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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)
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)。
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。
“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。
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。
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。
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。
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)
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。
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
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。
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%
(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!