基于GIS和USLE模型的安慶市水土流失敏感性評(píng)價(jià)

李 青

(安慶水文水資源局，安徽 安慶 246003)

土壤侵蝕已成為我國(guó)最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一。安慶市地形坡度長(zhǎng)，坡度陡，雨量大。國(guó)此，建立有效的水土資源保護(hù)措施迫在眉睫，研究土壤侵蝕敏感性對(duì)于明確土壤侵蝕敏感區(qū)、制定合理的區(qū)域水土保持措施具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

安慶是安徽省的一個(gè)地級(jí)市，是長(zhǎng)江三角洲中部27個(gè)城市之一。它位于安徽省西南部，萬(wàn)江源頭800里，長(zhǎng)江下游北岸，萬(wàn)河入江之地，西部為湖北省，南部為江西省，西北為大別山主峰，東南為黃山。截至2019年，全市轄3個(gè)區(qū)、5個(gè)縣、2個(gè)縣級(jí)市，總面積14 400 km2。安慶市地處長(zhǎng)江中下游北岸，依山傍水，地勢(shì)相對(duì)平坦。安慶轄區(qū)內(nèi)有中山、低山、丘陵、臺(tái)地(丘)、平原等多種地貌。西北為大別山中低山區(qū)，中部為起伏的丘陵地帶，東南及沿江為江湖平原。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的數(shù)字高程模型提取自資源三號(hào)遙感測(cè)繪衛(wèi)星，通過(guò)ENVI和ARCGIS軟件進(jìn)行提取、校正等工作，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，提取精度較高[1]。它的機(jī)身上主要搭載4臺(tái)光學(xué)相機(jī)，包括1臺(tái)2.1 m分辨率的全彩相機(jī)、2臺(tái)3.6 m分辨率的正反相機(jī)。它能夠以長(zhǎng)期、連續(xù)和穩(wěn)定的方式獲得立體全色圖像、多光譜圖像和輔助數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖1和表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

2.2 研究方法

本文采用目前應(yīng)用最廣泛的USLE土壤侵蝕模型來(lái)評(píng)價(jià)，土壤侵蝕方程(USLE)：

A=R×K×LS×C×P

式中：A為土壤侵蝕量；R為降水侵蝕力；K為土壤因子；LS為坡度坡長(zhǎng)因子；C為地表覆蓋因子；P為人工措施因子[2]。

具體評(píng)價(jià)體系見(jiàn)表2。

圖1 DEM數(shù)據(jù)

表2 水土流失敏感因子評(píng)價(jià)指標(biāo)

土壤侵蝕敏感性指數(shù)計(jì)算采用《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》中的計(jì)算方法[3]。

式中:Sj為空間單元j土壤侵蝕敏感性指數(shù);Ci為因素i敏感性等級(jí)值(i分別為降雨侵蝕力敏感值、地形起伏度敏感值、土壤質(zhì)地敏感值和植被類(lèi)型敏感值)。

1) 降水侵蝕因子(R) 難以直接測(cè)定,通過(guò)公式計(jì)算獲得：

式中:R為年降水侵蝕力;ρ1為各月平均降水量：ρ為年平均降水量。

文中選取河北及周邊省份共21個(gè)站點(diǎn)的降水量計(jì)算R值，采用ArcGIS 10.4中的Spline內(nèi)插法,繪制河北太行山區(qū)年降水侵蝕力R值柵格分布圖。

2) 土地利用分布類(lèi)型因子。根據(jù)2014年研究區(qū)的遙感圖像，在Envi 5.1軟件中，研究區(qū)的土地利用類(lèi)型分為林地、草地、耕地、裸地、建筑用地、水體。

3) 植被覆蓋因子的提取。在Envi 5.1軟件中，利用波段數(shù)學(xué)工具，利用遙感方法估算植被覆蓋度。NDVI二元模型是線(xiàn)性混合像元分解模型中最簡(jiǎn)單、最準(zhǔn)確的一種，用于植被覆蓋度的估計(jì)[4]。

根據(jù)研究區(qū)域2018年遙感圖像，利用研究區(qū)域的紅外波段和近紅外波段，根據(jù)以下公式估算研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素的歸一化植被指數(shù)(NDVI)：

