基于RUSLE的鑒江流域土壤侵蝕量特征分析

楊 冰，黃 東，李海彬，梁汝豪

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；3.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

1 概述

河道泥沙是河床的重要組成部分，是河道穩(wěn)定、水沙平衡的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也是極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的自然資源，廣泛用作建筑砂石料、吹填造地等。研究泥沙來源以及來沙趨勢(shì)有助于更好地了解流域的泥沙遷移、分配與沉積特征，對(duì)于泥沙輸移平衡以及泥沙挾帶養(yǎng)分及污染物的運(yùn)移過程都具有重要意義[1]。

泥沙來源解析研究可以為針對(duì)關(guān)鍵源區(qū)制定和實(shí)施流域水土保持與水污染控制戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)，也可為河道采砂規(guī)劃提供更可靠的來沙量、沉沙量的計(jì)算[2]。當(dāng)前定量識(shí)別流域泥沙來源的重要方法是泥沙指紋技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是泥沙潛在源地類型可以根據(jù)土壤物質(zhì)特性來區(qū)分[3-5]。但是大范圍的泥沙采樣、分析和監(jiān)測(cè)需要大量經(jīng)費(fèi)、時(shí)間和人力的投入，所以，在一定精度范圍內(nèi)，通過有限的數(shù)據(jù)輸入，得到滿足要求的泥沙來源分析已成為趨勢(shì)[6]。因此對(duì)于很多數(shù)據(jù)資料不完善的地區(qū)，以通用土壤流失方程(RULSE)為代表的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型仍是應(yīng)用最廣泛的泥沙來源分析替代方法。20世紀(jì)80年代以來，我國學(xué)者以RUSLE模型為基礎(chǔ)，也建立了若干個(gè)地區(qū)性的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，如江忠善等考慮淺溝侵蝕對(duì)坡面侵蝕的影響，構(gòu)建的坡面土壤流失預(yù)報(bào)模型[7]劉寶元等建立的中國水土流失方程CSLE[8]。此外，眾多考慮土壤侵蝕過程的物理模型也相繼問世，如美國的WEPP[9]、歐洲的EUROSEM[10]、荷蘭的LISEM[11]、地中海區(qū)域的SEMMED[12]等，而將RUSLE應(yīng)用在鑒江流域的研究尚為少見。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

鑒江流域位于廣東省西南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°20′～111°20′，北緯21°15′～22°30′，地處北回歸線以南，屬熱帶亞熱帶季風(fēng)溫和氣候(如圖1所示)。流域面積為 9 464 km2(其中茂名市境內(nèi)7 949 km2、湛江市境內(nèi)770 km2，廣西境內(nèi)745 km2，本研究范圍不包括廣西境內(nèi)面積)，是廣東省第三大水系。鑒江發(fā)源于廣東省信宜市的良安塘，流經(jīng)信宜、高州、化州、吳川等四縣市到吳川吳陽鎮(zhèn)入南海，全長(zhǎng)為231 km。多年平均徑流量為76.82億m3，平均含沙量為0.56 kg/m3，年平均輸沙量為180萬t。多年平均降雨量為1 739 mm，降雨時(shí)空分布不均，年際變化較大，變化范圍為1 500～2 600 mm。

圖1 鑒江流域地理位置示意

鑒江流域山地面積占30.4%，丘陵面積占55.8%，平原面積占13.8%。上游為風(fēng)化砂壤土，土質(zhì)疏松，含有機(jī)質(zhì)少，肥力低，有的地方植被差，水土流失較多。中游北部以紅壤和水稻土為主，其次為黃壤，南部也有成片黑土分布。中游西部以有機(jī)質(zhì)紅壤土為多。沿江兩岸多屬?zèng)_積土(水稻土)，有機(jī)質(zhì)多，肥力好。下游兩岸屬?zèng)_積砂壤土，滲漏較大。

