨量站的多年平均降雨侵蝕力R，然后在流域范圍內對各雨量站的R值進行線性內插，得出流域內各點的降雨侵蝕力。由計算結果知，小流域內R值范圍為241.312～244.626，整體上流域內降雨分布差異較小，不構成影響流域內水土流失差異的關鍵因素。

2.3.2 地形地貌因子分析

地形因子是將坡長及坡度對坡面水土流失的影響進行綜合描述的因子，流域所在的廣東省屬南方紅壤區，計算LS值時，選用楊艷生等提出的適用于南方紅壤地區的LS經驗公式[5]。

LS=0.002 6×1.1β×h×(1-cosβ)/sinβ

(3)

根據計算結果，得到青蓮水流域的LS值范圍為0 ～ 66.2，平均值為42.22 ，人類經濟活動可通過微地貌改變L、S因子，該因子是影響流域內水土流失差異的關鍵因子。

2.3.3 土壤因子分析

土壤可蝕性是評價土壤是否易受侵蝕破壞的性能，體現在土壤對侵蝕的易損性或敏感性[6]。

據調查，青蓮水流域內土壤主要為赤紅壤，分布有少量紅壤、水稻土等，各土壤可侵蝕性(K值)計算參考《中國水土流失防治與生態安全-南方紅壤區卷》中的結果，未列入的指標本文通過WischmeierWH建立的土壤可蝕性(K)值的計算公式[7]來計算。

K=[2.1×(N1×N2)1.14×(12-OM)×(10-4)+3.25(S-2)+2.5(P-3)]/100

(4)

式中 N1為粒徑介于(0.002～0.1mm)的粉砂與極細砂百分比含量(%)；N2為粒徑介于(0.002～2.0mm)的粉粒與砂粒百分比含量(%)；OM為有機質含量的百分比(%)；S為土壤結構等級；P為土壤滲透等級。根據上述公式，得出研究區土壤K值介于0.232紅壤、0.423之間，屬于中度可侵蝕性土壤。

2.3.4 植被覆蓋因子分析

USLE方程中最為復雜的因子為植被因子，為特定條件下已種植土地的土壤流失量和未種植休耕地狀態下土壤流失量的比值，起到抑制侵蝕動力的作用[8]。本文利用馬超飛等提出的回歸分析法，分析植被覆蓋度V與C之間的關系[9]，公式如下：

(5)

利用上述公式，通過遙感影像進行歸一化植被指數計算，提取區域內植被覆蓋度。再利用GIS的空間疊加分析功能，計算得出流域內植被覆蓋因子數據及圖件。

2.3.5 地表覆蓋因子分析

在土壤侵蝕研究中，地表覆蓋是治理土壤侵蝕必須研究的對象，地表覆蓋因子為特定條件下已種植土地的土壤流失量和未種植休耕地狀態下土壤流失量的比值，起到抑制侵蝕動力的作用。該因子用于衡量覆蓋地表的植被減緩侵蝕保持水土能力的大小。

通過流域內土地現狀各地類分布數據圖，本文采用蔡崇法等提出的針對不同土地利用方式P取定值[10]，即：林地0.006，疏林地0.017，荒地0.06，經濟林0.05，坡耕地0.31，水田0.18，居民地0.04，將這些值賦值到土地利用圖層中，得到流域內P值分布數據及圖件。

3 流域水土流失現狀及關鍵因子分析

3.1 水土流失現狀分布分析

在GIS軟件中將上述影響水土流失的各單因子圖層統一坐標、柵格大小等，通過ArcGIS的空間分析功能，對各水土流失單因子圖層進行疊加分析，得出流域內水土流失現狀分布圖 (見圖1)。

通過分析，流域內年均侵蝕模數約762.07t/(km2·a)，其中微度侵蝕面積1 008.56km2，占總面積的85.02%；輕度侵蝕面積100.51km2，占8.47%；中度侵蝕面積41.22km2，占3.47%，強烈侵蝕面積20.95km2，占1.77%；極強烈侵蝕面積9.92km2，占0.84%，劇烈侵蝕面積5.04km2，占0.42%。流域內年均土壤侵蝕模數約762.07t/(km2·a)，整個流域年侵蝕總量約67.33萬t/a。由表1數據可知，流域內總體上水土流失較嚴重，局部地區土壤侵蝕模數高達15 000t/(km2·a)。

表1 青蓮水流域水土流失強度等級

圖1 流域內水土流失現狀分布示意

圖2 流域內地形地貌分布示意

3.2 水土流失關鍵因子分析

分析計算結果，降雨侵蝕力因子、土壤可侵蝕性因子在流域內表現相差不大，流域內植被覆蓋也比較均勻，并且降雨侵蝕因子、土壤可侵蝕性因子等均非人為可以控制的因子，而流域內林草植被覆蓋率在一定時期內也不會有大的變動。因此本文著重分析影響流域內人為因素可控的地形因子和水土保持措施因子，分析其與水土流失關系，通過人為可控因素，采取相應措施防治水土流失。

