基于GIS和RS的淇河流域水土流失定量研究

崔劍 宋軒 白朝軍 史鵬會(huì)

摘 要：本文以南太行淇河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，綜合運(yùn)用GIS和RS技術(shù)，利用改進(jìn)的通用土壤流失方程（RUSLE）計(jì)算了淇河流域的水土流失量，對(duì)水土流失強(qiáng)度進(jìn)行了分級(jí)，同時(shí)對(duì)不同水土流失強(qiáng)度在數(shù)量、空間分布及成因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，淇河流域水土流失強(qiáng)度以輕度為主，極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕均有發(fā)生，多分布在淇河流域東部丘陵和平原過(guò)渡地帶，主要由礦山開(kāi)采活動(dòng)所致，但所占比例不大。本次工作是河南省南太行生態(tài)修復(fù)工作的重要組成部分，為開(kāi)展生態(tài)修復(fù)工程提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水土流失;地理信息系統(tǒng);遙感技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：S157文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）11-0071-05

Abstract： This paper selected Qi River Basin of South Taihang Mountain as the study area， it used the revised universal soil loss equation （RUSLE） to calculate the amount of soil erosion and classifies soil erosion intensity， and analyzed the quantitative， spatial distribution and causes of different soil erosion intensities. Results show that mild level is the main soil erosion level， extreme level and violent level are exist， they are distributed in the transitional area between the hills and plains in the eastern part of the Qi River Basin. They are mainly caused by mining activities， but their proportion are small. This study is an important part of the ecological restoration of South Taihang Mountain in Henan Province， and it provides a scientific basis for the layout of ecological restoration projects.

Keywords： soil erosion; GIS; RS

水土流失是土地退化的根本原因，也是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素[1]。日益嚴(yán)重的水土流失不僅降低土地生產(chǎn)力，還會(huì)淤積河道，加劇洪澇災(zāi)害，對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境構(gòu)成較大威脅。我國(guó)是世界上水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一，根據(jù)第一次全國(guó)水利普查成果顯示，中國(guó)現(xiàn)有水土流失面積294.9萬(wàn)km2[2]。水土流失已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)的突出問(wèn)題之一，是河南省生態(tài)修復(fù)的重要工作。水土流失定量估算是生態(tài)修復(fù)的前提，掌握水土流失狀況對(duì)評(píng)價(jià)該地區(qū)的生態(tài)修復(fù)治理效果、指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)工程優(yōu)化配置、生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

水土流失定量估算方法有侵蝕模型法、數(shù)字高程法和核示蹤法。常用的侵蝕模型有經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法和基于物理過(guò)程模擬的侵蝕模型[3]。基于物理過(guò)程模擬的侵蝕模型需要大量參數(shù)輸入[4，5]，參數(shù)不易獲取且參數(shù)的多變性常導(dǎo)致結(jié)果不確定，導(dǎo)致此類(lèi)模型應(yīng)用范圍受到限制。改進(jìn)的通用土壤流失方程（RUSLE）[6]是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蒞ishchmeier和Smith于1965年和1978年提出的通用水土流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）[7]經(jīng)后人改進(jìn)形成，具有模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)獲取容易、計(jì)算快速等優(yōu)點(diǎn)。該模型與GIS和RS技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)柵格尺度水土流失模擬與預(yù)測(cè)，廣泛應(yīng)用于水土流失量估算[8，9]、水土流失空間分異特征分析[10]以及水土流失敏感性分析[11]等。

1 研究區(qū)概況

淇河流域位于南太行山脈由南北向轉(zhuǎn)換為東西向的轉(zhuǎn)折端北側(cè)，隔太行山主脈與山西陵川相望。行政區(qū)域包括鶴壁市淇濱區(qū)、淇縣，安陽(yáng)市林州市南部、新鄉(xiāng)市輝縣市北部（見(jiàn)圖1），總面積1 992km2。地勢(shì)總體由西北向東南傾斜，從山區(qū)到平原呈階梯式下降，層次分明，西部為中山區(qū)，中部為低山丘陵、盆地區(qū)，東部為山前沖洪積平原區(qū)。

淇河流域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，平均氣溫14.6℃，降水量分布呈現(xiàn)由東南方向向西北方向遞減趨勢(shì)，年平均降水量349.2～970.1mm，年蒸發(fā)量1 334.7～2 218.88mm，是降水量的3倍。主要河流水系包括淇河及其支流淅河、香磨河、北召河、郊溝河、康王泉、梨園坪泉和萬(wàn)泉湖等。土壤屬褐土類(lèi)土，分為褐土、碳酸鹽褐土及褐土性土3個(gè)亞類(lèi)。褐土亞類(lèi)主要分布在海拔200m以下的沖洪積扇中下部，碳酸鹽褐土亞類(lèi)分布于丘陵地區(qū)，褐土性土亞類(lèi)分布于西部山區(qū)，各丘陵區(qū)頂部也有片狀分布。現(xiàn)狀植被類(lèi)型主要有中生型植物群落、旱生植被和人工植被，覆蓋率達(dá)94.56%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選用2018年Landsat OLI數(shù)據(jù)、高分二號(hào)數(shù)據(jù)、北京二號(hào)數(shù)據(jù)的遙感數(shù)據(jù)。輔以1∶50 000地形圖對(duì)上述遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，然后對(duì)影像進(jìn)行大氣校正。分別對(duì)不同遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌和裁剪，得到研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)。經(jīng)預(yù)處理的遙感數(shù)據(jù)分別用于提取植被覆蓋度和土地利用狀況。研究區(qū)非遙感數(shù)據(jù)包括：①土壤數(shù)據(jù);②1∶50 000地形圖數(shù)據(jù);③降水?dāng)?shù)據(jù)，包括研究區(qū)2018年月平均降雨量和年平均降雨量;④其他文字資料。

