基于GIS和RUSLE的色連礦區土壤侵蝕特征研究

何宏康，潘忠德，徐守明

(鄂爾多斯市中北煤化工有限公司色連煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017008)

1 引言

土壤侵蝕作為一種土壤被破壞的表現形式之一，通常是指土壤及其母質在遭受各種外營力下，比如風、雨水、光照等，在陸地生態系統中廣泛發生的地表物質轉移過程，生態和環境效應十分廣泛[1]，對于土壤侵蝕的研究，近些年來學者多用流失方程(RUSLE)和GIS技術[2]，在此基礎上獲得了很多具有深刻意義的研究成果，但是目前對土壤侵蝕研究還處于較淺的層面，深入研究還不夠豐富，此外，由于土壤較水體不同，受到降雨的污染不僅僅是污染元素的遷移和轉化過程，更會產生土壤侵蝕及土壤流失等難以恢復和保護的污染情況，因此，將降雨和土壤侵蝕結合研究對了解降雨對土壤會產生的污染情況有很好的研究意義，對后續的土壤保護期限具有指導性作用。

本文針對色連礦區在煤炭井工開采活動中，可能會引起的土壤侵蝕或土壤污染等環境問題，定量化地去研究礦區土壤開采前后多年間在環境影響之下土壤侵蝕特征變化，并結合著GIS技術來將植被覆蓋率[3]、地形地貌、土地利用類型與土壤侵蝕強度進行一個綜合整體的計算分析[4]，了解不同影響因素下土壤侵蝕強度變化[5]，從而對礦區采取水土流失控制措施，指導煤礦生態環境保護具有重要意義[6]。

2 研究地區與研究方法

2.1 研究區概況

本研究以內蒙古自治區鄂爾多斯市的色連礦區為研究對象，該礦井田位于東勝區西側，擁有70.28 km2大小的占地面積，東勝區地處鄂爾多斯高原東緣，西北黃土高原北面，庫布齊沙漠東面，與之相鄰的是準格爾旗，位于國土資源局首批劃定的19個煤炭規劃開發區內。

該礦海拔標高在1440～1480 m之間，南高北低。礦區降雨量較少且集中，區內最高氣溫30.97 ℃，最低氣溫-24.12 ℃，年平均降水量處于278.06～306.54 mm，礦區植被種類適中，植被有著近30%的覆蓋率。

2.2 數據來源與處理

2008～2017年各礦區所在縣市周圍所有降水監測站點的逐日降雨數據，來源于CMADS 1.0 vision 和CMADSV 1.1數據集。

2.3 研究方法

RUSLE經驗模型主要通過測定以下各因子對土壤侵蝕進行一個相應準確合理的定量評價[8]，公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式(1)中：A為年平均土壤流失量，t/(hm2·a)；K為土壤可侵蝕性因子，t·hm2·MJ·mm；LS為坡長因子，無量綱；C為地表植被覆蓋及經營管理因子，同上；P為水土保持措施因子，同上；R降雨侵蝕力因子，mJ·mm/(hm2·h·a)。

2.3.1 降雨侵蝕力因子R

對于研究區的降雨侵蝕力因子R值，一般研究均采用簡易公式算法，在經過計算后獲取[9]。

(2)

式(2)中，P為年平均降雨量，mm；Pi為月平均降雨量，單位同上。

2.3.2 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性[10]計算公式如下：

(3)

式(3)中：K為土壤可蝕性因子，單位(t·hm2·MJ·mm)；SAN(2-0.02 mm),%為沙粒含量；SIL(0.02-0.002 mm),%為粉粒含量；CLA(<0.02 mm),%為黏粒含量；C為有機碳含量，%；SN1=1-SAN/100=1-SAN/100。

