區域水土流失地形因子分析與提取研究

何毅

（海晏縣農牧水利綜合服務中心，青海 海晏 812299）

受到人類活動的劇烈影響，自然氣候以及地表植被等在近十年來改變明顯，生態環境日益惡化，最為顯著的后果是土壤的侵蝕和退化[1]。水土流失作為自然災害之一，其內因是人類對森林的大量砍伐、牧場的過度養殖、以及土體鹽堿化和戈壁化等后果，其外部因素是雨水的地表沖刷和流動[2]。中國的水土流失狀況不容忽視，其嚴重地導致了土壤退化、山體滑坡和泥石流、地表營養物質流失等問題。在生態文明建設的發展理念下，水土流失等生態環境問題受到普遍關注，也獲得了越來越多的行業專家學者的研究[3-4]。在國家政策的指引下，水土流失的監測與評估已經從小范圍小流域逐步走向了大范圍、連片區域性治理，因此需要從多角度、多層次和多維度地了解地表區域性的水土流失變化情況，為政府的宏觀層面的水土流失區域治理和決策提供支撐[5]。

1 區域水土流失的特征及地形因子指標體系的構建

1.1 區域水土流失的特征

我國的幅員遼闊，地形地貌豐富，地表植被和土地利用因地而別，因此表現出千變萬化的特點。但總結水土流失與地形方面的相關性具有以下特點。

1.1.1 土壤水土流失的特征與我國三級階地的劃分呈現明顯吻合。我國的地形地貌整體上呈現西高東低的特點，并可以明顯劃分為3 個階梯。第一階梯的平均高程約為4500m，以青海省、西藏自治區為代表；第二階梯的平均高程為1000m～2000m，以內蒙古、云南、陜西為代表；第三階梯的平均高程為200m，以長江中下游各個省份為代表。在華東和華南地區（第三階梯），受到季風氣候的影響，降雨充沛，地表的丘陵和盆地交接為水土流失提供了良好的客觀條件；而西北黃土高原（第二階梯），氣候干燥，主要表現為內陸盆地地貌，降水量分布較少，主要受到風力剝蝕和遷移的作用；在青藏高原（第一階梯）由于海拔較高，地表分布為積雪和冰磧土，水土流失主要受到凍融影響。

1.1.2 平原與山地丘陵交替的地貌格局進一步加劇了水土流失的進程。我國的國土面積廣闊，地形地貌復雜，陂陀起伏，有長江三角洲、珠江三角洲、黃河三角洲和華北平原等低地，也有云貴川高原、青藏高原等高地，也存在基于平原和高原山嶺之間的丘陵。高程劇烈變化的地表為水土流土提供了良好的條件。例如在陜西和陜西等黃土廣泛分布的地區，由于風積黃土在沉積過程中比較松散，因此在雨水季節盡管降雨量較小，也容易產生劇烈的地表土壤顆粒的搬運和侵蝕，使得黃土地區呈現出千溝萬壑的進行；而在我國南方的湖南、重慶和廣西等地區，廣泛分布的喀斯特地貌就是雨水在長期的沖刷作用下形成的，導致地表丘陵被切割的奇峰峭壁。

1.2 區域水土流失評價地形因子指標體系的構建

目前，評價土壤水土流失的數學模型眾多，比如美國學者Wischmeie 等人提出的USLE 水土流失模型、改進的通用RUSLE 水土流失模型、基于物理過程的WEPP水土流失模型、荷蘭學者提出的LISEM 水土流失模型等，所有的模型均把地形因子作為函數模型最為重要的參數之一[6]。因此對區域性的水土流失地形因子進行提取是構建水土流失方程的重要前提[7]。這是因為地形因子包含了地表的高程、坡度、起伏程度等物理屬性，因此也潛在地反映了受水沖刷后的可蝕性、地表水的沖刷勢能、侵蝕營力以及受人類活動的影響強度。能夠反映地形性質的因子眾多，水土流失方程建立前需要對其進行提取[8]。由于水土流失地形因子的提取涉及到連個學科的交集，即地貌學與水土保持學的交叉，因此在選擇地形評價指標時，應遵循兩個學科的基本規律，基于地貌學與水土保持學交叉的微觀層面、宏觀層面地貌因子體系分別如圖1、圖2 所示。在指標體系的尺度上能夠建立宏觀層面的指標統計，也應建立微觀層面的地形坡度和坡長等指標，同時宏觀指標和微觀指標之間能夠實現數量轉換。