2.2 降雨侵蝕力因子R

2.6 水土保持措施因子P

水土保持措施因子P是在相同條件下，有水土保持措施的區(qū)域與無(wú)水土保持措施的區(qū)域土壤流失量之比，反映了實(shí)施水土保持措施后對(duì)土壤侵蝕的減小作用，取值介于0～1。水土保持措施因子與土地利用狀況密切相關(guān)，根據(jù)前任學(xué)者的研究成果[16，17]，結(jié)合研究區(qū)采用高分辨率遙感影像土地利用解譯成果，確定P值，見(jiàn)表1。

2.7 水土流失量的計(jì)算

在提取各個(gè)因子的基礎(chǔ)上，以地形圖為基準(zhǔn)分別進(jìn)行配準(zhǔn)，并重采用為30m。本研究利用ArcGIS平臺(tái)，采用柵格空間分析，將獲取的各個(gè)因子帶入RUSLE模型，進(jìn)而獲取淇河流域侵蝕模數(shù)空間分布，按照水土流失強(qiáng)度分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)水土流失強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果如圖2所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

表2是不同水土流失強(qiáng)度等級(jí)的面積。研究區(qū)土地總面積為1 992 km2，水土流失面積為708.65 km2，占土地面積的35.56%，微度以上侵蝕面積為1 283.35 km2，占土地面積的64.43%。根據(jù)分類(lèi)，輕度以上水土流失定位水土流失面積。其中，輕度侵蝕面積為455.05 km2，占水土流失面積的64.21%，中度侵蝕面積166.75 km2，占水土流失面積的23.53%;強(qiáng)度侵蝕面積70.55 km2，占水土流失面積的9.96%;極強(qiáng)度侵蝕面積10.43 km2，占水土流失面積的1.47%;劇烈侵蝕面積5.87 km2，占水土流失面積的0.83%。

3.2 水土流失空間分布

總體來(lái)看，研究區(qū)水土流失普遍分布在中山和低山丘陵區(qū)，特別是低山丘陵和平原過(guò)渡地帶。微度侵蝕區(qū)集中分布在淇河流域東部平原區(qū)以及中部和西北部盆地區(qū);輕度侵蝕區(qū)集中普遍分布在淇河流域植被覆蓋度較高的山區(qū);中度侵蝕區(qū)多分布在植被覆蓋較好的丘陵和低山區(qū)以及植被覆蓋度較低的中山區(qū);強(qiáng)度侵蝕多分布在植被覆蓋較低的丘陵區(qū);極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕多分布在淇河流域東部丘陵和平原的過(guò)渡地帶，此處人類(lèi)活動(dòng)劇烈，礦山開(kāi)采活動(dòng)劇烈，植被覆蓋度低。

3.3 水土流失成因分析

3.3.1 地形因素。研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)西北高，東南低，呈階梯式下降，層次分明，西部為中山區(qū)，中部為低山丘陵、盆地區(qū)，東部為山前沖洪積平原區(qū)，土石山區(qū)山高坡陡，受降雨徑流沖刷，極易造成水土流失。

3.3.2 氣候因素。研究區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降雨集中在6—9月，雨量集中，降雨強(qiáng)度大，降雨侵蝕力大，水土流失嚴(yán)重。

3.3.3 土壤因素。研究區(qū)土壤多以褐土為主，土壤粘性差，當(dāng)?shù)乇碇脖黄茐暮罂骨治g能力差，因此，植被覆蓋度較低的區(qū)域極易形成強(qiáng)度侵蝕以上級(jí)別的水土流失。

3.3.4 礦山開(kāi)發(fā)因素。研究區(qū)內(nèi)淇縣東部和淇濱區(qū)東部丘陵地帶，礦山開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大，直接破壞地表植被，致使土壤裸露，且大量廢渣和棄土亂堆亂放，造成此區(qū)域水土流失嚴(yán)重。

3.3.5 坡地開(kāi)墾。通過(guò)遙感影像和野外查證發(fā)現(xiàn)研究區(qū)順坡開(kāi)墾種植各種農(nóng)作物，很少采用水土保持措施，造成水土流失嚴(yán)重。

4 結(jié)論

①本文以淇河流域水土流失估算為中心，采用RUSLE模型，依托GIS和RS技術(shù)，通過(guò)對(duì)降水、土壤、地形、植被、水土保持措施等侵蝕因子定量計(jì)算，完成水土流失定量估算。

②依據(jù)水土流失量，將淇河流域水土流失分為6個(gè)等級(jí)：“微度侵蝕”“輕度侵蝕”“中度侵蝕”“強(qiáng)度侵蝕”“極強(qiáng)度侵蝕”和“劇烈侵蝕”，其中，“輕度侵蝕”以上級(jí)別定義為水土流失面積。淇河流域水土流失區(qū)域以輕度侵蝕為主，中度侵蝕次之，強(qiáng)度侵蝕第三，極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕均有發(fā)生，但所占比例不大。

③淇河流域水土流失除受地形、氣候、土壤等自然因素影響外，受礦山開(kāi)發(fā)、坡地開(kāi)墾等人為因素影響較大。需要在研究區(qū)增加林地、草地覆蓋度，限制礦山開(kāi)發(fā)和坡地開(kāi)墾，增加水土保持措施方面的投入。

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