遼西水土流失動態(tài)監(jiān)測模型的改進(jìn)與應(yīng)用

趙 野

(遼寧澤龍水利實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

自2018年起，遼寧省根據(jù)水利部統(tǒng)一部署，按照“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、分級負(fù)責(zé)、協(xié)同開展、不重疊、全覆蓋”的原則，遼寧省基于2m分辨率衛(wèi)星遙感影像，采用衛(wèi)星遙感解譯、野外調(diào)查驗(yàn)證和模型計算相結(jié)合的技術(shù)路線，組織開展年度水土流失動態(tài)監(jiān)測工作[1]。通過水土流失動態(tài)監(jiān)測，遼寧省水土流失總面積年均下降超1.0%，水土流失狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境整體向好，水土流失實(shí)現(xiàn)面積強(qiáng)度“雙下降”、水蝕風(fēng)蝕“雙減少”[2]。通過開展水土流失動態(tài)監(jiān)測工作，對于全面掌握全省國家級水土流失重點(diǎn)防治區(qū)、省級水土流失重點(diǎn)防治區(qū)的水土流失面積、強(qiáng)度和動態(tài)變化情況具有重要意義[3]。在進(jìn)行水土流失動態(tài)監(jiān)測中需要采用水土流失監(jiān)測模型對其水土流失面積、強(qiáng)度和動態(tài)變化進(jìn)行計算和分析，傳統(tǒng)方法主要采用單一考慮降雨因子對水土流失動態(tài)監(jiān)測影響的模型進(jìn)行計算[4-9]。多個研究成果表明[10-12]，水土流失監(jiān)測需綜合考慮降雨和徑流的雙重影響，才能較為準(zhǔn)確地對區(qū)域水土流失情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。為此，文章通過構(gòu)建徑流和降雨因子的水土流失動態(tài)預(yù)測模型，以遼寧省水土流失較為嚴(yán)重的遼西地區(qū)為具體實(shí)例，結(jié)合野外調(diào)查驗(yàn)證模型，探討改進(jìn)模型的適用性，研究成果對于全面掌握全省國家級水土流失重點(diǎn)防治區(qū)、省級水土流失重點(diǎn)防治區(qū)的水土流失面積、強(qiáng)度和動態(tài)變化情況，以及推動小流域綜合治理從常規(guī)治理到精準(zhǔn)治理轉(zhuǎn)型升級具有重要的意義。

1 水土流失動態(tài)監(jiān)測模型的改進(jìn)方法

在傳統(tǒng)單一考慮降雨因子水土流失動態(tài)監(jiān)測模型的基礎(chǔ)上，加入徑流因子Qsurf，模型改進(jìn)計算方程：

Y=11.8×(Qsurf·qpeak·A)0.56·K·C·P·L·R

(1)

式中，Y—水土流失量的計算值，t;Qsurf—徑流因子，mm，該值可通過區(qū)域徑流系數(shù)和降雨因子相乘得到；qpeak—暴雨因子，mm，為最大30min暴雨值，一般可從區(qū)域暴雨等值線圖中獲取；A—水土流失面積，m2；K—土壤侵蝕因子，該值可通過區(qū)域水土流失調(diào)查中得到；C—植被覆蓋因子，與區(qū)域植被覆蓋率相關(guān)，植被覆蓋率低于30%，其植被覆蓋因子一般取為0.6，植被覆蓋率高于30%，一般取為0.4，植被覆蓋率高于60%，一般取為0.2，植被覆蓋率越高，該值越小；P—水土保持措施因子，該值與水土流失區(qū)坡度相關(guān)，坡度越高，該值越低；L—地形坡度，該值可通過遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取；R—粗糙度因子，該值一般與土壤物理性質(zhì)相關(guān)，不同類型的R值取值范圍可詳見參考文獻(xiàn)。

