基于GIS和USLE模型的安慶市水土流失敏感性評價

李 青

(安慶水文水資源局，安徽 安慶 246003)

土壤侵蝕已成為我國最嚴重的環境問題之一。安慶市地形坡度長，坡度陡，雨量大。國此，建立有效的水土資源保護措施迫在眉睫，研究土壤侵蝕敏感性對于明確土壤侵蝕敏感區、制定合理的區域水土保持措施具有重要意義。

1 研究區概況

安慶是安徽省的一個地級市，是長江三角洲中部27個城市之一。它位于安徽省西南部，萬江源頭800里，長江下游北岸，萬河入江之地，西部為湖北省，南部為江西省，西北為大別山主峰，東南為黃山。截至2019年，全市轄3個區、5個縣、2個縣級市，總面積14 400 km2。安慶市地處長江中下游北岸，依山傍水，地勢相對平坦。安慶轄區內有中山、低山、丘陵、臺地(丘)、平原等多種地貌。西北為大別山中低山區，中部為起伏的丘陵地帶，東南及沿江為江湖平原。

2 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[1]。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，見圖1和表1。

表1 技術參數

2.2 研究方法

本文采用目前應用最廣泛的USLE土壤侵蝕模型來評價，土壤侵蝕方程(USLE)：

A=R×K×LS×C×P

式中：A為土壤侵蝕量；R為降水侵蝕力；K為土壤因子；LS為坡度坡長因子；C為地表覆蓋因子；P為人工措施因子[2]。

具體評價體系見表2。

圖1 DEM數據

表2 水土流失敏感因子評價指標

土壤侵蝕敏感性指數計算采用《生態功能區劃技術暫行規程》中的計算方法[3]。

式中:Sj為空間單元j土壤侵蝕敏感性指數;Ci為因素i敏感性等級值(i分別為降雨侵蝕力敏感值、地形起伏度敏感值、土壤質地敏感值和植被類型敏感值)。

1) 降水侵蝕因子(R) 難以直接測定,通過公式計算獲得：

式中:R為年降水侵蝕力;ρ1為各月平均降水量：ρ為年平均降水量。

文中選取河北及周邊省份共21個站點的降水量計算R值，采用ArcGIS 10.4中的Spline內插法,繪制河北太行山區年降水侵蝕力R值柵格分布圖。

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林地、草地、耕地、裸地、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[4]。

根據研究區域2018年遙感圖像，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)：

式中:NIR為近紅外波段;RED為紅外波段。

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:

4) 土壤類型因子。水土流失發生的主體是土壤甚至其母質，所以土壤類型從根本上決定了土壤可蝕性,反映了土壤遭受侵蝕的敏感程度(S)，因此本文將土壤類型作為水土流失敏感性因子之一，考慮其對土壤侵蝕危險性的影響。在相同條件下，土壤的抗侵蝕能力越強，水土流失的敏感性就小，水土流失的強度弱。

3 研究結果

3.1 土地利用/植被覆蓋解譯

通過ENVI軟件內置的“Transform”中的NDVI功能，計算遙感影像中的NDVI值，然后利用公式計算植被的FVC(植被覆蓋度)值。最終得到植被覆蓋解譯圖見圖2和表3。

圖2 植被覆蓋解譯圖

表3 植被覆蓋度統計表

植被對于水土流失的強度起到至關重要的影響。首先，植被的冠層具有涵養水的作用，能夠截留降雨時的雨水，阻止雨水直接沖刷地表，緩解地表徑流的產生。其次，植被根系也會大量吸收水分，使得雨水到達地面后的入滲量增加，間接減少地表徑流，從而影響水土流失。由植被分布圖可以看出，安慶市植被分布情況較好，高及中高植被占比較高，分別達到34.3%和37.2%，主要集中在西北部，高植被和中高植被交替分布。低植被覆蓋占比為9.0%，主要零散分布在南部和東部地區。

采用ENVI軟件的非監督分類法，通過人機目視解譯，將安慶市的土地分為草地、林地、建筑用地、裸地、水體和耕地。得到的解譯圖見圖3和表4。

安慶市土地利用多以林地、草地為主，面積占比分別為37.5%和28.9%；耕地面積占比最低，僅為10.45%。土壤侵蝕較為嚴重的區域一般發生在裸地地區。見表5。

圖3 土地利用分類圖

表4 土地利用分類統計表

表5 不同土地類型C因子

3.2 降雨侵蝕力

本研究釆用月均降雨量估算因子，然后運用回歸擬合的方法進行降雨侵燭力的空間化。具體步驟如下：首先根據監測期間月平均降雨量，然后計算研究區氣象站點的R值降雨侵蝕力因子，所得結果見圖4。可以看出，安慶市降雨侵蝕力分布呈現出從北往南依次增加的趨勢。最北部為低降雨侵蝕區域，與植被覆蓋的相關性較高。

