基于GIS 和分形理論的榃濱河流域水土流失空間信息研究

謝銘健，張曉遠(yuǎn)

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

1 材料與方法

1.1 榃濱河流域概況

榃濱河為粵西羅定縣羅定河支流，發(fā)源于西部丘陵，干流長(zhǎng)46 km，流域面積307 km2。流域內(nèi)地形西北高、東南低，海拔介于83 m～762 m 之間，多為丘陵、河谷平原。常年受赤道低壓、東亞季風(fēng)與南亞季風(fēng)控制，形成南亞熱帶季風(fēng)氣候，常年溫暖濕潤(rùn)，年均溫20.3℃，年降水量達(dá)1552 mm，水熱資源豐沛。該區(qū)靠近北回歸線，典型植被為亞熱帶常綠闊葉林，植被結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)草地、灌木、喬木立體分布。區(qū)域水土流失以水蝕為主，5 月～10 月份強(qiáng)降水集中，為土壤侵蝕多發(fā)季節(jié)。隨著退耕還林換草工程實(shí)施，流域內(nèi)林草覆蓋度迅速提高，并發(fā)揮了巨大生態(tài)效益。當(dāng)前流域水土流失主要問題是局部侵蝕嚴(yán)重且分布零散，導(dǎo)致治理困難；其次為土地開發(fā)頻繁，潛在流失區(qū)增加。

1.2 水土流失信息提取

以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS 技術(shù)進(jìn)行水土流失信息提取已經(jīng)發(fā)展成為水土流失調(diào)查與監(jiān)測(cè)的普遍方法。本研究以2017 年榃濱河流域Landsat OLI 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ENVI5.3 軟件平臺(tái)上運(yùn)用bandmath 工具提取植被覆蓋度C，通過面向?qū)ο蟊O(jiān)督分類獲取土地利用類型信息。在ArcGIS10.3 平臺(tái)上通過疊加分析等操作，提取水土流失強(qiáng)度等信息，具體操作參見參考文獻(xiàn)[1-2]。

通用水土流失方程(Revised universal soil loss equation,RUSLE)是國(guó)際國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的水土流失估算公式，基于水土動(dòng)力循環(huán)、植被涵養(yǎng)、土壤質(zhì)地、地形效應(yīng)等，將區(qū)域水土流失量表征如下：

式中：RUSLE 水土壤流失量,單位為t/(hm2·a)；R、K、L、S、C、P 分別為降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子坡長(zhǎng)、坡度、植被、水土保持措施等客觀因子。基于屬性、空間數(shù)據(jù)分別獲取上述因子?xùn)鸥駡D層，通過python 接口計(jì)算水土流量，即侵蝕模數(shù)。

1.3 土壤水土流失強(qiáng)度綜合指數(shù)

為評(píng)定水土流失強(qiáng)弱等級(jí)，水利部給出了《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)—SL190296》，其計(jì)算公式為[3]：

式中：I 為水土流失強(qiáng)弱等級(jí)，i、j 分別為土地利用類型、水土流失分級(jí)序列數(shù)；G 為土壤水土流失強(qiáng)度分級(jí)值，該標(biāo)準(zhǔn)將微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈的分級(jí)值依次為0、2、4、6、8 和10；P 為土地利用類型結(jié)構(gòu)比。

1.4 分形維數(shù)

由于不同水土流失強(qiáng)度等級(jí)在空間上以景觀斑塊形式呈現(xiàn)，為表征其斑塊穩(wěn)定性，利用分形理論進(jìn)行計(jì)算。分形理論可表示為變量面積—周長(zhǎng)雙對(duì)數(shù)關(guān)系，如下[4]：

2 結(jié)果與分析

2.1 榃濱河流域水土流失宏觀特征

圖1 研究區(qū)水土流失格局

榃濱河流域土壤侵蝕空間格局見圖1，可知該流域水土流失強(qiáng)度分為微度至極強(qiáng)度等5 個(gè)等級(jí)，沒有劇烈等級(jí)；從其空間分布來看，不同水土流失強(qiáng)度斑塊異質(zhì)性強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)分析顯示，榃濱河流域以輕度水土流失為主，面積達(dá)158.46 km2，占區(qū)域總面積的51.62%，說明該區(qū)水土保育功能較好、土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)較低，這得益于該流域植被覆蓋度高、人為破壞程度小。微度流失主要于流域內(nèi)山脈地帶，面積為103.25 km2，占全區(qū)面積的33.63%，有學(xué)者研究表明[5]，南方紅壤區(qū)高植被覆蓋林區(qū)由于降水密集、強(qiáng)度大，也會(huì)對(duì)林下地表產(chǎn)生侵蝕，由此看來雖然該流域水土流失整體強(qiáng)度較小，但仍要加強(qiáng)植被立體結(jié)構(gòu)建設(shè)。中度水土流失區(qū)呈帶狀分布，與河流形態(tài)相似，面積僅占8.02%；強(qiáng)度和極強(qiáng)度水土流失面積最小，分別占2.36%、4.37%，呈現(xiàn)離散分布。

