三峽庫區(qū)下岸溪小流域水土流失現(xiàn)狀評估

楊青華，張 志，2，杜 軍，楊軍杰，楊 強(qiáng)

三峽庫區(qū)下岸溪小流域水土流失現(xiàn)狀評估

楊青華1，張 志1，2，杜 軍1，楊軍杰1，楊 強(qiáng)1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074；2.國家遙感中心地殼運(yùn)動與深空探測部，武漢 430074）

以三峽庫區(qū)下岸溪小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，在GIS軟件的支持下，利用2008年SPOT5遙感影像和1∶5萬DEM數(shù)據(jù)，提取坡度因子、植被覆蓋度因子和土地利用類型因子作為水土流失風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)因子，結(jié)合土壤侵蝕分級標(biāo)準(zhǔn)，生成研究區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)分級圖，利用改進(jìn)的工程侵蝕模數(shù)計(jì)算模型，對小流域土壤侵蝕量進(jìn)行了估算。結(jié)果表明：①本流域以水力侵蝕為主，占研究區(qū)總面積的88.81%，其中中度侵蝕面積占該流域總面積的38.49%；②開礦等引起的工程侵蝕對該小流域土壤侵蝕量貢獻(xiàn)率很大，占該流域水土流失量的41.43%。因此，在開礦和礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等工程施工時(shí)，應(yīng)采取有效的水土保持措施。

遙感；地理信息系統(tǒng)；小流域；水土流失風(fēng)險(xiǎn)

水土流失被專家稱為長江的“頭號生態(tài)問題”［1］，也是三峽庫區(qū)產(chǎn)生大量泥沙的根本因素。侵蝕的泥沙直接入庫，造成的淤積將對三峽工程構(gòu)成很大威脅，國家已將三峽庫區(qū)列為全國水土保持重點(diǎn)保持區(qū)。庫區(qū)水土流失主要以水力侵蝕為主，還包括一部分工程侵蝕。

對于水土流失評價(jià)，可以采用許多不同的方法?？梢詫⑦@些方法區(qū)分為基于專家的方法和基于模型的方法［2］。前者需要較大的人力和時(shí)間，由于判讀人員的主觀因素變化使得調(diào)查結(jié)果的一致性往往難以保證；后一種方法需要更多的時(shí)間來收集模型建立所需的數(shù)據(jù)。基于遙感（RS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）的水土流失監(jiān)測方法是近年來隨著RS和GIS的迅速發(fā)展才得以出現(xiàn)的土壤侵蝕調(diào)查新方法。它突破了傳統(tǒng)調(diào)查方法在多源信息的“整體分析”上所存在的技術(shù)瓶頸，因此該方法為快速、準(zhǔn)確地獲取水土流失和土地退化方面的深加工信息提供了技術(shù)保障。本文以三峽庫區(qū)下岸溪小流域?yàn)槔?，利?008年2月28日SPOT5遙感影像數(shù)據(jù)，基于RS和GIS的水土流失監(jiān)測方法，對研究區(qū)水土流失現(xiàn)狀進(jìn)行了評估與分析。

1 研究區(qū)域概況

下岸溪小流域地處長江中上游湖北省夷陵區(qū)內(nèi)，黃陵背斜軸部南端長江北岸，距三峽壩址約7 km，介于30°51′22″N～30°53′50″N，111°06′05″E～111°07′44″E 之間。流域總面積8.3 km2，海拔在40～950 m之間，山體坡度陡峭，平均坡度為25.14°，是典型山區(qū)小流域。氣候?qū)僦衼啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫17.4℃，多年平均降水量1 150.0 mm，夏季降水量占全年的65%以上，集中性暴雨易造成山洪災(zāi)害。流域內(nèi)土壤為花崗巖類巖石發(fā)育下的黃壤和黃棕壤，植被除農(nóng)田外，多為天然次生林和灌草坡面。該流域內(nèi)存在一個(gè)國有礦山——三峽總公司工程建設(shè)部下岸溪人工砂石料場。開采礦種為建筑用花崗巖，開采方式為露天開采。該礦山位于宜昌西陵峽采石區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與土地復(fù)墾治理區(qū)內(nèi)，水土流失嚴(yán)重。