2.3.3 坡長因子和坡度因子

對平定小金川土司僧格桑與大金川土司索諾木聯合發動的叛亂一事，史書使用了平鋪直敘的敘述方式，而管世銘的詩歌《薄伐》采用比興的手法，以“螳臂當車”“坐井觀天”等成語比擬反叛者的行為，對他們的自大狂妄加以嘲諷。“屢檄既抗命，恃險殊披猖”指出大小金川屢次違抗朝廷，發動戰爭，譴責了大小金川土司的猖狂之態。“釋此茍不誅，何以勸柔良”則申明若是放任大小金川的叛逆行為，其他土司就會紛紛效仿，朝廷將難以應對，從而點出了朝廷鎮壓叛亂的必要性和緊迫性。

坡長與坡度為表征某個地形地貌特征的重要標準。

2.3.4 植被覆蓋及管理因子(C)

公式如下：

(4)

式(4)中：c為某生長季節作物或植物的覆蓋度(%)。

2.3.5 水土保持因子

在前人的研究結果基礎之上，不難得出，水土保持因子通常將先令P值轉化成柵格圖形式，在轉化過程中啊按照了相應的土地利用類型的，而后得出流域水土保持P因子圖[12]，在此基礎上，計算得到相應的p值。

3 結果與分析

3.1 降雨侵蝕力因子R

2008～2017年礦區大于12 mm總降雨量和日降雨量的年降雨量對比見表1。

表1 礦區2008～2017年總降雨量和日降雨量≥12 mm的年降雨量對比

根據計算結果可以看出，不難得出各點模型參數，以及R值，再根據研究區所在地域的降雨站點，進行反距離的加權法(IDW)插值分析，然后將利用研究區邊界進行裁剪，獲得柵格圖。其中本研究將以2011年作為一個分界線，將礦區降雨侵蝕力分為開采前和開采后，具體計算結果如表2。

由圖1可知，該礦開采后降雨侵蝕力發生了十分明顯的轉變，降雨侵蝕力大小從2013～2017年間先是由東向西增加轉變為從北向南增加且侵蝕力明顯減小，后又由從北向南增加轉變為從東北向西南增加，侵蝕力略微增加，總的來看，開采后的降雨侵蝕力產生了一定程度的向南偏移且侵蝕力有所減小，這可能與降雨強度變化及研究區坡度有關(圖1)。

表2 開采前后降雨侵蝕力對比

圖1 侵蝕力對比

3.2 土壤侵蝕強度年度分級面積和占比

由表3可知，該礦區開采前，微度侵蝕強度內的占地面積最大，面積所占的比例大約為44.90%，開采后微度侵蝕強度有所變化，其所占的比例增大為76.06%，然而面積卻是相對減少的狀態，由此可推斷

表3 開采前后礦區侵蝕強度

出開采后的各個侵蝕強度下的面積均有所減小，結合表中數據計算可得，其中輕度侵蝕面積和微度侵蝕面積變化最大，而劇烈侵蝕強度變化最小，因此也足以表明微度以上侵蝕強度面積相對減小，并且劇烈侵蝕較難以恢復，因此變化幅度不明顯。

從開采后土壤侵蝕強度分級的變化趨勢來看，根據圖2顯示可知，2013～2017年該礦的侵蝕面積在各個不同程度有著不同的變化，其中微度侵蝕呈現逐漸上升的趨勢，其他侵蝕強度面積則相應的整體呈現下降趨勢，說明該礦區的土壤侵蝕量在開采后的這幾年間有所逐漸下降。其中微度和輕度侵蝕面積比例范圍控制在78.61%～100%之間。

3.3 不同土地利用類型下的土壤侵蝕強度

由表4和圖3可知，該礦總體以輕微侵蝕為主，其中裸地輕微度侵蝕占比最大，為32.416%，林草地輕微度侵蝕為次，占比為15.953%，其中裸地總侵蝕面積最大，為324.740 hm2，總占比達到46.561%，其次為林、草地，總侵蝕面積分別為115.478 hm2、112.205 hm2，占比分別為16.557%、16.088%，由此可知，裸地土壤容易受到侵蝕，尤其是微度侵蝕和輕度侵蝕，如果不加以治理，侵蝕程度將可能大面積的加重，草地和林地對比來看不難得出，林地雖然比草地更容易受到初步侵蝕，即微度侵蝕面積較大，但是由于植物根系的作用，林地比草地更能阻止輕度侵蝕及更嚴重侵蝕的作用，能夠對地面起到一定的保護。

