遼西地區水土流失評價模型及其影響因子獲取方法研究

林雪松

(遼寧禹盛生態環境工程技術服務有限公司，遼寧 朝陽 122000)

水土流失不僅是威脅區域糧食安全和生態安全的關鍵性因素，而且已成為全球性的環境問題。水土保持科學研究的核心內容之一是對水土流失進行評價，準確、科學的評價是水土流失綜合治理和全面規劃的主要依據[1]。長期以來我國水土流失往往集中在微觀尺度領域，如：小流域、坡面治理等，而針對區域地表水土流失以及全球的變化研究則需要以宏觀尺度的定量評價方法和分析為基礎，以區域土壤侵蝕與全球變化、環境要素受土壤侵蝕之間的作用關系為前提。據此，本文以遼西地區為例，利用“3S”技術和模型進行水土流失及影響因子獲取方法研究，以期為科學的水土保持規劃和準確的水土流失評價提供一定的決策依據和理論支持。

1 區域概況

遼西區域占地總面積約為5萬km2，東臨沈陽、盤錦，西至河北省，南臨渤海灣、北接內蒙古自治區。2012年，人口普查統計顯示該區域人口約846.2萬，占遼寧省總人口的21.45%。研究區域地形地貌復雜主要有低山區、低山丘陵區、平原區，其中低山丘陵區植被覆蓋率較高為農業和自然生態和諧發展區，地勢整體情況由西南向東北方向表現出明顯的階梯式下降趨勢，海拔高度處于400～700m范圍；土壤類型以黃棕壤、草甸土、棕壤土為主。遼西區域氣候環境處于海洋性季風氣候和大陸性氣候之間，多年平均降雨量為560mm左右，每年的7—9月為降雨旺季且在空間上由東南向西北方向逐步減少，氣候干燥、其風沙較大，年蒸散發為1600～1800mm；區域林分布結構不合理，并以針葉林為主，主要有馬尾松、油松、刺槐等；遼西地區為遼寧省農業發展重點保護區域，區域原生植物破壞嚴重，水土流失、土壤侵蝕等生態環境問題日益顯露。

2 建立水土流失評價模型

考慮到基礎數據的匱乏，目前我國水土流失評價工作相對落后且還未形成較為系統成熟的評價模型。近年來，土壤流失方程USLE被我國水文學者應用于水土流失評價的研究相對較多，并獲得了理想的效果。然而，考慮到USLE模型是以美國環境條件為基礎所構建的，不同區域的平緩坡度存在一定差異，因此，在我國該模型的使用仍受到一定的限制。據此，劉寶元等[2]結合我國水土流失特征以USLE理論為基礎構建了中國土壤流失預報模型CSLE，其表達式如下所示：

A=RKLSBET

(1)

式中，A—土壤流失量，t/(hm2·a)；R—降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·a)；K—土壤可侵蝕因子，t·h/(MJ·mm·a)；S、L、B、E、T—分別為坡度、坡長、生物措施、工程措施和耕地措施因子，無量綱。

上述模型以USLE模型為基礎，結合我國的水土保持實際情況分別從生物、耕作和工程3個方面進行分析，模型具有結構簡單、理論清晰、便于應用等優點。據此，本研究以遼西地區為例，利用該模型進行水土流失評價。

3 構建因子值獲取方法

3.1 R值的獲取方法

降雨侵蝕力R作為雨型、降雨量、雨滴動能和降雨強度函數為CSLE方程中的最基本的因子。相關研究表明，某時段內最大降雨強度It及降雨能量E的乘積與坡面土壤流失量存在密切關系，然而考慮到降雨過程資料較難獲取的實際情況，通常采用氣象站常規觀測資料如年、月和日降雨量等。據此，我國學者結合不同區域的實際狀況構建了各地區R值模型研究并對其時空分布特征進行了分析。

