基于R S保定市太行山區水土流失定量評價研究

尹君 張廣英 曹然

（1河北農業大學城建學院，2 保定市水土保持試驗站）

基于R S保定市太行山區水土流失定量評價研究

尹君1張廣英2曹然1

（1河北農業大學城建學院，2 保定市水土保持試驗站）

本文主要研究應用通用水土流失模型，以Landsat-7遙感影像、1∶10萬數字地形圖、河北省土壤類型圖及其它輔助數據為基礎，以當地降雨量、土壤類型和質地、坡度坡長、植被覆蓋度以及水土保護措施因子等作為影響因子，在RS和GIS技術的支持下，對模型各參數因子進行定量計算，并進行土壤侵蝕強度分級，實現了基于矢量柵格信息的土壤侵蝕強度定量計算，最后以保定市西部太行山區9個縣級單位為例，驗證了該方法的可靠性。研究結果表明：（1）該方法所獲取的土壤侵蝕強度信息與實際情況有較好的一致；（2）保定市西部太行山區土壤侵蝕以輕度和中度侵蝕為主，中度及以下所占面積比例為 63.54%，強烈及以上所占面積比例為36.46%；（3）以研究區各地理單元土壤侵蝕量，分析了不同單位、不同坡度坡度和不同土地利用類型土壤侵蝕強度分布特征。

土壤侵蝕 遙感 地理信息系統 USLE

分類：中圖法 TP393 S157

我國是多山和降雨極不均衡的國家，土壤侵蝕非常嚴重，對土壤侵蝕進行調查、監測和評價，具有十分重要的意義。土壤侵蝕量的計算對防治土壤水土流失區域、水土流失量影響因子的鑒定、甄別和防治措施具有指導性作用。到目前為止，最為廣泛應用的經驗模型是通用土壤侵蝕方程在土壤侵蝕系統建模方面先后引進了USLE，RUSLE，WEPP等模型[1]。但長期以來各模型的參數確定主要以實地測量和估算為主，存在兩方面的不足：一方面受試驗環境、儀器精度和知識背景的限制，估算值與實際值有比較大出入，使得參數確定的隨機性大，精度低；另一方面，由于自然條件千差萬別，觀測范圍有限，使得參數估算缺乏代表性，無法回答土壤侵蝕的時空分布規律[1]。

遙感技術(RS)具有多種類、多平臺、多時段及多波段的特征，且具有信息豐富、實時性和動態性強等優勢，地理信息系統技術(GIS)具有較強的空間數據存儲、計算、分析和顯示功能，因此，RS和GIS技術結合被應用到土壤侵蝕的調查、監測和評價工作中。本文在深入分析土壤侵蝕主要影響因素的基礎上，選取河北省保定市西部太行山區為研究區，應用通用的土壤流失模型(Universal Soil Loss Equation，簡稱USLE)，在RS和GIS技術支持下，更準確、快速的確定模型參數，提高計算精度和效率，并以此開展土壤侵蝕與相關因素的定量分析計算。

一、研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

保定市西部太行山區位于河北省中西部，冀中平原西部，北緯38 28-39 58，東經113 40-115 50之間。北鄰北京市和張家口市，東接冀中平原，南與石家莊市相連，西部與山西省大同市和忻州市接壤。區域內包括保定市淶水縣、淶源縣、易縣、順平縣、阜平縣、唐縣、曲陽縣、滿城區和徐水區的西部丘陵山區，區域總面積13154.46平方公里。

該山區地勢由西北向東南傾斜，可劃分為中高山區、低山區、丘陵及山前平原區四類。氣候屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，年平均降水量525毫米～700毫米，降水主要集中在夏季，且年際變化大，易出現旱、澇災害。該區域各縣年平均氣溫7℃左右，平均氣溫日較差達14.8℃。土壤類型屬于棕壤、褐土、潮土和栗鈣土類，土壤肥力不高。

1.2 數據源

遙感影像選擇2015年7月Landsat-7多波段遙感圖像（空間分辨率30m) 和全色波段圖像(15m)，植被生長旺盛，各地類判讀解譯清晰。保定市1：10萬DEM數據；保定市1：10萬土壤類型和地質數據；研究區域保定市9個縣及周邊區域氣象站點2000-2010年的年均和月均降水量數據。

二、研究方法與技術路線

2.1 研究方法

保定市西部太行山區主要災害是降雨量造成水土流失，因此應用Wischmeier和Smith提出通用土壤侵蝕方程[2]，該模型是建立在土壤侵蝕理論及大量實地觀測數據統計分析的基礎上。其表達式為：E=f R?K?L?S?C P?

