我國凍融侵蝕的調(diào)查方法

李智廣，劉淑珍，張建國，張立新

(1.水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京;2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都;3.南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，226007，江蘇南通;4.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，100875，北京;5.北京師范大學(xué)遙感科學(xué)國家重點實驗室，100875，北京)

我國凍融侵蝕的調(diào)查方法

李智廣1，劉淑珍2，張建國3，張立新4，5

(1.水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京;2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都;3.南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，226007，江蘇南通;4.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，100875，北京;5.北京師范大學(xué)遙感科學(xué)國家重點實驗室，100875，北京)

凍融侵蝕是我國僅次于水蝕和風(fēng)蝕的第3大土壤侵蝕類型，也是第1次全國水利普查水土保持情況普查的土壤侵蝕類型之一，其普查方法的制定和正確運用對普查結(jié)果有重要影響。通過介紹凍融侵蝕范圍的確定方法和凍融侵蝕強度評價方法，闡述凍融侵蝕分級評價中涉及到的年凍融日循環(huán)時間、日均凍融相變水量、年均降水量、坡度、坡向和植被蓋度等6個因子的計算流程、賦值標準和權(quán)重，以及普查過程中各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制措施。研究結(jié)果對于完善我國凍融侵蝕的調(diào)查方法以及科學(xué)評價凍融侵蝕的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和預(yù)測預(yù)報等具有重要意義。

凍融侵蝕;普查;方法

我國幅員遼闊，土壤侵蝕類型多樣，其主要類型有水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕等。凍融侵蝕在我國高寒地區(qū)廣泛分布，對國民經(jīng)濟建設(shè)產(chǎn)生了一定的影響，需要引起足夠的重視。在已開展的3次全國性土壤侵蝕調(diào)查［1］中，均無全國統(tǒng)一的凍融侵蝕調(diào)查和評價方法及標準，僅限于各省、區(qū)根據(jù)本區(qū)域的實際及對凍融侵蝕的理解進行調(diào)查和評價。進入21世紀之后，隨著高寒區(qū)域生態(tài)環(huán)境的日趨惡化，凍融侵蝕引起了廣泛重視。10多年來，有些研究提出了凍融侵蝕范圍界定和評價方法，并通過示范和應(yīng)用，證明了此套方法符合我國實際［2－9］;因此，在2010—2012年全國水利普查水土保持情況普查中，采用以下方法調(diào)查了凍融侵蝕的空間分布、面積與強度，掌握了凍融侵蝕的現(xiàn)狀，為國家土壤侵蝕防治和生態(tài)環(huán)境保護與建設(shè)提供了決策依據(jù)。筆者重點介紹凍融侵蝕的范圍界定及強度評價方法。

1 凍融侵蝕范圍的界定

凍融侵蝕是指土壤及其母質(zhì)空隙中或巖石裂縫中的水分凍結(jié)時，體積膨脹，裂隙隨之加大、增多，整塊土體或巖石發(fā)生碎裂，消融后其抗蝕穩(wěn)定性大為降低，在重力作用下巖土順坡向下方產(chǎn)生位移的現(xiàn)象［3］。凍融侵蝕區(qū)是指具有強烈凍融作用為特征的寒冷氣候條件，且凍融作用是最普遍、最主要的外營力，同時有凍融侵蝕地貌形態(tài)分布的區(qū)域。第1次全國水利普查水土流失情況普查采用下列公式確定凍融侵蝕區(qū)海拔的下界:

式中:H為凍融侵蝕區(qū)下界的海拔，m;X1為緯度，(°);X2為經(jīng)度，(°)。

在此界限之上的區(qū)域，年平均氣溫在0℃以下，即一年中有6個月以上的時間地表處于凍結(jié)或凍融交替的狀態(tài)，凍融侵蝕是該區(qū)域主要的土壤侵蝕類型。

2 凍融侵蝕強度評價方法

2.1 評價因子

根據(jù)研究，選擇對凍融侵蝕影響比較強烈的6個主要影響因子作為評價因子，以揭示凍融侵蝕的分布規(guī)律。這6個因子為年凍融日循環(huán)時間、日均凍融相變水量、年均降水量、坡度、坡向和植被蓋度。根據(jù)各因子值在凍融侵蝕過程中的影響情況，確定各因子對凍融侵蝕影響的賦值標準，具體賦值結(jié)果見表1。