2 數(shù)據(jù)來源和技術(shù)流程

2.1 數(shù)據(jù)來源

以覆蓋研究區(qū)的2008年2月28日SPOT5遙感影像、1∶5萬H49E007013幅DEM、長江流域土壤類型分布圖、土地利用圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。另外，還收集了湖北省礦產(chǎn)資源開發(fā)利用規(guī)劃數(shù)據(jù)、湖北省的土壤侵蝕遙感調(diào)查報(bào)告（2001年）等資料。

2.2 技術(shù)流程

利用RS和GIS估算土壤侵蝕量，其研究思路是利用數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)提取坡度因子信息；然后對2008年的SPOT5遙感影像進(jìn)行幾何精校正等圖像預(yù)處理，從影像中提取植被覆蓋度和土地利用類型等因子信息。將以上各因子分級圖轉(zhuǎn)換成.grid文件，運(yùn)用Arcview的Map Calculator進(jìn)行單因子等權(quán)重加和運(yùn)算［3］，得出下岸溪小流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)分級圖，用已建立好的土壤侵蝕模型估算出土壤侵蝕量（見圖1）。采用水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-96）［4］，以土地利用類型、植被覆蓋度和地形坡度為水力侵蝕的判別指標(biāo)，在評價(jià)的柵格因子中分析水土流失風(fēng)險(xiǎn)等級（表1）。共分為微度（＜500 t／km2）、輕度（500～2 500 t／km2）、中度（2 500～5 000 t／km2）、強(qiáng)度（5 000～8 000 t／km2）、極強(qiáng)度（8 000～15 000 t／km2）和劇烈（＞15 000 t／km2）6級。

圖1 水土流失現(xiàn)狀評估技術(shù)路線流程圖Fig.1 The flow chart for the techniques on soil-erosion assessment

表1 水力侵蝕強(qiáng)度分級指標(biāo)Table 1 Classification index of intensity for hydraulic erosion

3 水土流失風(fēng)險(xiǎn)評估

3.1 分級指標(biāo)因子的提取

3.1.1 坡度因子的提取

坡度因子是基于1∶50 000 H49E007013幅DEM數(shù)據(jù)，利用ArcMap9.1軟件中3D Analyst的Surface Analysis分析模塊提取出坡度分級圖（見圖2）。具體分級包括＜3°，3～5°，5～8°，8～15°，15～25°和＞25°，6個(gè)等級。

3.1.2 植被覆蓋度因子的提取

植被覆蓋度是指植被冠層或葉面在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比。本文基于像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度。在SPOT5多光譜遙感影像基礎(chǔ)上，采用標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)（NDVI）的方法來計(jì)算植被覆蓋度，其指數(shù)公式為

進(jìn)而根據(jù)公式（2），獲得植被覆蓋度：

式中：Fc為植被覆蓋度，NDVIveg和NDVIsoil分別為純植被和純裸土的歸一化植被指數(shù)。其中，

NDVIsoil=NDVImin，NDVIveg=NDVImax。

圖2 坡度分級圖Fig.2 Slope classification

圖3 植被覆蓋度圖Fig.3 Vegetation coverage

在ERDAS／IMAGINE遙感圖像處理軟件支持下，在目視解譯的基礎(chǔ)上采取最大似然法對遙感影像每個(gè)像元的植被覆蓋度進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動判別，進(jìn)行除噪處理后得到研究區(qū)植被覆蓋度最終分類結(jié)果（見圖3）。依據(jù)表1的水力侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)，植被覆蓋度分為＜30%，30%～45%，45%～60%，60%～75%，＞75%，共5個(gè)等級。

3.1.3 土地利用類型的提取

土地利用方式可以明顯影響徑流和水土流失。人類不合理的土地利用是水土流失發(fā)生的主要原因之一。因此，除了植被覆蓋度、坡度數(shù)據(jù)外，劃分水土流失風(fēng)險(xiǎn)等級還需要研究區(qū)土地利用類型的分布情況。結(jié)合實(shí)際的調(diào)查，參考地形地貌、土壤類型、人口密度等，進(jìn)行人機(jī)交互解譯，可得到研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)。分類的類型有坡耕地、林草地、裸露地、交通用地、居民用地與工礦用地（見圖4）。

3.1.4 水土流失風(fēng)險(xiǎn)分級

運(yùn)用Arcview的Map Calculator，將坡度等級圖、土地利用類型圖和植被覆蓋度圖進(jìn)行空間分析和疊加運(yùn)算，依據(jù)水力侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)（表1），對研究區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級，評價(jià)各圖斑的水土流失風(fēng)險(xiǎn)等級，從而得到2008年下岸溪小流域的水土流失風(fēng)險(xiǎn)分級圖（見圖5）。

