小流域水土流失現狀及動態變化分析評價

莊志東

(彰武縣葦子溝鎮水利站,遼寧 彰武 123212)

小流域多分布于流域上游或河流源頭,這是構成江河水系的重要單元。由于特殊的氣候環境及地貌形態,彰武縣小流域往往受到地質災害的影響,如泥石流、滑坡、山洪等。一般小流域多分布于偏遠山區或農村,對暴雨洪水災害抵御能力和基礎建設投入不足,在人為和自然因素的雙重作用下小流域土壤侵蝕嚴重,極大地限制了農村經濟的持續發展。因此,為有效防治水土流失水利部門提出實施小流域綜合治理等措施,全面掌握水土流失的年際動態變化、強度、分布類型及面積等信息,可為小流域水保措施布設和優化設計提供數據支持[1-3]。鑒于此,文章以彰武縣土城子小流域為例,選取覆蓋土城子小流域的衛星遙感影像,基于RS和GIS技術更新解譯土地利用數據,采用中國土壤流失方程(CSLE)和差值方法計算分析2015年、2020年土城子小流域土壤侵蝕及其動態變化規律,通過評價分析水土流失現狀及動態變化提出行之有效的防治對策,以期為北方土石質山區小流域綜合治理提供技術和數據支持。

1 小流域概況

土城子小流域位于彰武縣東部葦子溝鎮境內,地處E122°40′49.77″～122°47′31.85″、N42°24′51.62″～42°28′30.98″,屬于養息牧河流域。該流域為北方土石質山區,屬半干旱、半濕潤大陸性季風氣候,年均降水量433mm,雨量多集中于夏秋兩季,呈短歷時暴雨特征。通過更新解譯彰武縣土地調查成果可知,土城子小流域現有土地資源34.47km2,其中耕地2234hm2,占總面積的64.8%,其中旱平地1314hm2,占總耕地的58.8%,坡耕地920hm2,占總耕地的41.2%;園地137 hm2,林地855hm2,荒草地37hm2,水域及水利設施用地4hm2,城鎮村及工礦用地154hm2,溝壑26 hm2。

2 研究方法

2.1 數據預處理

研究所用數據包括土城子小流域矢量范圍數據、降雨量數據、土壤數據、地形地貌數據、衛星遙感影像和土地利用數據等。通過重采樣、增強、裁剪、鑲嵌、影像融合、正射矯正、大氣校正、輻射矯正等預處理2015年和2020年衛星遙感影像,可獲取空間分辨率2m的遙感影像,通過合成最大值、確認與去除空值、投影轉換等預處理2012—2014年和2017—2019年MODIS歸一化植被指數(NDVI)。

2.2 計算方法

中國土壤流失方程CSLE是考慮我國水土保持實際情況、地形地貌特點和各類影響水土流失的因素,通過改進通用方程USLE的地形因子使其更加適用的土壤侵蝕計算方法,具體表達式為[4-6]:

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中:A為土壤侵蝕模數;R、K、L、S、B、E、T為降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長、坡度、植被覆蓋與生物措施、水土保持工程措施和耕作措施因子。

2.3 水土流失因子計算

2.3.1 降雨侵蝕力因子R

采用降雨侵蝕力公式和彰武縣及周邊地區1985—2020年逐日降雨量數據計算雨量站年均降雨侵蝕力,并應用克里金空間插值法和Arc GIS軟件獲取R因子數據,空間分辨率10m。

2.3.2 土壤可蝕性因子K

從彰武縣土壤分布圖中提取土城子小流域土壤類型,利用有關公式和現場采樣調查結果計算土壤可蝕性因子,經重采樣后獲取K因子數據,空間分辨率10m。

2.3.3 坡長坡度因子LS

根據1∶5萬數字高程模型(DEM)和北京師范大學開發的工具,計算獲取土城子小流域坡長坡度因子,經重采樣獲取L因子、S因子數據,空間分辨率10m。

2.3.4 植被覆蓋與生物措施因子B

采用參數修訂法和已處理的MODIS歸一化植被指數(NDVI)產品計算小流域的植被覆蓋度,依據土地利用類型數據、降雨侵蝕力因子比例計算植被覆蓋與生物措施因子,經重采樣獲取B因子數據,空間分辨率10m。

2.3.5 水土保持工程措施因子E

通過解譯衛星遙感影像和查詢賦值表獲取流域內的水土保持措施及其因子值,經重采樣獲取E因子數據,空間分辨率10m[7]。

2.3.6 耕作措施因子T

從“耕作措施輪作區代碼”字段值查詢賦值表中獲取流域內耕作措施因子值,經重采樣獲取T因子數據,空間分辨率10m[8]。

2.4 土壤侵蝕模數

以格柵為單元,采用Arc GIS空間分析平臺對7個水土流失因子格柵數據進行圖層乘積,從而獲取土壤侵蝕模數,各個格柵的土壤侵蝕強度按照《土壤侵蝕分類分級標準》確定,以土城子小流域為單元確定2015年、2020年土壤侵蝕數據[9]。

2.5 圖斑落地

通過以上處理,可以獲取以格柵形式表達的2015年、2020年土城子小流域的土壤侵蝕數據,考慮到CSLE方程是以像元為計算單元,多種土壤侵蝕類型會存在于同一個土壤侵蝕地塊,不利于實際應用分析[10]。所以,為綜合判斷以土壤侵蝕地塊為單元的土壤侵蝕強度引入高強度侵蝕結構指數和平均土壤侵蝕模數,經過概化處理,將土壤侵蝕強度按矢量的形式來表征。