2.2 各因子權(quán)重確定方法

采用層次分析法與專家調(diào)查重要性標度法確定6個因子在凍融侵蝕強度評價中的權(quán)重，具體權(quán)重值見表2。

表1 凍融侵蝕強度分級評價指標賦值標準Tab．1 Index standard for evaluating freeze－thaw erosion intensity

表2 凍融侵蝕強度分級評價指標權(quán)重Tab．2 Weight of six indicators for evaluating freeze－thaw erosion intensity

2.3 侵蝕強度評價方法

全國水利普查水土保持情況普查中，凍融侵蝕強度評價采用凍融侵蝕影響因子綜合評價的方法，即將影響凍融侵蝕強度的主要因子，采用加權(quán)加和的方法獲得綜合評價指數(shù)，其計算公式為

式中:I為綜合評價指數(shù)值;Wi是第i個因子評價指標對應(yīng)的權(quán)重;Ii是第i個因子的賦值;n為評價因子數(shù)。

為了與水蝕、風(fēng)蝕的侵蝕強度對應(yīng)，將綜合評價指數(shù)I值分為6個等級(表3)。

表3 凍融侵蝕強度分級參數(shù)表Tab．3 Composite index for evaluating freeze－thaw erosion intensity

3 評價因子數(shù)據(jù)獲取方法

3.1 年凍融日循環(huán)時間

年凍融日循環(huán)時間是指一年內(nèi)凍融日循環(huán)發(fā)生的時間，反映了溫度(凍融)對凍融侵蝕強度的影響作用。獲取方法是通過星載多波段微波輻射計AMSR－E(AdvancedMicrowaveScanningRadiometer－Earth Observing System)測得的數(shù)據(jù)，計算出凍融判別指數(shù)，統(tǒng)計一年內(nèi)凍融日循環(huán)發(fā)生的時間(d)。AMSR－E搭載在2002年5月發(fā)射的Aqua衛(wèi)星上，具有高時間分辨率的優(yōu)勢。計算中用到了AMSR－E的18.7 GHz水平極化亮溫(Tb18.7H)和36.5 GHz垂直極化亮溫(Tb36.5V)觀測數(shù)據(jù)。其中Tb36.5V對地表溫度響應(yīng)較為敏感，而比值Tb18.7H/Tb36.5V定義為凍融地表的18.7 GHz水平極化準發(fā)射率，即Qe18.7H，其對土壤水分的變化響應(yīng)敏感［10］。

年凍融日循環(huán)時間的計算步驟如下。

1)選擇并拼接AMSR－E亮溫數(shù)據(jù)第三級產(chǎn)品(L3)。在低緯度地區(qū)，1 d的數(shù)據(jù)不能達到全國覆蓋，故需將連續(xù)2 d的觀測數(shù)據(jù)進行拼接。

2)提取通道Tb36.5V和Tb18.7H亮溫用以衡量地表溫度的變化，并計算Tb18.7H同Tb36.5V的比值用以衡量地表發(fā)射率的變化。

3)將提取得到的數(shù)據(jù)代入下式進行計算，并比較計算結(jié)果的大小，若F＞T，則為凍土，反之為融土:

4)對計算結(jié)果進行標識，獲取年凍融日循環(huán)發(fā)生區(qū)域和累計年凍融日循環(huán)時間。

3.2 日均凍融相變水量

日均凍融相變水量是土體中凍融循環(huán)過程中發(fā)生相變的水量，相變水量增加，凍結(jié)時由于水體結(jié)冰體積增大而對土(巖)體的破壞作用增大。該因子的獲取方法亦是通過星載多波段微波輻射計AMSR－E測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算獲取。計算中采用了10.65 GHz垂直極化升軌亮溫(Tba18.7V)和降軌亮溫(Tbd18.7V)，以及 36.5 GHz垂直極化升軌亮溫(Tba36.5V)和降軌亮溫(Tbd36.5V)數(shù)據(jù)。研究［11］表明，10.5 GHz垂直極化降軌準發(fā)射率與升軌準發(fā)射率的差值，在有凍融交替的情況下，與相變水量成顯著的線性關(guān)系。

