基于GIS的三江源區凍融侵蝕強度評價

李成六,馬金輝,唐志光,周 偉

(蘭州大學西部環境教育部重點實驗室,甘肅蘭州 730000)

基于GIS的三江源區凍融侵蝕強度評價

李成六,馬金輝,唐志光,周 偉

(蘭州大學西部環境教育部重點實驗室,甘肅蘭州 730000)

GIS;凍融侵蝕;強度評價;三江源區

在 GIS技術的支撐下實現了三江源凍融侵蝕區范圍的界定,然后選取氣溫年較差、坡度、坡向、植被覆蓋度、年降水量等因素作為強度評價指標,提出了適合三江源區的凍融侵蝕強度評價標準,并借助GIS技術完成了三江源區凍融侵蝕強度評價。結果表明:三江源凍融侵蝕區分布范圍廣,區域分異特征明顯;凍融侵蝕強度分布不一,高強度凍融侵蝕主要分布在地形起伏較大的山區,而低強度凍融侵蝕則主要分布在地勢較平坦區。

凍融侵蝕是高寒地區由于溫度變化,導致土體或巖石的水分發生相變、體積發生變化以及由于土壤或巖石不同礦物的差異膨脹,造成土體或巖石機械破壞并在重力等作用下被搬運、遷移、堆積的過程。有研究表明,凍融侵蝕可以改變土壤的性質,進而影響土壤的可蝕性[1],同時土壤凍融作用還具有時間和空間的差異性,進而影響到坡面土體的穩定,增加水土流失量[2]。

三江源區是黃河、長江和瀾滄江的源頭地區,是我國乃至世界的生態安全制高點,它通過黃河、長江和瀾滄江水系將源區的生態環境與我國東部、全國乃至東亞的生態環境緊密聯系在一起。三江源區位于青藏高原腹地,其海拔高、氣溫低、溫差大的氣候特性為凍融侵蝕的發生創造了條件。凍融侵蝕是該區最主要的侵蝕類型,也是該區所面臨的主要生態環境問題之一[3]。因此,開展三江源區凍融侵蝕研究,對于完善凍融侵蝕理論和科學保護該區生態環境具有重要的意義。

目前,對三江源區凍融侵蝕問題的深入研究尚比較缺乏。吳萬貞等[4]研究了三江源區凍融侵蝕分布范圍、分布規律以及評價指標體系,但其所得出的凍融侵蝕分布范圍比較宏觀、粗略,且其侵蝕強度評價方法也比較簡單,有進一步完善改進的必要。本研究通過應用GIS技術來實現三江源區凍融侵蝕分布范圍的精確界定,并改進評價方法,完成了對該區凍融侵蝕強度的評價。

1 研究區概況

三江源區位于我國西部的青藏高原腹地,行政區域涉及青海省玉樹、果洛、海南、黃南 4個藏族自治州的 16個縣和格爾木市的唐古拉鄉以及甘肅省的瑪曲縣和阿壩縣,總面積約 39.1萬km2。在 2008年度三江源預防保護區水土流失監測中,綜合考慮行政邊界、流域邊界以及區內植被覆蓋狀況等因素,以流域邊界內植被覆蓋較好、便于行政管理為原則劃定了三江源預防保護區的邊界,其地理位 置介于東經 90°45′— 102°29′、北 緯 31°32′— 36°32′之間,面積約為 25.9萬 km2,約占整個三江源地區面積的 66%。本研究以三江源預防保護區作為研究區域。

2 凍融侵蝕區范圍界定

2.1 理論方法

凍融侵蝕區是指具有強烈凍融作用的寒冷氣候條件,凍融作用是最普遍、最主要的外力侵蝕過程,同時應有相應的凍融侵蝕地貌形態表現的區域。目前,針對確定青藏高原凍融侵蝕區范圍的理論與方法有眾多研究,其中以張建國等[5-6]的研究為代表。張建國等的研究取冰緣區的下界作為凍融侵蝕區的下界,并認為冰緣區下界比多年凍土區下界低 200m左右,然后取年均溫-2.5℃作為多年凍土帶的下界。根據年均溫、緯度、經度及海拔的回歸方程計算出年均溫-2.5℃的海拔,從而得出凍融侵蝕區的下界海拔,這就獲得了準凍融侵蝕區的基本范圍,再從中剔除沙漠化區和冰川區,就可得到凍融侵蝕區的范圍。

該理論方法在青藏高原上具有普遍的適用性,因此本研究應用該方法進行三江源凍融侵蝕區范圍界定。利用源區 41個氣象站 30年氣溫觀測數據對源區年均氣溫(T,℃)與經度(X,°)、緯度(Y,°)及海拔(H,m)的關系進行多元線性回歸分析(F=360.63,通過P=0.05的顯著性檢驗),得出回歸方程為

