2010—2020年重慶市萬州區水土流失敏感性時空分析

涂 云 劉 港

（1.重慶三峽學院土木工程學院，重慶 404120；2.重慶市三峽水庫岸坡與工程結構災變防控工程技術研究中心，重慶 404120）

0 引言

開展水土流失敏感性評價可以為水土流失防治提供科學依據，能更好地識別出水土流失的易發地區，從而提前制定防治方案，采取防治措施，減少土地生產力和水土資源的損失。目前，對于三峽庫區土壤保持重要區的研究大多數采用通用土壤流失方程和GIS空間技術結合，且選取的研究時間相對較遠［1-3］。重慶市萬州區位于三峽庫區土壤保持重要區腹心［4］，開展水土流失敏感性研究對水土資源保護具有重要意義，但近年來對該區域水土流失敏感性的研究較少，本研究采用修正通用水土流失方程［5］和GIS空間技術對萬州區2010年、2015年和2020年三期數據進行水土流失敏感性研究，分析萬州區2010—2020年的水土流失敏感性的空間分布和時間變化，旨在為萬州區水土資源保護工作提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

萬州區位于三峽庫區腹心、重慶市東北部。下轄52 個鎮鄉街道，區域面積為3 457 km2。位于東經107°52′22″—108°53′25″，北緯30°23′32″—31°0′20″，東鄰云陽，南接石柱、湖北利川，西連梁平、忠縣，北鄰開州和四川省開江縣［6］。地形起伏，平壩、丘陵、低山、中山、槽谷相間排列，屬典型丘陵地帶。地勢西高東低，長江自西南流向東北將其分為東南、西北兩部分。海拔范圍為106~1 762 m。相關數據來源見表1。

表1 數據來源與說明

2 評價因子分析

以修正通用土壤侵蝕方程RLUSE 為理論依據，選取降雨、起伏度、土壤、植被、土地利用現狀等因子進行水土流失敏感性單因子分析。參考《生態功能區劃暫行規程》［7］和相關文獻［8-10］將上述因子對研究區水土流失敏感性的影響程度劃分為五個等級，分別是微度敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感以及強烈敏感。劃分標準見表2。

2.1 降水侵蝕力因子（R）

降水侵蝕力因子計算公式是基于雨量性質以及地理位置等自然條件的差異，各個區域的最佳R值測算方法也有所不同。本研究采用周伏建等［11］提出適合南方降雨侵蝕力的計算方法確定萬州區的年R值估算公式，如式（1）。

式中：Pi為平均月降雨量，mm；Ri為年降雨侵蝕力，MJ·mm/（hm2·h·a）。

采用2001—2010 年的逐月降雨數據、2006—2015 年的逐月降雨數據、2011—2020 年的逐月降雨數據計算出2010年、2015年、2020年三期的平均月降雨量，并代入式（1），得到R因子指數。按照表2對萬州區三期R因子指數進行賦值，繪制三期R因子水土流失敏感性分級圖。

2.2 土壤可蝕性因子（K）

根據萬州區土壤質地類型數據，萬州區土壤類型以壤土、黏土、粉砂壤土和壤質砂土為主。按照表2 對萬州區土壤可蝕性因子K值進行賦值，繪制萬州區土壤質地對水土流失敏感性分級圖。

2.3 地形因子（LS）

以萬州區DEM柵格數據為基礎，在ArcGIS10.7軟件中鄰域分析模塊，采用焦點統計，提取出地形起伏度矢量。并按照表2對萬州區LS因子指數進行賦值，繪制萬州區LS因子水土流失敏感性分級圖。

表2 水土流失敏感性影響因子分級賦值表

2.4 植被覆蓋度因子（C）

根據萬州區2010年Landsat TM 5影像、2015年Landsat OIL 8 遙感影像和2020 年哨兵2 號進行遙感解譯得到三期的植被歸一化指數（NDVI）數據，采用李苗苗［12］的方法，通過NDVI計算植被覆蓋度，計算公式如式（2）。