式中，f為常數（224.2），換算單位；E為年平均土壤侵蝕量(t/hm2)；R為降雨量侵蝕因子；K為土壤可蝕性因子；L及S為地形因子；C為地表植被覆蓋或作物管理因子；子P為水土保護措施因子。計算賦給公式各因子定量值計算各評價單元土壤侵蝕量。

2.2 技術路線

保定市西部太行山區水土流失量的計算主要采用遙感解譯結果與地面抽樣調查相結合的方法。利用遙感監測快速、宏觀、客觀的特點，研究區典型樣點區域土地利用情況和植被狀況，并根據區域地形地貌和土壤成果，定量評價區域水土流失狀況。

本次評價以融合后的30m分辨率landsat-7影像為信息源，通過資料收集、外業調查（建立解譯標志庫）、圖像解譯、外業驗證及查錯修改、土壤侵蝕強度判定的作業流程，獲取土地利用、植被覆蓋度、水土保持措施等相關信息，結合降雨量、土壤類型、地形圖和DEM數據，分析保定市西部太行山區的土壤侵蝕強度和分布情況，為將來治理和防治提供科學依據。

三、水土流失定量計算

本次計算以landsat-7影像為信息源為基礎進行解譯，數據單元分辨率精度為30米，其他各類數據套合該精度計算數據作為評價的地理單元。根據通用土壤侵蝕方程的構成項，分別計算各構成因子的定量值。

3.1 降雨量侵蝕因子（R）計算

降雨侵蝕力是評價降雨對土壤剝離、搬運侵蝕的動力指標，也是按數學模型遙感評價土壤流失量的重要依據，以R表示。在通用土壤流失方程中，R計算涉及每次降雨的總動能 EN和不同時間段最大雨強I的乘積，隨著該模型在我國推廣，我國學者提出適宜不同地區的計算方法，結合本次研究太行山區數據可獲取性，本次計算采用劉秉正提出方法計算[3]：

式中，P6-9為月降雨量之和（mm）；P為年降水量（mm）。

本次采用項目區內8個縣級行政單位氣象觀察站及周邊縣氣象觀察站數據，計算各個縣級單位降雨量侵蝕因子值，利用ArcGIS10.2軟件克里格插值法進行內插，繪制了保定市西部太行山區年降水侵蝕力R值柵格分布圖，見圖1a。

3.2 土壤可蝕性因子（K）計算

土壤質地中各種粒徑含量和有機質含量影響土壤塑性和土壤可蝕性，反映了土壤遭受侵蝕的敏感程度。細礫和有機質含量多，土壤可蝕性因子小，抗侵蝕能力越強，水土流失的敏感性就小，水土流失的強度弱。本研究從河北省土壤類型圖和河北省地質圖數可知，從保定市北到南太行山區分布的棕壤母質為花崗巖、鈣質粗骨土母質為玄武巖、褐土母質為石英巖、鈣質石質土母質為石灰巖、潮土母質為河流沖擊土，其巖石母質抗侵蝕能力依次減弱，賦予的土壤侵蝕敏感性因子分值從低到高（圖1b）。

3.3 地形因子(T)的坡度(S)和坡長因子(L)計算

水土流失最重要因子之一是地形因子的坡度（S）和坡長（L）因子，坡長及坡度可以采用數字高程模型(DEM)通過計算獲取。坡度可以采用數字高程模型(DEM)計算取得，坡長根據游松財推薦的各評價地理單元的坡長取值通過海拔相對高度估算調整得來的[4]（表1）