式中:NIR為近紅外波段;RED為紅外波段。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取置信區(qū)間, 確定NDVIsoil和NDVIveg,依照下式估算各像元的植被覆蓋度FVC:

4) 土壤類(lèi)型因子。水土流失發(fā)生的主體是土壤甚至其母質(zhì)，所以土壤類(lèi)型從根本上決定了土壤可蝕性,反映了土壤遭受侵蝕的敏感程度(S)，因此本文將土壤類(lèi)型作為水土流失敏感性因子之一，考慮其對(duì)土壤侵蝕危險(xiǎn)性的影響。在相同條件下，土壤的抗侵蝕能力越強(qiáng)，水土流失的敏感性就小，水土流失的強(qiáng)度弱。

3 研究結(jié)果

3.1 土地利用/植被覆蓋解譯

通過(guò)ENVI軟件內(nèi)置的“Transform”中的NDVI功能，計(jì)算遙感影像中的NDVI值，然后利用公式計(jì)算植被的FVC(植被覆蓋度)值。最終得到植被覆蓋解譯圖見(jiàn)圖2和表3。

圖2 植被覆蓋解譯圖

表3 植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)表

植被對(duì)于水土流失的強(qiáng)度起到至關(guān)重要的影響。首先，植被的冠層具有涵養(yǎng)水的作用，能夠截留降雨時(shí)的雨水，阻止雨水直接沖刷地表，緩解地表徑流的產(chǎn)生。其次，植被根系也會(huì)大量吸收水分，使得雨水到達(dá)地面后的入滲量增加，間接減少地表徑流，從而影響水土流失。由植被分布圖可以看出，安慶市植被分布情況較好，高及中高植被占比較高，分別達(dá)到34.3%和37.2%，主要集中在西北部，高植被和中高植被交替分布。低植被覆蓋占比為9.0%，主要零散分布在南部和東部地區(qū)。

采用ENVI軟件的非監(jiān)督分類(lèi)法，通過(guò)人機(jī)目視解譯，將安慶市的土地分為草地、林地、建筑用地、裸地、水體和耕地。得到的解譯圖見(jiàn)圖3和表4。

安慶市土地利用多以林地、草地為主，面積占比分別為37.5%和28.9%；耕地面積占比最低，僅為10.45%。土壤侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域一般發(fā)生在裸地地區(qū)。見(jiàn)表5。

圖3 土地利用分類(lèi)圖

表4 土地利用分類(lèi)統(tǒng)計(jì)表

表5 不同土地類(lèi)型C因子

3.2 降雨侵蝕力

本研究釆用月均降雨量估算因子，然后運(yùn)用回歸擬合的方法進(jìn)行降雨侵燭力的空間化。具體步驟如下：首先根據(jù)監(jiān)測(cè)期間月平均降雨量，然后計(jì)算研究區(qū)氣象站點(diǎn)的R值降雨侵蝕力因子，所得結(jié)果見(jiàn)圖4。可以看出，安慶市降雨侵蝕力分布呈現(xiàn)出從北往南依次增加的趨勢(shì)。最北部為低降雨侵蝕區(qū)域，與植被覆蓋的相關(guān)性較高。

圖4 降雨侵蝕力R分布圖

本文選取13個(gè)區(qū)域的NDVI值與降雨侵蝕力R值進(jìn)行相關(guān)性擬合。結(jié)果顯示，降雨侵蝕力R值與NDVI值呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明植被可以有效降低降雨對(duì)地表的沖刷作用，從而降低降雨侵蝕力，緩解水土流失。見(jiàn)圖5。

圖5 降雨侵蝕與NDVI趨勢(shì)擬合圖

3.3 土壤類(lèi)型

安慶市土壤類(lèi)型空間分布數(shù)據(jù)是根據(jù)國(guó)家土壤普查局1995年編制出版的《中華人民共和國(guó)土壤圖》(1∶100萬(wàn))數(shù)字化生成的。采用傳統(tǒng)的土壤成因分類(lèi)體系。基本制圖單元為亞類(lèi)，分為12個(gè)土綱、61個(gè)土類(lèi)和227個(gè)亞類(lèi)。土壤屬性數(shù)據(jù)庫(kù)共有2 647條記錄16項(xiàng)，基本覆蓋了我國(guó)各類(lèi)土壤及其主要屬性特征。見(jiàn)圖6。