圖2 開采前后侵蝕強度

3.4 不同植被覆蓋度下的土壤侵蝕強度

該礦區植被覆蓋度均在35%以上，因此將植被覆蓋度分為0°～35°、35°～55°、55°～70°、70°～100°這4個等級，并且將其與礦區的平均土壤侵蝕強度疊加分析，進行對比(表5)。

表4 開采前后礦區侵蝕強度

表5 不同植被覆蓋率下的土壤侵蝕面積對比(A:面積 B：占比)

從變化趨勢來看(圖4)，該礦區整體上隨著植被覆蓋率的增加，侵蝕強度逐漸降低，植被覆蓋率為在35%～55%之間，圖中顯示以中度以下侵蝕強度為主，總侵蝕面積則為12.6 hm2，當植被覆蓋率為在55%～70%之間，從侵蝕強度占比來看，從圖中不難得出侵蝕強度以輕度和微度為主，總侵蝕面積高達397 hm2，占比高達56.86%，植被覆蓋率為在70%～100%之間，侵蝕強度則變化為以微度為主，總侵蝕面積為288.06 hm2，占比為41.27%。在植被覆蓋率為55%左右時，整體侵蝕強度達到最高值，隨后呈現逐漸下降的趨勢。

4 結論

本研究通過對色連礦區土壤侵蝕計算，使用RUSLE模型、空間作圖軟件和ArcGIS 10.2軟件進行研究。主要研究結果如下。

(1)該礦開采后降雨侵蝕力發生轉變，降雨侵蝕力大小從2013～2017年間先是由東向西增加轉變為從北向南增加且侵蝕力明顯減小，后又由從北向南增加轉變為從東北向西南增加，侵蝕力略微增加，總的來看，開采后的降雨侵蝕力產生了一定程度的向南偏移且侵蝕力有所減小。

圖4 不同植被覆蓋率下土壤侵蝕強度變化趨勢

(2)該礦區開采前微度侵蝕強度內的占地面積最大，單個面積占比高達44.90%，開采后的幾年間微度侵蝕強度的面積隨著治理手段的提高相應減小，但總占比增大為76.06%，從側面反映出其余各個侵蝕強度下的面積均有所減小且減小的幅度較大。

(3)該礦總體以輕微侵蝕為主，其中裸地輕微度侵蝕占比最大，為32.416%，林草地輕微度侵蝕為次，占比為15.953%，其中裸地總侵蝕面積最大，為324.740 hm2，總占比達到46.561%，其次為林、草地，總侵蝕面積分別為115.478、112.205,占比分別為16.557%、16.088%。

(4)該礦區整體上隨著植被覆蓋率的增加，侵蝕強度隨之降低，植被覆蓋率在35%～55%之間，以中度以下侵蝕強度為主，總侵蝕面積為12.6 hm2，植被覆蓋率為在55%～70%之間，侵蝕強度以輕度和微度為主，總面積約397 hm2，占比為56.86%，植被覆蓋率為在70%～100%之間，微度侵蝕強度面積為288.06 hm2，占比為41.27%，為主要侵蝕強度。在植被覆蓋率為55%左右時，整體侵蝕強度達到最高值，隨后呈現逐漸下降的趨勢。

5 結語

本文從4個方面研究分析了色連礦區土壤侵蝕情況，但是未考慮到的因素仍有很多，如具體的坡度、人為運輸、風力等，后續應繼續加強這些方面的研究，并且可以考慮多因素交叉會產生的一些影響。

總的來說，礦區開采后需要及時加強環境管理和土壤保護措施，以便在最小損失范圍內，將土壤侵蝕控制在較輕的程度中，避免在降雨或者其他環境因素下，因為未及時管理保護土壤，讓土壤遭受嚴重的二次污染傷害，對后續的土壤保護和管理造成較大的困難，耗費更多的人財物力。