式中：NDVI為植被歸一化指數；NDVIsoil為完全無植被覆蓋地表的NDVI值；NDVIveg為完全由植被所覆蓋的NDVI值。

采用NDVI的頻率累積值，以累積頻率為2%的NDVI值為NDVIsoil，累積頻率為98%的NDVI值為NDVIveg，運用ENVI5.3軟件的band math模塊計算植被覆蓋度指數。并按照表2 對萬州區LS因子指數進行賦值，繪制萬州區LS因子水土流失敏感性分級圖。

2.5 水土保持措施因子（C）

根據2010 年、2015 年和2020 年土地利用現狀圖，查閱相關文獻［13-15］，采用土地利用類型數據來表示水土保持措施因子。本研究依據《土地利用現狀分類》的相關劃分規定［16］，將萬州區30 m 土地利用數據通過ArcGIS10.7 軟件分類功能劃分為耕地、有林地、灌木林地、草地、濕地、水域、建設用地及未利用地8 大土地利用類型。并按照表2 對萬州區P因子指數進行賦值，繪制萬州區P因子水土流失敏感性分級圖。

3 綜合評價分析

首先將以上數據在ArcGIS10.7 軟件重采樣工具下統一為30 m 分辨率柵格數據，其次進行水土流失敏感性指數計算，然后采用ArcGIS10.7 軟件中的自然斷點分類工具將水土流失敏感性指數劃分為微度敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感以及強烈敏感5 個等級［17-18］，最后采用轉移矩陣計算方法［1］進行數據統計分析水土流失敏感性變化。水土流失敏感性指數計算公式如式（3）。

式中：SSi為i空間單元水土流失敏感性指數；Ri、Ki、LSi、Ci、Pi分別為降雨侵蝕力評估因子、土壤可蝕性評估因子、地形評估因子、植被覆蓋度評估因子、水土保持措施評估因子。

4 評價因子分析結果

4.1 降水侵蝕力因子（R）

根據式（1）計算出的R因子數值如表3。

表3 萬州區2010年、2015年、2020年R值變化表

由表3可知，2010—2020年，R因子的最低值和最高值都在不斷增加。

根據表2進行劃分得到三個時期的R因子敏感性等級分布情況：2010年樓牌街道區域有極少部分處于輕度敏感區，占總面積的0.021%；2020 年武陵鎮有少部分處于高度敏感區，占總面積的0.149%，其他區域均處于中度敏感區；而2015 年萬州區全部處于中度敏感區。表明R因子水土流失敏感性等級基本不變。

4.2 土壤可蝕性因子（K）

根據表2進行劃分得到萬州區K因子敏感性空間分布，分布敏感性有低度敏感、中度敏感和高度敏感3 種。經數據統計，低度敏感區、中度敏感區和高度敏感區分別占比14.92%、33.60%和51.47%，其中，中度敏感區和高度敏感區占比為85.07%，表明萬州區K因子敏感性較大。

4.3 地形因子（LS）

根據表2 進行劃分得到萬州區LS因子敏感性等級分布，如表4。

表4 萬州區LS因子敏感性等級分布表

由表4 可知，微度敏感占比為0.54%、低度敏感占比為4.52%、中度敏感占比為23.76%、高度敏感占比為69.43%、強烈敏感占比為1.75%。其中，中度敏感、高度敏感和強烈敏感占比為94.94%，表明K因子整體上敏感性較大。

4.4 植被覆蓋度因子（C）

根據表2進行劃分得到萬州區C因子敏感性等級分布，如表5。

表5 萬州區C因子敏感性等級分布表

由表5 可知，2010 年微度敏感和低度敏感占比達到93.89%，C因子敏感性整體上比較低。在2015年呈現出敏感性擴張，低度敏感區增加17.03%，中度敏感區增加15.01%，高度敏感區增加4.11%，強烈敏感區增加1.61%。表明2015 年C因子敏感性整體上升，低度敏感區和中度敏感區擴張明顯。

