基于“3S”技術(shù)的南京市水土流失定量監(jiān)測及分析

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(1.江蘇省水利科學(xué)研究院 a.湖泊研究所；b.院長辦公室，南京　210017;2.南京市水務(wù)局 農(nóng)水處，南京　210008)

1　研究背景

近幾十年來，隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的日益重視，南京市政府執(zhí)行《水土保持法》力度進(jìn)一步加大，先后開展了“1997—2000年”和“2001—2010年”2次南京市水土流失定量監(jiān)測。2次監(jiān)測對比表明，南京市水土流失和生態(tài)環(huán)境明顯改善[1]。但近些年來隨著南京市經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，開發(fā)力度不斷加大，存在局部地區(qū)水土流失加劇的局面。水土流失是影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要資源環(huán)境問題之一。定期對南京市水土流失開展動態(tài)監(jiān)測，意義重大，很有必要。利用“3S”技術(shù)開展水土流失的相關(guān)研究，2010—2012年國務(wù)院組織開展了第一次全國水利普查[2]，水土保持情況普查首次運(yùn)用野外調(diào)查與定量評價(jià)相結(jié)合的方法，查清了土壤侵蝕的面積、分布與強(qiáng)度，獲取了各省(自治區(qū)、直轄市)和重點(diǎn)地區(qū)水土流失情況；與此同時(shí)，江蘇省水文局、江蘇省水利科學(xué)研究院以及北京師范大學(xué)開展了“基于遙感的江蘇省水土流失應(yīng)用研究”，基于2010年資料，獲取了江蘇全省13個(gè)地市的水土流失狀況。

蔣新新等[3]為準(zhǔn)確掌握江蘇省水土流失狀況，開發(fā)了江蘇省水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為水土流失監(jiān)測和水土保持預(yù)防監(jiān)督提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和應(yīng)用平臺；張洋等[4]在江蘇省水土流失現(xiàn)狀綜合調(diào)查的基礎(chǔ)上,采取定性和定量相結(jié)合的分析方法,進(jìn)行了新一輪江蘇省水土流失重點(diǎn)防治區(qū)劃分,獲得了江蘇省水土流失重點(diǎn)防治區(qū)劃分成果圖；劉永能等[5]運(yùn)用“3S”技術(shù)對江蘇省徐州連云港地區(qū)開展水土流失動態(tài)監(jiān)測，獲取了1986年和2000年2個(gè)時(shí)期的水土流失分級數(shù)據(jù)；王紅巖等[6]以Landsat-5TM影像為主要數(shù)據(jù)源,結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)和DEM高程,基于遙感和GIS技術(shù),通過選取關(guān)鍵影響因子,對紅水河干流區(qū)1990年、2000年和2010年的水土流失敏感性進(jìn)行了評價(jià)及時(shí)空動態(tài)監(jiān)測分析；朱惇[7]利用遙感和GIS技術(shù)，以湖北省為研究區(qū)，提出了一種基于模糊神經(jīng)系統(tǒng)和GIS技術(shù)的土壤侵蝕快速評價(jià)方法;文雄飛等[8]以我國新一代高分辨率衛(wèi)星影像為主要數(shù)據(jù)源，配合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行野外采樣，在長江流域三峽庫區(qū)開展了水土保持動態(tài)監(jiān)測遙感解譯實(shí)驗(yàn)性研究。

以上研究缺乏針對南京地區(qū)最新的水土流失監(jiān)測成果，為了保持南京市水土流失監(jiān)測的延續(xù)性，本研究基于“3S”技術(shù)，采用“監(jiān)測水土流失的定量新方法”[9-11]，對2011—2015年南京市水土流失開展定量監(jiān)測，為南京市水土保持規(guī)劃和水土流失防治提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)參考依據(jù)。

2　研究區(qū)概況

南京地處中國東部地區(qū)、長江下游中部、江蘇省西南部。地理坐標(biāo)為31°14′N—32°37′N， 118°22′E—119°14′E。全市下轄11個(gè)區(qū)，總面積6 590 km2。南京屬寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵地區(qū)，以低山緩崗為主，低山占3.5%，丘陵占4.3%，崗地占53%，平原、洼地及河流湖泊占39.2%。南京屬北亞熱帶濕潤氣候，常年平均降雨117 d，平均降雨量1 106.5 mm。年平均溫度15.4 ℃，年極端氣溫最高39.7 ℃，最低為-13.1 ℃。南京水域面積達(dá)11%以上，有長江、秦淮河、滁河、水陽江、石臼湖、固城湖等主要水系。南京市地形起伏大，降雨集中、強(qiáng)度大，近些年開發(fā)力度不斷加大，是構(gòu)成地區(qū)水土流失的主要因素。

