上海市土壤侵蝕模數(shù)的研究與確定

宋建鋒，顧圣華，楊 二，王玲玲

(1.上海市水利管理處，上海 200002;2.上海市水文總站，上海 200232;3.黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450003)

為了全面貫徹實(shí)施《中華人民共和國(guó)水土保持法》，實(shí)施分區(qū)防治戰(zhàn)略，實(shí)行分類(lèi)指導(dǎo)，有效地預(yù)防和治理水土流失，減輕水旱災(zāi)害，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，依據(jù)水土流失調(diào)查結(jié)果，有必要?jiǎng)澏ㄉ虾Ｊ兴亮魇е攸c(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)，而劃定的主要依據(jù)即是對(duì)土壤侵蝕模數(shù)的研究與確定。

在土壤侵蝕定量監(jiān)測(cè)方面，美國(guó)率先提出了通用土壤流失方程式(USLE)。1958年，USLE被美國(guó)土壤保持局用于不同耕作制度與土地利用方式下土壤流失量的長(zhǎng)期評(píng)估，之后世界各國(guó)相繼開(kāi)展了對(duì)USLE應(yīng)用的研究，包括對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)不同地區(qū)的氣候、地質(zhì)、土壤、植被覆蓋和耕作制度條件等。該方程是目前應(yīng)用最多、效果也較好的一個(gè)土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型，本研究應(yīng)用該模型計(jì)算上海市土壤侵蝕模數(shù)。

通用土壤流失方程(USLE)的表達(dá)式為式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a);R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(km2·h·a);K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm);LS為地形因子，無(wú)量綱;C為作物經(jīng)營(yíng)因子，無(wú)量綱;P為水土保持措施因子，無(wú)量綱。

1 土壤侵蝕模型因子計(jì)算

1.1 降雨侵蝕力因子

1.1.1 上海市降雨的時(shí)間分布特征

依據(jù)上海市高橋、夏字圩、邱移廟、青浦、青村、望新、淀浦河?xùn)|閘、蘆潮港、祝橋9個(gè)雨量站點(diǎn)2000—2009年逐日降雨量資料，計(jì)算并繪制出該市年均降雨量逐月分布如圖1。從圖1和計(jì)算結(jié)果知，上海市降雨主要集中在5—9月，期間降雨量約占年降雨量的70%;最大降雨量發(fā)生在8月，最小降雨量發(fā)生在10月。

1.1.2 上海市降雨的空間分布特征

由于上海市的雨量站點(diǎn)是分散布設(shè)于面上的，因此在進(jìn)行降雨空間分布特征分析時(shí)，須采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)降雨觀測(cè)值進(jìn)行空間離散。本研究采用反距離權(quán)重插值方法對(duì)上海市的實(shí)測(cè)降雨量進(jìn)行插值(時(shí)間步長(zhǎng)為 0.5 h)，計(jì)算式［1］為

式中：P(Z)為待插點(diǎn)的值;Zi是控制點(diǎn)的值;di是控制點(diǎn)i與點(diǎn)0之間的距離，表示由離散點(diǎn)(xi，yi)至P(x，y)點(diǎn)的距離;u為距離的方次，其取值在1.0～6.0之間，此處取2.0。

圖1 上海市年均月降雨量分布

應(yīng)用ARC/INFO軟件繪制插值后的降雨量空間分布，可得到上海市直觀的年均降雨量分布圖(圖2)。

從圖2可知，上海市年均降雨量整體上由西向東逐漸增加，最大降雨中心出現(xiàn)在青村和祝橋。

1.1.3 降雨侵蝕力計(jì)算

圖2 上海市年均降雨量空間分布

降雨侵蝕力因子R，是一個(gè)評(píng)價(jià)由降雨引起的土壤離散和搬運(yùn)的動(dòng)力指標(biāo)。在地表?xiàng)l件相同的水蝕區(qū)，同一地區(qū)不同年份或同一年份不同地區(qū)的侵蝕之所以能出現(xiàn)差異，皆源于R值的不同。R值的研究，自從Wischmeier提出經(jīng)典的算法R=EI30以來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)家分別根據(jù)降雨觀測(cè)資料的豐缺和流失量的實(shí)測(cè)值，應(yīng)用中對(duì)其作出了修正或提出了適用于當(dāng)?shù)氐暮?jiǎn)便算法。在計(jì)算上海市年均降雨侵蝕力R時(shí)，本研究采用章文波等［2］以多年平均月降雨量求算侵蝕力的方法，其計(jì)算式為

