基于GIS的三江源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度評價(jià)

李成六,馬金輝,唐志光,周 偉

(蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000)

基于GIS的三江源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度評價(jià)

李成六,馬金輝,唐志光,周 偉

(蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000)

GIS;凍融侵蝕;強(qiáng)度評價(jià);三江源區(qū)

在 GIS技術(shù)的支撐下實(shí)現(xiàn)了三江源凍融侵蝕區(qū)范圍的界定,然后選取氣溫年較差、坡度、坡向、植被覆蓋度、年降水量等因素作為強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo),提出了適合三江源區(qū)的凍融侵蝕強(qiáng)度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),并借助GIS技術(shù)完成了三江源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度評價(jià)。結(jié)果表明:三江源凍融侵蝕區(qū)分布范圍廣,區(qū)域分異特征明顯;凍融侵蝕強(qiáng)度分布不一,高強(qiáng)度凍融侵蝕主要分布在地形起伏較大的山區(qū),而低強(qiáng)度凍融侵蝕則主要分布在地勢較平坦區(qū)。

凍融侵蝕是高寒地區(qū)由于溫度變化,導(dǎo)致土體或巖石的水分發(fā)生相變、體積發(fā)生變化以及由于土壤或巖石不同礦物的差異膨脹,造成土體或巖石機(jī)械破壞并在重力等作用下被搬運(yùn)、遷移、堆積的過程。有研究表明,凍融侵蝕可以改變土壤的性質(zhì),進(jìn)而影響土壤的可蝕性[1],同時(shí)土壤凍融作用還具有時(shí)間和空間的差異性,進(jìn)而影響到坡面土體的穩(wěn)定,增加水土流失量[2]。

三江源區(qū)是黃河、長江和瀾滄江的源頭地區(qū),是我國乃至世界的生態(tài)安全制高點(diǎn),它通過黃河、長江和瀾滄江水系將源區(qū)的生態(tài)環(huán)境與我國東部、全國乃至東亞的生態(tài)環(huán)境緊密聯(lián)系在一起。三江源區(qū)位于青藏高原腹地,其海拔高、氣溫低、溫差大的氣候特性為凍融侵蝕的發(fā)生創(chuàng)造了條件。凍融侵蝕是該區(qū)最主要的侵蝕類型,也是該區(qū)所面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題之一[3]。因此,開展三江源區(qū)凍融侵蝕研究,對于完善凍融侵蝕理論和科學(xué)保護(hù)該區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

目前,對三江源區(qū)凍融侵蝕問題的深入研究尚比較缺乏。吳萬貞等[4]研究了三江源區(qū)凍融侵蝕分布范圍、分布規(guī)律以及評價(jià)指標(biāo)體系,但其所得出的凍融侵蝕分布范圍比較宏觀、粗略,且其侵蝕強(qiáng)度評價(jià)方法也比較簡單,有進(jìn)一步完善改進(jìn)的必要。本研究通過應(yīng)用GIS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)三江源區(qū)凍融侵蝕分布范圍的精確界定,并改進(jìn)評價(jià)方法,完成了對該區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度的評價(jià)。

1 研究區(qū)概況

三江源區(qū)位于我國西部的青藏高原腹地,行政區(qū)域涉及青海省玉樹、果洛、海南、黃南 4個(gè)藏族自治州的 16個(gè)縣和格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)以及甘肅省的瑪曲縣和阿壩縣,總面積約 39.1萬km2。在 2008年度三江源預(yù)防保護(hù)區(qū)水土流失監(jiān)測中,綜合考慮行政邊界、流域邊界以及區(qū)內(nèi)植被覆蓋狀況等因素,以流域邊界內(nèi)植被覆蓋較好、便于行政管理為原則劃定了三江源預(yù)防保護(hù)區(qū)的邊界,其地理位 置介于東經(jīng) 90°45′— 102°29′、北 緯 31°32′— 36°32′之間,面積約為 25.9萬 km2,約占整個(gè)三江源地區(qū)面積的 66%。本研究以三江源預(yù)防保護(hù)區(qū)作為研究區(qū)域。