由此可推出三江源凍融侵蝕區下界海拔的計算公式為

2.2 凍融侵蝕區分布圖的獲取

三江源區凍融侵蝕區范圍界定的技術路線如圖1所示。

研究中所用 DEM數據是國家 1∶25萬 90m分辨率數據,冰川分布、沙漠化分布數據是基于三江源區 2007年 9月 17—20日的北京一號衛星(BJ-1)多光譜遙感影像解譯所得。按上述技術路線得到如圖 2所示的三江源區凍融侵蝕分布圖,統計各區面積可得到凍融侵蝕區面積為 21.6萬km2,非凍融侵蝕區面積為4.3萬 km2,分別占研究區總面積的 83.4%和 16.6%。

3 侵蝕強度評價

3.1 侵蝕強度評價的相關指標

3.1.1 氣溫年較差

土溫周期性的變化直接決定著土壤凍結和融化的深度和程度,溫差越大凍融深度就越大,反之則小。然而,影響凍融侵蝕的溫度指標卻很難獲得。由于青藏高原氣溫和地溫具有高的相關性,因此可用氣溫替代地溫作為凍融侵蝕強度評價的指標[7]。本研究選取氣溫年較差作為凍融侵蝕強度評價的指標之一。

利用三江源區41個氣象站 30年的氣溫觀測數據對源區的氣溫年較差(T)與經度(X)、緯度(Y)及海拔(H)進行多元線性回歸分析,得出的回歸方程(F=61.85,通過 P=0.05的顯著性檢驗)為

3.1.2 坡度與坡向

坡度影響著侵蝕量和侵蝕位移的大小,坡度越大,凍融侵蝕產物被輸送的就越多越遠。坡向的差異影響著凍融侵蝕的強度,陽坡接受太陽輻射量大,土壤晝夜溫差大,凍融侵蝕強烈,陰坡則相反。

3.1.3 植被覆蓋度

植被可以保護地表,提高土壤的穩定性,減小土溫差,從而減弱凍融作用的強度及其對土體的破壞。

3.1.4 年降水量

降水量增大,致使土體中含水量增大,凍結時由于水體結冰體積增大對土體的破壞力增大,降水和冰雪融水對土壤的搬運作用也隨降水量的增加而增大。

3.2 評價指標分級賦值標準及權重計算

本研究選取氣溫年較差、坡度、坡向、植被覆蓋度、年降水量5個指標作為三江源區凍融侵蝕強度評價指標,根據各指標在三江源凍融侵蝕區的具體分布情況,確定各指標的分級賦值標準如表1。

表 1 評價指標分級賦值標準

根據各評價指標對凍融侵蝕強度的相對重要性,確定了指標對凍融侵蝕強度的判斷矩陣,然后運用層次分析法計算權重并進行一致性檢驗(表 2)。

表2 評價指標的判斷矩陣及其權重

3.3 凍融侵蝕強度評價方法

對凍融侵蝕強度的評價就是將多項強度評價指標進行綜合,使之成為單一的強度指數。本研究采用加權求和的方法計算凍融侵蝕強度指數,其計算式為

式中:F為凍融侵蝕強度指數;Wi為第i個評價指標的權重;Ii為第i個評價指標的等級賦值;n為評價指標總數。

3.4 各評價指標分級圖的獲取

各評價指標分級賦值圖的獲取技術路線如圖 3所示。根據此技術路線,在 ArcGIS與ERDAS軟件中由三江源研究區DEM計算提取氣溫年較差分布圖、坡度圖及坡向圖,然后將三江源區41個氣象站的多年平均降水量數據用克里金內插法計算得到年降水量分布圖,再從三江源區 2007年 9月 17—20日的北京一號衛星(BJ-1)多光譜遙感影像中提取植被指數,計算獲得植被覆蓋圖[8],最后依據表1的各指標分級賦值標準將得出的各指標

圖3 評價指標分級賦值圖獲取技術路線

分布圖分級賦值,從而產生各評價指標分級圖。

3.5 強度指數圖及侵蝕強度分級圖的獲取

在 ArcGIS軟件中應用公式(4)對各評價指標分級圖進行加權求和,得到三江源區凍融侵蝕強度指數圖。根據計算得到的凍融侵蝕強度指數圖,可知三江源區凍融侵蝕強度指數在1.396～4.590之間,強度指數越高凍融侵蝕越強烈,侵蝕強度就越高。為了方便評價,根據對強度指數圖進行非監督分類所得的結果,將強度指數按表 3界定分為五級,從而在ArcGIS中得到如圖 4所示的三江源區凍融侵蝕強度分級圖。

