基于DEM的合川區地形因子分析

唐慶　賀春明　陳偉華

摘 要：該文通過合川區的高程數字模型（DEM數據），利用ArcGIS進行水文分析提取溝壑密度、分析坡度、高程。分析結果表明：合川區溝壑密度為0.28km/km2，溝壑密度較小，但匯流累積量大；境內坡度以2°～15°為主，主要分布在中部和西部的丘陵盆地區，>15°的地區主要為川東平行嶺谷區；區內主要為丘陵盆地（200～500m），>500m的范圍主要在川東平行嶺谷區，呈東北西南走向。對合川區地形的研究為水土流失的分析、監測管理提供了可靠依據。

關鍵詞：合川區；DEM；溝壑密度；坡度；高程

中圖分類號 P931.6 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）12-0162-03

水土流失是指在水流作用下，土壤被侵蝕、搬運和沉淀的整個過程。我國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一[1]，據第二次全國土壤侵蝕遙感調查顯示，我國水土流失面積高達3.56×106km2，占國土總面積的37.6%[2]。地形是影響地表徑流和土壤侵蝕的重要因素[3]，溝壑密度、坡度、高程等指標是影響土壤侵蝕的重要變量。在進行水土保持方案規劃和工程建設之前，應對區域的地形進行準確把握。

DEM是當今地理學、地貌學界，特別是地理信息科學研究的熱點問題[4]。本文基于DEM數字高程模型對合川區進行地形分析。通過ArcGIS軟件對合川區的DEM數據進行水文提取，計算溝壑密度、坡度、高程，以期對該區的地形特征形成綜合的認識。當前合川區工業化、城市化正在快速發展中，但水土流失阻礙了其經濟發展，破壞了生態環境。本研究通過對合川區的地形的分析，以為合川區的水土保持工作提供可靠的理論依據，具有重要的現實意義，并且為其他區域的地形因子分析、水土保持等提供經驗。

1 研究區概況

合川區地理坐標為東經105.58′37″～106.40′37″、北緯29.51′02″～30.22′24″，位于長江上游，重慶西北部，區內嘉陵江、渠江、涪江三江匯流，處嘉陵江下游，上游來水量大。地處中丘陵和重慶平行嶺谷的交接地帶，全境地貌大致分為平行嶺谷和平緩丘陵兩大類型：東南邊緣的華鎣山區為平行嶺谷地形；西北部廣大地區，屬渝西丘陵盆地，為平緩丘陵地型。境內屬亞熱帶季風氣候區，年降雨量達1552.7mm，但降水分布不均，雨季降雨量約占全年的70%。土壤以紫色泥巖、砂巖為主，易風化和流失[5]。全區幅員面積2343km2，總人口156萬，人口密度大，土地墾殖系數高，水土流失問題依然嚴重[5]。

2 數據來源

本文使用的是由美國航天局（NASA）與日本經濟產業省（METI）共同推出的全球數字高程模型，簡稱ASTER GDEM[6]。該數據的分辨率為30m×30m，全球覆蓋范圍為83°N～83°S的所有陸地區域。在ArcGIS10.2中，定義合川區的矢量坐標與DEM數據的坐標相同，為D_WGS_1984。對DEM柵格數據進行拼接裁剪，得到合川區的DEM數據，進而求出溝壑密度、坡度、高程地形因子（圖1）。

3 水文提取

3.1 洼地填 DEM是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于一些真實的地形地貌和誤差的存在，DEM中的洼地分為了自然洼地和偽洼地。研究表明，洼地影響水流的方向，柵格中的水只能流入洼地不能流出，故在進行水文分析前，應先進行填洼，得到無洼地的DEM數據。

3.2 流向分析 計算流向采用的是ArcGIS中最常用的D8算法。其原理是計算DEM中每一柵格單元與其相鄰柵格單元間的最大坡降，以最大坡降的單元格為水流出的方向。如果存在相鄰柵格坡降相等，就向外擴張至尋找到最大坡降為止。

3.3 匯流累積量 單位柵格的匯流累積量等于DEM中該柵格單元上游匯入的累加數目。匯流累積量是基于流向數據計算的。匯流累積量的大小直接反映了單元柵格的匯水能力。匯流累積量越大說明該地的地勢越低洼，最大值處易形成河流；相反，匯流累積量越小，說明該處地勢越高，最小值處可視為分水嶺。