2 凍融侵蝕區(qū)范圍界定

2.1 理論方法

凍融侵蝕區(qū)是指具有強(qiáng)烈凍融作用的寒冷氣候條件,凍融作用是最普遍、最主要的外力侵蝕過程,同時(shí)應(yīng)有相應(yīng)的凍融侵蝕地貌形態(tài)表現(xiàn)的區(qū)域。目前,針對確定青藏高原凍融侵蝕區(qū)范圍的理論與方法有眾多研究,其中以張建國等[5-6]的研究為代表。張建國等的研究取冰緣區(qū)的下界作為凍融侵蝕區(qū)的下界,并認(rèn)為冰緣區(qū)下界比多年凍土區(qū)下界低 200m左右,然后取年均溫-2.5℃作為多年凍土帶的下界。根據(jù)年均溫、緯度、經(jīng)度及海拔的回歸方程計(jì)算出年均溫-2.5℃的海拔,從而得出凍融侵蝕區(qū)的下界海拔,這就獲得了準(zhǔn)凍融侵蝕區(qū)的基本范圍,再從中剔除沙漠化區(qū)和冰川區(qū),就可得到凍融侵蝕區(qū)的范圍。

該理論方法在青藏高原上具有普遍的適用性,因此本研究應(yīng)用該方法進(jìn)行三江源凍融侵蝕區(qū)范圍界定。利用源區(qū) 41個(gè)氣象站 30年氣溫觀測數(shù)據(jù)對源區(qū)年均氣溫(T,℃)與經(jīng)度(X,°)、緯度(Y,°)及海拔(H,m)的關(guān)系進(jìn)行多元線性回歸分析(F=360.63,通過P=0.05的顯著性檢驗(yàn)),得出回歸方程為

由此可推出三江源凍融侵蝕區(qū)下界海拔的計(jì)算公式為

2.2 凍融侵蝕區(qū)分布圖的獲取

三江源區(qū)凍融侵蝕區(qū)范圍界定的技術(shù)路線如圖1所示。

研究中所用 DEM數(shù)據(jù)是國家 1∶25萬 90m分辨率數(shù)據(jù),冰川分布、沙漠化分布數(shù)據(jù)是基于三江源區(qū) 2007年 9月 17—20日的北京一號衛(wèi)星(BJ-1)多光譜遙感影像解譯所得。按上述技術(shù)路線得到如圖 2所示的三江源區(qū)凍融侵蝕分布圖,統(tǒng)計(jì)各區(qū)面積可得到凍融侵蝕區(qū)面積為 21.6萬km2,非凍融侵蝕區(qū)面積為4.3萬 km2,分別占研究區(qū)總面積的 83.4%和 16.6%。

3 侵蝕強(qiáng)度評價(jià)

3.1 侵蝕強(qiáng)度評價(jià)的相關(guān)指標(biāo)

3.1.1 氣溫年較差

土溫周期性的變化直接決定著土壤凍結(jié)和融化的深度和程度,溫差越大凍融深度就越大,反之則小。然而,影響凍融侵蝕的溫度指標(biāo)卻很難獲得。由于青藏高原氣溫和地溫具有高的相關(guān)性,因此可用氣溫替代地溫作為凍融侵蝕強(qiáng)度評價(jià)的指標(biāo)[7]。本研究選取氣溫年較差作為凍融侵蝕強(qiáng)度評價(jià)的指標(biāo)之一。

利用三江源區(qū)41個(gè)氣象站 30年的氣溫觀測數(shù)據(jù)對源區(qū)的氣溫年較差(T)與經(jīng)度(X)、緯度(Y)及海拔(H)進(jìn)行多元線性回歸分析,得出的回歸方程(F=61.85,通過 P=0.05的顯著性檢驗(yàn))為

3.1.2 坡度與坡向

坡度影響著侵蝕量和侵蝕位移的大小,坡度越大,凍融侵蝕產(chǎn)物被輸送的就越多越遠(yuǎn)。坡向的差異影響著凍融侵蝕的強(qiáng)度,陽坡接受太陽輻射量大,土壤晝夜溫差大,凍融侵蝕強(qiáng)烈,陰坡則相反。