圖4 土地利用類型圖Fig.4 Land use types

圖5 水土流失風(fēng)險(xiǎn)分級圖Fig.5 Soil-erosion risk

3.2 土壤侵蝕模數(shù)的確定

3.2.1 水力侵蝕模數(shù)

下岸溪小流域的土壤侵蝕類型主要為水力侵蝕和工程侵蝕。確定水力侵蝕土壤侵蝕模數(shù)的依據(jù)是中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL190-96《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》。土壤容許侵蝕量（T值）取500 t／（km2·a）。土壤侵蝕強(qiáng)度級別中，微度侵蝕的平均侵蝕模數(shù)在T值范圍內(nèi)，可不予計(jì)算。

3.2.2 工程侵蝕模數(shù)

工程侵蝕土壤侵蝕模數(shù)比較復(fù)雜，國內(nèi)有關(guān)開發(fā)建設(shè)活動造成的工程侵蝕模數(shù)的定量研究不多。本文參考藺明華提出的下墊面為擾動地面的年土壤侵蝕模數(shù)的計(jì)算模型［5］，即

式中：M為工程侵蝕模數(shù)；R為年降雨侵蝕力；Kw為土壤抗沖性因子；J為地面坡度。

本研究采用的年降雨侵蝕力R參考湖北三峽庫區(qū)及周邊地區(qū)觀測站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)［6］，計(jì)算得該本流域年平均降雨侵蝕力值為433.9 J·m-2；土壤抗沖性因子Kw參考長江流域土壤抗沖性指標(biāo)［7］，對本流域的土壤抗沖性指標(biāo)取估算值為0.414 kg·m-2·mm-1；J的取值見（圖2）。利用ArcGIS的屬性表計(jì)算統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)出工程侵蝕的平均土壤侵蝕模數(shù)為16 559 t／（km2·a），大于原地貌水力侵蝕的土壤年侵蝕模數(shù)。

3.3 土壤侵蝕量的計(jì)算

由于下岸溪小流域的土壤侵蝕量主要由水力侵蝕和工程侵蝕產(chǎn)生，在水土流失風(fēng)險(xiǎn)分級和土壤侵蝕模數(shù)確定的基礎(chǔ)上，本文采用如下公式計(jì)算土壤侵蝕總量Ws［8］，其表達(dá)式為

式中：Ws為土壤侵蝕總量，t；Wa為水力侵蝕類型所對應(yīng)的土壤侵蝕總量，t；Wb為工程侵蝕類型所對應(yīng)的土壤侵蝕總量，t；Mai為不同水力侵蝕類型所對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)，t／（km2·a）；fi為不同水力侵蝕類型所對應(yīng)的地表面積，km2；Wb為工程侵蝕所對應(yīng)的平均土壤侵蝕模數(shù)，t／（km2·a）；F為工程侵蝕所對應(yīng)的地表面積，km2。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 土壤侵蝕強(qiáng)度分級面積和土壤侵蝕量Table 2 Grading area of soil erosion intensity and the amounts of soil erosion

4 結(jié)果分析

根據(jù)下岸溪小流域的水土流失風(fēng)險(xiǎn)分級圖（圖5）和土壤侵蝕量計(jì)算結(jié)果（表2）來看，下岸溪小流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)較大，需要采取對策進(jìn)行治理，主要是工程侵蝕造成的水土流失。具體分析如下：

（1）工程侵蝕引起的水土流失風(fēng)險(xiǎn)最大；水力侵蝕引起的水土流失風(fēng)險(xiǎn)分布大致為環(huán)形，環(huán)由外向內(nèi)強(qiáng)度逐漸增加，與土地利用類型具有極大相關(guān)性。在水土流失風(fēng)險(xiǎn)等級中，工礦占地＞坡耕地＞林草地。

（2）研究區(qū)水力侵蝕面積占研究區(qū)總面積的88.81%，其中中度侵蝕面積所占比例最大，其次為微度、輕度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈侵蝕。而水力侵蝕量只占到研究區(qū)總侵蝕量的38.08%。

（3）礦山用地、交通用地和居民用地形成的工程侵蝕雖然只占礦區(qū)面積的11.19%，但其所產(chǎn)生的土壤侵蝕量高達(dá)15 383.311 t，遠(yuǎn)大于水力侵蝕，占總侵蝕量的41.43%，對研究區(qū)水土流失貢獻(xiàn)最大。