其中

式中：Ff為中間變量;Pi，j為第 i年、第 j月的降雨量，mm;N為年數(shù)。

1.1.4 降雨侵蝕力(R)的空間插值

在降雨侵蝕力空間格局研究中，常用Kriging和Spline插值方法對(duì)我國(guó)降雨侵蝕力進(jìn)行空間離散和擬合，但該插值法要求雨量站點(diǎn)要多于10個(gè)，因此本研究實(shí)行地統(tǒng)計(jì)和GIS相結(jié)合，采用Spline插值方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上海市降雨侵蝕力數(shù)據(jù)的離散化和空間化，計(jì)算獲得的上海市年均降雨侵蝕力(R)分布見(jiàn)圖3。

圖3 上海市降雨侵蝕力分布

1.2 土壤可蝕性因子(K)

土壤可蝕性是指土壤是否易受侵蝕破壞的性能，即土壤對(duì)侵蝕介質(zhì)剝蝕和搬運(yùn)的敏感程度，是影響土壤侵蝕量大小的重要因素之一。在USLE中，K值被定義為標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)春天順坡耕翻一次裸土狀態(tài)下由單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失量。

土壤可蝕性與土壤機(jī)械組成、水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤入滲性能以及土層厚度等有關(guān)。本研究采用Williams等在侵蝕/生產(chǎn)力影響模型(EPIC)中發(fā)展的土壤可蝕性因子K值的估算方法，用已有的試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正和補(bǔ)充。K值的估算式為

式中：SAN、SIL、CLA和 C分別為砂粒、粉粒、黏粒和有機(jī)碳的含量，%。

對(duì)上海市不同類(lèi)型土壤進(jìn)行采樣和分析，通過(guò)計(jì)算獲得了土壤可蝕性因子(K值)分布(圖4)。

圖4 上海市土壤可蝕性因子(K值)分布

1.3 地形因子LS值計(jì)算

地形因子是坡度因子S和坡長(zhǎng)因子L的總稱(chēng)，坡度坡長(zhǎng)因子LS是通用土壤流失方程式中反映地形對(duì)土壤侵蝕影響的量化指標(biāo)，它在很大程度上決定了模型計(jì)算的精度。本研究采用楊勤科等［3］的研究成果計(jì)算上海市的 LS值，其方法是：基于較高分辨率的DEM，根據(jù)水流來(lái)向和流向關(guān)系，定義局部高點(diǎn)作為坡長(zhǎng)累計(jì)計(jì)算的起點(diǎn)，從高到低，通過(guò)不斷尋求徑流結(jié)束點(diǎn)的方式，利用多重循環(huán)和迭代方法，完成對(duì)累計(jì)坡長(zhǎng)的計(jì)算，其計(jì)算流程如圖5。

坡度因子S的計(jì)算式為

圖5 地形因子LS值計(jì)算流程

坡長(zhǎng)因子L的計(jì)算式為

式中：L為坡長(zhǎng)因子;λ為坡長(zhǎng)，m;m為坡長(zhǎng)指數(shù)，根據(jù)坡度大小取值，即

經(jīng)計(jì)算，獲得如圖6所示的上海市地形因子LS值分布圖。

圖6 上海市地形因子LS值分布

1.4 作物經(jīng)營(yíng)因子C值

C因子評(píng)價(jià)的是所有有關(guān)植被覆蓋和管理變量對(duì)土壤侵蝕的綜合作用，其值大小取決于具體的作物覆蓋、輪作順序及管理措施的綜合作用以及作物不同生長(zhǎng)期侵蝕性降雨的分布狀況。不同覆蓋度下C值的計(jì)算，采用蔡崇法的植被覆蓋度(c)與C值的關(guān)系式［4］

經(jīng)計(jì)算，得到如圖7所示的上海市作物經(jīng)營(yíng)因子C值分布圖。

圖7 上海市作物經(jīng)營(yíng)因子C值分布

1.5 水土保持措施因子P值

根據(jù)2011年最新水利普查結(jié)果，上海市共有水土保持措施357.6 hm2，措施主要包括水土保持林和草兩部分。其中：?jiǎn)棠玖?60.1 hm2，占水土保持措施面積的72.74%;灌木林64.6 hm2，占18.06%;具有明顯水土保持功能的草地面積為32.9 hm2，占9.20%。

上海市地處河網(wǎng)平原區(qū)，水土保持措施主要分布在各郊區(qū)縣尚未采取護(hù)坡措施、基本呈自然狀態(tài)的泥質(zhì)河岸河道的兩側(cè)邊坡、堤防兩側(cè)邊坡以及少量的海岸地帶，分布較為零散。對(duì)于其他區(qū)域，由于地勢(shì)平坦，高樓、硬化地面廣為分布，河道護(hù)坡措施良好，土壤侵蝕強(qiáng)度非常低，因此本次計(jì)算中P值取1。