地貌圖根據河北省地貌圖和河北省1:100000的DEM圖疊加得到的，通過各評價地理單元坡度和坡長，根據公式計算T值[5]，

式中，C是常數(34.7046)， 是坡度（單位為度），D是坡長，根據Wischmier和Smith的研究[1]，m的取值為：當 ＞5%時，m=0.5；當 ＞3.5%～4.5%時，m=0.4；當＞1%～3%時，m=0.3。

根據各評價地理單元地形因子T值繪制地形因子柵格分布圖，見圖1c。

3.4 植被覆蓋或作物管理因子（C）計算

作物覆蓋與管理因子C是在相同的土壤、坡度和相同的降雨條件下，某一特定作物或植被情況時的土壤流失量與一耕種過后連續休閑地的土壤流失量的比值。這個因子衡量所有相互影響的覆蓋和管理變量，包括植被、作物種植順序、生產力水平、生長季長短、栽培措施、作物殘余物管理、降雨分布等的綜合效應。C是根據地面植物覆蓋狀況不同而反映植被對土壤流失影響的因素，當地面完全裸露時，C值為1.0，如果地面得到良好的保護時，C=0.001，所以C 值在0.001-1之間。

（1）歸一化植被指數和植被覆蓋度的計算

本次研究主要依據TM遙感影像紅色光波段和近紅外光波段比值計算各評價地理單元歸一化植被指數（NDVI）[6-8]。歸一化植被指數是地表植被覆蓋特征的重要指標之一，能夠消除太陽高度角、地形、云陰影和大氣干擾影響，相當精確地反映植被綠度、光合作用強度、植被代謝強度及其季節和年際變化，可用于植被的監測、分類和物候分析。植被覆蓋度（FVC）通過歸一化植被指數計算，公式為：

NDVI=(Nir-Red)/(Nir-Red)，FVC=(NDVINDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

式中：Nir表示近紅外波段；Red表示紅光波段；NDVImax和NDVImin分別為區域內最大和最小的NDVI值。

（2）C因子的確定

根據Wischmeier等的實際觀測，C因子除與地表覆蓋率有關外，還與植被冠層類型、高度等有關，也就是說與土地利用類型有關，因此C因子的取值(表2)還須參考土地利用類型[4]。

根據2015年7月Landsat-7遙感影像用ENVI4.8軟件解譯的土地利用類型結果和植被覆蓋度數據，確定評價區域C因子的值，繪制植被覆蓋或作物管理因子柵格分布圖，見圖1d。

3.5 水土保護措施因子（P）計算

水土保護措施因子P是指特定保持措施下的土壤流失量與相應未實施保持措施的順坡耕作地塊的土壤流失量之比值。土壤保持措施主要通過改變地形和匯流方式減少徑流量，降低徑流速率等作用減輕水土流失。農耕地的水土保持措施主要有：等高耕作，帶狀耕作，梯田以及排水措施等。旱地和牧草地的土壤保持措施，多是沿等高線或在其附近進行平翻耕作，增加土壤濕度，減少徑流量，以達到保持土壤的目的。

本文根據2015年7月Landsat-7遙感影像，利用ENVI4.8遙感解譯軟件的監督分類，通過實際調查典型樣點地區遙感波譜情況，解譯評價區域的土地利用類型。依據解譯土地利用類型賦給各類型區的水土保護措施因子P值[3、4]（見表2），繪制水土保護措施因子柵格分布圖，見圖1e。

3.6 土壤侵蝕量（E）計算

土壤侵蝕量的計算在地理信息系統的支持下，依據通用土壤侵蝕方程，將上述個因子相乘，獲得了各地貌單元的平均土壤侵蝕量。并結合研究地區的實際情況和國家土壤侵蝕分類分級標準，將研究地區土壤侵蝕強度等級劃分為6級，研究區土壤侵蝕強度分級面積統計結果見表3，分布見圖2。

