基于RCSLE的粵西均墟河小流域水土流失動態(tài)變化

張曉遠(yuǎn)，劉朱婷，連少宏，李新堯，舒若杰

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，510635，廣州)

水是生命之源，土是生存之本。水土流失對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)安全、防洪安全及水質(zhì)安全有著重要影響，是我國的主要環(huán)境問題之一[1]。近年來，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊，水土流失是其中之一。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，廣東省水土保持工作獲得了較大的進(jìn)展，但全省范圍特別是粵西山丘區(qū)不同類型的水土流失危害依然頻發(fā)，水土流失防治任務(wù)仍然艱巨[2]，在此背景下研究粵西易發(fā)且潛在危險(xiǎn)較大的山丘區(qū)水土流失動態(tài)變化意義重大。

均墟河小流域位于粵西高州市北部低山丘陵區(qū)，屬廣東省級水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，水土保持區(qū)劃上屬嶺南西部山地丘陵土壤保持防災(zāi)減災(zāi)區(qū)，區(qū)域內(nèi)水土流失在粵西山地丘陵區(qū)具有一定的典型性和代表性。筆者基于“3S”技術(shù)，分別以2017年高分一號和2021年資源一號遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于修正的中國土壤流失方程(revised Chinese soil loss equation, RCSLE)，分析并計(jì)算小流域內(nèi)水土流失單因子，進(jìn)而計(jì)算2017年和2021年流域內(nèi)的土壤侵蝕模數(shù)，利用區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)和高強(qiáng)度侵蝕結(jié)構(gòu)指數(shù)，確定小流域水土流失落地圖斑，并通過差值方法分析其土壤侵蝕強(qiáng)度時(shí)空變化，對均墟河小流域不同時(shí)期的水土流失動態(tài)變化進(jìn)行研究，并通過分析與評價(jià)得出影響流域內(nèi)水土流失的主要因素，同時(shí)有針對性的提出相關(guān)的防治建議，旨在為小流域水土流失綜合防治提供參考[3]，為粵西低山丘陵區(qū)水土流失治理提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

均墟河小流域位于茂名市高州市北部，北鄰信宜市，涉及東安、長坡、坪山和深鎮(zhèn)等4個(gè)鎮(zhèn)區(qū)，面積約155.67 km2，包括高州水庫、良德水庫大部分區(qū)域，水域面積約22.68 km2。小流域?qū)俚蜕角鹆陞^(qū)，地面現(xiàn)狀高程在24～828 m之間(1985國家高程系)，北部高、南部低，土壤類型以赤紅壤為主，易風(fēng)化，抗蝕性弱，植被主要為亞熱帶常綠闊葉林，以人工種植的喬木、灌木為主，林草植被覆蓋率約68%，氣候類型為南亞熱帶季風(fēng)氣候，夏長冬短，氣候溫和，雨量多而集中，年均降雨量在1 800～2 300 mm之間，多年平均降雨量由西南向東北遞增，年平均氣溫22.6 ℃。

2 研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及來源

均墟河小流域1∶5萬DEM數(shù)據(jù)(通過國家基礎(chǔ)地理信息全國空間數(shù)據(jù)庫下載)；高分一號影像數(shù)據(jù)(2017年3月，通過自廣東高分中心下載)見圖1，資源一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)(2021年4月，通過中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心購置)見圖2；降雨數(shù)據(jù)通過高州、信宜市1990—2021年雨量站觀測數(shù)據(jù)獲取，土壤數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場采樣獲取，降雨及土壤點(diǎn)狀數(shù)據(jù)在ArcGIS通過線性插值獲取面狀柵格數(shù)據(jù)；植被覆蓋與生物措施因子利用影像計(jì)算(歸一化植被指數(shù)(normalized differential vegetation index, NDVI)獲取，水土保持措施數(shù)據(jù)通過遙感影像、現(xiàn)場調(diào)查并結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)獲取。

圖1 均墟河小流域2017年遙感影像Fig.1 Remote sensing image of Junxu River small watershed in 2017

圖2 均墟河小流域2021年遙感影像Fig.2 Remote sensing image of Junxu River small watershed in 2021