2020 年與2015 年相比，低度敏感區減少14.78%，中度敏感區減少7.89%，高度敏感區減少2.10%，強烈敏感區減少0.95%，其中，低度敏感區和中度敏感區有明顯減少。表明2020 年C因子敏感性整體下降。在2010—2020 年C因子敏感性變化趨勢為先升高后降低。

4.5 水土保持措施因子（P）

根據表2進行劃分得到萬州區P因子敏感性等級分布，如表6。

表6 萬州區P因子敏感性等級分布表

根據表6 分析可知，三期P因子的敏感性占比基本一致，P因子敏感性以高度敏感區和低度敏感區為主。通過ArcGIS10.7 軟件進行狀態轉移矩陣數據分析，得到2010—2020年間P因子敏感性保持不變的區域占97.97%，其中，低度敏感區和高度敏感區分別占比50.51%和44.03%，表明P因子敏感性整體上保持穩定。

5 綜合評價分析結果

將上述各因子的敏感性等級劃分代入式（3），將敏感性指數在ArcGIS10.7 軟件重分類模塊下進行自然斷點分類等級劃分，得到萬州區水土流失敏感性等級分布表，如表7。

表7 萬州區水土流失敏感性等級分布表

由表7 可知，2010—2020 年中度敏感區、高度敏感區和強烈敏感區整體上呈先升高后下降的趨勢。

通過ArcGIS10.7 軟件分析，得知2010 年高度敏感區和強烈敏感區主要分布在長江沿岸。2015年與2010 年相比，長江沿岸的高度敏感區和強烈敏感區有明顯減少；但在除長江沿岸其他區域，中度敏感區有明顯的擴張。2020 年與2015 相比，中度敏感區、高度敏感區和強烈敏感區有所下降。在空間上強烈敏感區和高度敏感區主要分布在天城鎮、熊家鎮、高峰鎮、羅田鎮。

通過ArcGIS10.7 軟件進行狀態轉移矩陣數據分析得到表8和表9。

表8 萬州區2010年和2015年水土流失敏感性狀態轉移矩陣表

表9 萬州區2015年和2020年水土流失敏感性狀態轉移矩陣表

由表8 可知，2010—2015 年由微度敏感、輕度敏感狀態轉換為高度敏感、強烈敏感狀態的面積占3.51%，面積占比小；但微度敏感、輕度敏感狀態轉換為中度敏感狀態的面積占26.36%，敏感性狀態整體上有明顯上升趨勢。由表9 可知，2015—2020年由中度敏感、高度敏感、強烈敏感狀態轉換為微度敏感、輕度敏感狀態的面積占比22.03%，面積占比較大，敏感性狀態整體上有明顯降低趨勢。

通過ArcGIS10.7 軟件進行空間分析得知，2010—2020 年期間敏感性較高的長江沿岸鄉鎮街道、熊家鎮和天城鎮區域整體上有明顯的降低，目前萬州區水土流失敏感性狀態處于下降趨勢。2010—2015年期間全域敏感性狀態整體升高，這與該期間城市化建設和城鎮化建設擴張導致植被覆蓋度降低有關。在2010年、2015年、2020年三個時期敏感性較高的高峰鎮、羅田鎮、天城鎮、熊家鎮、大周鎮、百安壩街道、五橋街道、鐘鼓樓街道仍然是水土流失防治需要優先考慮的區域。

6 結論

通過2010 年、2015 年和2020 年三期數據的綜合評價分析，得到以下結論。

①總體上2010—2020 年敏感性空間上呈現出長江沿岸鄉鎮街道敏感性高、四周敏感性低的分布形式；時間上表現為由“條帶狀高度敏感”向“全面中度敏感”再向“全面低度敏感”狀態演變；整體上先升高后下降。

②研究結果表明，研究方法對2010—2020 年萬州區水土流失敏感性空間分布和演化趨勢上有較好的呈現，可以為萬州區水土流失防治和水土資源保護提供科學依據。