日均凍融相變水量的計算步驟如下。

1)選擇并拼接AMSR－E亮溫數(shù)據(jù)第三級產(chǎn)品(L3)，在低緯度地區(qū)，1 d的數(shù)據(jù)不能達到全國覆蓋，故需將連續(xù)2 d的觀測數(shù)據(jù)進行拼接。

3)將提取得到的數(shù)據(jù)代入下式進行日凍融相變水量的計算:

式中:mvpt為日凍融相變水量值(volume phase translation water)，m3/m3;A、B為回歸系數(shù);Tbd10.65V和Tbd36.5V分別為10.65 GHz垂直極化和36.5 GHz垂直極化降軌亮溫，K;Tba10.65V和Tba36.5V分別為10.65 GHz垂直極化和36.5 GHz垂直極化升軌亮溫，K。參照現(xiàn)有的研究成果［11］，A的取值為3.018 5，B的取值為0.000 8。

4)累計年凍融相變水總量，并基于年凍融日循環(huán)時間進行平均，獲取日均凍融相變水量。

3.3 年均降水量

降水(含降雨和降雪)是凍融侵蝕的重要影響因子，降水直接影響土體含水量，影響凍融侵蝕強度，同時降雨和冰雪融水是凍融侵蝕物質(zhì)移動的重要動力。數(shù)據(jù)獲取方法為收集凍融侵蝕區(qū)(包括西藏、四川、云南、青海、新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江等省、自治區(qū))氣象臺站1981—2010年的逐年降水數(shù)據(jù)。同時，因凍融侵蝕區(qū)氣象臺站稀少，利用降水衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行補充，計算多年平均降水量。基于GIS軟件繪制年均降水量等值線圖，并對降水量等值線圖進行空間插值，根據(jù)年均降水量分級標準進行賦值，得到年均降水量因子圖。

3.4 植被蓋度

植被對凍融侵蝕的作用表現(xiàn)在3個方面:其一是植被的地上部分對地表起到減輕侵蝕的保護作用;其二是植被地下部分可提高土體的穩(wěn)定性，降低因凍融作用對土體的破壞作用;其三是植被可減小地表溫度較差的作用，因此，將植被蓋度作為評價凍融侵蝕強度的重要影響因子。其數(shù)據(jù)的獲取方法是利用最新衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，并通過調(diào)查單元野外現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)對遙感數(shù)據(jù)進行驗證、糾正，然后根據(jù)凍融侵蝕植被蓋度因子賦值標準進行植被蓋度分級，得到凍融侵蝕植被蓋度因子圖。

3.5 坡度與坡向

坡度直接影響凍融侵蝕物質(zhì)移動的速度和距離，是凍融侵蝕的重要影響因子之一。坡向影響太陽輻射的總量和強度，不同坡向晝夜溫差變化明顯，直接影響凍融風(fēng)化作用的強度。數(shù)據(jù)獲取方法為，利用DEM數(shù)據(jù)，在GIS軟件中生成坡度、坡向圖，進行分級評價。

4 普查成果的質(zhì)量控制

凍融侵蝕普查包括野外調(diào)查和侵蝕強度評價2個階段，野外調(diào)查由各省(自治區(qū))完成，侵蝕強度評價由國家級普查機構(gòu)組織完成。

4.1 野外調(diào)查

凍融侵蝕野外調(diào)查階段分為數(shù)據(jù)準備、野外調(diào)查和數(shù)據(jù)整理匯總等3個環(huán)節(jié)。

4.1.1 數(shù)據(jù)準備 該環(huán)節(jié)主要是為野外調(diào)查做好準備，其質(zhì)量控制要求如下:1)建立存儲調(diào)查數(shù)據(jù)的文件夾體系，應(yīng)保證文件夾目錄的完整性、正確性。需要檢查每個調(diào)查單元數(shù)據(jù)存儲文件夾的位置是否正確;三級目錄要求含有各縣級調(diào)查單元的分布圖，其調(diào)查單元數(shù)量應(yīng)與普查規(guī)定的數(shù)量一致;四級目錄中應(yīng)含有調(diào)查單元的編號，高分辨率衛(wèi)星影像及其預(yù)解譯土地利用類型、圖斑界限的圖片文件及其基本信息(包括填圖人、經(jīng)緯度等)。2)空白的“凍融侵蝕野外調(diào)查表”。3)預(yù)解譯的土地利用圖，要求土地利用類型邊界準確，偏差小于1 mm，屬性確定正確。