在遼西區域因日降雨量數據資料較易獲取，因此本文對R值的計算采用章文波等[3]提出的R值簡易計算法，公式如下：

(2)

對各站點的降雨侵蝕力R值利用上述公式進行求解，并對降雨侵蝕力點數利用Kriging內插法進行計算，并得到降雨侵蝕力柵格數據。

3.2 K值的獲取方法

土壤可侵蝕因子K作為水土流失定量評價的主要判別依據是表征土壤性質對侵蝕敏感程度的重要指標。土壤可侵蝕性因子在USLE模型中為標準小區春天順坡翻耕一次，裸土狀態下單位降雨侵蝕力的年土壤流失量。水土流失和土壤性質之間的關系主要可采用土壤可蝕性指標評價，其中評價指標的選取、K值的估算、指標時空變化及不確定性分析為目前我國土壤可蝕性研究的主要階段。張科利等[4]以不同徑流小區實測數據資料為依據對土壤可蝕性K值進行了全面的分析并對數據資料缺乏區的土壤可蝕性進行了估算和探討。

利用小區觀測法較難獲取區域尺度上的K值，因此眾多學者建立了估算模型并形成了較多的研究方法，其中EPIC模型為應用較廣的模型和方法。本文結合有關數據資料對遼西地區土壤可蝕性K值利用下述公式EPIC模型進行求解，公式如下：

(3)

式中，SAN、SIL、CLA—土壤中砂礫、粉粒、粘粒的含量，%；C—土壤有機碳含量，%；SN1=1-SAN/100。

利用Arc Map軟件和遼寧省土壤1∶50萬地形圖獲取土壤有機碳含、有機質、粉粒、砂粒和極細砂粒含量，然后分別采用上述公式和有關數據進行矢量轉換并得到格柵數據。

3.3 LS值的獲取方法

采用坡度坡長因子對地形與水土流失之間的作用關系表征，其中坡度因子為其他條件保持相同而坡度土壤流失量與坡度為5.13°時所產生的土壤流失量比率，而坡長因子為其他條件保持相同時土壤流失量與坡長為22.1m時所產生的土壤流失量比率。地形因子是反映坡長坡度對土壤流失的總和作用它是坡長與坡度因子的乘積。采用小區觀測法難以獲取坡度坡長因子數據，目前在RUSLE中最常用的方法是以DEM為參考并按照一定規則進行提取，方法如下：

L=(λ/22.1)α

(4)

(5)

式中，L、S—分別為坡長和坡度因子，無量綱；λ—利用DEM獲取的坡長值，m；θ—利用DEM獲取的坡度值，(°)；α—為指數。

本文結合遼西地區1∶5萬的地形圖，并利用ANUDEM軟件對水文地貌進行插值計算得到精度較高的DEM圖，其中軟件輸入參數信息主要包括河流、高程點、等高線等。在Arc GIS/Info模塊下利用AML編程對LS因子值進行求解，其主要過程為填洼、柵格坡長和流向的計算，提取坡度變化點和局部山頂點，計算坡長、坡度及其因子值。

3.4 B值的獲取方法

水土保持生物因子B值是指同等條件下耕作農地與實時翻耕的連續休閑土地上土壤流失量的比值，是一個水土流失評價的無量綱參數，取值范圍為0～1區間。

當前，國內對水土保持生物因子研究主要集中在一定作物[5]，相關數據往往通過徑流小區實測值以及降雨侵蝕力按農作物生長期劃分或季節分布獲取，數據可對小流域或徑流小區的水土流失研究提供一定參考，然而并不能符合區域B值研究相關要求。

一般情況下，利用遙感圖像進行區域尺度生物因子的提取方法，在遙感監測中為了滿足區域水土流失研究相關要求[6]，相關學者以不同土地利用類型的植被覆蓋度和土地利用替代區域B因子值開展研究。本文結合前任研究成果和植被覆蓋度、土地利用圖等數據資料對不同植被覆蓋和土地利用賦予相應的B值并得到相應的柵格數據。

