小流域水土保持遙感監(jiān)測方法研究

何佩詩，張 璐

(湖北志宏水利水電設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430070)

水土流失不僅導(dǎo)致土壤肥力喪失、土體砂礫化、植被減少和農(nóng)作物減產(chǎn)，而且產(chǎn)生更為甚遠(yuǎn)而嚴(yán)重的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會影響，比如水資源的污染、干旱災(zāi)害發(fā)生以及區(qū)域貧困化現(xiàn)象加劇等[1-2]。為掌握研究區(qū)域(治理區(qū)域)內(nèi)水土侵蝕的時(shí)空演化過程，需對區(qū)域內(nèi)的土壤條件、地形地貌、地質(zhì)水文、植被農(nóng)作物等進(jìn)行監(jiān)測，以為流域的水土流失治理以及生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供決策依據(jù)[3]。

1 研究理論

1.1 水土保持遙感解譯方法

航空攝影技術(shù)的發(fā)展大大拓展了人類對自然的認(rèn)識，以更加多為的時(shí)空尺度和宏觀角度研究地球科學(xué)與地理系信息。遙感技術(shù)就是航空攝影的具體應(yīng)用，利用高空影像信息獲取地表的特征信息，可以廣泛應(yīng)用于地形測量、環(huán)境治理以及水土流失監(jiān)測等。本文嘗試?yán)妹绹鳯ANDSAT TM陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及中國環(huán)境災(zāi)害衛(wèi)星HJ數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)提取，覆蓋時(shí)間長度為2017—2021年，影響的空間分辨力為30m，另外根據(jù)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的高程和地形情況，采用ASTER遙感數(shù)據(jù)生成數(shù)值高程數(shù)據(jù)以及地形因子坡度S數(shù)據(jù)[4]。在完成遙感影響數(shù)據(jù)提取之后，對其進(jìn)行預(yù)處理，比如云標(biāo)識和數(shù)據(jù)合成等，并按照分類標(biāo)準(zhǔn)嘗試對部分光譜區(qū)分明顯的圖像進(jìn)行解譯，同時(shí)也對分裂標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行同步修改，以更新分類標(biāo)準(zhǔn)，避免同譜異物和信息重疊現(xiàn)象發(fā)生，也通過標(biāo)準(zhǔn)的更新達(dá)到糾正影響解譯準(zhǔn)則，提高解譯精度的目的[5]。隨后，進(jìn)入人機(jī)交互解譯階段，對遙感影響地形進(jìn)行勾勒、甄別，解譯成果與現(xiàn)場實(shí)地勘察的結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，同步到地也對影像進(jìn)行拓?fù)錂z查、完善，避免空白圖斑的現(xiàn)象發(fā)生，最終復(fù)合解譯精度并輸出成果。具體的遙感解譯方法如圖1所示。

圖1 遙感數(shù)據(jù)處理及解譯流程

1.2 區(qū)域水土流失評價(jià)地形因子指標(biāo)提取

在水土流失評價(jià)數(shù)學(xué)函數(shù)模型中，Williams提出的改進(jìn)通用土壤侵蝕方程應(yīng)用較為廣泛，其包含的參數(shù)考慮了地表徑流Q(地質(zhì)水文因子)、降雨峰值qpeak(降雨因子)、地形因子La、植被覆蓋率Ca(植被因子)、土壤含礫石百分比D、土壤侵蝕系數(shù)k(土壤因子)。水土流失量Sed的具體計(jì)算公式如方程(1)所示[6-7]。

Sed=12×(Q·qpek·A)0.56·k·Ca·p·La·D

(1)

式中，A—流域面積；p土壤防水土流失措施因子。

地形因子La的計(jì)算公式，由公式(2)—(3)得出[8-10]。

La=L×S

(2)

(3)

