基于抽樣調查法的水土流失普查技術問題解析

王愛娟(水利部 水土保持監測中心，北京 100055)

基于抽樣調查法的水土流失普查技術問題解析

王愛娟
(水利部 水土保持監測中心，北京 100055)

抽樣調查；小流域；制圖；遙感調查

在總結前四次全國水土流失調查的方法和取得成果的基礎上，全面介紹了第四次全國水土流失調查采用的抽樣調查方法，并從分層不等概抽樣、水土保持措施落地、與“3S”技術高度融合和土壤侵蝕因子量化等方面分析了抽樣調查方法的代表性和先進性；分析了以小流域為對象開展野外調查的依據、代表性以及抽樣方法的制圖精度，進行了抽樣調查單元與遙感調查和全域計算方法的對比分析?？偨Y認為，在當前技術經濟水平條件下，采用抽樣調查方法開展普查能夠滿足表征水土保持措施的作用、準確掌握全國水土流失面積和分布的需要，同時對于縣級水土流失分布制圖需采用更高密度的布點開展調查。

自20世紀50年代至今，我國已開展了4次全國水土流失調查。第一次全國水土流失調查是在20世紀50年代，采用人工調查的方法，統計了全國水力侵蝕的面積、強度和分布，為黃河中游、長江中上游地區水土流失治理提供了依據；1983年第二次全國水土流失調查采用遙感調查和地面監測相結合的方法，查清了全國水土流失的類型和分布；1999年第三次全國水土流失調查采用高分辨率遙感影像解譯、三因子綜合判讀的方法，查清了全國水土流失分布狀況并劃分出水蝕風蝕交錯區；2010年第四次全國水土流失調查采用抽樣調查的方法，量化了土壤侵蝕因子，獲得了不同侵蝕類型的土壤侵蝕模數，分析了水土流失的分布、面積和強度。第四次全國水土流失調查綜合采用野外分層抽樣調查、遙感解譯、統計報送、模型計算等多種技術方法和手段，基于“3S”技術和我國資源環境領域最新調查和研究成果，更新了基礎數據，開展了野外調查，獲取了精確的水土保持措施類型與分布、植被覆蓋度等第一手基礎資料；應用我國自主研發的模型開展土壤侵蝕模數計算和侵蝕強度評價，其中水力侵蝕采用中國土壤流失方程(CSLE)，風力侵蝕采用耕地、草(灌)地和沙地風力侵蝕模型，凍融侵蝕采用凍融侵蝕強度評價模型。下面分5個方面就第四次全國水土流失調查中抽樣調查法的相關技術問題進行分析說明。

1 抽樣調查方法介紹

抽樣調查單元布設采用分層不等概系統空間抽樣方法。分層是指在全國統一劃分四級網格，分別為40 km×40 km的縣級區、10 km×10 km的鄉級區、5 km×5 km的控制區和1 km×1 km的基本調查單元。以第四層的基本調查單元(1 km×1 km)為基礎，按1%密度抽樣，即在每個鄉級區中心抽取一個1 km×1 km網格的系統抽樣，避免了人為隨意定點的影響。不等概是指水蝕野外調查單元在水蝕區和風蝕水蝕交錯區以1%密度布設，風蝕野外調查單元在風蝕區和水蝕風蝕交錯區以0.25%密度布設，在水蝕凍融、風蝕凍融侵蝕交錯區參照凍融侵蝕區調查單元布設原則；在新疆和西藏的“一江兩河”流域，按0.25%密度布設水蝕野外調查單元；在面積較大的縣，布設的野外調查單元總數不超過50個；在平原區、城區、林區等要降低布設密度[1-2]。

抽樣調查方法的代表性和先進性體現在以下幾個方面：一是采用不等概系統空間抽樣方法開展高密度布點、分層抽樣符合統計學意義，形成的樣本具有系統性，能夠代表水土流失面積特征。二是結合全球定位系統(GPS)和遙感技術(RS)進行實地調查，獲取精確的水土保持措施類型與分布、植被覆蓋度、地表粗糙度等第一手基礎資料，為信息化建設和動態監測奠定基礎。三是應用地理信息系統(GIS)進行空間數據計算，不僅真正實現了與“3S”技術的結合，而且從精度上保證了調查單元數據的準確性，形成了全國37 199個調查單元的基礎信息檔案，保證了未來開展水土流失動態監測的可重復性和監測結果的可比性。更為重要的是，抽樣調查設計方法不僅可以根據不同條件和要求改變抽樣密度，而且可以實現固定抽樣點的動態分析。四是結合已有資源環境遙感監測結果、攝影測量技術、地理信息系統計算和地面實地觀測資料，發展了多個土壤侵蝕影響因子計算方法。如：采用基于地面典型植被類型植被覆蓋度全年季節變化的攝影測量方法，得到全國典型植被類型植被冠層覆蓋與林下地表覆蓋的季節變化曲線，成為植被覆蓋度與生物措施因子計算的基礎數據；根據小流域坡面與溝道分布特點，自主研發了分段坡坡長因子的柵格計算程序，解決了現有GIS軟件對坡長高估的問題；融合高空間分辨率和高時間分辨率遙感影像，實現全年24個半月高空間和高時間分辨率植被覆蓋度的獲得，提高了土壤侵蝕模型計算精度，等等。

