基于DEM的重慶市水土流失地形因子分析

唐 慶 羊秀娟 王娜娜

（西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院，四川南充 637000）

1 引言

水土流失是指在水力、風(fēng)力、重力、凍融等外營力作用下，水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失［1］。水土流失導(dǎo)致耕地面積減少，土壤肥力下降，對動、植物的生存發(fā)展產(chǎn)生不良影響。當(dāng)前，水土流失是全球范圍內(nèi)發(fā)生最廣泛、危害最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題之一，嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展［2］。導(dǎo)致水土流失的原因主要有地形地貌、氣候降雨、土壤巖性、植被覆蓋及人類活動等。本文主要利用30m分辨率的重慶市DEM數(shù)據(jù)，分析地形對重慶市水土流失產(chǎn)生的影響。地形地貌是最重要、最基本的自然地理要素［3］，決定著地面物質(zhì)與能量的形成與再分配，影響著區(qū)域水土流失的發(fā)生［4，5］。數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）是地表形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)，蘊(yùn)含了豐富的地學(xué)應(yīng)用分析所必須的地貌信息［6］，可提取影響區(qū)域水土流失的地形因子，分析其對區(qū)域水土流失的影響。對多種空間尺度上的地形因子的選擇、提取和應(yīng)用，是區(qū)域水土流失評價(jià)的重要基礎(chǔ)性工作［7］。目前，國內(nèi)外關(guān)于水土流失按研究尺度可以劃分為坡面、小流域和區(qū)域3類［8］，但水土保持工作的開展往往以行政單元為基礎(chǔ)，故本文從行政區(qū)的角度研究地形對重慶市水土流失產(chǎn)生的影響。另外，使用單一地形因子進(jìn)行分析，其結(jié)果通常具有一定的局限性。故本文綜合分析坡度、坡向、粗糙度、坡面曲率、高程變異系數(shù)5個地形因子，有助于深入分析重慶市地形對水土流失的影響，以期為重慶市的水土保持工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持，為其他地區(qū)的地形分析和水土保持提供借鑒。

2 研究區(qū)概況

重慶市地跨東經(jīng)105°11′～110°11′、北緯28°10′～32°13′，處我國地勢的第2級階梯，位于中國西南部，長江上游地區(qū)，連接西部青藏高原和東部長江中下游平原，地貌以丘陵、山地為主，素有“山城”之稱。其北部、東部及南部分別有大巴山、巫山、武陵山、大婁山環(huán)繞；西北部和中部以丘陵、低山為主。此外，區(qū)域內(nèi)發(fā)育典型的喀斯特地貌，其中武隆天坑尤為著名。重慶市屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，全年降水豐富，主要集中在5—9月。在地形、巖性和氣候的多種作用下，重慶市地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，引發(fā)了嚴(yán)重的水土流失。

圖1 重慶市30m分辨率DEM

3 數(shù)據(jù)來源與處理

3.1 數(shù)據(jù)來源 數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺，在此網(wǎng)絡(luò)平臺上按行政區(qū)搜索并下載重慶市分辨率為30m的DEM數(shù)據(jù)。在ArcGIS10.2中導(dǎo)入DEM柵格數(shù)據(jù)，打開Arc Toolbox—數(shù)據(jù)管理工具—柵格—柵格數(shù)據(jù)集—鑲嵌進(jìn)行拼接。而后加載重慶市域范圍的面要素文件，通過數(shù)據(jù)管理工具—投影和變換—定義投影將其設(shè)置為地理坐標(biāo)系WGS 1984。最后利用Spatial Analyst工具——提取分析——按掩膜提取工具得到分辨率為30m的重慶市DEM數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 坡度 坡度表示地表單元的陡緩程度。使用Spa?tial Analyst工具—表面分析—坡度工具提取重慶市的坡度圖。

3.2.2 坡向 坡向表示地表坡面的朝向。使用Spatial Analyst工具—表面分析—坡向即可獲取。它是以正北為0°，沿順時(shí)針方向，90°為正東，180°為正南，270°為正西，統(tǒng)計(jì)出平地、北、東北、東、東南、南、西南、西、西北9個方位。

3.2.3 粗糙度 地表粗糙度是指地表單元面積與其在水平面上投影面積之比。其公式為Ri=1/cos（［slop of DEM］*π/180），利用之前得到的坡度數(shù)據(jù)，打開Spatial Analyst工具—地圖代數(shù)—柵格計(jì)算器，輸入公式即可得出。