2 土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算結(jié)果

在上述各個(gè)影響因子計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用USLE計(jì)算獲得了如圖8所示的上海市土壤侵蝕模數(shù)空間分布。

圖8 上海市土壤侵蝕模數(shù)分布

需要說(shuō)明的是，由于USLE本身的局限性，無(wú)法準(zhǔn)確地估算出河岸坍塌的侵蝕模數(shù)，因此我們利用收集到的相關(guān)資料，對(duì)船行波造成的河岸侵蝕強(qiáng)度、淀山湖沿岸坍塌強(qiáng)度進(jìn)行了估算。在上海市通航河道中，嚴(yán)重坍塌的岸線(xiàn)長(zhǎng)度為865 km，一般坍塌的岸線(xiàn)長(zhǎng)度為904 km，合計(jì)1 769 km。20世紀(jì)80年代以來(lái)，這些航道每年損失的土地高達(dá)87 hm2，即年均塌岸約0.5 m，其中淀山湖和元蕩沿岸每年損失的土地超過(guò)1.5 hm2。按照河流兩岸各100 m(湖岸為100 m)為影響區(qū)、平均坍塌高度為1.5 m、土壤容重為1.3 t/m3計(jì)算，則通航河道影響區(qū)范圍內(nèi)，由于船行波造成的侵蝕強(qiáng)度每年高達(dá)9 500 t/km2，淀山湖沿岸影響區(qū)范圍內(nèi)每年的侵蝕強(qiáng)度也高達(dá)10 400 t/km2。

依據(jù)USLE計(jì)算的上海市土壤侵蝕模數(shù)，并結(jié)合對(duì)上海市主要通航河岸、湖岸坍塌侵蝕范圍和強(qiáng)度的計(jì)算，獲得了上海市不同級(jí)別土壤侵蝕模數(shù)的面積及所占比例(表1)。

表1 上海市土壤侵蝕模數(shù)分級(jí)統(tǒng)計(jì)

按照水利部頒布的《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)，上海市的容許土壤侵蝕模數(shù)為 500 t/(km2·a)。研究結(jié)果表明，上海市水土流失非常輕微，96.71%的面積為微度侵蝕，全市輕度以上﹝＞500 t/(km2·a)﹞的流失面積為207.2 km2，占全市土地總面積的3.29%。嚴(yán)重侵蝕區(qū)主要集中分布在佘山、黃浦江上游及其主要支流攔路港、太浦河、大蒸港和大泖港沿線(xiàn)，吳淞江、大治河等部分河道沿線(xiàn)，以及淀山湖和元蕩的部分岸線(xiàn)，其中骨干河道和湖岸線(xiàn)狀水土流失面積176.9 km2，西部地勢(shì)較高的佘山及附近區(qū)域水土流失面積30.3 km2。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究依據(jù)上海市降雨、土壤類(lèi)型、地形圖和水土保持措施等資料，在GIS技術(shù)支持下，分析了影響水土流失的主要因子，獲得了各像元侵蝕因子圖，應(yīng)用USLE模型計(jì)算獲得了上海市土壤侵蝕模數(shù)及空間分布狀況，并結(jié)合對(duì)上海市主要河岸、湖岸坍塌范圍和強(qiáng)度的計(jì)算，獲得了上海市不同級(jí)別土壤侵蝕模數(shù)的面積及所占比例。該研究成果不但為上海市水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)的劃分提供了重要依據(jù)，而且為今后編制上海市水土保持規(guī)劃和開(kāi)展綜合治理奠定了基礎(chǔ)。

［1］洪偉，吳承禎.Krige方法在我國(guó)降雨侵蝕力地理分布規(guī)律研究中的應(yīng)用［J］.土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1997，3(1)：91-96.

［2］章文波，付金生.不同類(lèi)型雨量資料估算降雨侵蝕力［J］.資源科學(xué)，2003，25(1)：35-41.

［3］楊勤科，郭偉玲，張宏鳴，等.基于DEM的流域坡度坡長(zhǎng)因子計(jì)算方法研究初報(bào)［J］.水土保持通報(bào)，2010，30(2)：203-207.

［4］蔡崇法，丁樹(shù)文，史志華，等.應(yīng)用USLE模型與地理信息系統(tǒng)IDRISI預(yù)測(cè)小流域土壤侵蝕量的研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2000，14(2)：19-24.