2.2 修正通用土壤流失方程

本文基于修正通用土壤流失方程(RUSLE)對(duì)鑒江流域的土壤侵蝕情況進(jìn)行評(píng)估。1993年由美國農(nóng)業(yè)部提出的RUSLE是目前全球應(yīng)用最廣泛的水蝕預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚13-14]。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)不斷發(fā)展，基于GIS運(yùn)用RUSLE定量評(píng)估土壤侵蝕以及識(shí)別流域泥沙來源，已成為高效分析區(qū)域水土資源的有效手段，在世界許多國家得到廣泛應(yīng)用和研究。該模型不僅考慮了降雨、土地利用類型、土壤類型以及地形地貌的影響，同時(shí)也考慮了水資源管理和水土保持的影響。它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于估算土壤侵蝕和泥沙溯源分析。RUSLE表達(dá)式為：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中A為單位時(shí)間單位面積上的年平均土壤侵蝕量，t/(km2·a)；R為降雨侵蝕力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·a)，是降水產(chǎn)生的徑流對(duì)土壤造成侵蝕的動(dòng)力指標(biāo)，降雨的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間對(duì)侵蝕有重要影響；K為土壤可蝕性因子，取值范圍為0～1，(t· h)/(MJ·mm)，其反映了土壤對(duì)侵蝕營力分離合搬運(yùn)作用的敏感性；L為坡長(zhǎng)因子；S為坡度因子；C為作物覆蓋與管理因子，取值范圍為0～1，無量綱，表示植被覆蓋和管理措施對(duì)土壤侵蝕的作用，C值越大說明所對(duì)應(yīng)土地利用類型的土壤侵蝕越嚴(yán)重；P為土壤保持措施因子，取值范圍為0～1，無量綱，表示在特定水土保持措施的土壤流失于起伏地耕作的相應(yīng)土壤流失之比，P值越低則減少突然侵蝕的水土保持措施越有效。

2.3 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

RUSLE表達(dá)式中各指標(biāo)因子的計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[13-14]。本研究選取2008—2017年鑒江流域及其周邊地區(qū)共計(jì)14個(gè)雨量觀測(cè)站(見圖1)的月降雨量數(shù)據(jù)計(jì)算鑒江流域近10年年均降雨侵蝕力因子(R)，然后運(yùn)用克利金插值得到全流域的R空間分布示意(見圖2a)；選取源自聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織網(wǎng)站的土壤類型數(shù)據(jù)計(jì)算鑒江流域的土壤可蝕性因子(K)，其空間分布情況見圖2b；選取30×30 m精度的數(shù)字高程模型(DEM)借助ArcGIS10.5中空間分析工具包計(jì)算流域坡長(zhǎng)因子(L)和坡度因子(S)，為研究方便本文將L和S因子合并成1個(gè)因子(LS)，其空間分布情況見圖2c；選取廣東省第三次全國土地調(diào)查成果中的土地覆蓋類型數(shù)據(jù)計(jì)算作物覆蓋管理因子(C)和土壤保持措施因子(P)，其空間分布情況分別見圖2d和圖2e。

a 降雨量侵蝕力因子(R)

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤侵蝕量分析

基于RUSLE表達(dá)式及計(jì)算獲取的降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、坡度坡長(zhǎng)因子(LS)、作物覆蓋管理因子(C)和土壤保持措施因子(P)即可算出鑒江流域土壤侵蝕量空間分布情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，2008—2017年鑒江流域各地的土壤侵蝕量在0～170 452 t/(km2·a)之間。根據(jù)中國水利部在2008年發(fā)布的土壤分類和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL 190—2007)，將本文計(jì)算出來的流域土壤侵蝕量分為6個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高土壤流失量越大。此分類標(biāo)準(zhǔn)的單位是t/(km2·a)，分類情況如下：① 微度：A<500;② 輕度：500≤A<2 500;③ 中度：2500≤A<5 000;④ 強(qiáng)烈：5 000≤A<8 000;⑤ 極強(qiáng)烈：8000≤A<15 000;⑥ 劇烈：A>15 000。本研究利用ArcGIs軟件，對(duì)鑒江流域內(nèi)各空間點(diǎn)計(jì)算出的土壤侵蝕量(A)按照上述分類標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)各侵蝕等級(jí)地區(qū)的面積和占比情況(見表1)。