4.1.2 野外調(diào)查 該階段要求對預(yù)解譯的土地利用圖進行驗證及糾正，填寫“凍融侵蝕野外調(diào)查表”，拍攝照片。質(zhì)量控制要求如下:1)對預(yù)解譯的土地利用類型及圖斑界限進行驗證及糾正，類型界限要求偏離小于1 mm，屬性確定要求誤差小于10%，凍融侵蝕形態(tài)的照片在圖上標注位置正確，圖件要求界限清繪清晰，編碼符號標準、清楚。2)要求“凍融侵蝕野外調(diào)查表”中每個選項填寫準確，整個表格共10大項25個數(shù)據(jù)，要求填寫差錯率小于4%。3)要求拍攝近景(中心位置)、遠景(四周景觀)及凍融侵蝕形態(tài)照片。4)要求GPS航跡圖以縣(區(qū)、市、旗)為單位，路線連續(xù)，調(diào)查單元齊全。

4.1.3 數(shù)據(jù)整理匯總 數(shù)據(jù)整理匯總階段質(zhì)量控制要求如下:1)文件夾完整，3級目錄要求縣級調(diào)查單元分布圖與GPS航跡圖的調(diào)查單元一一對應(yīng)(如果發(fā)生變化，應(yīng)該寫出說明);4級目錄下含有經(jīng)糾正重新數(shù)字化后的土地利用類型圖及凍融侵蝕形態(tài)照片標注的圖片文件，土地利用類型界限精度要求偏差小于1 mm，屬性偏差小于10%，凍融侵蝕形態(tài)照片位置標注要正確。2)要求“凍融侵蝕野外調(diào)查表”錄入準確，差錯率小于4%。3)照片近、遠景及凍融侵蝕形態(tài)齊全。4)文件夾中圖、表、照片統(tǒng)一、完整。

4.2 侵蝕強度計算分析

4.2.1 質(zhì)量控制內(nèi)容 侵蝕強度計算分析階段質(zhì)量控制的核心內(nèi)容是對計算評價出的凍融侵蝕強度進行審查，采用野外調(diào)查獲取的調(diào)查資料(照片、表格、圖等)判斷的凍融侵蝕強度對全國凍融侵蝕強度評價結(jié)果進行驗證。

4.2.2 質(zhì)量控制要求 1)利用野外調(diào)查單元的數(shù)據(jù)修正和驗證植被、坡度、坡向等的等級判斷結(jié)果，準確率達到≥75%。2)使用野外調(diào)查單元資料判斷所得的凍融侵蝕強度與對應(yīng)位置全國凍融侵蝕強度評價計算結(jié)果進行比較，準確率≥75%。3)利用野外調(diào)查單元所拍攝景觀照片判斷的凍融侵蝕強度與計算所得的凍融侵蝕強度進行比較，準確率≥75%。

4.3 質(zhì)量控制組織實施

質(zhì)量控制組織體系由縣級—省級—國家級3級組成。

縣級普查機構(gòu)對本縣野外調(diào)查成果根據(jù)質(zhì)量控制規(guī)定組織自查，對存在的問題自行糾正，將符合質(zhì)量要求的野外調(diào)查單元數(shù)據(jù)簽字蓋章后上報省級普查機構(gòu)。省級普查機構(gòu)負責資料準備階段的質(zhì)量控制、縣級野外調(diào)查階段的質(zhì)量抽查和數(shù)據(jù)整理上報階段的質(zhì)量控制，將符合質(zhì)量要求的野外調(diào)查單元數(shù)據(jù)整理后，簽字提交國家級普查機構(gòu)，同時編寫質(zhì)量控制報告。報告內(nèi)容主要包括工作概況、存在問題及處理方法、總體質(zhì)量評價等。國家級普查機構(gòu)對資料準備、野外調(diào)查、數(shù)據(jù)整理上報和侵蝕強度計算分析等階段實施全過程質(zhì)量管理。其中，對于縣級野外調(diào)查和省級數(shù)據(jù)整理上報的工作，分階段組織專家進行質(zhì)量抽查，對于侵蝕強度計算分析工作，組織開展侵蝕強度計算分析階段的數(shù)據(jù)論證和平衡匯總。