3.2.4 剖面曲率 剖面曲率是指地形沿最大坡降方向的變化率，在ArcGIS中，其計(jì)算是對坡度的二次求取。其獲取方式與坡度相同。

3.2.5 高程變異系數(shù) 高程變異系數(shù)是地表單元格網(wǎng)格頂點(diǎn)高程的變化情況［9］。其公式為V=S/Z，其中：V表示高程變異系數(shù)，S表示區(qū)域內(nèi)的高程標(biāo)準(zhǔn)差，Z表示區(qū)域內(nèi)高程的平均值。在ArcGIS中，打開Spatial Analyst工具—鄰域分析—塊統(tǒng)計(jì)—在統(tǒng)計(jì)類型中選擇“STD”或“MEAN”，分別得出區(qū)域內(nèi)的高程標(biāo)準(zhǔn)差和高程平均值，然后通過Spatial Analyst工具—地圖代數(shù)—柵格計(jì)算器和公式V=S/Z計(jì)算出高程變異系數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 坡度因子 坡度反映了地表起伏狀況，影響地表水力侵蝕的動力及降雨和外營力的再分配，進(jìn)而對地表物質(zhì)的侵蝕搬運(yùn)和堆積產(chǎn)生影響。由此可見，坡度對土壤侵蝕有著重要的影響。根據(jù)《水土保持技術(shù)規(guī)范》，將坡度分為6個級別［10］：0～5°為緩傾斜坡、5～8°為中等斜坡、8～15°為斜坡、15～25°為陡坡、25～35°為急坡、＞35°為急陡坡。坡度越大，坡面越傾斜，其土壤侵蝕程度越嚴(yán)重。如表1所示，重慶市坡度＜15°的地區(qū)占總面積的53.91%，此部分區(qū)域地形較為平坦，水土流失較小，適用于耕作和居住。坡度介于15～35°的地區(qū)占總面積的39.51%，此區(qū)域坡度較大，應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)，防止水土流失進(jìn)一步發(fā)生。坡度＞35°的地區(qū)占總面積的6.58%，此區(qū)域地形陡峭，水土流失較為嚴(yán)重，應(yīng)做好水土保持工作。

表1 各級坡度占總面積比例

4.2 坡向因子 由表2可以看出，重慶市陰坡面積占總面積的33.49%，陽坡面積占總面積的39.49%。坡向因子影響著太陽輻射量，降水與蒸發(fā)，從而影響著植被生物量，蓋度，根密度等指標(biāo)，對土壤侵蝕產(chǎn)生重要的影響。研究區(qū)內(nèi)陽坡日照時(shí)數(shù)更大，光照充足，且位于迎風(fēng)坡向，降雨充足，適合于植被生長，故植被狀況良好，有利于水土保持。陰坡太陽輻射量相對陽坡較少，且位于背風(fēng)坡，降雨較少，焚風(fēng)效應(yīng)明顯，土壤水分流失較嚴(yán)重，不利于植被生長，應(yīng)加強(qiáng)對陰坡的水土保持工作，采取措施使其植被蓋度增加，減少土壤侵蝕。

表2 各坡向占總面積比例（%）

4.3 地表粗糙度 地表粗糙度在一定程度上可以反映地形地貌破碎化程度［7］、地表起伏變化和侵蝕程度［11］。由表3可以看出，重慶市的地表粗糙度值介于1～15.175，采用自然段點(diǎn)法將重慶市的地表粗糙度分為5級。地表粗糙度介于1～1.055的占總面積的64.87%，介于 1.055～1.154的占總面積的23.00%，介于1.154～1.316的占總面積的9.17%，介于1.316～1.657的占總面積的2.62%，介于1.657～15.175的占總面積的0.34%。其中，地標(biāo)粗糙度主要集中在1～1.657，占總比例的99.66%。且隨著地表粗糙度的增加，其所占面積不斷減少。

表3 各級粗糙度占總面積比例（%）

4.4 剖面曲率 剖面曲率反映了地形結(jié)構(gòu)和地形的復(fù)雜程度，影響地表水流流速，進(jìn)而對區(qū)域的土壤侵蝕產(chǎn)生影響。剖面曲率的值越大，即表明地表起伏越大，越容易發(fā)生水土流失。由表4可以看出，將重慶市的剖面曲率分為6級，其值主要集中在0～15，占總面積比例的96.61%，其中0～5區(qū)間所占比例最大，為60.43%；隨著剖面曲率的增大，其所占比例依次快速下降；剖面曲率＞45的地區(qū)所占比例可以忽略不計(jì)。

表4 各級剖面曲率占總面積比例（%）

4.5 高程變異系數(shù) 高程變異系數(shù)可表示地面高程變化和地面起伏頻率的大小，是宏觀尺度上的地形指標(biāo)之一［11］。由表5可以看出，重慶市高程變異系數(shù)總體變化為-1.895～18.656，總體變化較大。在ArcGIS中采用自然斷點(diǎn)法將高程變異系數(shù)分為4級，其中位于兩頭的小值區(qū)間（-1.895～-0.042）和大值區(qū)間（1.731～18.656）所占的比例可以忽略不計(jì)。重慶市高程變異系數(shù)最主要集中在-0.0412～0.039，占總面積比例的97.79%；其次為0.039～1.731，但所占總面積較小，僅為2.21%。

表5 各級高程變異系數(shù)占總面積比例（%）

5 結(jié)論

基于分辨率為30m的數(shù)字高程模型（DEM）分析，重慶市地形以丘陵山地為主，地表高差較大，且位于濕潤地區(qū)，年降雨量豐富，由此引發(fā)的水土流失問題較為突出，尤其在坡度較大區(qū)域，陰坡以及地表破碎，地形起伏較大的區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)水土保持工作。