表1 鑒江流域土壤侵蝕各級(jí)別面積和比例

從計(jì)算結(jié)果看，2008—2017年鑒江流域土壤流失量平均值為4 932 t/(km2·a)，標(biāo)準(zhǔn)差為9 101 t/(km2·a)。按照分類標(biāo)準(zhǔn)鑒江流域雖屬于中度侵蝕但接近強(qiáng)烈侵蝕，表明2008—2017年鑒江流域整體土壤流失水平比較嚴(yán)重。從圖3可以看出，鑒江流域的土壤流失情況絕大部分地區(qū)都是微度、輕度和中度，占到全流域的90.35%，其中侵蝕量最小的地區(qū)在高州市和化州市以南的鑒江下游區(qū)域。強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕的面積(分別為462 km2、301 km2、79 km2)相比之下相對(duì)較少，而且集中分布在流域東北部的山區(qū)地帶。經(jīng)分析鑒江流域引發(fā)土壤侵蝕的自然因素主要有以下方面：① 流域地貌以山地丘陵為主，特別是高州、信宜地區(qū)的山地丘陵區(qū)，土地坡度大，地形起伏大；② 林業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，部分山區(qū)松杉樹等針葉林為主，且部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)林如桉樹林廣布，闊葉林較少，森林生態(tài)質(zhì)量較低，對(duì)水土流失產(chǎn)生潛在威脅；③ 境內(nèi)降雨時(shí)空分布不均，年際變化較大，其變化范圍為1 500～2 600 mm，北部、東部山區(qū)降雨量較大，高州市和化州市以南的流域中下游地區(qū)降雨量最小，電白縣黃沙水庫上游的利洞站多年平均雨量為2 600 mm，是全流域最大的暴雨中心，降雨量大，易誘發(fā)水土流失。

圖3 鑒江RUSLE模型計(jì)算結(jié)果分布示意

3.2 鑒江上游泥沙來源分析

基于土壤侵蝕量計(jì)算結(jié)果，以鎮(zhèn)街為研究單元，對(duì)各鎮(zhèn)街的土壤侵蝕特征(強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕占比，面積，極值，均值，標(biāo)準(zhǔn)差)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)。鑒江流域各鎮(zhèn)街的土壤侵蝕情況分布如圖4所示(圖中侵蝕強(qiáng)度不包含微度、輕度和中度)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，各鎮(zhèn)的土壤侵蝕量均值為0～24 549 t/(km2·a)，其中均值最高的5個(gè)鎮(zhèn)街依次是大坡鎮(zhèn)、羅坑鎮(zhèn)、那霍鎮(zhèn)、硃砂鎮(zhèn)和馬貴鎮(zhèn)，均位于鑒江上游，說明該5鎮(zhèn)是鑒江流域上游的泥沙主要來源區(qū)，各鎮(zhèn)侵蝕情況統(tǒng)計(jì)值詳見表2。

表2 各鎮(zhèn)街土壤侵蝕均值統(tǒng)計(jì)(前5)

圖 4 鑒江流域泥沙來源分布示意

同時(shí)，此5鎮(zhèn)的土壤侵蝕量的標(biāo)準(zhǔn)差分別為4 177 t/(km2·a)、18 078 t/(km2·a)、22 446 t/(km2·a)、11 739 t/(km2·a)和15 131 t/(km2·a)，除了大坡鎮(zhèn)的土壤侵蝕量標(biāo)準(zhǔn)差低于流域均值(9 101 (t/(km2·a))，其余4鎮(zhèn)均遠(yuǎn)高于流域均值，說明鑒江流域土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域并不集中。

此外，本研究還基于各鎮(zhèn)街土壤侵蝕量的分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)侵蝕強(qiáng)度較高(強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕)的3個(gè)級(jí)別在各鎮(zhèn)街內(nèi)的面積占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，3類面積占比之和最高的5個(gè)鎮(zhèn)街分別是羅坑鎮(zhèn)、云潭鎮(zhèn)、那霍鎮(zhèn)、播揚(yáng)鎮(zhèn)和東鎮(zhèn)街道，面積占比之和分別達(dá)到了52.34%、47.37%、43.77%、40.76%和37.48%，各鎮(zhèn)侵蝕情況統(tǒng)計(jì)值詳見表3。說明此5鎮(zhèn)街的土壤侵蝕情況比較嚴(yán)重，至少1/3以上的土地存在強(qiáng)烈及以上等級(jí)的侵蝕，在后期的水土保持工作中需要重點(diǎn)攻堅(jiān)此5鎮(zhèn)街。