5 小結(jié)

凍融侵蝕是我國僅次于水蝕和風(fēng)蝕的第3大土壤侵蝕類型，也是第1次全國水利普查水土保持情況普查的土壤侵蝕類型之一，其普查方法的制訂和正確運用對普查結(jié)果有重要影響。為了方便廣大水土保持工作者詳細了解我國第1次水利普查水土保持情況普查中所用方法，對凍融侵蝕的普查方法，凍融侵蝕范圍的界定，以及凍融侵蝕分級評價中涉及到的年凍融日循環(huán)時間、日均凍融相變水量、年均降水量、坡度、坡向和植被蓋度等6個因子的計算流程、賦值標準和權(quán)重做了詳細介紹，并對普查過程各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制措施進行了總結(jié)。筆者闡述的凍融侵蝕評價方法對于補充我國土壤侵蝕的調(diào)查評價方法以及科學(xué)評價我國凍融侵蝕現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和預(yù)測預(yù)報具有一定的意義。

6 參考文獻

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［3］王禮先，孫保平，余新曉，等.中國水利百科全書:水土保持分冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2003:49

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［9］張建國，劉淑珍.西藏凍融侵蝕空間分布規(guī)律［J］.水土保持研究，2008，15(5):1－6

［10］Zhao Tianjie，Zhang Lixin，Jiang Lingmei，et al.A new soil freeze/thaw discriminant algorithm using AMSR－E passive microwave imagery［J］.Hydrological Processes，2011，25，1704－1716

［11］Zhang Lixin，Zhao Tianjie，Jiang Lingmei，et al.Estimate of phase transition water content in freeze－thaw process using microwave radiometer［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2010，48(12):4248－4255

Survey method of freeze-thaw erosion in China

Li Zhiguang1，Liu Shuzhen2，Zhang Jianguo3，Zhang Lixin4，5

(1.Monitoring Center of Soil and Water Conservation，Ministry of Water Resource，100053，Beijing;2.Institute of Mountain Hazards and Environment，CAS，610041，Chengdu;3.School of Geography，Nantong University，226007，Nantong，Jiangsu;4.School of Geography，Beijing Normal University，100875，Beijing;5.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，Beijing Normal University and Institute of Remote Sensing Applications，CAS，100875，Beijing:China)

Freeze－thaw erosion is the third largest soil erosion type after water erosion and wind erosion，and it is also the main type of soil erosion need to be surveyed in census of water and soil conservation situation，Chinese first－ever nationwide water resources survey.The survey method formulation and correctly applying have important influence on survey results of freeze－thaw erosion.The survey method and technique process of freeze－thaw erosion were introduced clearly in this paper in order to let more workers in water and soil conservation field to know the survey method of freeze－thaw erosion.Firstly，the method for defining the freeze－thaw erosion area in China and the assessment method of freeze－thaw erosion intensity were introduced.Then，the calculation procedure，criterion and weight of six indices for assessment freeze－thaw erosion were formulated.The six indices include the annual freeze－thaw cycle days，phase transition water content in freeze－thaw process，annual precipitation，slope，aspect，vegetation coverage.Finally，the quality measures in survey process were introduced.The survey method introduced in this paper is very important for freeze－thaw erosion survey，and for scientifically evaluating present state，forecasting development trend.

freeze－thaw erosion;survey;method

2012－01－14

2012－03－21

第一次全國水利普查“國務(wù)院第一次全國水利普查”(國發(fā)［2010］4號)

李智廣(1966—)，男，教授級高級工程師。主要研究方向:水土保持監(jiān)測評價。E－mail:lizhiguang@mwr.gov.cn

(責任編輯:宋如華)