基于“3S”技術(shù)的西藏工布江達(dá)縣西朗小流域綜合治理研究

張 瑜,李興隆,,孫 凡,張建強(qiáng)

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 西南大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 北碚 400715;2.中國科學(xué)院 山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川 成都 610041)

3S技術(shù)是全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)技術(shù)的統(tǒng)稱,3S技術(shù)及其集成是地球空間信息科學(xué)技術(shù)體系中最基礎(chǔ)和基本的核心技術(shù).它是將 GPS、GIS、RS三種對地觀測新技術(shù)有機(jī)地集成在一起,充分利用各自的技術(shù)特點(diǎn),快速準(zhǔn)確而又經(jīng)濟(jì)地為人們提供所需信息的新技術(shù).它的基本思想是利用 RS提供最新的圖像信息,利用 GPS提供圖像信息中“骨架”位置信息,利用 GIS為圖像處理、分析、應(yīng)用提供技術(shù)手段,技術(shù)系統(tǒng)流程見圖1,且數(shù)值計(jì)算和圖形處理有機(jī)結(jié)合,具有簡潔、直觀、易操作和快速等特點(diǎn)[1,2].由于西藏重要而特殊的生態(tài)地理地位,中央和自治區(qū)政府對西藏的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)高度重視.2005年,國務(wù)院在關(guān)于進(jìn)一步做好西藏發(fā)展穩(wěn)定工作的意見中明確指出:將西藏納入國家生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)治理區(qū)域,構(gòu)建西藏高原生態(tài)安全屏障.其中,水土保持生態(tài)建設(shè)是生態(tài)屏障保護(hù)與建設(shè)的重要組成部分(《西藏生態(tài)安全屏障保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃(2008～2030年)》).現(xiàn)以工布江達(dá)縣加興鄉(xiāng)西朗小流域?yàn)槔?說明 3S技術(shù)在西藏典型小流域綜合治理中的應(yīng)用.

1 研究區(qū)域概況

加興鄉(xiāng)西朗小流域系尼洋河水系,尼洋河上游左岸支溝,小流域氣候?qū)俑咴瓬貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,光、熱、水具有復(fù)雜的時(shí)空分布.通過實(shí)地調(diào)查,結(jié)合 GPS和 RS技術(shù),為 3S技術(shù)的核心——GIS系統(tǒng)提供精確、定量的數(shù)字信息源,得到其地理坐標(biāo)為 30°5′3″～ 29°55′15″N,92°40′19″～ 92°36′29″E,總面積 369.67 km2,流域形狀呈葉形,南北長約 26.2 km,東西平均寬約 20.0 km,流域內(nèi)主溝全長 39.2 km,平均縱比降為 12.6‰.小流域山勢陡峭,溝谷深切,屬深切割的高山河谷地貌.流域內(nèi)的成土母質(zhì)主要有殘積物、坡積物、洪積物、沖積物與沖洪積物,分布有高山草甸土、亞高山草甸土、褐土、草甸土和新積土五種土類.

2 西朗小流域土地利用和流失信息解譯

西朗小流域地廣人稀,自然地理與土地利用情況均相對簡單,年度變化較少.本文采用 2007年TM多光譜影像,分辨率為 15m,4,3,2波段合成標(biāo)準(zhǔn)假彩色數(shù)字影像,利用 1∶10萬的地形圖,進(jìn)行幾何糾正和投影處理.投影方式采用高斯克呂格投影,中央經(jīng)線為 102°,解譯后制圖比例尺為1∶10萬.收集基礎(chǔ)資料、小流域 1∶10萬地形圖和其他有關(guān)自然地理與社會經(jīng)濟(jì)資料,并對其根據(jù)要求進(jìn)行整理,輸入到計(jì)算機(jī),建立基礎(chǔ)資料庫.

將小流域地形圖掃描、處理并利用 GPS測得控點(diǎn)坐標(biāo),對土地利用和水土流失圖斑更新、補(bǔ)測、補(bǔ)繪等,并對地形圖進(jìn)行遙感圖像幾何精糾正,產(chǎn)生統(tǒng)一的影像底圖,作為對 TM影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯土地利用信息的背景[3].在GIS桌面地理信息系統(tǒng)中,根據(jù)不同影像特征如色調(diào)、紋理、形狀等勾繪土地利用現(xiàn)狀圖和水土流失現(xiàn)狀圖,并自動生成圖斑面積及屬性,建立了西朗小流域土地利用和水土流失的本底值.水土保持綜合治理3S集成技術(shù)流程框圖如圖1所示.