3.4 河網提取 河網提取與匯流累計量的閾值有關，閾值越小，其河網越密集，閾值越大，河網越稀疏。但是閾值的選定與當地的地形、地質、氣候、植被等因素相關。本文首先假設閾值為500，750，1000……8500，算出不同閾值對應的溝壑密度，然后以溝壑密度趨于穩定的第一個閾值為本文的最佳閾值。

4 結果與分析

4.1 溝壑密度分析 溝壑密度也叫溝道密度或溝谷密度，指單位面積內溝壑的總長度，單位為km/km2。溝壑密度是評價地表侵蝕影響、水土流失情況、進行地貌類型分析等的重要指標[7]。本文根據合川區30米分辨率DEM進行河網提取，得出當閾值為8000時，溝壑密度相對穩定，為0.28km/km2，區內河流總長約為606.28km（表1）。溝壑密度愈大，表明地面被切割得愈破碎，侵蝕愈強烈[8]。合川區的溝壑較小，但境內河流處于幼年時期，以侵蝕作用為主，且匯流累積量大，存在明顯的水蝕作用。

4.2 坡度分析 在ArcGIS中進行坡度分析，步驟如下：打開Arc Toolbox 的Spatial Analyst—表面分析—坡度工具，就可以對合川區的DEM數字高程模型進行坡度分析。再將坡度柵格數據進行重分類，得到坡度的分級。坡度是反映一個區域地形特征的基本參數，坡度對土壤侵蝕的影響最大，是水土保持工作中首先要考慮的因素之一[9]。坡度分級方法分為一般主觀分級法、臨界坡度分級法與模式分級發三類[10]，本文采取主觀分級的方法，簡單、靈活[11]。根據合川區的坡度數據，本文將坡度分為5級，分別是：0°～2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°。坡度小于2°，說明地形相當平坦，一般無水土流失；坡度位于2°～6°的地區，坡度增大，存在輕度土壤侵蝕，應注意水土保持；坡度為6°～15°的地區，可能存在中度土壤侵蝕，應用梯田、等高種植等措施保持水土；15°～25°的地區，坡度較高，水土流失嚴重，應該加強工程生物等措施防治侵蝕；坡度>25°，是開荒限制坡度，已耕種的應該逐步退耕還林還草。合川區坡度>15°的地區，主要位于東南部平行嶺谷地帶，地形起伏大，坡度較高。境內坡度主要集中在2°～15°的西部廣大地區，地形相對平坦，但受人類活動影響大，地表植被覆蓋差，土壤抗蝕力弱（圖2、圖3）。

4.3 高程分析 根據合川區總體的海拔高度，將該地分為低海拔（<200m），較低海拔（200～500m），中海拔（500～1000m），較高海拔（>1000m）四類。區內>500m的范圍主要分布在東部和東南部，屬川東平行嶺谷地帶，呈東北—西南走向。200～500m的海拔高度在區內占絕對優勢，主要分布在中部和西部的廣大地區。雨季降水量大，降雨集中，山區易形成山洪、泥石流等災害，水土流失問題嚴重（圖4、圖5）。

5 結論與討論

本研究基于DEM數據分析了合川區的溝壑密度、坡度、高程地形特征，并指出了地形對水土流失的影響。

合川區溝壑密度較小（0.28km/km2），但匯流累積量大，水蝕作用明顯；區內地形主要以中部和西部的丘陵盆地為主，坡度范圍為2°～15°，海拔500m以下，農業活動頻繁，地表植被以農作物為主，土壤抗蝕能力差；合川區東部和東南部屬華鎣山低山區，坡度15°以上，海拔500m以上，在降水集中的夏季易發生山洪泥石流等災害。

本文分析了溝壑密度、坡度、高程對合川區水土流失的影響，但是造成水土流失的因素是多方面的，未考慮到區域河流發展演化階段、人類活動、地表植被狀況、降水、土壤等客觀條件。因此，今后還需對合川區的水土流失狀況進行系統研究。

參考文獻

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（責編：張宏民）