2.2 水土流失動態(tài)成果分析計(jì)算

2.2.1 遙感影像處理 搜集均墟河小流域遙感影像并進(jìn)行處理，用于解譯土地利用和水土保持措施；對搜集到的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、輻射校正、大氣校正，同時(shí)進(jìn)行圖像增強(qiáng)、融合、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理[4]；同時(shí)收集2014年1月—2016年12月和2018年1月—2020年12月每年24個(gè)半月MODIS NDVI數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、空值確認(rèn)與去除等影像預(yù)處理。

2.2.2 水土流失單因子分析計(jì)算

1)提取2期小流域歸一化植被指數(shù)，計(jì)算植被覆蓋與生物措施因子(B)；2)基于高分辨率衛(wèi)星遙感影像并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查成果，解譯小流域土地利用現(xiàn)狀、水土保持措施數(shù)據(jù)，計(jì)算工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)[5]；3)基于數(shù)字地形圖(digital line graphic)提取等高線、高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過三維空間分析，生成DEM并計(jì)算坡長因子(L)和坡度因子(S)；4)搜集小流域及附近雨量站日均降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)威斯奇邁爾降水侵蝕力計(jì)算公式，計(jì)算單個(gè)雨量站的降雨侵蝕力因子(R)，再通過線性插值，得到研究區(qū)降雨侵蝕力因子(R)[6]；5)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查以及收集的觀測資料和水土保持情況普查中的土壤可蝕性計(jì)算方法，通過更新得到土壤可蝕性因子(K)[7]。

2.2.3 土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算及強(qiáng)度分級 結(jié)合小流域外業(yè)調(diào)查情況，經(jīng)分析，影響小流域水土流失主要因素有地形地貌、降雨、土壤、水土保持措施、土地耕作方式等[8]，考慮各個(gè)因素的不同重要性以及研究區(qū)實(shí)際情況，在大量外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)整理已有資料的基礎(chǔ)上，本次土壤侵蝕計(jì)算采用RCSLE ：

A=RKLSBETM。

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子， t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L為坡長因子，量綱為1；S為坡度因子，量綱為1；B為植被覆蓋與生物措施因子，量綱為1；E為工程措施因子，量綱為1；T為耕作措施因子，量綱為1[9]；M為為修正系數(shù)，量綱為1，依據(jù)土地利用現(xiàn)狀、水土保持措施、地形地貌以及外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)等采取不同修正系數(shù)。

利用ArcGIS的空間分析功能，將RUSLE 的8個(gè)因子圖層進(jìn)行柵格計(jì)算，獲得以柵格像元為單元的土壤侵蝕模數(shù)，根據(jù)土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，重分類后得到小流域土壤侵蝕強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)[10]。

點(diǎn) 評：文章采用擬人的修辭手法寫校園的美景，語言優(yōu)美生動，全文有詳有略，謀篇布局合理，題目也很有新意，是一篇理想的作文。

B：biological-control factor; T: tillage measure factor; E: engineering measure factor; R: rainfall erosion factor; K: soil erodibility factor; L: slope length factor; S: slope factor.圖3 均墟河小流域水土流失動態(tài)變化研究技術(shù)路線Fig.3 Technical roadmap for dynamic change of soil and water loss in Junxu River small watershed

2.2.4 水土流失落地圖斑計(jì)算 水土流失落地圖斑指以區(qū)域內(nèi)土地利用現(xiàn)狀地塊為單元，通過計(jì)算地塊平均土壤侵蝕模數(shù)和高強(qiáng)度指數(shù)(地塊內(nèi)強(qiáng)烈及以上高強(qiáng)度侵蝕面積占地塊內(nèi)水力侵蝕面積之比)，計(jì)算出的土壤侵蝕強(qiáng)度為輕度及其以上的矢量化圖斑[11]；將地塊按平均土壤侵蝕模數(shù)從大到小排序，依次累計(jì)地塊面積；當(dāng)累計(jì)的地塊面積與區(qū)域內(nèi)各地塊基于柵格數(shù)據(jù)計(jì)算的侵蝕面積相對誤差小于0.5%時(shí)，對應(yīng)所有地塊為初選的水土流失落地圖斑(N蝕k)，其余地塊為非水土流失落地圖斑(N非k)；累計(jì)已按地塊平均模數(shù)降序排列的N蝕k地塊面積，當(dāng)各強(qiáng)度等級水土流失落地圖斑累計(jì)面積與區(qū)域內(nèi)基于柵格數(shù)據(jù)計(jì)算的侵蝕強(qiáng)度等級面積相對誤差小于1%時(shí)，逐級判定N蝕k的侵蝕強(qiáng)度，N非k均為微度。將初步確定的每類土地利用的水土流失落地圖斑N蝕k地塊合并為N蝕，對應(yīng)累計(jì)面積為SN蝕；然后將SN蝕與區(qū)域內(nèi)基于柵格統(tǒng)計(jì)的侵蝕面積對比，依次在N非k中挑選水土流失比例≥10%，且高強(qiáng)度指數(shù)≥0.167的地塊，當(dāng)其相對誤差小于1%時(shí)，將挑選的地塊作為水土流失落地圖斑N蝕非高，如果相對誤差仍未小于1%，則將所有未選中的地塊按土壤侵蝕模數(shù)降序依次累計(jì)達(dá)到目標(biāo)值，將挑選的地塊作為水土流失落地圖斑N蝕非低，最終確定的水土流失落地圖斑為N蝕+N蝕非高+N蝕非低。