5 結(jié)語

本文研究的目的是利用GIS和RS作為小流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模式的基礎(chǔ)。這一模型劃分出并且在空間上標(biāo)識出小流域中那些易于發(fā)生水土流失的區(qū)域。本文提取了坡度因子、植被覆蓋度因子和土地利用類型因子作為水土流失現(xiàn)狀評估指標(biāo)因子，可以快速、準(zhǔn)確、客觀、及時(shí)地掌握小流域的水土流失的相關(guān)信息。

由于開礦等引起的工程侵蝕造成的水土流失極其嚴(yán)重，需要引起足夠的重視。尤其是露天開采，需要把礦體上覆地層和表土進(jìn)行剝離，直接破壞地表土層和植被，剝離出的巖石和土體（如尾礦、廢石、矸石等）的堆置又要侵占大量土地，所以露天開采常常造成雙重土地破壞。廢石、廢渣等松散的廢棄物又極易產(chǎn)生水土流失，其影響面將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過廢棄物堆置場的地域和空間。因此，在開礦和礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等工程施工時(shí)，應(yīng)采取有效的水土保持措施。

［1］ 楊三軍.三峽庫區(qū)：水土流失面積以年均1%的速度遞減［EB／OL］.（2006-12-09）［2008-07-09］.http∥www.gov.cn.

［2］ van der KNIJFF J M，JONES R J A，Montanarella L.Soil Erosion Risk Assessment in Europe［R］.Ispra（IT）：Euro-pean Soil Bureau，European Commission.（2000）.

［3］ 張?jiān)鱿?，趙曉麗，陳曉峰，等.基于遙感和地理信息系統(tǒng)（GIS）的山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)值分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998，14（3）：77-83.

［4］ SL190-96.土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］ 藺明華，薛小丁，馬 寧.開發(fā)建設(shè)新增土壤流失后評估方法研究［J］.人民黃河，2006，28（2）：57-61.

［6］ 王萬中，焦菊英，郝小品.中國降雨侵蝕力R值的計(jì)算與分布（Ⅱ）［J］.土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1996，2（1）：29-39.

［7］ 周利軍，齊 實(shí)，王云琦.三峽庫區(qū)典型林分林地土壤抗蝕抗沖性研究［J］.水土保持研究，2006，13（1）：186-188.

［8］ 王 旭，張 志，陳昆侖，等.基于RS和GIS的保康縣礦區(qū)土壤侵蝕定量評價(jià)［J］.人民長江，2008，39（5）：58-60.

Soil Erosion Assessment on Xia'anxi Small Watershed of Three Gorges Reservoir Area

YANG Qing-hua1，ZHANG Zhi1，2，DU Jun1，YANGH Jun-jie1，YANG Qiang1
（1.Faculty of Earth Sciences，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Department for Crust Dynamic&Deep Space Exploration，National Remote Sensing Center of China，Wuhan 430074，China）

In this paper，Xia'anxi small watershed of Three Gorges reservoir area was taken as a case study.On the basis of the platform of GISsoftware，pertinent factors for soil erosion were assessed and three principal factors were identified as evaluation indices of soil erosion risk.The proposed principal factors include slope factor obtained from 1∶50 000 DEM，land use type factor and degree of vegetation coverage factor from SPOT-5 of 2008 remote sensing images.A soil erosion risky classification map was generated，which combines classification criterion on soil erosion.The amounts of soil-erosion for this small watershed were estimated and mapped using spatial analysis by GIS and an improved calculation model of soil erosion modulus.The result indicated as follows：（1）Soil erosion by water，a dominating type of erosion，accounts for 88.81%of total areas of small watershed，in which moderate erosion estimates for 38.49%of total area of small watershed.（2）Artificial erosion induced by mining made a great contribution to soil erosion amount of small watershed，which accounts for 61.92%of total soil erosion amount.Therefore effective soil and water conservation measure should be taken during engineering construction，such as mining and construction of foundation installations.

GIS；RS；small watershed；risk of erosion

S157

A

1001-5485（2009）04-0053-04

2008-07-09；

2008-10-06

中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目（1212010785007）

楊青華（1981-），女，山西翼城縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)椤?S”技術(shù)的地學(xué)應(yīng)用，（電話）15926282582（電子信箱）qinghua9＠yahoo.cn。

（編輯：劉運(yùn)飛）