3.1.3 植被覆蓋度

植被可以保護(hù)地表,提高土壤的穩(wěn)定性,減小土溫差,從而減弱凍融作用的強(qiáng)度及其對土體的破壞。

3.1.4 年降水量

降水量增大,致使土體中含水量增大,凍結(jié)時(shí)由于水體結(jié)冰體積增大對土體的破壞力增大,降水和冰雪融水對土壤的搬運(yùn)作用也隨降水量的增加而增大。

3.2 評價(jià)指標(biāo)分級賦值標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重計(jì)算

本研究選取氣溫年較差、坡度、坡向、植被覆蓋度、年降水量5個(gè)指標(biāo)作為三江源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo),根據(jù)各指標(biāo)在三江源凍融侵蝕區(qū)的具體分布情況,確定各指標(biāo)的分級賦值標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表 1 評價(jià)指標(biāo)分級賦值標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)各評價(jià)指標(biāo)對凍融侵蝕強(qiáng)度的相對重要性,確定了指標(biāo)對凍融侵蝕強(qiáng)度的判斷矩陣,然后運(yùn)用層次分析法計(jì)算權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(表 2)。

表2 評價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣及其權(quán)重

3.3 凍融侵蝕強(qiáng)度評價(jià)方法

對凍融侵蝕強(qiáng)度的評價(jià)就是將多項(xiàng)強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合,使之成為單一的強(qiáng)度指數(shù)。本研究采用加權(quán)求和的方法計(jì)算凍融侵蝕強(qiáng)度指數(shù),其計(jì)算式為

式中:F為凍融侵蝕強(qiáng)度指數(shù);Wi為第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重;Ii為第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的等級賦值;n為評價(jià)指標(biāo)總數(shù)。

3.4 各評價(jià)指標(biāo)分級圖的獲取

各評價(jià)指標(biāo)分級賦值圖的獲取技術(shù)路線如圖 3所示。根據(jù)此技術(shù)路線,在 ArcGIS與ERDAS軟件中由三江源研究區(qū)DEM計(jì)算提取氣溫年較差分布圖、坡度圖及坡向圖,然后將三江源區(qū)41個(gè)氣象站的多年平均降水量數(shù)據(jù)用克里金內(nèi)插法計(jì)算得到年降水量分布圖,再從三江源區(qū) 2007年 9月 17—20日的北京一號衛(wèi)星(BJ-1)多光譜遙感影像中提取植被指數(shù),計(jì)算獲得植被覆蓋圖[8],最后依據(jù)表1的各指標(biāo)分級賦值標(biāo)準(zhǔn)將得出的各指標(biāo)

圖3 評價(jià)指標(biāo)分級賦值圖獲取技術(shù)路線

分布圖分級賦值,從而產(chǎn)生各評價(jià)指標(biāo)分級圖。

3.5 強(qiáng)度指數(shù)圖及侵蝕強(qiáng)度分級圖的獲取

在 ArcGIS軟件中應(yīng)用公式(4)對各評價(jià)指標(biāo)分級圖進(jìn)行加權(quán)求和,得到三江源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度指數(shù)圖。根據(jù)計(jì)算得到的凍融侵蝕強(qiáng)度指數(shù)圖,可知三江源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度指數(shù)在1.396～4.590之間,強(qiáng)度指數(shù)越高凍融侵蝕越強(qiáng)烈,侵蝕強(qiáng)度就越高。為了方便評價(jià),根據(jù)對強(qiáng)度指數(shù)圖進(jìn)行非監(jiān)督分類所得的結(jié)果,將強(qiáng)度指數(shù)按表 3界定分為五級,從而在ArcGIS中得到如圖 4所示的三江源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度分級圖。

表 3 三江源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)

圖4 三江源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度分級

4 結(jié)果與分析

(1)從圖 2三江源區(qū)凍融侵蝕區(qū)分布圖可以看出三江源區(qū)凍融侵蝕的分布特點(diǎn)是:①凍融侵蝕分布范圍廣,占源區(qū)面積的絕大多數(shù)(83.4%)。②區(qū)域分異特征明顯。非凍融侵蝕區(qū)主要集中分布在源區(qū)東部和南部,而在其他區(qū)域凍融侵蝕連片分布,中間有零星小片的非凍融侵蝕區(qū)。這是由于源區(qū)東部和南部海拔相對較低、年均氣溫較高不足以產(chǎn)生凍融侵蝕的緣故,而在其他區(qū)域尤其是在北部和西部則分布著小片的冰川區(qū)和沙漠化區(qū)等非凍融侵蝕區(qū)。