2 以小流域為單元開展工作的依據

小流域是指以分水嶺和出口斷面為界形成的面積比較小的閉合集水區。抽樣調查單元布局給出了所在1∶1萬地形圖圖幅編號，抽樣單元處于所在地形圖相對中心的方里網格。在丘陵區和山區，在中心網格內勾繪面積0.23.0 km2的小流域邊界，受地形限制，保證部分小流域在該網格內即可。以小流域為單元開展野外調查，是基于水文學原理、土壤侵蝕和水土保持原理等提出來的。首先，小流域體現了降水引起的徑流產生、發展、匯流的全過程。其次，一個小流域就是一個水土流失單元，伴隨徑流的發生發展，土壤剝離、搬運、沉積等發生發展全過程都在小流域內，且具有一定的規律性，能夠代表當地土地利用、耕作管理習慣、水土保持措施等產生的水土流失現狀。最后，以小流域為單元開展水土流失綜合治理是我國在長期實踐中提出的理論與實踐結合的成功經驗，每個小流域既是一個獨立的自然集水單元，又是一個發展農、林、牧生產的經濟單元，可形成綜合防治體系[3]。

3 制圖精度的問題

水土流失分布圖包括各水土流失強度等級、面積分布圖和侵蝕模數分布圖。1%密度抽樣意味著10 km×10 km網格內的一個點，調查的小流域面積為0.23.0 km2。根據試點數據計算和實測結果交叉驗證，基于抽樣單元平均侵蝕模數數據插值形成的侵蝕模數分布圖分辨率為500 m×500 m，對應的制圖比例尺為1∶10萬。根據該試點結果，基于1%密度的抽樣單元分析計算的土壤侵蝕模數結果，不僅可以依據《土壤侵蝕分級分類標準》(SL 190—2007)劃分侵蝕強度等級，用不同侵蝕強度等級水土流失面積比例插值獲得每個500 m×500 m像元的不同侵蝕強度水土流失面積比例，而且可以計算得到這個像元的平均侵蝕模數。 但是，抽樣密度主體以1%為主，對縣級土壤侵蝕強度、面積及其空間分布的表征尚存在疑問。以縣為對象開展試點工作發現，基于4%密度抽樣單元信息進行空間插值能夠反映未調查區域的水蝕特征，且分土地利用插值的精度更高，因此在進行縣級土壤侵蝕動態監測時，應采用4%密度進行實地調查，較1%密度布點精度要高[4]。

4 與遙感調查法的對比

第二次和第三次全國水土流失調查采用的影像最高分辨率為30 m，是基于三因子(土地利用、地形和植被覆蓋度)綜合評判法，根據土壤侵蝕分級分類標準，判定5°以上地形的土壤侵蝕強度，這在當時的技術水平條件下滿足要求。隨著新技術新方法的應用，第四次全國水土流失調查全面考慮了影響土壤侵蝕的各因子，不僅獲得了不同土壤侵蝕強度的水土流失面積，還獲得了土壤侵蝕模數，發現和解決了很多目前遙感調查不能解決的問題：一是獲取了速成林、園地等林下地表覆蓋度，而遙感調查只能獲得喬木林的郁閉度；二是通過野外調查，將水土保持措施落到圖斑，在土壤侵蝕分析評價中全面反映了水土保持措施的作用；三是采用1∶1萬地形圖，采用分段坡公式，量化了坡度、坡長對土壤侵蝕的影響；四是采用資源環境數據成果，結合第四次全國水土流失調查應用的中國土壤流失方程、風力侵蝕模型、凍融侵蝕強度評價模型，發展了土壤侵蝕因子的計算方法；五是全面考慮了5°以下緩坡農地侵蝕的問題；六是全面考慮了農地輪作制度，并區分了南北方農地侵蝕的差異。

5 全覆蓋和抽樣調查法的對比

全覆蓋計算是指在普查對象范圍內如全省或全縣，獲取覆蓋全域的土壤侵蝕因子柵格數據，采用模型計算獲得覆蓋全域的土壤侵蝕模數并進行強度評價。若基礎數據滿足要求，如覆蓋全域的1∶1萬地形圖、全域水土保持措施分布圖、高分遙感影像數據、一年24期高時間分辨率地表反射率產品或可獲得林下植被覆蓋度等，在普查范圍內直接采用土壤侵蝕模型計算土壤流失量是最為科學、精確和有效的方法?；?∶5萬比例尺地形圖計算地形因子，會造成地形緩化，低估坡度，高估坡長。根據試點數據，土壤侵蝕對坡度的反應較敏感，在其他條件保持不變的情況下，每降低1°會導致土壤流失量減少35.7%；不考慮林下覆蓋，會使得計算結果最大相差10倍，不考慮水土保持措施的作用會導致結果最大相差12倍。數據精度不夠，水土流失評價結果將產生嚴重的誤差。通過對比分析發現，綜合考慮當前基礎數據、工作量和技術水平等的情況下，反映水土保持措施對水土流失的影響，提高地形因子量化的精度，準確反映郁閉度和植被覆蓋度對水土流失的影響等，抽樣調查方法是較好的選擇。

[1] 李智廣,符素華,劉寶元.我國水力侵蝕抽樣調查方法[J].中國水土保持科學,2012,10(1):77-81.

[2] 國務院第一次全國水利普查領導小組辦公室.第一次全國水利普查培訓教材之六：水土保持情況普查[M].北京:中國水利水電出版社,2010:9-151.

[3] 劉震.水土保持思考與實踐[M].鄭州:黃河水利出版社,2016:184-200.

[4] 鄒叢榮,齊雯,張慶紅,等.CSLE模型應用中不同抽樣密度和推算方法的比較[J].中國水土保持科學,2016,14(3):130-138.

S157

C

1000-0941(2018)01-0025-03

王愛娟(1981—)，女，寧夏銀川市人，高級工程師，博士后，主要從事水土保持監測管理與水土流失研究工作。

2017-09-10

(責任編輯 李楊楊)