基于GIS和RS的崩坎水小流域水土流失敏感性評價

劉朱婷，連少宏

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

水土流失是目前全球危害最大、影響最深遠的環境和災害問題之一，嚴重的水土流失會破壞土壤肥力，從而導致土地生產力下降甚至土地退化[1]。近年來，隨著經濟建設活動的不斷推進，人類不合理開發利用加劇了水土流失，嚴重制約了生態環境的可持續發展[2]。水土流失敏感性是判斷生態系統水土流失發生的潛在可能性，可用于反映水土流失對人為擾動的敏感程度[3]，是實施水土流失治理、生態環境綜合規劃和管理的重要依據[4]。小流域是江河水系中的基本單元，廣東省小流域眾多，多分布于河流源頭或流域上游。特殊的地形地貌以及地質和氣象條件，使得小流域范圍內時常受到山洪、滑坡泥石流等地質災害的影響。小流域一般分布于農村或邊遠山區，基礎建設投入十分有限，抵御暴雨洪水災害的能力不足，自然和人為雙重因素的影響導致部分小流域水土流失嚴重，下游清潔水源日益減少，防洪減災壓力不斷加大，嚴重制約了地方的經濟發展。因此在小流域尺度開展水土流失敏感性評價具有重要意義，可為日后水土保持治理工程的監測和規劃提供技術支撐。本研究以位于廣東省揭陽市的崩坎水小流域為研究區，基于GIS和RS技術結合實地調查的方法，通過降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長坡度以及地表植被覆蓋等評價因子計算以及水土流失敏感性指數的構建[5-7]，開展崩坎水小流域2011年和2021年水土流失敏感性分析與評價，揭示粵東山區小流域尺度不同等級水土流失敏感性的空間分布，旨在為粵東山區實施水土流失綜合防治提供技術支撐。

1 研究區概況

崩坎水小流域位于廣東省揭陽市普寧市境內，中心地理位置為東經116.003°，北緯23.233°。流域范圍涉及梅林鎮、云落鎮、高埔鎮和馬鞍山農場，面積約為296.11 km2。流域位于普寧市的西南部，為上升構造剝蝕為主的地形，屬于亞熱帶季風氣候，境內水資源、植物資源和礦產資源豐富。依據普寧市第3次全國土地調查成果為基礎進行更新解譯得到的數據，2021年崩坎水小流域總土地面積為296.11 km2，其中林地分布最為廣泛，面積為172.94 km2，占其土地總面積的58.42%，園地面積為54.20 km2，占比為18.30%，草地、耕地、建設用地、水域及水利設施用地的占比分別為9.12%、6.85%、4.06%和2.07%，其他土地的面積最小。研究區2011年和2021年的遙感影像如圖1和圖2所示。

圖1 2011年遙感影像示意

圖2 2021年遙感影像示意

研究區在2011—2021年期間共實施各類水土保持措施120.68 km2，主要包含造林和梯田2種水土保持措施，其中營造水土保持林為94.46 km2，修建梯田為26.22 km2。造林措施主要分布在25°以下林草植被蓋度較低的區域，采用人工補植撫育等方式，25°以上陡坡耕地采用退耕還林的方式，25°～35°區域采取必要的土地平整、布設截排水溝和種植水土保持林的方式；梯田措施主要分布在坡耕地治理上，坡度在5°～15°范圍內土質較好、交通方便的坡耕地建設具有規模性的集中連片梯田，并配置生產道路和坡面小型蓄排工程等以減輕水土流失，對于難以實施坡改梯的坡耕地，采用等高耕作和改變作物種植結構、增加地表植物覆蓋等方式。

2 數據及方法

2.1 研究方法

水土流失受降雨、土壤、地形地貌和植被以及工程建設、人為活動等自然和人為因素的綜合影響。在選取水土流失敏感性分析的評價因子時應對上述因素進行綜合考慮[8]?；谕ㄓ猛寥懒魇Х匠?USLE)，采用降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長坡度及地表植被覆蓋等評價因子進行崩坎水小流域的水土流失敏感性分析，評價模型公式為：

(1)

