基于GIS 的新疆阿勒泰地區水土流失研究

龐 毅

（新疆維吾爾自治區水土保持生態環境監測總站，新疆 烏魯木齊 830000）

水土流失、土壤侵蝕在新疆維吾爾自治區都有自己的區域特殊性，這是由于土地資源質量的退化和水土流失造成的破壞原始表面結構的發展和人類社會幾千年來的建設項目。隨著現代經濟的發展，人口的增長和區域發展的進一步加速，新疆土壤侵蝕和水土流失的問題會變得越來越嚴重，環境質量將進一步減少，這將嚴重影響經濟和社會的可持續發展。新疆土壤侵蝕類型復雜多樣，可分為風蝕、水力侵蝕和凍融侵蝕三種類型[1]。水土流失的產生，是各類自然條件綜合作用的結果，合理的地形、植被以及水源條件才能產生水土流失。本文從地形地貌和植被蓋度兩方面探討了阿勒泰市土壤侵蝕的強度分布。

1 研究區概況

阿勒泰市位于亞洲大陸腹地，據史料記載，秦朝時候，就已經有部落生活在阿勒泰地區，阿勒泰市總面積達10800 km2，見圖1。阿勒泰山脈在北部形成了自然的北方地理屏障，曾格盆地接鄰南部邊緣，因此，阿勒泰市形成了較為特別的天氣條件，南方與北方的氣候差異巨大。阿勒泰地區地區有三大水系通過境內，水資源儲量非常豐富。

圖1 阿勒泰市地理位置圖

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文使用的數字高程模型提取自資源三號遙感測繪衛星，通過ENVI 和ArcGIS 軟件進行提取、校正等工作，經過檢驗，提取精度較高[2]。它的機身上主要搭載4 臺光學相機，包括1 臺2.1 m 分辨率的全彩相機、2 臺3.6 m 分辨率的正、反相機。它能夠以長期、連續和穩定的方式獲得立體全色圖像、多光譜圖像和輔助數據見表1、圖2。

表1 技術參數

圖2 阿勒泰市DEM 數據

2.2 研究方法

（1）地形起伏度

研究區域高程的最高點與最低點的差值即是地形起伏度[6]。地形起伏度可以將地形因素進行定量描述[3]。地形起伏計算表達式如下：

式中：hx,y為領域內像元的高程值；hxy,max和hxy,min分別代表目標柵格最大和最小高程值（x,y=1,2,3，…，n）；Δh 表示高程值差；N 為柵格的個數；S 為柵格的起伏度和；M 為平均起伏度值。

（2）水土流失

原則上水土流失強度的分類以允許土壤流失和最大國民損失為兩極值，并通過插值法分為六個等級（見表2）。由于研究區地域遼闊，自然類型多樣，不同地區的土壤形成速率不同，不同侵蝕區的土壤容許流失量不同[4]。土壤允許流失量是指長期保持土壤肥力的最大流失量和土地生產力的基本穩定性。

表2 水土流失強度劃分標準

（1）提取坡度系數。在ArcGIS 10.2 軟件中，利用資源三號遙感衛星提取出阿勒泰市數字高程模型，然后運用“空間分析”模塊中的“地表分析”工具生成研究區的坡度分布柵格圖，并按5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°25°～35°和 ＞35°的范圍進行重新分類。

（2）土地利用分布類型因子。根據2014 年研究區的遙感圖像，在ENVI 5.1 軟件中，研究區的土地利用類型分為：草地、林地、未利用地、建筑用地、水體。

（3）植被覆蓋因子的提取。在ENVI 5.1 軟件中，利用波段數學工具，利用遙感方法估算植被覆蓋度。NDVI 二元模型是線性混合像元分解模型中最簡單、最準確的一種，用于植被覆蓋度的估計。

3 結果分析

3.1 地形分析

（1）地形起伏度

在ArcGIS 的分析窗口中，利用柵格計算器，設置statistics type 為最大值，得到最大值圖層，設置statistics type為最小值，得到最小值圖層，然后將最大值圖層減去最小值圖層得到研究區起伏度。然后依據地形起伏度劃分標準（見表3）對地形起伏度進行重分類色塊顯示。

表3 地形起伏度劃分表

均值變點法是數理統計學當中的方法。數據擬合曲線應該是非線性的，并且只有一個變化點。在地貌研究中，該方法可以快速確定平均地貌生長速率的拐點，即最佳統計單元。在系統模型統計中，當一個時間突然變化時，時間就是變化點[5]。計算過程大致如下：將樣本數據 i=2，…，N，分為 X1，X2，…，Xi-1和Xi，Xi+1，…，Xt。