圖1 水土保持綜合治理 3S集成技術(shù)流程框圖

2.1 西朗小流域土地利用信息解譯

西朗小流域在TM影像上清晰可辨,山勢陡峭,屬深切割的高山河谷地貌.小流域內(nèi)海拔在5 727.5～3 860m之間,相對高差達(dá) 1 867.5m,相互間為陡坡過渡.根據(jù)小流域的數(shù)字高程模型(DEM)提取坡度分布圖,按照坡度分級標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)出小流域的坡度分布狀況一般為 30°～50°,最大有 70°～80°,人口主要集中在溝底及水系的出口處.

經(jīng)解譯流域總面積中的土地利用現(xiàn)狀如表1所示,解譯數(shù)據(jù)與加興鄉(xiāng) 2009年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基本一致,如表2所示.經(jīng)表1、表2對比分析,解譯數(shù)據(jù)和實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的差異主要表現(xiàn)在耕地、建筑用地、水域、未利用地面積方面,主要由于社會主義新農(nóng)村建設(shè)對流域這兩年的土地利用變化所導(dǎo)致,林地、草地面積則變化不大.

表1 西朗小流域土地利用現(xiàn)狀解譯表

表2 西朗流域土地利用現(xiàn)狀 2009年統(tǒng)計(jì)表

土地解譯中林地包括林地、灌木林地、疏幼林;草地包括高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地,詳見圖2.

2.2 西朗小流域水土流失信息解譯

受流域內(nèi)自然及人文條件的影響,西朗小流域土壤侵蝕具有多樣性特征,以水力侵蝕、凍融侵蝕、重力侵蝕等侵蝕類型為主.水蝕在時(shí)間上交替、空間上疊加,形成較為強(qiáng)烈的侵蝕,通過外業(yè)調(diào)查和對地形、土壤、植被覆蓋等因素以及相關(guān)成果的分析,確定土壤侵蝕類型、強(qiáng)度及分布范圍.

西朗小流域內(nèi)水土流失輕度及其以上面積為 208.90 km2,包括水力侵蝕、凍融侵蝕,占總土地面積的 56.51%.在總土地面積中,微度侵蝕面積 160.76 km2,占總面積的 43.49%;輕度侵蝕面積 92.57 km2,占總面積的 25.04%;中度侵蝕面積 93.73 km2,占總面積 25.35%;強(qiáng)烈侵蝕面積 21.30 km2,占總面積的 5.76%;極強(qiáng)烈侵蝕面積 1.02 km2,占總面積的 0.28%;劇烈侵蝕面積 0.29 km2,占總面積的 0.08%,詳見表3.

在流域尺度上,利用 3S技術(shù)和小流域土地利用現(xiàn)狀,計(jì)算得到整個(gè)流域的平均侵蝕模數(shù)為1 473 t/km2?a,每年流失土壤約 54.47萬 t.發(fā)生水土流失的地類主要是坡耕地、疏幼林、郁閉度低的灌木林、部分退化的草場和未利用地,主要分布在人類活動極為頻繁的沿線以及坡度較陡、植被稀疏的山坡.將水土流失層面的屬性表輸出后處理統(tǒng)計(jì),得到西朗小流域的水土流失現(xiàn)狀圖,詳見圖3.

經(jīng)過實(shí)地調(diào)查和對照遙感圖片,西朗小流域水土流失的主要因素是:人類活動區(qū)域頻繁的干擾以及林地的過度砍伐、過度放牧,部分草場退化嚴(yán)重,導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境不斷惡化.

圖2 西朗小流域土地利用現(xiàn)狀解譯圖

圖3 西朗小流域水土流失現(xiàn)狀解譯圖

表3 西朗小流域水土流失現(xiàn)狀解譯表

3 西朗小流域水土保持綜合治理規(guī)劃及對策

西朗小流域地處高寒山區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展長期滯后,水土保持生態(tài)建設(shè)起步較晚.水土保持綜合治理的目標(biāo)是使小流域水土流失得到基本控制,山、水、田、林、路統(tǒng)一部署,科學(xué)合理,綜合配套;引、排等小型水利水保工程達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn),解決人畜飲水問題,人均糧食與人均純收入均有增加,提高流域內(nèi)整體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[4],并以示范項(xiàng)目帶動周邊生態(tài)環(huán)境治理.