2 實(shí)例計算

2.1 遼寧省水土流失概況

遼寧東部及東南部輸沙模數(shù)多為100～200t/(km2·a)，桓仁、新賓一帶，輸沙模數(shù)小于1000t/(km2·a)，少數(shù)地方為200～5000t/(km2·a)。中部輸沙模數(shù)為50～2000t/(km2·a)。遼寧西部的輸沙模數(shù)比東部大，分布趨勢由南向北遞增，南部為200～5000t/(km2·a)，中部基本為500～10000t/(km2·a)，北部輸沙模數(shù)增大到1000～20000t/(km2·a)，西北部柳河的上游輸沙模數(shù)可高達(dá)50000t/(km2·a)。而從水土流失強(qiáng)度來看，遼寧省水土流失強(qiáng)度包括微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕。遼寧東部、中部以及西南部為微度侵蝕區(qū)；西北部大多數(shù)地區(qū)為輕度侵蝕，而只有很小一塊區(qū)域?yàn)橹卸惹治g。遼寧省水土流失強(qiáng)度分級如圖1所示。文章主要以遼寧西部的大凌河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，流域南部區(qū)域土壤侵蝕相對嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)大都為450～600t/(km2·a)，基于2m分辨率衛(wèi)星遙感影像，采用衛(wèi)星遙感解譯、野外調(diào)查驗(yàn)證和模型計算相結(jié)合的技術(shù)路線，組織區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測研究。

圖1 遼寧省水土流失強(qiáng)度分級

2.2 遙感影像數(shù)據(jù)處理

模型需要數(shù)字高程數(shù)據(jù)，主要是提取計算單元的坡度，作為水土流失動態(tài)監(jiān)測改進(jìn)模型中地形和水土保持措施因子提取的依據(jù)，文章選用的數(shù)字高程模型分辨率為1∶100萬，選用的地理坐標(biāo)系為GSC 2000，在進(jìn)行地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，得到區(qū)域的數(shù)字高程遙感影像數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)主要用來計算區(qū)域植被覆蓋率，文章選用的土地利用數(shù)據(jù)為2020年區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)，經(jīng)過地理坐標(biāo)配準(zhǔn)后得到區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)，計算得到區(qū)域2020年度植被覆蓋率為35%。在模型計算時需要對不同土壤類型的水土流失因子進(jìn)行確定，為此文章結(jié)合區(qū)域土壤遙感數(shù)據(jù)，對其不同土壤類型進(jìn)行了土壤質(zhì)地參數(shù)的提取，對各土壤類型的水土流失因子進(jìn)行計算。在進(jìn)行模型計算時，需要考慮降雨和徑流因子的影響，降雨因子主要結(jié)合朝陽地區(qū)最大30min暴雨等值線圖進(jìn)行查讀，研究區(qū)域最大30min暴雨量為65mm。徑流因子主要通過研究區(qū)的徑流系數(shù)進(jìn)行確定，將降雨因子和徑流系數(shù)進(jìn)行相乘得到徑流量。研究區(qū)域的遙感影像如圖2所示。

圖2 研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)

2.3 模型計算參數(shù)設(shè)置

在采用改進(jìn)的水土流失監(jiān)測模型進(jìn)行監(jiān)測時，考慮到水土流失溝壑侵蝕和沖刷影響，初考慮研究區(qū)域水土流失坡面量的計算，還重點(diǎn)考慮水土流失溝壑侵蝕的影響，對改進(jìn)模型的參數(shù)進(jìn)行取值范圍的確定，見表1。

表1 水土流失動態(tài)監(jiān)測模型參數(shù)取值范圍

2.4 模型驗(yàn)證

結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)對改進(jìn)的水土流失監(jiān)測模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的獲取，對研究區(qū)2010—2020年的水土流失量進(jìn)行計算，并結(jié)合野外調(diào)查的水土流失量對不同模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表2。