表3 各鎮(zhèn)街強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕占比統(tǒng)計(jì)(前5)

3.3 鑒江流域來沙趨勢(shì)分析

根據(jù)RUSLE表達(dá)式的含意可知，影響方程結(jié)果的因素主要有降雨量(R)、土壤類型(K)、土地覆蓋類型(C、P)和下墊面地形(LS)。其中，土壤類型和下墊面地形在2008—2017年間的變化情況可以忽略，土地覆蓋類型雖然有一定變化但其與降雨侵蝕力因子相比數(shù)值量級(jí)差別太大(見圖2)。所以，本研究中認(rèn)為內(nèi)影響區(qū)域土壤侵蝕量的主要因素是降雨量。

利用線性趨勢(shì)回歸對(duì)鑒江流域及其周邊地區(qū)共計(jì)14個(gè)雨量觀測(cè)站2008—2017年的月降雨量數(shù)據(jù)的變化情況進(jìn)行趨勢(shì)分析，顯著性水平α=0.05。結(jié)果如圖5所示，金垌圩、信宜站和馬貴站的降雨趨勢(shì)顯著增大，利垌站的降雨趨勢(shì)顯著減小，剩余10個(gè)雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)變化不顯著?；诮涤炅康淖兓厔?shì)計(jì)算出鑒江流域未來土壤侵蝕量變化的情況(見圖5)可知，信宜市和高州東北部地區(qū)(高州水庫上游地區(qū))降雨趨勢(shì)整體上升，電白東部地區(qū)降雨趨勢(shì)顯著減少。

圖5 鑒江流域來沙趨勢(shì)示意

根據(jù)理論計(jì)算預(yù)測(cè)，信宜市的東鎮(zhèn)街道、池洞鎮(zhèn)、北界鎮(zhèn)、丁堡鎮(zhèn)，高州市的馬貴鎮(zhèn)、古丁鎮(zhèn)、深鎮(zhèn)鎮(zhèn)、平山鎮(zhèn)將是鑒江流域河道泥沙的主要源區(qū)，且未來來沙趨勢(shì)可能會(huì)顯著增高。

4 結(jié)語

本文研究的目的是評(píng)估鑒江流域的土壤侵蝕情況，分析流域泥沙來源以及合理預(yù)估河流來沙趨勢(shì)。利用RUSLE模型，基于土壤覆蓋類型數(shù)據(jù)來評(píng)估鑒江流域2008—2017年的土壤流失情況。結(jié)果表明：

1) 2008—2017年鑒江流域整體土壤流失水平比較嚴(yán)重，土壤流失量年均值為4 932 t/(km2·a)屬于中度侵蝕。

2) 各鎮(zhèn)的土壤侵蝕量均值為0～24 549 t/(km2·a)，其中大坡鎮(zhèn)、羅坑鎮(zhèn)、那霍鎮(zhèn)、硃砂鎮(zhèn)和馬貴鎮(zhèn)土壤侵蝕量均值排名前五，是鑒江流域的泥沙源區(qū)。

3) 羅坑鎮(zhèn)、云潭鎮(zhèn)、那霍鎮(zhèn)、播揚(yáng)鎮(zhèn)和東鎮(zhèn)街道強(qiáng)烈及以上的侵蝕強(qiáng)度占比排名前五，是整個(gè)流域侵蝕情況最嚴(yán)重的地區(qū)。

4) 信宜市和高州東北部地區(qū)(高州水庫上游地區(qū))降雨趨勢(shì)整體上升顯著，因而土壤侵蝕量也將會(huì)顯著上升。

本文的研究結(jié)果對(duì)于水土保持規(guī)劃、預(yù)防和減少水土流失及其相關(guān)領(lǐng)域有較大參考價(jià)值。在后續(xù)的研究中，筆者還將更多關(guān)注各因子的變化機(jī)理以及數(shù)據(jù)源的預(yù)處理，如不同的數(shù)據(jù)插值方式的比較，以此來提高模型的效率和精度。