在進(jìn)行了細(xì)致的人口預(yù)測、糧食供需情況分析、能源供需情況分析、木材供需情況分析、草場供需情況分析后,根據(jù)西朗小流域的土地利用和水土流失狀況,確定西朗小流域上游和海拔超過4 500m以上的中高山區(qū)以及人類活動極少的區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)預(yù)防保護(hù)區(qū),面積 256.941 km2,占流域總面積的 69.50%,主要為夏季放牧草地和難利用的裸巖石礫地.位于西朗小流域中下游的山體中下部區(qū)域,人類活動頻繁的區(qū)域定為重點(diǎn)監(jiān)督區(qū),面積 83.39 km2,占流域總面積的 22.56%.西朗流域內(nèi)的河谷階地、洪積扇區(qū)以及人類活動極為頻繁的區(qū)域作為重點(diǎn)治理區(qū),面積 29.34 km2,占流域總面積的 7.94%.

西朗小流域重點(diǎn)治理區(qū)內(nèi),工程措施、植物措施及封禁治理等結(jié)合布設(shè),工程措施有坡改梯和小型水利水保工程,坡改梯面積 39.34 hm2,選擇在離村莊較近,地塊相對集中、15°以下的坡耕地,并配套道路和坡面水系工程,小型水利水保工程有飲水渠道 7 km、擋土墻2座及谷坊 10座等.

植物措施有造林、種草和封禁治理.造林主要在水土流失較為嚴(yán)重區(qū)域 15°～35°荒坡,造林面積 40 hm2;種草主要是選擇在海拔 4 500m以下便于對牲畜進(jìn)行管理放養(yǎng)的重點(diǎn)治理區(qū)域進(jìn)行人工種草面積 120.00 hm2;封禁治理則主要分布在集中連片區(qū)域,以及人工草場和水保林灌溉較為方便的區(qū)域,充分利用大自然的生態(tài)修復(fù)能力 ,面積 410 hm2.

根據(jù)水土保持任務(wù)的需要,用 GPS來細(xì)化、定點(diǎn)、更新部分信息[5,6].經(jīng)過分析、處理,得出相應(yīng)的成果并動態(tài)地預(yù)測水土流失的發(fā)展趨勢,為治理措施的決策提供科技支持[7,8].最后將水保措施層面(shapefile)的屬性表輸出后處理統(tǒng)計(jì),得到西朗小流域的水土保持措施規(guī)劃圖表.

4 專題制圖

制圖是水土保持綜合治理設(shè)計(jì)中不可缺少的重要手段,同時(shí)是表達(dá)研究成果的有效方式.傳統(tǒng)的制圖方式受到資料來源的限制,工序繁多.應(yīng)用 3S技術(shù)進(jìn)行專題制圖,基于同一影像資料的基礎(chǔ)上,按照統(tǒng)一的比例尺所編制的成套專題地圖,既具有專業(yè)要素的特點(diǎn)又具備系統(tǒng)的綜合性,具有綜合性、系統(tǒng)性和分要素組合、分析與評價(jià)的靈活性.在西朗小流域水土保持規(guī)劃中,制作了土地利用現(xiàn)狀圖、水土流失現(xiàn)狀圖和水保措施規(guī)劃圖.三圖的成圖比例尺均為 1∶10萬,統(tǒng)一有道路、水系、鄉(xiāng)村所在地等基礎(chǔ)地理信息[9],圖斑一致性好,主題內(nèi)容信息則分別為土地利用、水土流失和水保措施,可方便靈活地添加圖名、比例尺、指北針、圖例、圖框等常規(guī)制圖要素和統(tǒng)計(jì)圖表等,三圖之間的關(guān)聯(lián)性與邏輯性強(qiáng),直觀醒目.為了使圖件表達(dá)效果達(dá)到最佳,還可以反復(fù)調(diào)整圖例顏色,在與常規(guī)制圖一致的基礎(chǔ)上,有效區(qū)分不同項(xiàng)目內(nèi)容.

5 結(jié)論

事實(shí)證明,3S技術(shù)在水土保持小流域綜合治理工作中具有廣闊的應(yīng)用前景,采用 3S技術(shù)進(jìn)行小流域綜合治理初步設(shè)計(jì),有效克服了基礎(chǔ)資料不足的困難,客觀精確,快速有效,而且制圖方便,可以根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的需要靈活調(diào)整制圖內(nèi)容和效果,添加圖名、比例尺、圖例和統(tǒng)計(jì)圖表等,既具有專業(yè)要素的特點(diǎn)又具備系統(tǒng)的綜合性、集成性、網(wǎng)絡(luò)性、智能性[7],為水土流失動態(tài)監(jiān)測、水土保持綜合治理、工程設(shè)計(jì)、效益評估等提供準(zhǔn)確、快速的手段;為領(lǐng)導(dǎo)決策提供全面、科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù),從而有效提高了小流域水土保持綜合治理的效率和精度,增加了小流域水土保持綜合治理和生態(tài)保護(hù)的科技含量[10].

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