式中，坡長—L，m；S—坡度因子；θ—坡度值確定。

2 流域的水文特征及年徑流深度擬合分析

2.1 研究流域的水文特征分析

十堰市鄖陽區(qū)位于湖北省西北部(山區(qū))，漢江中上游，鄂、豫、陜3省交界處，與西鄰的鄖西為本省最北的兩個(gè)縣、區(qū)，屬丹江、黃龍庫區(qū)和秦巴山區(qū)，是一個(gè)集“老、少、邊、山、庫”于一體的國家級貧困縣、區(qū)。地跨東徑110°07′～111°16′，北緯32°25′～33°15′之間。全區(qū)轄20個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場)，341個(gè)村委會，1743個(gè)村民小組，63.31萬人(農(nóng)業(yè)人口49.8萬人)，勞力26.99萬個(gè)。鄖陽區(qū)東南接丹江口市，東北與河南省淅川縣交錯(cuò)接壤，西北與陜西省商南縣、湖北省鄖西縣相連，西及西南分別與陜西省白河縣、湖北省竹山縣、房縣毗鄰。南距十堰市區(qū)34km，東南距省會武漢市535km。國土總面積3863km2。

鄖陽區(qū)境內(nèi)共有大小河流769條，按河流長度分：5km以上河流139條，其中10km以上63條，20km以上19條，1～5km的有630條；按流域面積分：集雨面積5km2以上139條，其中20平方km以上55條，50km2以上26條，100km2以上13條。全區(qū)河流呈樹枝狀、羽毛狀分布、河流總長度3351km，河網(wǎng)密度0.87km/km2。如圖2所示。

圖2 研究流域水系分布

鄖陽區(qū)境內(nèi)河流屬長江流域漢江水系。境內(nèi)地勢呈自南北西逐漸向中部傾斜的特點(diǎn)，因此，漢水入境后，由西向東從中部流過，除滔河與漢水近乎平行匯入丹江，屬間接匯入漢水外，其它河流分別由南北直接注入漢水，形成向心狀水系。境內(nèi)河流受地形的影響流程一般都較短，50km以上的內(nèi)河只有曲遠(yuǎn)河和將軍河，其它河流長度大都在20km以下，這些河流具有長度短、匯流快、落差大的特點(diǎn)，山洪頻繁，危害甚大。比降在12%～30%之間，河道狹窄，伴有巖坎跌水，不利航運(yùn)，但水能資源較豐富。根據(jù)調(diào)查計(jì)算，全區(qū)的水能的理論蘊(yùn)藏量89814Kw，可開發(fā)量33262Kw，占理論蘊(yùn)藏量的37%。

巨家河地跨十堰市鄖陽區(qū)白桑關(guān)鎮(zhèn)、安陽鎮(zhèn)兩鎮(zhèn)，為漢江中游左岸的一級支流，屬漢江水系，發(fā)源于鄖陽區(qū)白桑關(guān)鎮(zhèn)秀峪溝村三保寨(高程1002.1m)。巨家河沿途流經(jīng)白桑關(guān)鎮(zhèn)秀峪溝村、下院、麻花鋪村、白桑關(guān)鎮(zhèn)、猴猿溝村、柏營村、淘溝河村、白灣村、安陽鎮(zhèn)寨溝村、陳營村、李營村、小河村、龍門塘村，從龍門塘村匯入漢江丹江口水庫。巨家河主河道可分為3段：上游淘溝河段，中間巨家河水庫段、下游龍門河段，其中在巨家河水庫以上的上游段叫淘溝河，巨家河水庫以下下游段稱龍門河。主河道全長40km，流域面積229km2(包括塘耳溝)。流域最高點(diǎn)高程1002.1m(位于三保寨)，最低點(diǎn)高程150m(位于龍門堂村趙家院)，相對高差約852m。流域?yàn)樯絽^(qū)呈長帶形，植被良好。

大溝河為巨家河中游左岸的一級支流，屬漢江水系，發(fā)源于鄖陽區(qū)安陽鎮(zhèn)二龍山村大龍山(高程1083m)，其中高廟河支流匯入口以上的主河段又稱為上、下塘河，其下河段又稱大溝河。河流上游流向由南向北，中游為由東流向西，下游轉(zhuǎn)為由北向南，沿途流經(jīng)二龍山村大龍山、龍?zhí)稖洗?、董家營、上塘河、下塘河、白馬堰，于白灣與淘溝河匯入巨家河水庫。主河道全長14.2km，流域面積52.5km2。流域?yàn)樯絽^(qū)橢圓形，植被良好。