表 3 三江源區凍融侵蝕強度分級標準

圖4 三江源區凍融侵蝕強度分級

4 結果與分析

(1)從圖 2三江源區凍融侵蝕區分布圖可以看出三江源區凍融侵蝕的分布特點是:①凍融侵蝕分布范圍廣,占源區面積的絕大多數(83.4%)。②區域分異特征明顯。非凍融侵蝕區主要集中分布在源區東部和南部,而在其他區域凍融侵蝕連片分布,中間有零星小片的非凍融侵蝕區。這是由于源區東部和南部海拔相對較低、年均氣溫較高不足以產生凍融侵蝕的緣故,而在其他區域尤其是在北部和西部則分布著小片的冰川區和沙漠化區等非凍融侵蝕區。

(2)從圖 4三江源區凍融侵蝕強度分級圖可以看出該區凍融侵蝕強度分布有以下特點:①不同強度凍融侵蝕區面積相差不大。②強度相近的凍融侵蝕區在空間上積聚,高強度和低強度的凍融侵蝕區在空間上分異,因此產生多個高強度和低強度的凍融侵蝕區。③源區凍融侵蝕強度總體上是從東到西由強到弱再到強,最后再到弱,分別有兩個高強度和低強度凍融侵蝕區,其中高強度凍融侵蝕主要分布在地形起伏較大的山區,而低強度凍融侵蝕則主要分布在地勢較平坦區。

5 結 語

本研究基于 GIS技術實現了三江源區凍融侵蝕的范圍界定及其侵蝕強度的評價。針對面積廣大的三江源區,在缺乏凍融侵蝕量數據的情況下,該方法快速方便,具有很強的實用性。本研究凍融侵蝕范圍界定及強度評價的結果,對加深認識三江源區凍融侵蝕的分布以及開展源區水土保持生態建設具有重要意義。

[1]Sharratt B S,Lindstrom M J.Laboratory simu lation of erosion from a partially frozen soil[C].Soil Erosion Research for the 21st Century,Honolu lu,HI,USA:American Society of Agricu ltural and Biological Engineers,2001:159-162.

[2]劉秉正,吳發啟.土壤侵蝕[M].西安:陜西人民出版社,1997.

[3]董瑞琨,許兆義,楊成永.青藏高原的凍融侵蝕問題[J].人民長江,2000,31(9):39-41.

[4]吳萬貞,劉峰貴,陳瓊,等.三江源地區土壤侵蝕類型研究[J].地球科學與環境學報,2009,31(4):423-426.

[5]張建國,劉淑珍.界定西藏凍融侵蝕區分布的一種新方法[J].地理與地理信息科學,2005,21(2):32-34.

[6]張建國,劉淑珍,范建榮.基于 GIS的四川省凍融侵蝕界定與評價[J].山地學報,2005,23(2):248-253.

[7]張建國,劉淑珍,楊思全.西藏凍融侵蝕分級評價[J].地理學報,2006,61(9):911-918.

[8]唐志光,馬金輝,李成六,等.三江源自然保護區植被覆蓋度遙感估算[J].蘭州大學學報,2010,46(2):11-15.

GIS-Based Eva luation on Intensity of Freeze-Thaw Erosion in Headw ater Region o f the Three-R iver-Source A rea

LICheng-liu,MA Jin-hui,TANG Zhi-guang,et al.
(Key Laboratory of Western China's Environment of Ministry of Education,Lanzhou University,Lanzhou,Gansu 730000,China)(41)

The paper achieves the definition of the range of freeze-thaw erosion area at the Three-River-Source Area with the support of GIS technique.It puts forward evaluation standards of intensity of freeze-thaw erosion which suits the condition of the area by taking the factors of annual temperature range,slope,slope direction,vegetation coverage and annual precipitation as indexes,and completes the evaluation of intensity of freeze-thaw erosion with the support of GIS technique.The outcomes show that a)the distribution range of freeze-thaw erosion at the area is wide and the characteristics of regional differentiation obvious and;b)the distribution of intensity of freeze-thaw erosion is different.The high erosion intensitymainly distributes in mountainous region with terrain undulation and the low erosion intensitymainly distributes in the relatively leveled area.

GIS;Three-River-Source Area;freeze-thaw erosion;intensity evaluation

S157.1

A

1000-0941(2011)04-0041-03

國家自然科學基金項目(40671179)

李成六(1986—),男,河南淅川縣人,碩士研究生,研究方向為遙感與地理信息系統應用。

2010-09-15

(責任編輯 趙文禮)