3.2.1 地形地貌

流域內地形地貌對水土流失的影響主要表現在地形坡度上(見圖2)，利用GIS的空間疊加分析功能，在ArcGIS中對流域水土流失現狀圖進行疊加分析，得出流域坡度與水土流失的對應關系。

疊加分析表明，流域內坡度小于5°的流域域面積為618.53km2，年均土壤侵蝕量為259.2t/(km2·a)；坡度在5°～15°以內的流域面積195.99km2，年均土壤侵蝕量724.86t/(km2·a)；坡度15°～25°范圍的的面積為225.03km2，年均土壤侵蝕量900.94t/(km2·a)；坡度大于25°區域約146.65km2，年均土壤侵蝕量1 146.72t/(km2·a)；流域內年均土壤侵蝕量主要集中分布于坡度15°～25°范圍內，其他坡度區間范圍內均相應減少(如表2所示)。

表2 青蓮水流域各級坡度水土流失土壤侵蝕量

據小流域土壤侵蝕與坡度對應關系，得出小流域內水土流失程度與地形坡度關系相關性。數據顯示，水土流失輕微區主要是坡度為在<5°的平緩河谷、村莊等區域，大于25°的坡度、植被覆蓋良好區上同樣分布較為集中；中度以上土壤侵蝕區域主要分布在5°～25°的區域(見表3)。

表3 青蓮水流域土壤侵蝕強度與地形坡度相關性

綜上分析，流域區的土壤侵蝕集中分布在5°～25°之間的區域，該區域是海拔較低的低山區，坡度較小，人類活動頻繁，坡耕地較多，植被破壞嚴重，容易造成水土流失。在坡度較大的地區，因當地農民種植經濟作物，造成的水土流失現象嚴重，人為因素是造成當地水土流失的重要因素。

3.2.2 土地利用類型

根據最新國土二調數據，青蓮水流域土地利用現狀數據見表4。

圖3 流域內土地利用現狀分布示意

圖4 流域內坡耕地分布示意

表4 青蓮水流域內不同土地利用類型水土流失情況 km2

從表4知，不同地類的土壤侵蝕程度差異較大。經分析，林草地水土流失主要發生在疏林地中，以輕度侵蝕為主。中度及以上水土流失主要發生在耕地和其他地類中，區域內坡耕地數量多且坡度較陡，不易保水保土，容易造成水土流失；其他地類主要是人類社會經濟活動較強的地區，如修路、開礦采石等造成的水土流失。

綜上，水土流失治理時，治理重點應重視集中連片的坡耕地區、林下水土流失嚴重的疏林地區及人類生產建設活動較強的修路、采礦區等。

4 結語

本文采用通用土壤流失方程，通過對研究區內影響水土流失的單因子、多因子綜合分析，對流域水土流失進行評價研究。得到青蓮水流域土壤侵蝕各單因子分布數據及土壤侵蝕現狀分布圖及數據，并通過研究影響流域水土流失的關鍵因子，明確了流域內水土流失的空間分布規律及主導因子，得出流域內水土流失總體較輕，但局部嚴重的水土流失現狀，流域內平均土壤侵蝕模數約762.07t/(km2·a)，整個區域年侵蝕總量約67.33萬t/a，流域內水土流失是造成區域內河道淤積、生態惡化的重要因素，因此，流域內水土流失防治重點是防治人為水土流失的控制，特別是坡耕地開發及修路、開礦采石等生產建設活動，應提高流域內各級政府和人民群眾對水土流失危害性的認識，提高水土保持生態建設質量，有計劃有步驟的進行坡耕地改造，實施退耕還林還草，同時貫徹落實水土保持法，加大監督執法力度，堅持預防為主、保護優先的水土保持工作方針，采取工程、植物結合的多種綜合措施，加大流域內的水土流失治理力度。

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[6] 宋陽,劉連友，嚴平，等. 土壤可蝕性研究述評[J].干旱區地理, 2006,29(1):124-131.

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(本文責任編輯 馬克俊)

Causes Analysis of Soil Erosion in Qinglian River Watershed of North Area of Guangdong Province Based on GIS

ZHENG Yuehua, ZHANG Xiaoyuan, LIU Xieting

(Guandong Hydropower Planning&Design Institute , Guangzhou 510635, China)

With the strengthening of human social and economic activities, water and soil erosion has continued to deteriorate in Qinglian River Watershed, which not only reduce soil fertility, also caused the river silt, and affect the safety of river flood. By using GIS technology and selecting the Universal Soil Loss Equation (USLE) as The mathematical models, using the spatial analysis function of the GIS, calculation and overlay analysis the factor of rainfall, soil, vegetation, topography, land use and so on, generate status maps of soil erosion. And soil erosion of the region are analyzed and evaluated. Research results show that, topographic factors and land use factors are the key factor of soil erosion, and the result could support technical supporting for the middle and small watershed soil erosion of Guangdong province.

soil erosion； Qinglian river watershed； USLE

2016-05-10;

2016-06-30

鄭悅華(1966),男，高級工程師，主要從事水土保持及環境保護研究。

S157.1;P208.2

A

1008-0112(2016)05-0024-05