表2 不同水土流失監(jiān)測模型驗(yàn)證結(jié)果對比

對研究區(qū)域2010—2020年的水土流失量進(jìn)行調(diào)查，并分別采用傳統(tǒng)方法和改進(jìn)方法，結(jié)合區(qū)域不同時間遙感影像數(shù)據(jù)對其水土流失量進(jìn)行計算，結(jié)合相對誤差即計算水土流失量和調(diào)查水土流失量之間的差異，對改進(jìn)方法的水土流失計算精度進(jìn)行對比分析，從對比結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)水土流失計算方法，改進(jìn)方法下的相對誤差較傳統(tǒng)方法有明顯改善，計算相對誤差平均值降低±12.2%。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法單一考慮降雨對區(qū)域水土流失的影響，而徑流因子對水土流失影響比重在一些區(qū)域超過降雨影響，不加以考慮很難對區(qū)域水土流失量進(jìn)行全面動態(tài)監(jiān)測。改進(jìn)的水土流失模型可綜合考慮降雨因子，并可重點(diǎn)考慮最大30min降雨的影響，此外通過區(qū)域地表徑流系數(shù)對其徑流因子進(jìn)行分析，更符合區(qū)域徑流變化的實(shí)際情況，綜上所述，改進(jìn)的水土流失動態(tài)監(jiān)測方法要好于傳統(tǒng)計算方法。

2.5 水土流失動態(tài)監(jiān)測結(jié)果

結(jié)合2010年和2020年的遙感影像數(shù)據(jù)，對其地形、植被覆蓋、土壤侵蝕因子進(jìn)行提取，基于改進(jìn)的水土流失計算模型，分別對2010年和2020年的土壤侵蝕度進(jìn)行空間分布的計算，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域不同年份土壤侵蝕空間分布結(jié)果

從2010年和2020年土壤侵蝕空間分布可看出，研究區(qū)域土壤侵蝕空間分布總體從南到北逐步遞增，這主要和區(qū)域的下墊面條件以及降雨空間分布相關(guān)，研究區(qū)域南部降水量平均值要比北部區(qū)域高約100mm，此外南部植被覆蓋率要低于北部區(qū)域，且土壤類型主要為砂壤土，使得其土壤侵蝕模數(shù)比北部區(qū)域平均高出50t/(km2·a)，且處于中度土壤侵蝕強(qiáng)度等級的面積比例也要比北部地區(qū)高20%左右。對研究區(qū)域進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，計算的區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)空間分布較符合區(qū)域?qū)嶋H情況，模型計算的土壤侵蝕空間分布和水土流失監(jiān)測點(diǎn)的水土流量吻合度較高，這主要是因?yàn)楫?dāng)前高清遙感影像數(shù)據(jù)以及技術(shù)的快速發(fā)展，為水土流失動態(tài)監(jiān)測提供了有效的技術(shù)手段和計算依據(jù)，并通過采用可綜合考慮降雨和土壤侵蝕因子的水土流失計算模型，也相應(yīng)地提高了其計算精度。通過分析遼西地區(qū)水土流失總面積年均下降超1.0%，水土流失狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境整體向好，水土流失實(shí)現(xiàn)面積強(qiáng)度“雙下降”、水蝕風(fēng)蝕“雙減少”。

3 分析結(jié)論

(1) 在采用改進(jìn)的水土流失監(jiān)測模型時，建議從區(qū)域暴雨等值線分布圖中選取最大30min暴雨量作為模型的暴雨因子，若無30min暴雨量值，可選用60min暴雨量值進(jìn)行內(nèi)插。

(2) 徑流因子是改進(jìn)模型的重要輸入項，可結(jié)合區(qū)域徑流系數(shù)和暴雨量進(jìn)行折算得到，也可采用水文模型進(jìn)行地表徑流深的計算，但水文模型方法操作較多，操作難度較大，不便于實(shí)際計算操作。

(3) 在進(jìn)行遙感影像數(shù)據(jù)處理時，為提高水土流失監(jiān)測精度，建議采用2m范圍的高清遙感影像進(jìn)行分析，也可采用無人機(jī)航拍的方式對其水土流失進(jìn)行航拍監(jiān)測。