當前，目視解釋、計算機輔助以及屏幕解譯為遙感解譯應用較為廣泛和成熟的方法，本文結合多期解譯和工作量的系統性[7- 9]，在遙感處理過程中采用非監督和監督分類相結合的方法，并基于流域行政區劃、Earth、DEM以及專家意見進行遙感器解譯。植被覆蓋度NDVI的提取為水土流失評價和監測的前提的主要條件。目前應用于植被指數提取的方法較多，且不同方法所表現出的適用性范圍和優缺點各不相同，然而，目前應用最為廣泛的為NDVI植被指數法。植被指數提取模塊在遙感圖像處理軟件中可自帶，如：EM、MSS等植被指數可利用ERDAS直接進行提取，相關指數的提取較為快捷方便。

本文通過推算NDVI進行植被覆蓋度的提取，推算公式如下：

(6)

式中，f—植被覆蓋度，%；NDVlmin、NDVlmax—分別為所求像元NDVI的最小值和最大值，無量綱。

考慮到遼西地區存在較為普遍的林下流現象以及該區域地理自然因素，該區域在海拔較高的區域具有較好的林地植被結構，且林下流現象較為少見，而且海拔較低的區域油松和馬尾松下的水土流失較為普遍。其中林下無草被層和灌木為林下水土流失的主要因素，而僅僅依靠林地抑制水土流失極其有限，有些情況下還無任何作用[10- 12]。所以，B值的獲取主要是結合遼西地區不同的土地利用和已有相關研究成果進行賦值，不僅要考慮海拔高度的作用，而且還要結合植被覆蓋度和植被類型，不同植被覆蓋度和土地利用類型下遼西地區的B值見表1。

表1 不同條件下遼西地區B值范圍

3.5 E值的獲取方法

對水土保持因子E國內外學者從多個角度并利用不同方法開展了大量研究，然而并未形成較為成熟有效的E值計算方法。本文結合其他因子定義方法和基本內涵，將水土保持生物工程因子定位為工程措施與無工程措施的水土流失比值。據此，本研究結合專家咨詢和野外調查相關方法，以縣為單位，按照遼西地區各行政區歷年統計資料收集整理了淤泥地壩、谷坊、水平槽和梯田等工程措施資料，并參考相關研究計算方法給出了該區域工程措施因子計算公式，如下：

(7)

式中，St—遼西地區的梯田面積，km2；Sglt—塘壩、攔砂壩和谷坊的控制面積，km2；Sz—水平槽控制面積，km2；S—土地面積，km2；α、β—分別為提點減沙系數和谷坊、攔砂壩、塘壩的減沙系數；γ—水平槽減沙系數。

考慮到不同工程措施在實際工程中的應用，其控制面積也會存在一定差異，因此應結合現場調查實際，并對工程措施的控制面積進行確定。結果為谷坊、塘壩、水平槽以及攔沙壩控制面積分別為1.6、35、0.4、200hm2；結合前人研究成果以及水保工作咨詢結果，水土保持工程措施的梯田、谷坊、塘壩和攔沙壩減沙系數分別為72.5%和90%，水平槽為60%。對遼西地區各行政區水保工程措施因子E利用公式(7)進行計算，并將E值采用Arc GIS軟件轉化為柵格數據。

4 結論

水土流失是造成生態環境惡化的關鍵性影響因子；對水土流失進行科學、準確的評價可為水土流失治理和水土保持規劃提供一定的科學依據。然而，每個區域的水土流失影響因素因區域的差異性而表現出有所不同。據此，對各影響因子的含義和算法進行詳細的分析和探討。本研究采用“3S”技術和模型，對遼西地區水土流失植被因子、工程因子的獲取方法進行了研究，以期為提高該區域水土流失評價結果的科學性、準確性提供一定的理論支持。