3 結果與分析

3.1 現狀分析

針對各因子格柵數據,采用Arc GIS的空間分析功能進行疊加相乘、小圖斑祛除、圖斑落地和重分類等處理,從而生成2015年和2020年土城子小流域水土流失數據,如表1所示。

表1 2015—2020年土城子小流域水土流失變化表

1)2015年水土流失情況。結果表明,2015年土城子小流域土壤侵蝕以人為侵蝕(生產建設、坡耕地等)和自然侵蝕為主,其中自然侵蝕1066.26hm2,占總侵蝕面積93.45%;人為侵蝕中的生產建設、坡耕地侵蝕30.01hm2和44.73hm2,占總侵蝕面積2.63%和3.92%。自然侵蝕以輕度為主并伴隨有少量的強烈和中度侵蝕,集中分布于土城子小流域的北部和東部;人為侵蝕主要發生于生產建設和坡耕地上,各侵蝕強度在坡耕地上均有分布,而生產建設以輕度侵蝕為主且分布相對分散,坡耕地侵蝕多分布于流域內水源條件較好的中部、南部。

2)2020年水土流失情況。結果顯示,2020年土城子小流域土壤侵蝕總面積141hm2,占流域面積4.09%,其中自然侵蝕130.78hm2,占總侵蝕面積92.75%,占流域面積3.79%;人為侵蝕中的生產建設、坡耕地侵蝕5.32hm2和4.91hm2,占總侵蝕面積3.77%和3.48%。自然侵蝕以輕度為主并伴隨著少量強烈、中度侵蝕,輕度侵蝕占總侵蝕面積的68.42%,集中分布于流域內的北部、東部,零星分布于西南部;人為侵蝕主要發生于生產建設和坡耕地上,以輕度侵蝕為主,侵蝕面積依次為3.95hm2和3.53hm2,占總侵蝕面積的2.80%和2.50%。2020年與2015年相比其坡耕地侵蝕面積大幅下降,減少39.82hm2,侵蝕強度也明顯減弱,輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕面積依次減少6.97hm2、5.86hm2、6.05hm2、9.30hm2、11.64hm2,河流兩側低山丘陵區仍有部分坡耕地存在一定的侵蝕。生產建設各等級侵蝕強度有所下降,但侵蝕面積變幅較小,人類活動密集的平原區受開發建設活動影響仍有一定侵蝕[10]。

3.2 動態變化

從面積變化上,2020年與2015年相比土城子小流域的土壤侵蝕面積減少1000.00hm2,減少幅度達到87.64%;從侵蝕類型上,自然侵蝕降幅最高達到22.09%,其中極強烈、強烈、中度和輕度侵蝕面積降幅依次為0.04%、0.99%、4.01%、22.09%,各侵蝕面積均有所減少,說明2015—2020年自然環境保護取得了顯著成效,有效控制了自然侵蝕發展態勢,中度及以上侵蝕強度和面積均明顯下降。2020年與2015年相比坡耕地侵蝕面積也明顯減少,在整個流域范圍內減少1.16%,其中坡耕地劇烈、極強烈和強烈侵蝕面積降幅較大,依次減少11.64hm2、9.30hm2、6.05hm2。從圖斑分布上,土城子小流域坡耕地和自然侵蝕范圍明顯減少,但流域內部、東部依然存在一定強度的土壤侵蝕,這是今后土城子小流域水土保持整治的重點。

2015—2020年,對土城子小流域實施的生產建設、坡耕地治理、退耕還林草和生態保護等水土保持項目取得了明顯成效,在一定程度上改善了侵蝕強度和范圍,但是局部地區依然存在水土流失的情況,應采取差別化防治策略全面改善水土流失現狀。針對自然侵蝕采取禁墾禁牧、自然封育等措施,從而加快恢復林草植被,逐步減輕土壤侵蝕;對于坡耕地侵蝕應考慮不同坡度,選擇性地實施帶狀耕作和植物籬等生物措施以及修筑坡式梯田、水平梯田、建設高標準農田;另外,通過加大信息化監管力度和聯合執法行動、水土保持遙感監管等,有效防治人為因素所造成土壤侵蝕[11-12]。

4 結 論

文章綜合利用RS、GIS技術和CSLE方程計算分析彰武縣土城子小流域2015年及2020年的水土流失狀況,結論如下:

1)土城子小流域2015年和2020年土壤侵蝕面積依次為1141.00hm2、141.00hm2,占流域面積的33.10%和4.09%,土壤侵蝕以人為侵蝕(生產建設、坡耕地等)和自然侵蝕為主。

2)從侵蝕面積上,2020年與2015年相比土城子小流域的土壤侵蝕面積減少1000.00hm2,其中生產建設、坡耕地和自然侵蝕面積分別減少24.69hm2、39.82hm2、935.48hm2,在整個流域內的減少比例為0.72%、1.16%和27.14%;從侵蝕類型上,自然侵蝕降幅最高達到22.09%,其中極強烈、強烈、中度和輕度侵蝕面積降幅依次為0.04%、0.99%、4.01%、22.09%。流域內北部、東部侵蝕面積大幅減少,但局部地區依然存在坡耕地侵蝕和自然侵蝕,應作為今后土城子小流域水土保持治理的重點。