從表3和圖2可知，保定市西部太行山區土壤侵蝕強度主要為輕度和中度侵蝕，各類面積所占比例分別為27%和23%；強烈和劇烈等級土壤侵蝕所占比例最小，分別為14%和11%。積比重最大；15～25坡度帶強烈到劇烈等級所占面積比重最大；＞25的坡度帶極強烈到劇烈等級所占面積比重最大，但相對于15～25坡度帶對應等級面積均有很大比例減小，這是因為15～25人為擾動較大，而該坡度帶其土地利用類型是以林地、草地和原始自然植被為主、人為干擾減小，所以它們的土壤侵蝕強度等級對應面積均小于15～25。

四、結果分析

4.1 不同行政單元土壤侵蝕強度分布特征

對研究區不同土壤侵蝕強度等級面積進行統計（表3），中度及中度以下侵蝕強度的面積為8359.75km2，占研究區總面積的63.54%。其中，保定市西部太行山區水土流失輕度侵蝕強度面積最大，為3513.96km2，占研究區總面積的27%，其次是中度占研究區總面積的23%，微度和極強烈所占面積比重14%左右。強烈和劇烈所占面積相差不大且最小所占面積比重11%。

9個縣級單位中，有部分平原區縣中度及其以下侵蝕強度面積均占到本縣總面積的60%以上，其中曲陽縣、滿城區和徐水區比重最高，占到80%以上；其次為易縣和順平縣所占比例為73%左右；最小的為唐縣和淶水縣，所占比例為65%左右。強烈及其以上土壤侵蝕強度等級面積占到本縣總面積的比重較大的有淶源縣和阜平縣，比例分別為54%和48%。因此淶源縣和阜平縣產生水土流失風險最大。

4.2 不同坡度土壤侵蝕分布特征

從表4中可以看出，土壤侵蝕強度等級與坡度密切相關，隨坡度的增加土壤侵蝕強度等級等級整體呈增加趨勢。＜5坡度帶主要為微度和輕度土壤侵蝕強度等級；5～8坡度帶主要為中度和輕度土壤侵蝕強度等級；8～15坡度帶中度到極強烈等級所占面

4.3 不同土地利用類型土壤侵蝕分布特征

對水土流失發展中有重要影響的是土地利用類型，對應不同土地利用類型就有相應的植被覆蓋度和人類干擾程度，從而影響水土流失的動力和抗侵蝕阻力系統。從表5中可以看出，除建設用地和水域外，裸地的水土流失風險可能性最大，其次是草地、耕地、林地依次減小，說明植被覆蓋度是影響水土流失風險性的重要因素；水土流失風險性最高的為裸地，中度及其以上土壤侵蝕強度等級的面積最大，這是因為未利用地植被覆蓋度低，土壤結構破壞嚴重，水土保持防護措施不到位；依次為草地、林地。保定市西部太行山區的耕地由于條件較好，如坡度小、土壤質地佳土層厚、人為采取保護耕作措施等，水土流失風險性相對較低。

五、結論與討論

(1)本研究以landsat-7遙感影像為主體信息源，通過ENVI4.8軟件迅速解譯了研究區土地利用類型和利用植被指數模型快速獲得植被覆蓋度和水土保護措施因子信息，該類信息是水土保持治理和植被建設規劃的一種依據。

(2)本研究以根據通用土壤侵蝕模型，定量化給出了研究區各地理單元6個影響因子值，快速準確計算出研究區各地理單元土壤侵蝕量，明確給出各地理單元水土保持治理方向和措施。

(3)本研究以研究區各地理單元土壤侵蝕量，分析了不同行政單元、不同土地利用類型和不同坡度土壤侵蝕強度空間分布特征。

[1]雷廷武,邵明安,李占斌,等.土壤侵蝕預報模型及其在中國發展的考慮[J].水土保持研究,1999,6 (2)∶162-166.

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[3]楊琴.基于USLE的喀斯特地區水土流失定量監測研究[D],貴州師范大學碩士論文,2008.

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[6]張思聰,徐海波,唐莉華.基于GIS和RS技術的土壤侵蝕快速調查研究[J].水力發電學報,2005, 24 (3)∶70-74.

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注：該研究得到“城市水源地水土保持生態補償研究”和“河北省山區坡改梯關健技術研究”課題支持。