圖1 基于地貌學與水土保持學交叉的微觀層面地貌因子體系

圖2 基于地貌學與水土保持學交叉的宏觀層面地貌因子體系

2 基于多尺度DEM 模型的區域水土流失評價地形因子指標提取

2.1 區域水土流失評價地形因子指標分析

在區域水土流失的數學函數中，一般需要有5 個方面的輸入參數，分別是土壤地質因子、地形因子、植被覆蓋因子、地質水文因子、降雨因子。以往的評價指標中往往側重于降雨因子的提取，以反映地表水體對土體顆粒的運移規律，但是反映地形地貌的地形因子沒有側重考慮，導致以降雨因子為重點的數學模型存在一定的局限性。

在水土流失評價數學函數模型中，Williams 提出的改進通用土壤侵蝕方程應用較為廣泛，其包含的參數考慮了地表徑流Q（地質水文因子）、降雨峰值qpeak（降雨因子）、地形因子La、植被覆蓋率Ca（植被因子）、土壤含礫石百分比D、土壤侵蝕系數k（土壤因子）。水土流失量Sed的具體計算公式如方程（1）所示。

式中，A 為流域面積；p 土壤防水土流失措施。

對于地形因子La 的計算公式，可以由坡長L、坡度S、坡角度θ 確定，其具體的計算公式如方程）（2）～（3）所示。

2.2 基于多尺度DEM 模型的區域水土流失評價地形因子提取工程實例

青海省海晏縣位于青海湖盆地的東北部，境內多高山，其中扎勒根山峰為境內最高山峰，其峰頂黃海高程為4584m，而境內最低高程為2725m，位于水峽河谷，境內平均黃海高程為3010m。境內地形地貌復雜多變，分布有高山、灘地、湖泊、河流和低山丘陵，為雨水和地表徑流提供了良好的排泄路徑。海晏縣屬于高原亞干旱氣候，春季干旱多風，夏季涼爽，秋季短暫，冬季漫長。海晏縣年平均氣溫1.5℃左右，年日照時數2980 小時左右，年降水量在400mm 左右，年蒸發量為1581.75mm 左右。

基于多尺度DEM模型分析區域水土流失需要對縣域內的地形進行高程信息獲取。一般而言，生產DEM數據的測繪方法主要有航攝法和地形圖屏幕數據化法。前者具有較快的測繪速度和較高的DEM精度，但是其測繪成本較高，更新的周期性也較快，而后則在測繪速度上表現的較慢，得到的DEM精度也較低，但獲取DEM數據的成本較低，更新的周期性較慢。

為了獲取縣域內地表的DEM 進度，本文采用地形圖屏幕數字化法，縣域內的ArcGIS 環境下DEM模型圖如圖3 所示。

圖3 青海省海晏縣ArcGIS 環境下DEM 模型圖

經過尺度DEM模型分析可以得到青海省海晏縣La地形因子空間分布如圖4 所示，地形因子的基本規律為區域內的高程差異較大，高程最大值為扎勒根山峰4583m，最低為水峽河谷海拔僅2726m，平均高程為3000m，高程的變異系數大，區域內地表起伏大，整體上表現為北部多高山，西部為青海湖的特點。La地形因子的數值為50～320，平均值為55.78, 變異系數達到23.35%。同時對宏觀層面和微觀層面的地形因子建立轉換關系，如表1 所示。

圖4 青海省海晏縣地形因子空間分布

表1 宏觀比例和微觀比例的地形因子建立轉換關系

3 結論

地形因子是水土流失數學函數評價模型的重要輸入參數，它反映了地表受到流水沖刷作用下的可能侵蝕強度，因此提取地形因子和評估分析其空間分布特征是評價區域水土流失的重要前提。研究結合青海省海晏縣區域水土流失評價實例，在分析我國區域水土流失特征的基礎上，遵循水土流失數學函數模型原理，從宏觀層面和微觀層面構件了區域水土流失評價地形因子指標體系，并基于多尺度DEM模型對區域水土流失評價地形因子指標進行提取。研究成果可為青海省海晏縣水土流失監測、評價和治理提供參考。