3　監(jiān)測方法

“監(jiān)測水土流失的定量新方法”主要由水土流失定量監(jiān)測數(shù)學(xué)模型、監(jiān)測因子改進(jìn)算式算法及軟件、DEM精度評價(jià)新方法[12]、GPS快速實(shí)測更新GIS的實(shí)用方法[13]和監(jiān)測結(jié)果建庫查詢法等9項(xiàng)內(nèi)容組成。其土壤年流失量數(shù)學(xué)模型為

Ai=f·Ri·Ki·LSi·CPi。

(1)

式中：Ai為土壤年流失量(t/(km2·a))；Ri為降雨侵蝕力因子(MJ·mm/(hm2·h·a))；Ki為土壤可蝕因子(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))；LSi為地形的坡長因子L與坡度因子S之積(無量綱)；CPi為植被、作物覆蓋因子C與保土措施因子P之積(無量綱)；f為轉(zhuǎn)換系數(shù),值為224.2；i為柵格像元號。

該模型與美國的USLE[14]和RUSLE[15]類似，其模型因子算法反映了水土流失的成因。模型因子算式算法系我國各水蝕區(qū)大量實(shí)測數(shù)據(jù)所建，并基于柵格像元進(jìn)行運(yùn)算。它不僅具備“3S”技術(shù)特征，而且具有更為快速、準(zhǔn)確和一體化監(jiān)測水土流失的功能[9]。該方法先后應(yīng)用于我國山東、江蘇、福建等多個(gè)地區(qū)，累計(jì)應(yīng)用面積超過30萬km2[10-11]。南京市1997—2000年和2001—2010年水土流失定量監(jiān)測均采用該方法，應(yīng)用效果良好。

4　數(shù)據(jù)收集與處理

根據(jù)水土流失定量監(jiān)測需要，收集降雨資料、土地利用數(shù)據(jù)、遙感影像、DEM、土壤數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃以及前2次南京市水土流失監(jiān)測成果等。其中，降雨資料收集了2011—2015年南京市及其周邊42個(gè)雨量站降雨資料。以其中3個(gè)為代表站，分別為南京站、六合站和天生橋站，它們的位置和雨量居于其所代表的雨量站點(diǎn)的中間，且降雨自記紙齊全；其余39個(gè)為一般站。

土地利用數(shù)據(jù)為基于2012年南京市0.3 m航片提取的成果，按照國家土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)將全市劃分為36類土地利用類型。

遙感數(shù)據(jù)選用了2014年5月1日國產(chǎn)HJ1B/CCD影像，空間分辨率30 m，有4個(gè)波段(藍(lán)、綠、紅和近紅外)。遙感影像經(jīng)過圖像融合、幾何校正、裁剪等預(yù)處理，得到經(jīng)過配準(zhǔn)的南京全市遙感影像。

5　水土流失計(jì)算

按照式(1)，需要計(jì)算的因子有降雨侵蝕力Ri、植被覆蓋水保措施因子CPi、土壤可蝕因子Ki和坡度坡長因子LSi。

5.1　降雨侵蝕力Ri

降雨侵蝕力是評價(jià)降雨對土壤剝離、搬運(yùn)侵蝕的動力指標(biāo)。降雨侵蝕力主要采用了降雨侵蝕力最佳算法[16]來計(jì)算，即

Ri=0.128 1I30BPf-0.157 5I30B。

(2)

式中：I30B為相應(yīng)的代表站連續(xù)30 min最大降雨雨強(qiáng)的年代表值[17]；Pf為汛期月份的總雨量。

降雨侵蝕力最佳算法具有以下3個(gè)優(yōu)勢[16]：①在建立和完善該算法時(shí)，使用的實(shí)測資料類型全、地域廣、數(shù)量多，這使其具有牢固的實(shí)測資料基礎(chǔ)；②該算法簡便、實(shí)用、可靠，最佳算法對降雨資料的要求適合我國國情，應(yīng)用于監(jiān)測土壤流失量的精度較高，各地平均精度為82.7%；③最佳算法已有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用規(guī)模，適宜于25°N—42°N,105°E—123°E區(qū)域，約占我國水蝕區(qū)面積的70%。

降雨侵蝕力Ri計(jì)算過程如下：首先需要結(jié)合雨量站降雨資料計(jì)算站點(diǎn)降雨侵蝕力R,其中，南京站、六合站和天生橋站3個(gè)代表站根據(jù)自記紙資料獲得的降雨特征，計(jì)算各次降雨的侵蝕動能E和降雨侵蝕力R[16-17];其次,39個(gè)一般站按照降雨侵蝕力最佳算法用式(2)來計(jì)算,由以上算法得到42個(gè)雨量站站點(diǎn)降雨侵蝕力R;最后通過點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)插得到區(qū)域數(shù)據(jù),柵格大小設(shè)置為30 m，獲得2011—2015年南京全市逐年降雨侵蝕力Ri。將5 a降雨侵蝕力相加再除以5，得到2011—2015年5 a平均降雨侵蝕力。