文中水土流失現(xiàn)狀以水土流失落地圖斑形式展現(xiàn)，利用均墟河小流域2017和2021年的土壤侵蝕計(jì)算成果和現(xiàn)狀土地利用數(shù)據(jù)，通過水利部水土保持監(jiān)測中心開發(fā)的 “水土流失圖斑與判斷軟件”，計(jì)算并確定2期水土流失落地圖斑，得到2期均墟河小流域水土流失落地圖斑空間分布圖。

2.2.5 水土保持措施布設(shè) 根據(jù)2期小流域水土流失現(xiàn)狀、類型及空間分布等特點(diǎn)以及區(qū)域國土空間規(guī)劃，對流域內(nèi)不同地區(qū)、不同程度及類型的水土流失采取差別化防治思路，針對不同水土流失治理區(qū)，有針對性的布設(shè)相關(guān)水土保持防治措施(圖3)。

3 水土流失動態(tài)變化分析及防治方略

3.1 水土流失計(jì)算結(jié)果及變化分析

基于RCSLE模型，對水土流失單因子進(jìn)行疊加相乘，得到小流域土壤侵蝕模數(shù)，分類后得到土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖[12]，進(jìn)行圖斑落地計(jì)算后，分別得到2017和2021年水土流失現(xiàn)狀圖(圖4和5)。

圖4 均墟河小流域2017年水土流失現(xiàn)狀Fig.4 Current situation of soil and water loss in Junxu River small watershed in 2017

圖5 均墟河小流域2021年水土流失現(xiàn)狀Fig.5 Current situation of soil and water loss in Junxu River in small watershed in 2021

3.1.1 2017年水土流失概況 由表1及圖4可見，2017年均墟河小流域水土流失主要為自然侵蝕、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目和坡耕地侵蝕，面積約55.72 km2，占流域面積的35.70%；其中自然侵蝕面積約20.79 km2，占流域面積的13.36%，占侵蝕面積的37.31%；坡耕地侵蝕面積約34.79 km2，占流域面積的22.35%，占侵蝕面積的62.44%；自然侵蝕以輕度、中度侵蝕為主，主要分布在高州水庫東側(cè)低山丘陵地帶以及北部、東部低山丘陵區(qū)；流域內(nèi)土壤侵蝕以坡耕地為主，侵蝕程度上以中度、強(qiáng)烈侵蝕為主，村鎮(zhèn)周邊農(nóng)林開發(fā)建設(shè)活動密集，坡耕地廣泛分布，集中分布于北部、東部水源條件相對較好的低山丘陵區(qū)。

3.1.2 2021年水土流失概況 由表1及圖5可見，2021年均墟河小流域水土流失面積約31.75 km2，占流域面積的20.28%。其中自然侵蝕面積約15.44 km2，占流域面積的9.92%，占侵蝕面積的48.92%；坡耕地侵蝕面積約16.13 km2，占流域面積的10.36%，占侵蝕面積的50.80%；相比2017年，流域內(nèi)水土流失面積及強(qiáng)度“雙下降”，自然侵蝕和坡耕地面積均有不同程度的減少；自然侵蝕以輕度為主，占總侵蝕面積的比例約36.09%，主要分布在北部低山丘陵區(qū)，東部及高州水庫周邊也有零星分布；流域內(nèi)坡耕地侵蝕以輕度為主，相比2017年，坡耕地侵蝕下降幅度較大，現(xiàn)存坡耕地集中分布于流域北部、東部低山丘陵區(qū)。

