GIS與遙感技術(shù)在水土流失定量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

冷 宗

(深圳市海平峰水務(wù)技術(shù)工程有限公司，廣東 深圳 518000)

水土流失是一個(gè)全球性的問題，由于人類的不合理開發(fā)和使用，造成了水土流失問題進(jìn)一步加重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國約有37%的土地遭受水土流失的困擾，給我國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來巨大阻礙[1- 3]。劉長君將VIC模型和改進(jìn)的通用土壤侵蝕方程進(jìn)行相耦合，對(duì)大洋河流域的水土流失進(jìn)行了時(shí)空分布式模擬[4]。王嬌等利用USLE和GIS技術(shù)，對(duì)太行山地區(qū)的水土流失敏感性進(jìn)行了空間分析[5]；宋磊利用MULSE模型開展了區(qū)域水土流失的模擬工作[6]；張養(yǎng)安等以陜西省榆林地區(qū)為例，利用遙感技術(shù)對(duì)水土流失現(xiàn)狀進(jìn)行了分析[7]。

對(duì)水土流失(土壤侵蝕)的研究工作主要包括定性研究和定量研究，其中，定量研究相對(duì)于定性研究而言難度更高、技術(shù)要求更復(fù)雜，但對(duì)于精確掌握水土流失現(xiàn)狀和進(jìn)行針對(duì)性治理具有重要意義。目前，GIS和遙感技術(shù)是最為廣泛使用的土壤侵蝕定量研究手段，可對(duì)水土流失現(xiàn)狀進(jìn)行相對(duì)可靠的時(shí)空分布計(jì)算和分析[8- 11]。本文結(jié)合前人研究理論和方法，將GIS技術(shù)和遙感技術(shù)應(yīng)用于中國2007以及2017兩個(gè)時(shí)期水土流失的定性和定量分析，以期為水土流失治理工作提供借鑒。

1 研究方法及技術(shù)路線

本文首先采用日降雨量估算半月降雨侵蝕模型對(duì)降雨侵蝕力進(jìn)行了時(shí)空分析，得到R值，然后利用EPIC公式得到了土壤侵蝕因子K值；再分別通過SRTM DEM法和植被數(shù)據(jù)分別得到坡度因子和植被管理因子值，從而最終確定土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)圖，進(jìn)行水土流失的定性和定量評(píng)價(jià)，如圖1所示。

圖1 研究方法及技術(shù)路線

2 評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 定性評(píng)價(jià)結(jié)果

利用SRTM DEM法對(duì)坡度進(jìn)行分析，并將植被數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)土壤侵蝕度進(jìn)行定性分析，根據(jù)水利部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)劃分分級(jí)指標(biāo)，根據(jù)坡度值將坡度分為6級(jí)，將植被覆蓋度分為5級(jí)，二重組合下，將土壤侵蝕度分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈五個(gè)等級(jí)，見表1。

運(yùn)用Arc GIS分析軟件計(jì)算出2007年和2017年兩個(gè)不同時(shí)期的侵蝕強(qiáng)度的分布圖，如圖2所示。從圖2可以看到：兩個(gè)時(shí)期的的土壤侵蝕強(qiáng)度分布具有一致性，微度和輕度侵蝕基本分布于中東部、西南及北方地區(qū)，強(qiáng)烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕均集中于西北、青藏高原部分地區(qū)，中度侵蝕在2007年主要分布于甘肅、寧夏、陜西、青藏高原部分地區(qū)以及東南沿海一帶，而到了2017年，中度侵蝕則主要集中于云貴高原、甘肅、寧夏、陜西、山西以及青藏高原部分地區(qū)，廣東、福建沿海地區(qū)的土壤侵蝕有所好轉(zhuǎn)，這是由于近些年來該地區(qū)對(duì)水土保持工作加大了力度，水土流失情況明顯好轉(zhuǎn)。

表1 分級(jí)指標(biāo)表

圖2 土壤侵蝕強(qiáng)度定性分布圖

2.2 定量評(píng)價(jià)結(jié)果

植被覆蓋與管理因子C是評(píng)價(jià)土壤侵蝕強(qiáng)度的主要指標(biāo)之一，基于遙感技術(shù)，可計(jì)算相應(yīng)的C值：