圖3 均值變點法統計圖

經過均值變點法計算結果見圖3，可以看出，當網格窗口為5 m×5 m 時，提取的起伏度為最佳值，見圖4。

圖4 阿勒泰市地形起伏度圖

表4 阿勒泰市地形起伏度統計表

由圖4 和表4 可以得到阿勒泰市境內以平原為主，占比達到54.96%，主要集中分布在南部地區。地勢總體呈現北高男低的趨勢。北部以山地為主，山地面積占總面積21.43%。水土流失嚴重地區也主要在北部山區。

（2）坡度分析

圖5 阿勒泰坡度分析圖

由圖5 可以看出，阿勒泰地區南部平均坡度較低，經過統計，平均坡度僅有3.27°，而北部山區平均坡度較高，為17.3°。

（3）植被覆蓋分析

根據研究區域2018 年的遙感圖像，利用研究區域的紅外波段和近紅外波段，根據以下公式估算研究區域內每個像素的歸一化植被指數（NDVI）[6]：

式中：NIR 表示近紅外波段；RED 表示紅外波段。

然后，根據經驗選取置信區間，確定NDVIsoil和NDVIveg，依照下式估算各像元的植被覆蓋度FVC：

得到植被覆蓋度解譯圖6。

圖6 植被覆蓋解譯圖

通過圖6 可以看出，阿勒泰北部山區及南部平原地區植被覆蓋度較好，經統計，北部地區植被覆蓋度可達87.3%，南部地區植被覆蓋度為63.2%。中部及中東部地區植被覆蓋較差，僅為32.1%。平均植被覆蓋度為64.5%。

3.2 水土流失分布分析

對各個圖層進行分析和統計。在阿勒泰市土地利用類型中，通過調查分析，將水體劃分為無水土流失強度類型，建設用地劃分為微水土流失強度類型。總結其他四類土地，得到阿勒泰市2019 年水土流失強度空間分布圖7。

圖7 阿勒泰市水土流失強度分布圖

表5 阿勒泰市水土流失面積占比表

由圖7 和表5 可以看出，阿勒泰市水土流失較為分散，微度侵蝕范圍最廣，面積達到了43.2%，集中分布在地勢較為平坦的平原、臺地和丘陵地區。輕度和中度侵蝕區域主要分布在臺地地區，面積占比為23.9%、12.4%。大起伏山地區域主要以強度和極強度侵蝕為主，占比為10.3%、5.77%。劇烈侵蝕零星分布在山地地區，占比最小，僅為4.43%。北部地區主要為冰雪的凍融侵蝕。南部低洼地區主要受到水力侵蝕。

3.3 地形與水土流失相關性

水土流失綜合指數可以用來分析不同地形起伏度條件下的水土流失狀況，該指數能夠反映水土流失的嚴重程度，可以用水土流失指數來表示。值越高表示對水土流失的綜合指數的貢獻越大，其計算如下[7]：

式中：Wij代表第i 類第j 級的土壤侵蝕強度的分級值；Aij代表第i 類第j 級的土壤侵蝕強度的面積比重。

利用GIS 技術,對高程圖與水土流失圖進行疊加,產生水土流失與地形起伏之間的對應關系,見表6。

表6 不同區域水土流失強度指數

通過表6 可以得出，極大起伏山地的侵蝕強度最高，為3.31，丘陵的水土流失強度最低，為1.87，阿勒泰市水土流失較為嚴重的地區都集中在中起伏山地以上的區域。地形起伏度越大，水土流失指數也越高，說明，水土流失與地形起伏具有正相關關系。

4 結論

本文基于從遙感影像中提取的DEM數據，對阿勒泰市地形起伏度和水土流失的相關性分析，得出：

（1）阿勒泰市境內以平原為主，占比為54.96%，整體地勢呈現北高男低的趨勢。平均坡度為9.3°，南部地區平均坡度為3.27°，而北部山區平均坡度較高，為17.3°。阿勒泰市平均值被覆蓋度為64.55%。

（2）阿勒泰市水土流失，微度侵蝕分布范圍最廣，面積占比為43.2%，劇烈侵蝕分布范圍最小4.43%。

（3）通過水土流失的綜合指數公式計算得出，隨著地形起伏度的增加，水土流失指數也呈現出增加的趨勢，二者的相關性為正相關。