3.1.3 2017—2021年水土流失動態(tài)變化情況分析 綜上，相比2017年，侵蝕面積方面，2021年均墟河小流域水土流失面積大幅減少，降幅約43.02%；侵蝕類型方面，坡耕地侵蝕降幅最大，高達(dá)53.63%，其中中度、強(qiáng)烈侵蝕降幅分別高達(dá)81.35%和84.06%，而輕度侵蝕有所增加，增加了約1.4倍，坡耕地侵蝕得到較好改善，中度以上侵蝕大幅下降，侵蝕程度也有所減輕。自然侵蝕面積下降幅度也較大，降幅達(dá)25.73%，此外中度以上侵蝕面積也大幅減少。從現(xiàn)狀水土流失的分布空間上看，高州水庫周邊的坡耕地侵蝕、自然侵蝕面積大幅下降，但流域北部、東北部仍有大面積的坡耕地分布區(qū)，高州水庫庫區(qū)周邊仍存在不同程度的自然水土流失，上述區(qū)域是水土流失的重點(diǎn)治理區(qū)域。

表1 均墟河小流域2017—2021年水土流失動態(tài)變化Tab.1 Dynamic changes of soil and water loss in Junxu River small watershed (2017—2021)

總體上，經(jīng)過5年左右的小流域水土流失綜合治理及自然生態(tài)恢復(fù)，雖然區(qū)域水土流失面積及程度均有較大改觀，取得了一定的治理成效，但各種類型的侵蝕仍廣泛存在，亟需結(jié)合小流域水土流失類型、空間分布特征，對流域進(jìn)行分區(qū)防治，采取不同的預(yù)防、治理及監(jiān)督管理措施，合理防治流域水土流失。

3.2 小流域水土流失重點(diǎn)防治方略

結(jié)合小流域水土流失動態(tài)變化特征及發(fā)展趨勢，近年來流域內(nèi)自然和坡耕地侵蝕均得到不同程度治理，但流域內(nèi)北部、東北部仍存在大面積的侵蝕區(qū)域，并且流域內(nèi)土壤侵蝕程度、類型、植被蓋度及坡度等差異較大，需結(jié)合區(qū)域國土空間規(guī)劃，對水土流失采取差別化治理。

1)合理劃分防治分區(qū)，差別化治理。以小流域內(nèi)不同水土流失地塊為基礎(chǔ)，結(jié)合重要水源地、生態(tài)公益林及土地利用現(xiàn)狀等資料，結(jié)合區(qū)域國土空間規(guī)劃，將流域劃分為生態(tài)保護(hù)區(qū)、治理開發(fā)區(qū)和重點(diǎn)整治區(qū)3個(gè)類型區(qū)[13]，根據(jù)各區(qū)特點(diǎn)明確各流域水土流失防治重點(diǎn)與方向，針對流域水土流失狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異，采用差別化的防治思路。其中，生態(tài)保護(hù)區(qū)主要為高州水庫、良德水庫及周邊200 m范圍區(qū)域，區(qū)域現(xiàn)狀植被茂密，水土流失輕微，需采取封禁、近庫濱水區(qū)生物隔離帶等措施，實(shí)施生態(tài)清潔型小流域建設(shè)，提高林草植被水源涵養(yǎng)和水土保持能力，控制泥沙及面源污染物，維護(hù)飲水安全；治理開發(fā)區(qū)指流域內(nèi)庫區(qū)東側(cè)旱地、園地集中分布區(qū)，地貌以丘陵為主，坡耕地廣布，土壤侵蝕以坡耕地侵蝕為主，通過建設(shè)坡改梯、修建田間道路、田埂等工程措施和實(shí)施退耕還林、營造水保林等植物措施相結(jié)合治理水土流失；重點(diǎn)整治區(qū)主要為流域內(nèi)村鎮(zhèn)周邊區(qū)域，一般坡度較緩，主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、開發(fā)建設(shè)以及人民居住區(qū)，需嚴(yán)格控制各類人為開發(fā)活動，實(shí)施開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目準(zhǔn)入制，規(guī)范采石、采礦、取土活動，加強(qiáng)開發(fā)建設(shè)活動監(jiān)督管理，實(shí)施清潔小流域治理。