2.2 榃濱河流域水土流失空間分形特征

圖2 榃濱河流域不同水土流失強(qiáng)度的分形特征

應(yīng)用Fractual4.3 工具，在GIS 平臺(tái)上提取不同水土流失強(qiáng)度斑塊的周長(zhǎng)、面積，進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖2 所示。可知，各強(qiáng)度的雙對(duì)數(shù)擬合關(guān)系較好，R2 介于0.7～0.93 之間，表明水土流失強(qiáng)度斑塊具有良好分形特征。經(jīng)計(jì)算，微度至極強(qiáng)度水土流失斑塊的雙對(duì)數(shù)擬合斜率依次0.8264、0.8189、0.6224、0.4158、0.3974，則得到其分形維數(shù)依次為：1.587、1.591、1.689、1.792、1.801；由此可見，隨著侵蝕強(qiáng)度變大，分形維數(shù)也增大，說明水土流失較弱的地區(qū)與區(qū)域環(huán)境耦合性密切、空間分布結(jié)構(gòu)性強(qiáng)；而水土流失強(qiáng)度大的斑塊，結(jié)構(gòu)松散，容易發(fā)生演變。

2.3 榃濱河流域水土流失空間自聚集性

表1 不同土壤水土流失強(qiáng)度的空間自相關(guān)參數(shù)

通過ArcGIS10.3 軟件的Moran's I 分形工具計(jì)算不同水土流失強(qiáng)度的空間聚集性參數(shù)，如表3 所示。不同水土流失強(qiáng)度的全局Moran's I 值均大于0，具有正向空間聚集性特征，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后，Z 值均超過閾值(±1.96)水平，說明其空間聚集性顯著(P＜0.05)。隨著水土流失強(qiáng)度加大，Moran's I 數(shù)值與Z 值逐漸減小，表明其空間聚集性減弱，這與前述2.2 部分結(jié)果一致。

2.4 榃濱河流域水土流失與土地利用的關(guān)系

用地類型體現(xiàn)著土壤質(zhì)地、地形環(huán)境的差異，同時(shí)對(duì)人為活動(dòng)、土地經(jīng)營(yíng)產(chǎn)生密切影響，眾多研究表明，土地類型是影響水土流失強(qiáng)度的重要因子。為探究二者之間的關(guān)系，主要進(jìn)行了一些分析：①不同用地類型下水土流失強(qiáng)度指數(shù)特征；②用地結(jié)構(gòu)與侵蝕模數(shù)之間的關(guān)系。

圖3 榃濱河流域不同用地類型水土流失強(qiáng)度指數(shù)

如圖3 所示，榃濱河流域內(nèi)不同土地利用的水土流失強(qiáng)度存在差異，以耕地的強(qiáng)度指數(shù)最大，達(dá)6.067，表明其最易產(chǎn)生水土流失；其次是建設(shè)用地，達(dá)5.07，主要由于土地開發(fā)過程中對(duì)地表破壞較大；園地的水土流失強(qiáng)度指數(shù)為4.55，草地、林地分別為2.14、2.36，有學(xué)者研究指出[6]，灌草地是地表侵蝕的最后且有效屏障，其對(duì)降水的截留作用遠(yuǎn)大于林地，這與本文研究一致。水域用地由于缺少可侵蝕物質(zhì)，因此侵蝕強(qiáng)度指數(shù)最小，僅為1.79。

圖4 榃濱河流域水土流失量與用地類型結(jié)構(gòu)比直接的關(guān)系

基于水土流失公式，以土地利用類型斑塊為計(jì)算單元，獲取其侵蝕模數(shù)，并以用地結(jié)構(gòu)為解釋變量，建立模型，如圖4 所示。可知，水土流失量對(duì)用地結(jié)構(gòu)具有依賴性，且用地類型不同，其依賴關(guān)系存在差異。其中，水土流失量與草地的關(guān)系為 (y=-1097.4x+837.94，R2=0.596，P＜0.01)；與林地建模關(guān)系為(y=-508.91x+495.99，R2=0.571，P＜0.01)；說明林、草地對(duì)水土流失具有減少的作用，其中水土流失量與草地的關(guān)系斜率小于林地，說明草地的水土涵養(yǎng)能力高于林地，這與上述研究結(jié)論一致。水土流失量與耕地的關(guān)系表現(xiàn) 為(y=324.04x+206.19，R2=0.2207，P＜0.05)，與 建 設(shè) 用 地 的關(guān)系表現(xiàn)為(y=315.88x+ 206.33，R2=0.258，P＜0.05)；隨著耕地、建設(shè)用地增加，流域水土流失量亦增大。當(dāng)區(qū)域內(nèi)裸地面積增加時(shí)，水土流失量以(y=170.6x+248.7，R2=0.086，P＞0.05)的形式變化；而水域結(jié)構(gòu)比與水土流失的關(guān)系表現(xiàn)為(y=125.68x+254.64，R2=0.086，P＞0.05)，表明二者間的關(guān)系不顯著。

3 結(jié)論

粵西紅壤區(qū)植被覆蓋度高、降水強(qiáng)度大，林下土壤侵蝕問題猶存，流域水土流失不容忽視。在榃濱河流域的研究表明，該流域整體水土流失強(qiáng)度較小；但值得注意的是強(qiáng)度水土流失斑塊分布離散，其空間形態(tài)已發(fā)生改變。這表明退耕還林還草工程的實(shí)施背景與當(dāng)下城鎮(zhèn)化加快、土地開發(fā)頻繁有關(guān)。研究表明，林地、草地等用地類型與水土流失量之間呈負(fù)效應(yīng)，而建設(shè)用地、耕地與之成正效應(yīng)，故而優(yōu)化區(qū)域用地結(jié)構(gòu)也是增強(qiáng)水土涵養(yǎng)能力的重要措施。