式中：

S——水土流失敏感性指數；

R——降雨侵蝕力因子；

K——土壤可蝕性因子；

LS——坡長坡度因子；

C——地表植被覆蓋因子。

總體技術路線見圖3。

圖3 崩坎水小流域水土流失敏感性評價總體技術路線示意

2.2 數據處理

2.2.1遙感影像處理

選用2011年和2021年覆蓋廣東省范圍的MODIS NDVI數據，空間分辨率為250 m，每16 d覆蓋1次。將MODIS歸一化植被指數(NDVI)產品進行預處理，主要包括投影轉換、空值確認與去除等。

2.2.2評價因子計算

1) 降雨侵蝕力因子(R)：收集研究區附近2個氣象觀測站(惠來氣象站、揭西氣象站)的逐日降水量資料，按照降雨侵蝕力公式計算雨量站多年平均年降雨侵蝕力[9]，利用ArcGIS軟件的普通克里金空間插值方法，生成10 m空間分辨率的R因子柵格數據(見圖4)。

圖4 R因子分布示意

2) 土壤可蝕性因子(K)：基于收集到的廣東省土壤分布圖提取崩坎水小流域的土壤類型，并結合現場調查采樣，根據相關公式計算土壤可蝕性因子，經過重采樣后，生成10 m空間分辨率的K因子柵格數據(見圖5)

圖5 K因子分布示意。

3) 坡長坡度因子(LS)：土壤侵蝕與地形坡度的關系一般表現為：坡度增大，土壤侵蝕隨之加重[10]。坡長坡度因子(LS)主要通過計算坡長因子(L)和坡度因子(S)獲取。收集2011年和2021年覆蓋研究區的1∶50 000數字高程模型(研究區2011年和2021年的DEM如圖6和圖7所示)，然后根據公式(2)和公式(4)分別計算坡長因子和坡度因子，從而獲取坡長坡度因子，最終生成2011年和2021年10m分辨率的LS因子柵格數據(見圖8和圖9)。

圖6 2011年DEM示意

圖7 2021年DEM示意

圖8 2011年LS因子示意

圖9 2021年LS因子圖

坡長因子的計算公式為：

(2)

(3)

式中:

λi和λi-1——第i個和第i-1個坡段的坡長;

m——坡長指數，隨坡度的變化而變化。

坡度因子的計算公式為：

(4)

4) 地表植被覆蓋因子(C)：植被措施對于預防和治理水土流失具有積極作用，植被通過截留降雨，增加入滲量達到緩解降雨對地表侵蝕的效果[11]。地表植被覆蓋越好，抗破壞能力增強，生態敏感性則越低[12-13]。C因子的計算公式為：

C=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(5)

式中:

NDVIveg和NDVIsoil——純植被像元和純裸土像元的NDVI值。

研究區2011年和2021年的NDVI如圖10和圖11所示。

圖10 2011年NDVI示意

圖11 2021年NDVI示意

由于絕大多數的植被覆蓋類型在影像中均為混合像元，無法采用固定的NDVIveg和NDVIsoil，因此通過計算NDVI的頻率統計表來取NDVI的累計頻率，將累積頻率為99%的NDVI值作為NDVIveg，將累積頻率為1%的NDVI值作為NDVIsoil[14]，再運用公式(5)在ArcGIS的柵格計算器中計算植被覆蓋因子，最終形成2011年和2021年分辨率為10 m的C因子柵格圖(見圖12和圖13)。

圖12 2011年C因子示意

圖13 2021年C因子示意

2.2.3水土流失敏感性指數計算

1) 評價因子敏感性等級分析

采用自然斷點法并結合《生態功能區劃暫行規程》等相關規定和文獻確定各評價因子敏感性分級標準，根據研究區4個評價因子的計算方法和空間分布，以研究區水土流失敏感性前后變化差異性對比為出發點，確定各評價因子不同等級區間和對應區間的分級值(見表1)。

表1 崩坎水小流域水土流失敏感性評價因子及分級賦值

2) 模型計算

根據式(1)，利用ArcGIS平臺的柵格計算器將4類空間分辨率均為10 m的評價因子柵格數據進行計算，得到水土流失敏感性指數，并按照自然斷點分級法將研究區水土流失敏感等級劃分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、重度敏感和極敏感[14-15]。研究區2011年和2021年的水土流失敏感性指數分布見圖14和圖15。