(1)

式中，α、β—分別為計(jì)算分析參數(shù);NDVI—遙感植被指數(shù)。通過分析計(jì)算分別得到了2007年和2017年兩個(gè)時(shí)期的年內(nèi)C值變化特征，如圖3所示。從圖3可以看到，C值在年內(nèi)分布具有明顯的季節(jié)性特征，11月—來年4月，植被覆蓋度較低，C值較高，而到了4—9月，植被覆蓋度較高，則C值較低；2017年的C值整體上要低于2007年，特別是在7—9月最為明顯，這與近年來國家重視水土保持工作有關(guān)，這與上文分析結(jié)果一致。

圖3 2007、2017年C值年內(nèi)變化

將降雨侵蝕力(R)、土壤侵蝕力(K)、坡度因子(S)以及C值統(tǒng)一投影和柵格大小，得到了土壤侵蝕模數(shù)特征值，見表2。從表中可以看到，2007年和2017年的最小侵蝕模數(shù)均為0，但最大侵蝕模數(shù)和平均侵蝕模數(shù)有所差別，2017年較2007年分別減少了近7.9%和16%，侵蝕量則從2625億t降低至2133億t，這與上文分析結(jié)果一致。

表2 土壤侵蝕模數(shù)值

3 時(shí)空分布特征分析

3.1 空間分布特征

根據(jù)SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，將土壤侵蝕模數(shù)單位由t/(ha·a)轉(zhuǎn)換為t/(km2·a)，得到了兩個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖，如圖4所示。從圖4可以看到，劇烈和極強(qiáng)烈的分布范圍較廣，且主要集中于黃土高原、南方紅壤丘陵區(qū)、東北部分地區(qū)、青藏高原東南、云貴高原、新疆部分地區(qū)，中度侵蝕主要集中于華北華東及東北部分區(qū)域；2017年與2007年相比，東北及華東地區(qū)的劇烈侵蝕和中度侵蝕面積有所減少，土壤侵蝕程度明顯減弱。

表3 南方紅土壤丘陵區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度隨時(shí)間轉(zhuǎn)移分析 單位：km2

圖4 土壤侵蝕強(qiáng)度定量分布圖

3.2 隨時(shí)間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移分析

利用Arc GIS軟件分析得到了2007—2017年不同級(jí)別侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)移情況(以南方紅壤丘陵區(qū)為例)，見表3。從表中可以發(fā)現(xiàn)：從2007到2017年，共有348203km2的面積發(fā)生土壤侵蝕強(qiáng)度的轉(zhuǎn)移；2017年的微度侵蝕主要由2007年的輕度侵蝕轉(zhuǎn)移而來，輕度侵蝕則主要由2007年額強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈轉(zhuǎn)移而來，其次為微度侵蝕和中度侵蝕轉(zhuǎn)移而來；中度侵蝕主要由強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈轉(zhuǎn)移而來，占比為93.37%；強(qiáng)烈侵蝕主要由極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕和中度侵蝕轉(zhuǎn)移而來，占比達(dá)到99.9%；極強(qiáng)烈侵蝕主要由劇烈侵蝕轉(zhuǎn)移而來，占比為80%；劇烈侵蝕主要由極強(qiáng)烈轉(zhuǎn)移而來，占比為93.61%?？傮w而言，2017年的微度和輕度侵蝕面積在增加，表明水土流失治理工作取得一定成效，但要注意部分地區(qū)的惡化問題。

4 結(jié)論

通過遙感和GIS技術(shù)對(duì)我國2007和2017年兩個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行了定性和定量分析，整體而言，近10年來我國的水土流失情況有所好轉(zhuǎn)，東部地區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度在逐漸降低，但西部局部地區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度在增加，需要在后期加強(qiáng)水土保持治理力度；研究結(jié)果對(duì)于我國下一步水土流失治理工作的開展具有一定的參考意義。