圖6 土壤類(lèi)型分布圖

3.4 土壤侵蝕敏感性

根據(jù)土壤侵蝕模型，基于ARCGIS軟件，疊加上文所采取的數(shù)據(jù)，得到土壤侵蝕敏感性分布圖，見(jiàn)圖7。

圖7 土壤侵蝕敏感性分布圖

安慶市土壤侵蝕輕度敏感區(qū)域的面積占比最高，達(dá)到84.1%；中度敏感、重度敏感和極重敏感呈碎片化分布在北部及中部區(qū)域；極度敏感區(qū)域的占比最低，僅為0.4%。結(jié)合土地利用現(xiàn)狀圖發(fā)現(xiàn)，高度敏感區(qū)域內(nèi)的主要土地利用類(lèi)型是疏林地，其水土保持措施應(yīng)加強(qiáng)對(duì)疏林地、低價(jià)次生林的改造，保護(hù)好植被。見(jiàn)表6。

表6 土壤侵蝕敏感性

為了對(duì)安慶市整體的水土流失敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，引入土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)指數(shù)(SEPDI)，其表明某一地區(qū)或地類(lèi)水土流失潛在危險(xiǎn)性的大小，根據(jù)該地區(qū)或地類(lèi)水土流失潛在危險(xiǎn)度不同等級(jí)面積的加權(quán)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其計(jì)算公式為：

SEPDI=(M1+2M2+3M3+6M4+9M5)/(M1+M2+M3+M4+M5)

式中:M1為不敏感區(qū)面積;M2為輕度敏感區(qū)面積;M3為中度敏感區(qū)面積;M4為重度敏感區(qū)面積;M5為極度敏感區(qū)面積。

SEPDI值為1～9,值越大表明該區(qū)域或地類(lèi)水土流失潛在危險(xiǎn)度越大。安慶市SEPDI的值為1.23，驗(yàn)證了面積統(tǒng)計(jì)的結(jié)果,說(shuō)明安慶市的整體水土流失敏感性處于輕度的狀況。

土壤侵蝕綜合指數(shù)可以用來(lái)分析不同條件下的土壤侵蝕狀況，該指數(shù)能夠反映土壤侵蝕的嚴(yán)重程度，可以用土壤侵蝕指數(shù)來(lái)表示[5]。值越高表示對(duì)土壤侵蝕的綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)越大，其計(jì)算如下：

式中:Wij為第i類(lèi)第j級(jí)的土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)值;Aij為第i類(lèi)第j級(jí)的土壤侵蝕強(qiáng)度的面積比重。

利用GIS技術(shù)，對(duì)高程圖、植被覆蓋圖與土壤侵蝕圖進(jìn)行疊加，產(chǎn)生土壤侵蝕與植被覆蓋、地形起伏之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。見(jiàn)表7和表8。

通過(guò)表7、表8可以得出，丘陵山地的侵蝕強(qiáng)度最高，為2.71；平原的土壤侵蝕強(qiáng)度最低，為1.29。安慶市土壤侵蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)都集中在丘陵至中起伏山地以上的區(qū)域。地形起伏度越大，土壤侵蝕指數(shù)相對(duì)也越高，說(shuō)明土壤侵蝕與地形起伏具有正相關(guān)關(guān)系。

表7 不同區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)

表8 不同植被覆蓋區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)

植被覆蓋表現(xiàn)為植被覆蓋越高，土壤侵蝕強(qiáng)度越低，低植被覆蓋的土壤侵蝕強(qiáng)度為2.59，高植被覆蓋的強(qiáng)度僅為0.92。

4 結(jié) 論

本文基于GIS和USLE模型，結(jié)合遙感影像衛(wèi)星及降雨資料，對(duì)安慶市水土流失敏感性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，安慶市植被分布情況較好，高及中高植被占比較高，分別達(dá)到34.3%和37.2%。土地利用C因子中的裸地值最高，降雨侵蝕力分布呈現(xiàn)出從北往南依次增加的趨勢(shì)，與植被相關(guān)性較高，土壤侵蝕輕度敏感區(qū)域占比最高，達(dá)到84.1%，整體處于輕度敏感范圍，土壤侵蝕與地形起伏具有正相關(guān)關(guān)系，與植被覆蓋具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。