(2)從圖 4三江源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度分級圖可以看出該區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度分布有以下特點(diǎn):①不同強(qiáng)度凍融侵蝕區(qū)面積相差不大。②強(qiáng)度相近的凍融侵蝕區(qū)在空間上積聚,高強(qiáng)度和低強(qiáng)度的凍融侵蝕區(qū)在空間上分異,因此產(chǎn)生多個(gè)高強(qiáng)度和低強(qiáng)度的凍融侵蝕區(qū)。③源區(qū)凍融侵蝕強(qiáng)度總體上是從東到西由強(qiáng)到弱再到強(qiáng),最后再到弱,分別有兩個(gè)高強(qiáng)度和低強(qiáng)度凍融侵蝕區(qū),其中高強(qiáng)度凍融侵蝕主要分布在地形起伏較大的山區(qū),而低強(qiáng)度凍融侵蝕則主要分布在地勢較平坦區(qū)。

5 結(jié) 語

本研究基于 GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三江源區(qū)凍融侵蝕的范圍界定及其侵蝕強(qiáng)度的評價(jià)。針對面積廣大的三江源區(qū),在缺乏凍融侵蝕量數(shù)據(jù)的情況下,該方法快速方便,具有很強(qiáng)的實(shí)用性。本研究凍融侵蝕范圍界定及強(qiáng)度評價(jià)的結(jié)果,對加深認(rèn)識三江源區(qū)凍融侵蝕的分布以及開展源區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)具有重要意義。

[1]Sharratt B S,Lindstrom M J.Laboratory simu lation of erosion from a partially frozen soil[C].Soil Erosion Research for the 21st Century,Honolu lu,HI,USA:American Society of Agricu ltural and Biological Engineers,2001:159-162.

[2]劉秉正,吳發(fā)啟.土壤侵蝕[M].西安:陜西人民出版社,1997.

[3]董瑞琨,許兆義,楊成永.青藏高原的凍融侵蝕問題[J].人民長江,2000,31(9):39-41.

[4]吳萬貞,劉峰貴,陳瓊,等.三江源地區(qū)土壤侵蝕類型研究[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2009,31(4):423-426.

[5]張建國,劉淑珍.界定西藏凍融侵蝕區(qū)分布的一種新方法[J].地理與地理信息科學(xué),2005,21(2):32-34.

[6]張建國,劉淑珍,范建榮.基于 GIS的四川省凍融侵蝕界定與評價(jià)[J].山地學(xué)報(bào),2005,23(2):248-253.

[7]張建國,劉淑珍,楊思全.西藏凍融侵蝕分級評價(jià)[J].地理學(xué)報(bào),2006,61(9):911-918.

[8]唐志光,馬金輝,李成六,等.三江源自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度遙感估算[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào),2010,46(2):11-15.

GIS-Based Eva luation on Intensity of Freeze-Thaw Erosion in Headw ater Region o f the Three-R iver-Source A rea

LICheng-liu,MA Jin-hui,TANG Zhi-guang,et al.
(Key Laboratory of Western China's Environment of Ministry of Education,Lanzhou University,Lanzhou,Gansu 730000,China)(41)

The paper achieves the definition of the range of freeze-thaw erosion area at the Three-River-Source Area with the support of GIS technique.It puts forward evaluation standards of intensity of freeze-thaw erosion which suits the condition of the area by taking the factors of annual temperature range,slope,slope direction,vegetation coverage and annual precipitation as indexes,and completes the evaluation of intensity of freeze-thaw erosion with the support of GIS technique.The outcomes show that a)the distribution range of freeze-thaw erosion at the area is wide and the characteristics of regional differentiation obvious and;b)the distribution of intensity of freeze-thaw erosion is different.The high erosion intensitymainly distributes in mountainous region with terrain undulation and the low erosion intensitymainly distributes in the relatively leveled area.

GIS;Three-River-Source Area;freeze-thaw erosion;intensity evaluation

S157.1

A

1000-0941(2011)04-0041-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40671179)

李成六(1986—),男,河南淅川縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)檫b感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。

2010-09-15

(責(zé)任編輯 趙文禮)