典型巖溶區小流域土壤流失量估算研究——以桂林寨底地下河

蔡德所，王 魁，張永祥，馬祖陸

(1．廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧530004;2．中國地質大學，北京100083;3．中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西桂林541004)

水土流失是我國西南巖溶區重要的環境問題之一，水土流失給當地環境帶來了巨大危害，不僅造成生態的破壞，而且影響到當地社會經濟的發展，致使貧困加劇。國內外學者對巖溶區的水土流失進行了多方面的研究［1］，其中以小流域為基本單元的水土流失研究取得了不少成果［2］，小流域的水土流失治理也取得了明顯的效果［3］。以小流域為單元已經成為當前巖溶區水土流失研究和治理工作開展的基礎。

土地利用是人類作用于巖溶環境的最主要表現形式，不合理的土地利用方式是造成巖溶區水土流失和環境退化的主要因素［4］。以小流域為單元分析土地利用格局對水土流失的影響，對于促進流域綜合治理和維護土地可持續利用具有重要的意義［5］。

廣西北部是我國西南巖溶區水土流失較為嚴重的區域之一，本研究以桂林市寨底地下河流域為研究對象，應用遙感(RS)技術進行土地利用分類，在地理信息系統(GIS)支持下進行多元數據的集成，結合修正的通用土壤流失方程，計算巖溶區小流域土壤流失的空間分布，以期為該區小流域水土流失研究和治理提供參考。

1 研究區概況

寨底地下河流域位于廣西桂林市靈川縣境內，面積約33 km2，地處北回歸線附近的低緯度地區，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，受季風活動影響降雨年內分布不均，夏季濕熱多雨，秋季干旱少雨，雨熱基本同季，雨季為4—8月份，其降雨量占全年降雨量的70%以上。

研究區出露地層主要為泥盆系灰巖，巖性較純，灰巖覆蓋面積占流域總面積的89．5%，主要地貌類型為峰叢洼地，屬典型的巖溶區;流域地下分水嶺與地表分水嶺基本一致［6］，流域內有總長約5 km 的地上河，通過落水洞、漏斗等巖溶結構與地下河聯通，基本集中于寨底地下河出口處排泄。研究區為傳統的農業區，土地利用方式以農田和果園為主，中西部區域石漠化現象比較嚴重。

2 土壤流失量計算

2．1 計算方法及數據來源

采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)進行土壤流失量計算。RUSLE 是在通用土壤流失方程(USLE)基礎上經補充完善而得到的，其表達式為

A=R·K·LS·C·P

式中:A 為年均土壤侵蝕模數，t/(km2·a);R 為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(km2·h·a);LS 為地形(坡長坡度)因子，無量綱;K 為土壤可蝕性因子，t·km2·h/(MJ·mm·km2);C 為植被覆蓋與管理因子，無量綱;P 為水土保持措施因子，無量綱。

基于RUSLE 模型，針對其5 個因子收集研究區的相關資料:降雨資料通過研究區內2 個氣象自動觀測站獲取;土地利用數據通過高精度影像(WorldView－1 影像，分辨率為0．5 m)解譯獲得;地形資料通過研究區1 ∶1 萬地形圖獲得;NDVⅠ(歸一化植被指數)以SPOT5 影像為基礎獲取。

2．2 RUSLE 各因子值的確定

2．2．1 R 值的確定

周伏建等人基于Wischmeier 提出的EⅠ30算法，提出了基于月降雨量的R 值簡易算法［7］，較為適合我國南方地區，本研究即選用該算法估算研究區的R 值。由于研究區面積不大，可認為流域內降雨沒有顯著差異，因此選用2009年流域內2 個氣象觀測站記錄的日、月降雨量的平均值計算R 值，計算結果為R=485 000 MJ·mm/(km2·h·a)。

2．2．2 K 值的確定

根據土地利用現狀的分類標準(GB/T 21010—2007)，在ENVI4．8軟件中，對研究區2009年的WorldView－1 遙感影像進行解譯，各類土地面積統計結果如表1 所示。

表1 寨底地下河流域土地利用分類統計

根據土地利用類型及分布，在研究區內進行集中采樣，每種土地利用類型采集8～10 個土壤樣品在實驗室內進行土壤粒徑分析，利用Wischmeier 模型計算K 值［8］，計算結果見表2。其中:工礦用地土壤流失最為嚴重，可認為此地類土壤可蝕性最大，經換算后K 值為0．131 7 t·km2·h/(MJ·mm·km2);交通用地土壤可蝕性賦值為工礦用地的一半，經過換算后K 值為0．065 9 t·km2·h/(MJ·mm·km2);住宅用地和水域不發生土壤流失，K 值為0。

表2 研究區土壤可蝕性因子K 值

2．2．3 LS 值的確定

LS 因子反映地形對水土流失的影響，在RUSLE 方程中L和S 可以單獨計算也可以合在一起計算。本研究利用研究區1 ∶1萬數字化等高線圖，在ArcGIS 軟件中生成DEM，以此為基礎在ArcGIS 軟件中生成坡度柵格數據，采用Burch 等人提出的像元坡段思路［9］，采用參考文獻［9－10］中的方法，計算出研究區5 m×5 m 像元的L、S 值和L、S 圖層，分別見圖1 和圖2。

