GIS與遙感技術在水土流失定量評價中的應用研究

冷 宗

(深圳市海平峰水務技術工程有限公司，廣東 深圳 518000)

水土流失是一個全球性的問題，由于人類的不合理開發和使用，造成了水土流失問題進一步加重，據統計，我國約有37%的土地遭受水土流失的困擾，給我國的社會經濟發展帶來巨大阻礙[1- 3]。劉長君將VIC模型和改進的通用土壤侵蝕方程進行相耦合，對大洋河流域的水土流失進行了時空分布式模擬[4]。王嬌等利用USLE和GIS技術，對太行山地區的水土流失敏感性進行了空間分析[5]；宋磊利用MULSE模型開展了區域水土流失的模擬工作[6]；張養安等以陜西省榆林地區為例，利用遙感技術對水土流失現狀進行了分析[7]。

對水土流失(土壤侵蝕)的研究工作主要包括定性研究和定量研究，其中，定量研究相對于定性研究而言難度更高、技術要求更復雜，但對于精確掌握水土流失現狀和進行針對性治理具有重要意義。目前，GIS和遙感技術是最為廣泛使用的土壤侵蝕定量研究手段，可對水土流失現狀進行相對可靠的時空分布計算和分析[8- 11]。本文結合前人研究理論和方法，將GIS技術和遙感技術應用于中國2007以及2017兩個時期水土流失的定性和定量分析，以期為水土流失治理工作提供借鑒。

1 研究方法及技術路線

本文首先采用日降雨量估算半月降雨侵蝕模型對降雨侵蝕力進行了時空分析，得到R值，然后利用EPIC公式得到了土壤侵蝕因子K值；再分別通過SRTM DEM法和植被數據分別得到坡度因子和植被管理因子值，從而最終確定土壤侵蝕強度的分級圖，進行水土流失的定性和定量評價，如圖1所示。

圖1 研究方法及技術路線

2 評價結果

2.1 定性評價結果

利用SRTM DEM法對坡度進行分析，并將植被數據統計結果對土壤侵蝕度進行定性分析，根據水利部相關標準劃分分級指標，根據坡度值將坡度分為6級，將植被覆蓋度分為5級，二重組合下，將土壤侵蝕度分為微度、輕度、中度、強烈和極強烈五個等級，見表1。

運用Arc GIS分析軟件計算出2007年和2017年兩個不同時期的侵蝕強度的分布圖，如圖2所示。從圖2可以看到：兩個時期的的土壤侵蝕強度分布具有一致性，微度和輕度侵蝕基本分布于中東部、西南及北方地區，強烈侵蝕和極強烈侵蝕均集中于西北、青藏高原部分地區，中度侵蝕在2007年主要分布于甘肅、寧夏、陜西、青藏高原部分地區以及東南沿海一帶，而到了2017年，中度侵蝕則主要集中于云貴高原、甘肅、寧夏、陜西、山西以及青藏高原部分地區，廣東、福建沿海地區的土壤侵蝕有所好轉，這是由于近些年來該地區對水土保持工作加大了力度，水土流失情況明顯好轉。

表1 分級指標表

圖2 土壤侵蝕強度定性分布圖

2.2 定量評價結果

植被覆蓋與管理因子C是評價土壤侵蝕強度的主要指標之一，基于遙感技術，可計算相應的C值：

(1)

式中，α、β—分別為計算分析參數;NDVI—遙感植被指數。通過分析計算分別得到了2007年和2017年兩個時期的年內C值變化特征，如圖3所示。從圖3可以看到，C值在年內分布具有明顯的季節性特征，11月—來年4月，植被覆蓋度較低，C值較高，而到了4—9月，植被覆蓋度較高，則C值較低；2017年的C值整體上要低于2007年，特別是在7—9月最為明顯，這與近年來國家重視水土保持工作有關，這與上文分析結果一致。

圖3 2007、2017年C值年內變化

將降雨侵蝕力(R)、土壤侵蝕力(K)、坡度因子(S)以及C值統一投影和柵格大小，得到了土壤侵蝕模數特征值，見表2。從表中可以看到，2007年和2017年的最小侵蝕模數均為0，但最大侵蝕模數和平均侵蝕模數有所差別，2017年較2007年分別減少了近7.9%和16%，侵蝕量則從2625億t降低至2133億t，這與上文分析結果一致。

表2 土壤侵蝕模數值

3 時空分布特征分析

3.1 空間分布特征

根據SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》，將土壤侵蝕模數單位由t/(ha·a)轉換為t/(km2·a)，得到了兩個時期的土壤侵蝕強度空間分布圖，如圖4所示。從圖4可以看到，劇烈和極強烈的分布范圍較廣，且主要集中于黃土高原、南方紅壤丘陵區、東北部分地區、青藏高原東南、云貴高原、新疆部分地區，中度侵蝕主要集中于華北華東及東北部分區域；2017年與2007年相比，東北及華東地區的劇烈侵蝕和中度侵蝕面積有所減少，土壤侵蝕程度明顯減弱。

表3 南方紅土壤丘陵區土壤侵蝕強度隨時間轉移分析 單位：km2

圖4 土壤侵蝕強度定量分布圖

3.2 隨時間動態轉移分析

利用Arc GIS軟件分析得到了2007—2017年不同級別侵蝕強度面積轉移情況(以南方紅壤丘陵區為例)，見表3。從表中可以發現：從2007到2017年，共有348203km2的面積發生土壤侵蝕強度的轉移；2017年的微度侵蝕主要由2007年的輕度侵蝕轉移而來，輕度侵蝕則主要由2007年額強烈和極強烈轉移而來，其次為微度侵蝕和中度侵蝕轉移而來；中度侵蝕主要由強烈和極強烈轉移而來，占比為93.37%；強烈侵蝕主要由極強烈侵蝕、劇烈侵蝕和中度侵蝕轉移而來，占比達到99.9%；極強烈侵蝕主要由劇烈侵蝕轉移而來，占比為80%；劇烈侵蝕主要由極強烈轉移而來，占比為93.61%。總體而言，2017年的微度和輕度侵蝕面積在增加，表明水土流失治理工作取得一定成效，但要注意部分地區的惡化問題。

4 結論

通過遙感和GIS技術對我國2007和2017年兩個時期的土壤侵蝕強度進行了定性和定量分析，整體而言，近10年來我國的水土流失情況有所好轉，東部地區的土壤侵蝕強度在逐漸降低，但西部局部地區的土壤侵蝕強度在增加，需要在后期加強水土保持治理力度；研究結果對于我國下一步水土流失治理工作的開展具有一定的參考意義。