5.2　植被覆蓋水保措施因子CPi

計(jì)算CPi主要有以下幾步：

首先依據(jù)植被覆蓋度的不同對遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類。利用IDRISI軟件運(yùn)算，以環(huán)境衛(wèi)星紅光波段數(shù)值由小到大排序選取植被、水域的訓(xùn)練樣區(qū)為基礎(chǔ)，通過運(yùn)行指令獲得其它各波段的各類植被水域的標(biāo)識文件，在執(zhí)行最大似然分類后，獲得監(jiān)督分類的遙感分類圖。

其次開展土地利用歸類。根據(jù)南京全市地形地貌特點(diǎn)，將全市36類土地利用進(jìn)行合并，歸成3大類：第1類為水域、水田、城鎮(zhèn)居民地、道路用地合并；第2類為旱地(或坡耕地)人為擾動劇烈的坡地區(qū)；第3類為荒山林草裸巖露土等人為擾動較少的山丘高崗地區(qū)。

之后用土地利用3大類切割遙感分類圖，以遙感分類選取的訓(xùn)練樣區(qū)光譜曲線為基礎(chǔ)，對切割的3大地類進(jìn)行CP賦值。其中，第1類賦值為0.000 1～0.200 0，第2類為0.000 2～0.600 0，第3類為0.000 2～0.4 500。植被覆蓋率越高，CP賦值越小。運(yùn)行IDRISI軟件的邏輯運(yùn)算，將3個(gè)賦值了的遙感分類圖合并為CPi像元圖。全市CP均值為0.035 0，最小值0.000 1，最大值0.530 0。

表2　2011—2015年南京全市水土流失定量監(jiān)測成果

注：R的單位為MJ·mm/(hm2·h·a)；面積單位為km2；流失量單位為萬t；侵蝕模數(shù)單位為t/(km2·a)

5.3　土壤可蝕因子Ki和坡度坡長因子LSi

考慮到土壤和地形地貌短時(shí)間內(nèi)區(qū)域變化較小，土壤可蝕因子Ki和坡度坡長因子LSi采用上次(即2001—2010年)南京市水土流失定量監(jiān)測的成果。

5.4　水土流失計(jì)算及分級

由以上4個(gè)因子根據(jù)式(1)計(jì)算得到南京市2011—2015年逐年及5 a平均水土流失量。采用水利部《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》的侵蝕模數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)，將其轉(zhuǎn)換為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈6個(gè)流失等級，如表1所示。結(jié)合水系、行政區(qū)劃等資料，制作2011—2015年南京全市5 a平均水土流失分級圖，如圖1所示。

表1　水土流失分級標(biāo)準(zhǔn)

圖1　2011—2015年南京全市5 a平均水土流失分級

6　結(jié)果分析

6.1　2011—2015年5 a水土流失特征分析

統(tǒng)計(jì)2011—2015年5 a南京全市水土流失定量監(jiān)測結(jié)果，經(jīng)整理，如表2、圖2、圖3所示。

圖2　南京市水土流失不同等級所占比例

圖3　南京市逐年水土流失對比

從2011—2015年5 a年度對比分析可以發(fā)現(xiàn)：

(1)2011—2015年5 a平均南京市水土流失總量為201.42萬t，其中輕度以上水土流失面積為515.75 km2，占全市總面積的7.83%；輕度以上水土流失量166.77萬t，占全市水土流失總量的82.8%。這表明輕度以上平均水土流失面積所占比例不大，但水土流失量占總流失量80%以上。從土壤侵蝕保土角度來看，輕度以上的地區(qū)仍是水土流失治理中的重點(diǎn)。

(2)極強(qiáng)烈與劇烈年水土流失量為本次分級年流失量中最大(如圖2所示)。5 a平均極強(qiáng)烈與劇烈水土流失面積分別占全市總面積的0.5%，0.2%，但水土流失量分別占水土流失總量的18.1%，18.5%，為分級侵蝕量中最大。這也說明雨量大，加之生產(chǎn)建設(shè)活動未采取水保措施，加劇了嚴(yán)重水土流失和生態(tài)環(huán)境較差地區(qū)的土壤侵蝕。

(3)5 a間輕度以上水土流失面積與流失總量變化較大(圖3所示)。2015年水土流失最嚴(yán)重，2013年則最輕，水土流失由大到小排序依次為2015年>2011年>2012年>2014年>2013年，最小與最大的年份輕度以上水土流失面積比值為58.35%、水土流失量比值為44.33%?？紤]到5 a間水土流失計(jì)算采用的CP，LS，K值一致，則5 a間水土流失面積、流失量與年降雨有關(guān)，特別是降雨侵蝕力Ri為主要決定因素。