2)加大預(yù)防保護(hù)措施，促進(jìn)生態(tài)修復(fù)。推進(jìn)高州水庫水源地清潔小流域建設(shè)，控制水土流失，減輕面源污染；加大生態(tài)自然修復(fù)和水土保持林、水源涵養(yǎng)林建設(shè)的力度，通過建設(shè)植被保護(hù)帶等措施，控制水土流失，減輕面源污染，保護(hù)水源水質(zhì)；對低山、丘陵區(qū)植被進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，適當(dāng)開展林分改造，盡量減少人為活動；在流域內(nèi)水庫周邊加強(qiáng)水源涵養(yǎng)林、水土保持林的建設(shè)和保護(hù)，嚴(yán)防因植被受到破壞而造成水土流失。

3)開展水土流失動態(tài)監(jiān)測，實(shí)施精準(zhǔn)化治理。在流域內(nèi)高州水庫上游設(shè)立卡口站，布設(shè)水土保持野外調(diào)查單元，定點(diǎn)定期對流域水土流失進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測信息采集的軟、硬件環(huán)境建設(shè)，加強(qiáng)新理論、新技術(shù)的研究和運(yùn)用，提高監(jiān)測技術(shù)水平，結(jié)合GIS/RS等技術(shù)手段，開展均墟河小流域水土流失動態(tài)監(jiān)測，及時(shí)掌握小流域水土流失變化特征、趨勢及治理成效，為水土流失精準(zhǔn)化治理提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4)推進(jìn)坡耕地治理，高質(zhì)量治理水土流失。5年期間，均墟河小流域內(nèi)坡耕地侵蝕治理取得了一定成效，但現(xiàn)狀坡耕地侵蝕占總侵蝕面積的比例仍高達(dá)50.80%；需高質(zhì)量推進(jìn)小流域坡耕地治理，合理開發(fā)和水土流失防治并重，推進(jìn)25°以上陡坡地退耕還林，實(shí)施保土耕作、緩坡地修建梯田、采取條帶狀和保留種植帶間的植被等水土保持措施，避免“剃光頭”式的植被毀壞和全墾整地。

4 結(jié)論

1)基于2017和2021年國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星遙感影像，利用GIS和RS技術(shù)，依據(jù)修正的RCSLE模型，計(jì)算2017、2021年均墟河小流域現(xiàn)狀水土流失，2期水土流失總面積分別為55.72和31.75 km2，分別占流域面積的35.70%和20.28%，自然侵蝕和坡耕地侵蝕在2期計(jì)算結(jié)果中均超過99%。

2)5年期間，經(jīng)過流域水土流失綜合治理和生態(tài)修復(fù)，水土流失面積減少23.97 km2，減少比例約43.02%。其中坡耕地侵蝕和自然侵蝕面積減少為分別為18.66和5.35 km2，降幅為53.63%和25.73%。侵蝕面積減少區(qū)域主要分布在高州水庫周邊，但小流域北部、東北部仍有大面積各類型侵蝕分布，是小流域治理水土流失的重點(diǎn)區(qū)域。

3)雖然近年來小流域水土流失治理取得一定成效，但水土流失面積仍高達(dá)20.28%，治理任重道遠(yuǎn)。在分析2期水土流失現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，通過對比2期土壤侵蝕強(qiáng)度及其空間分布特征，結(jié)合區(qū)域國土空間規(guī)劃，提出了采取差別化水土流失防治方略：根據(jù)不同水土流失類型區(qū)特點(diǎn)，明確流域內(nèi)水土流失防治重點(diǎn)與方向，針對小流域水土流失空間分布、國土空間規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異性，采用差別化的治理的思路；同時(shí)提出了加大預(yù)防力度、促進(jìn)自然生態(tài)修復(fù)，開展水土流失動態(tài)監(jiān)測、精準(zhǔn)化治理，以及推進(jìn)坡耕地治理、高質(zhì)量防治水土流失等防治方略。研究成果可為粵西小流域水土流失防治提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。