圖14 2011年指數示意

圖15 2021年指數示意

3 結果及分析

研究區在2011—2021年期間R因子和K因子變化非常微小，此處主要分析LS因子、C因子以及水土流失敏感性指數的變化。通過計算得到R、K、LS和C等4個因子的值，根據表1進行敏感性指數分級賦值，通過面積加權得到各因子的敏感性指數，再根據式(1)計算獲取研究區2011年和2021年的水土流失敏感性指數(見表2所示)。結果表明，崩坎水小流域水土流失呈現局部聚集狀分布，水土流失敏感區主要位于流域西北部和東部的高山丘陵，雖然這些區域的植被覆蓋度相比周邊區域高，但較高的地形起伏導致土體性質松軟易蝕，且發生降雨時沖刷強度大，容易加劇水土流失，因此上述區域的水土流失敏感性指數高。

表2 崩坎水小流域2011年和2021年LS、C因子及水土流失敏感性變化分析

2011—2021年期間崩坎水小流域水土流失敏感性指數由2.157降至1.958，LS因子的敏感性指數由1.683降至1.510，C因子敏感性指數由1.721降至1.302，研究區內極敏感、重度敏感及中度敏感區面積均有減少，尤其是重度敏感和極敏感區面積下降最為明顯。通過對2011年和2021年研究區的LS因子、C因子及水土流失敏感性指數進行轉移矩陣分析(見表3)。

表3 崩坎水小流域2011年和2021年LS、C因子及水土流失敏感性轉移矩陣分析

由表3可知，流域內水土流失敏感性指數受C因子和LS因子的綜合作用，總體上呈現出下降的趨勢，水土流失風險程度降低，水土流失敏感性由高敏感級別降為較低敏感級別的面積為63.37 km2，敏感性級別不變的面積為183.07 km2，二者合計占流域總面積的比例為83.23%。水土流失敏感性降低受C因子變化的影響最大，C因子由高敏感級別降為較低敏感級別的土地面積為84.89 km2，敏感性級別不變的面積為198.22 km2，合計占流域總面積的比例為95.61%，這表明崩坎水小流域2021年植被覆蓋度相比2011年增加，尤其是位于流域西北部和東部的高山丘陵區植被覆蓋度上升較為明顯，C因子相應增大，因此區域中度敏感、重度敏感和極敏感面積均有所下降；同時，水土流失敏感性指數降低一定程度上也受到LS因子變化的影響，LS因子由高敏感級別降為較低敏感級別的土地面積為68.50 km2，而由低敏感級別上升為較高敏感級別的土地面積為31.45 km2，占流域總面積的比例分別為23.13%和10.62%，流域內局部地區進行整地活動導致原地面坡度降低，同時，由于布設了有效的水土保持措施，此類區域的水土流失敏感性較之前有所下降，但也有少部分敏感性級別較低的區域由于不合理的開發利用導致敏感性指數上升，總體而言2021年LS因子相比2011年有所減小，水土流失敏感性指數隨之下降。

4 結語

利用GIS和RS技術結合現場調查開展了粵東地區崩坎水小流域10 a間的水土流失敏感性分析評價，2011—2021年期間崩坎水小流域水土流失敏感性指數由2.157降為1.958，流域內中度敏感、重度敏感和極敏感區的面積均有所減少，影響水土流失敏感性指數變化最大的影響因素是地表植被覆蓋因子，其次是坡長坡度因子。總體而言，2021年相比2011年流域內地表植被覆蓋因子增大，坡長坡度因子減小，水土流失敏感性指數隨之下降，該方法具有數據獲取簡便、分析直觀、操作性強等優勢，但也存在遙感影像精度不高、現場監測數據有限以及通用土壤侵蝕模型不完全適用具體研究區域等問題，下一步將繼續優化水土流失敏感性評價的監測體系和方法，旨在更好的服務于小流域水土流失綜合防治實施工作。