2．2．4 C 值的確定

C 因子反映了植被覆蓋和經營管理措施對水土流失的影響，但是覆蓋和管理因素無法獨立評估，二者的綜合作用往往受到許多交互作用的顯著影響［8］。RUSLE 中C 值是某種狀態下種植作物地塊上的土壤流失量與對應的清耕、連續休閑地塊土壤流失量的比值，結合于嶸等人［11－12］的研究成果，利用NDVⅠ和植被覆蓋率之間的關系對C 因子進行估算。首先利用研究區2009年的SPOT5 影像計算出NDVⅠ，進而求出植被覆蓋率，在此基礎上計算得出C 值，具體計算公式見參考文獻［11－12］。

2．2．5 P 值的確定

P 因子指的是某種水保措施下的土壤流失量與對應的順坡耕作條件下土壤流失量的比值。目前對P 值的估算多以土地利用類型為基礎，很少采用專門的水土保持措施，因此本研究中P 值參照美國農業部手冊703 號和相關的文獻［11］進行率定，結果見表3。

表3 研究區水土保持措施因子P 值

3 土壤流失量計算結果及討論

3．1 土壤流失量計算結果

在ArcGIS 中將各因子轉化為柵格圖進行計算，可得到研究區基于土地利用的年均土壤侵蝕量圖，根據《巖溶地區水土流失綜合治理技術標準》(SL 461—2009)，將寨底地下河流域土壤侵蝕強度劃分為6 個等級，得到研究區土壤侵蝕強度分級圖(圖略)。

統計結果表明，寨底地下河流域年均土壤流失總量為17 007．74 t，年均侵蝕模數為515．38 t/(km2·a);按照《巖溶地區水土流失綜合治理技術標準》劃分，寨底地下河流域土壤侵蝕強度屬于中度，其年均土壤侵蝕模數約為巖溶區容許土壤流失量50 t/(km2·a)的10 倍。

3．2 討 論

3．2．1 土壤流失分級統計

對研究區土壤侵蝕按侵蝕級別和土壤流失量進行統計，其結果見表4。其中，強烈、極強烈和劇烈侵蝕面積之和雖只占流域總面積的10．05%，但土壤流失量卻占總流失量的79.75%，由此可見巖溶區強烈以上侵蝕造成的土壤流失對環境的影響。因此，在水土保持工作中，應針對這些區域的特性采取專門的措施，加強對該區生態環境的保護工作。

表4 研究區土壤流失統計結果

3．2．2 不足

在研究區土壤流失估算中，直接采用了前人的研究成果，這在研究方法上并不十分嚴謹，有些應用問題需要進一步商榷。同時，個別數值是在參考文獻的基礎上進行擬定的，如工礦區的土壤可蝕性因子計算，研究中直接賦予最大值，這會導致計算結果與實際監測結果有一定的偏差，但對于巖溶區小流域土壤流失量估算仍具有一定的參考意義。

［1］王魁，馬祖陸，蔡德所，等．我國巖溶地區水土流失研究進展及發展趨勢［J］．中國水土保持，2011(9):30－32，41．

［2］付叢生，陳建耀，曾松青，等．國內外實驗小流域水科學研究綜述［J］．地理科學進展，2011，30(3):259－267．

［3］倪含斌，張麗萍，倪含輝．基于GIS 的小流域水土流失綜合治理研究進展［J］．水土保持研究，2006，13(2):66－68，77．

［4］張魯，周躍，張麗彤．國內外土地利用與土壤侵蝕關系的研究現狀與展望［J］．水土保持研究，2008，15(3):43－48．

［5］趙文武，傅伯杰，陳利頂，等．黃土丘陵溝壑區集水區尺度土地利用格局變化的水土流失效應［J］．生態學報，2004，24(7):1358－1364．

［6］易連興，夏日元，唐建生，等．地下水連通介質結構分析——以寨底地下河系統實驗基地示蹤試驗為例［J］．工程勘察，2010(11):38－41．

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［8］Wischmeier W H，Smith D D．Predicting Rainfall Erosion Losses:A Guide to Consevation Planning，Agriculture Handbook No．537［M］．Washington，D C:U．S．Department of Agriculture，1978:17－28．

［9］Burch G J，Moore I D．Physical basis of the length-slope factor in the universal soil loss equation［J］．Soil Science Society of America，1986，50(5):1294－1298．

［10］黃金良，洪華生，張珞平，等．基于GIS 和USLE 的九龍江流域土壤侵蝕量預測研究［J］．水土保持學報，2004，18(5):75－79．

［11］蔡崇法，丁樹文，史志華，等．應用USLE 模型與地理信息系統IDRISI 預測小流域土壤侵蝕量的研究［J］．水土保持學報，2000，14(2):19－24．

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