楊家河屬大溝河左岸支流，為巨家河中游左岸的二級支流，屬漢江水系，發(fā)源于鄖陽區(qū)安陽鎮(zhèn)二龍山村大龍山西部(高程1083m)。河流上游流向由南向北，中下游轉(zhuǎn)為由東北流向西南，沿途流經(jīng)北坡、魏家山、銀山河、張家堡、楊家河村、李家院、王家院，在詹家營附近下游匯入大溝河。主河道全長6.7km，流域面積7.3km2。流域?yàn)樯絽^(qū)呈長帶形。

2.2 研究流域的年徑流深度擬合分析

研究巨家河江灣水文站作為水土保持徑流量計(jì)算的參證站，研究收集有江灣水文站1959—1990年共32年的實(shí)測月徑流資料，以及1959—2013年共55年的系列降雨資料。按相關(guān)規(guī)范的要求，應(yīng)延長徑流系列至近年，則應(yīng)插補(bǔ)延長其徑流系列，因此，需要對江灣站1959—1990年32年徑流與同期降雨建立相關(guān)關(guān)系，然后展延徑流系列。年徑流深度與降雨量擬合計(jì)算方法如公式(4)～(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式中，Cvx—降雨量x的離差系數(shù)；Kxi—降雨量x的年均系數(shù)；Cvy—年徑流深度y的離差系數(shù)；Kyi—年徑流深度y的年均系數(shù)；r—擬合相關(guān)系數(shù)。

擬合計(jì)算過程見表1，擬合結(jié)果由公式(7)得出，擬合相關(guān)系數(shù)為0.893。

表1 研究流域降雨量與徑流量的擬合關(guān)系

y=0.41x-51.42

(7)

式中，y—年徑流深度，mm；x—降雨量，mm。

3 水土保持遙感監(jiān)測結(jié)果分析

基于遙感航空攝影及解譯技術(shù)，提取地形因子指標(biāo)，對區(qū)域內(nèi)水土流失進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算研究流域內(nèi)水土流面積占總面積的百分比、平均侵蝕模數(shù)，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，講究區(qū)域內(nèi)的水土流失侵蝕程度可以劃分為6個(gè)等級，分別為微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈，同一水土流失程度等級下，不同年份的水土流失面積占總面積的百分比，呈現(xiàn)一定程度的波動，但波動范圍較小，即數(shù)值上較為接近；在同一年份下，隨著水土流失侵蝕程度的加劇，水土流失面積占總面積的百分比逐步減小，而平均侵蝕模數(shù)則不斷增加。從微度侵蝕向劇烈侵蝕變化時(shí)，隨著侵蝕強(qiáng)度的增加，不同侵蝕等級的水土流失面積占比也逐漸減小，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的水土流失侵蝕等級主要為微度侵蝕和輕度侵蝕，兩者的面積占比之和大于70%。

表2 監(jiān)測區(qū)域內(nèi)不同水土侵蝕程度的水土流失面積占總面積的百分比

2021年度研究流域內(nèi)地形因子指標(biāo)(坡度)與水土流失面積之間的相關(guān)關(guān)系見表3。從表3中可以看出，地形因子指標(biāo)可以大致劃分為6個(gè)區(qū)間，分別為0°～15°、15°～30°、30°～45°、45°～60°、60°～75°和75°～90°。流域內(nèi)的水土流失面積主要集中在坡度角度較小的范圍內(nèi)，水土流失治理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)放在地形坡度小于30°時(shí)的水土侵蝕治理，而坡度角度大于75°時(shí)，水土流失的面積較小。

表3 2021年監(jiān)測區(qū)域內(nèi)不同坡度等級條件下水土流失面積

4 結(jié)語

以十堰市鄖陽區(qū)的水土保持監(jiān)測為研究對象，在分析流域水文特征及徑流量深度基礎(chǔ)上，采用遙感技術(shù)對流域內(nèi)的水土流失特征地形因子指標(biāo)體系進(jìn)行構(gòu)建，得到以下結(jié)論。

(1)流域內(nèi)年徑流深度與降雨量就有顯著的線性關(guān)系；從微度侵蝕向劇烈侵蝕變化時(shí)，隨著侵蝕強(qiáng)度的增加，不同侵蝕等級的水土流失面積占比也逐漸減小，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的水土流失侵蝕等級主要為微度侵蝕和輕度侵蝕，面積占比超過70%。

(2)流域內(nèi)的水土流失面積主要集中在坡度角度較小的范圍內(nèi)，水土流失治理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)放在地形坡度小于30°時(shí)的水土侵蝕治理。