圖4 降雨侵蝕力R分布圖

本文選取13個區域的NDVI值與降雨侵蝕力R值進行相關性擬合。結果顯示，降雨侵蝕力R值與NDVI值呈現出負相關關系，說明植被可以有效降低降雨對地表的沖刷作用，從而降低降雨侵蝕力，緩解水土流失。見圖5。

圖5 降雨侵蝕與NDVI趨勢擬合圖

3.3 土壤類型

安慶市土壤類型空間分布數據是根據國家土壤普查局1995年編制出版的《中華人民共和國土壤圖》(1∶100萬)數字化生成的。采用傳統的土壤成因分類體系。基本制圖單元為亞類，分為12個土綱、61個土類和227個亞類。土壤屬性數據庫共有2 647條記錄16項，基本覆蓋了我國各類土壤及其主要屬性特征。見圖6。

圖6 土壤類型分布圖

3.4 土壤侵蝕敏感性

根據土壤侵蝕模型，基于ARCGIS軟件，疊加上文所采取的數據，得到土壤侵蝕敏感性分布圖，見圖7。

圖7 土壤侵蝕敏感性分布圖

安慶市土壤侵蝕輕度敏感區域的面積占比最高，達到84.1%；中度敏感、重度敏感和極重敏感呈碎片化分布在北部及中部區域；極度敏感區域的占比最低，僅為0.4%。結合土地利用現狀圖發現，高度敏感區域內的主要土地利用類型是疏林地，其水土保持措施應加強對疏林地、低價次生林的改造，保護好植被。見表6。

表6 土壤侵蝕敏感性

為了對安慶市整體的水土流失敏感性進行綜合評價，引入土壤侵蝕潛在危險指數(SEPDI)，其表明某一地區或地類水土流失潛在危險性的大小，根據該地區或地類水土流失潛在危險度不同等級面積的加權法進行綜合評價。其計算公式為：

SEPDI=(M1+2M2+3M3+6M4+9M5)/(M1+M2+M3+M4+M5)

式中:M1為不敏感區面積;M2為輕度敏感區面積;M3為中度敏感區面積;M4為重度敏感區面積;M5為極度敏感區面積。

SEPDI值為1～9,值越大表明該區域或地類水土流失潛在危險度越大。安慶市SEPDI的值為1.23，驗證了面積統計的結果,說明安慶市的整體水土流失敏感性處于輕度的狀況。

土壤侵蝕綜合指數可以用來分析不同條件下的土壤侵蝕狀況，該指數能夠反映土壤侵蝕的嚴重程度，可以用土壤侵蝕指數來表示[5]。值越高表示對土壤侵蝕的綜合指數的貢獻越大，其計算如下：

式中:Wij為第i類第j級的土壤侵蝕強度的分級值;Aij為第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、植被覆蓋圖與土壤侵蝕圖進行疊加，產生土壤侵蝕與植被覆蓋、地形起伏之間的對應關系。見表7和表8。

通過表7、表8可以得出，丘陵山地的侵蝕強度最高，為2.71；平原的土壤侵蝕強度最低，為1.29。安慶市土壤侵蝕較為嚴重的地區都集中在丘陵至中起伏山地以上的區域。地形起伏度越大，土壤侵蝕指數相對也越高，說明土壤侵蝕與地形起伏具有正相關關系。

表7 不同區域土壤侵蝕強度指數

表8 不同植被覆蓋區域土壤侵蝕強度指數

植被覆蓋表現為植被覆蓋越高，土壤侵蝕強度越低，低植被覆蓋的土壤侵蝕強度為2.59，高植被覆蓋的強度僅為0.92。

4 結 論

本文基于GIS和USLE模型，結合遙感影像衛星及降雨資料，對安慶市水土流失敏感性進行分析。結果表明，安慶市植被分布情況較好，高及中高植被占比較高，分別達到34.3%和37.2%。土地利用C因子中的裸地值最高，降雨侵蝕力分布呈現出從北往南依次增加的趨勢，與植被相關性較高，土壤侵蝕輕度敏感區域占比最高，達到84.1%，整體處于輕度敏感范圍，土壤侵蝕與地形起伏具有正相關關系，與植被覆蓋具有負相關關系。