6.2　3次水土流失變化分析

南京市先后開展了3次水土流失定量監(jiān)測，即第1次1997—2000年，第2次2001—2010年，第3次即本次監(jiān)測2011—2015年。表3為3次水土流失監(jiān)測成果對比表，通過對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：

微度水土流失面積由2001—2010年的5 022 km2增加到5 403 km2，增加率為7.6%；與此同時(shí)，輕度以上水土流失面積和年水土流失量下降明顯，輕度以上年水土流失面積由896.68 km2降至515.75 km2，減少42.5%，輕度以上年水土流失量由218.94萬t 降至166.77萬t，減少23.8%。

分析其原因:3次水土流失定量監(jiān)測對應(yīng)的降雨侵蝕力均值分別為174.8，253.3，305.2 MJ·mm/(hm2·h·a),其中2011—2015年5 a降雨侵蝕力均值比2001—2010年10 a均值增加20.5%，降雨侵蝕力的增加會加劇水土流失；3次水土流失定量監(jiān)測對應(yīng)的植被覆蓋水保措施因子CP分別為0.119 1，0.048 3，0.035 0，其中2011—2015年相應(yīng)的CP值較2001—2010年減少27.5%，CP值的減少反映了植被覆蓋的增加和水土保持措施的不斷加強(qiáng)，能夠有效地減少水土流失。由此可見，CP值的減小是2011—2015年5 a平均水土流失狀況改善的主要原因。

強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈水土流失面積和年水土流失量減幅下降，劇烈水土流失面積和年水土流失量增大。從表3中2001—2010年10 a平均與1997—2000年4 a平均結(jié)果對比、本次監(jiān)測結(jié)果與2001—2010年平均對比變化百分比看出，強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈水土流失面積、流失量減幅在下降(即第2次與第1次強(qiáng)烈級減幅分別為21.3%，22.0%，極強(qiáng)烈級減幅分別為35.2%，36.0%；第3次與第2次強(qiáng)烈級減幅分別為11.8%，11.9%，極強(qiáng)烈級減幅分別為7.8%，8.0%)；劇烈水土流失面積、水土流失量皆增加，使降幅變成正值。主要原因是本次降雨侵蝕力R的5 a平均值較大，比2001—2010年平均Ri值增加20.5%，比1997—2000年平均Ri值增加74.6%。

表3　南京市3次水土流失定量監(jiān)測成果對比

注：R的單位為MJ·mm/(hm2·h·a)；面積單位為km2；流失量單位為萬t；侵蝕模數(shù)單位為t/(km2·a)；對比1為第2次(2001—2010年10 a平均)與第1次(1997—2000年4 a平均)對比變化百分比，單位%；對比2為第3次(2011—2015年5 a平均)與第2次(2001—2010年10 a平均)對比變化百分比，單位%

7　結(jié)　論

(1)2011—2015年5 a平均南京市水土流失總量為201.42萬t，其中輕度以上水土流失面積為515.75 km2，占全市總面積的7.83%；輕度以上水土流失量166.77萬t，占全市水土流失總量的82.8%。從土壤侵蝕保土角度來看，輕度以上水土流失治理仍是水土流失治理中的重點(diǎn)。

(2)2011—2015年輕度以上水土流失面積與流失量變化較大。2015年水土流失最嚴(yán)重，2013年則最輕。其中降雨侵蝕力Ri大小為決定因素。

(3)5 a平均極強(qiáng)烈與劇烈水土流失面積分別占全市總面積的0.5%，0.2%，但水土流失量分別占水土流失總量的18.1%，18.5%，為分級侵蝕量中最大。這也說明雨量大，加之生產(chǎn)建設(shè)活動未采取水保措施，加劇了嚴(yán)重水土流失和生態(tài)環(huán)境較差地區(qū)土壤侵蝕。

(4)與2001—2010年10 a平均相比，2011—2015年5 a平均南京市微度水土流失面積增加7.6%，輕度以上水土流失面積減少42.5%，輕度以上年水土流失量減少23.7%。CP值的減小是2011—2015年5 a平均水土流失狀況改善的主要原因。

(5)3次水土流失定量監(jiān)測表明，本次監(jiān)測強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈水土流失面積和年水土流失量減幅下降，劇烈水土流失面積和年水土流失量增大。主要原因是本次降雨侵蝕力Ri的5 a平均值較大，比2001—2010年平均Ri值增加20.5%，比1997—2000年平均Ri值增加74.6%。

致謝：感謝中國科學(xué)院南京土壤研究所卜兆宏研究員、南京市水務(wù)局農(nóng)水處彭桂蘭處長和江蘇省水利廳農(nóng)水處劉復(fù)新處長在本項(xiàng)目中的指導(dǎo)和幫助！