基于GIS的流域水土流失空間分布研究

尹嘉奇

(四川省環(huán)境信息中心，四川 成都 610093)

水土流失是造成區(qū)域土地生產(chǎn)力下降，生物棲息地和水質(zhì)退化，河流、湖泊污染的重要原因，土壤侵蝕已經(jīng)成為我國首要解決的環(huán)境問題[1-2]。影響水土流失的因素很多，包括降雨強度和頻率、土壤抗侵蝕性、場地坡度、植被覆蓋等因素[3-4]。地貌條件作為流域下基本自然環(huán)境，對流域侵蝕產(chǎn)生的方式、過程、強度具有重要影響[5]。為建立科學(xué)的水土流失治理規(guī)劃，實現(xiàn)快速高效綜合治理目標(biāo)，需要研究全面流域土壤侵蝕空間分布狀態(tài)及變化趨勢。隨著GIS技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，采用土壤侵蝕模型和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方法，進(jìn)行土壤侵蝕空間變化的定量研究，成為一個新的發(fā)展方向[6-8]。如借助GIS和景觀格局指數(shù)分析法，從景觀水平來探討景觀格局對流域水土流失的過程影響，建立基于GIS基礎(chǔ)的分布式流域水文模型SWAT[9]。通過選取反映區(qū)域水土流失敏感性因子，對流域內(nèi)土壤侵蝕強度進(jìn)行綜合評價，分析不同土地利用方式下對流域產(chǎn)沙的影響[10]。利用GIS的空間分析方法建立水土流失敏感性評價指標(biāo)體系，確定易發(fā)生水土流失區(qū)域，解釋水土流失不同敏感程度的空間分異規(guī)律[11]。

在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，以瀘沽湖典型流域河流為對象，結(jié)合遙感調(diào)查的土壤侵蝕數(shù)據(jù)和GIS模型，對該流域土壤侵蝕在高程、植被覆蓋度、坡度方面的空間分布特征進(jìn)行分析，以期為瀘沽湖流域水土保持規(guī)劃和水土流失治理提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域水土流失GIS模型

1.1 研究區(qū)概況

瀘沽湖流域位于川、滇兩省交界處，東部位于四川涼山自治州，西部隸屬云南麗江市流域。全年平均溫度20 ℃，最高溫29 ℃，最低溫-5 ℃，年降水量910 mm，屬于溫帶山地季風(fēng)氣候。瀘沽湖流域各類植物共140科443屬874種，其中陸生植物117科，水生植物23科。哺乳類動物29種，兩棲類7種，鳥類65種，包括珍貴的波葉海菜花，特有的裂腹魚。區(qū)域內(nèi)包括以獅子山為主的大片原始森林，是云冷杉、云南松等珍貴植被的分布區(qū)域。當(dāng)前，瀘沽湖流域云南片區(qū)開發(fā)已初具規(guī)模，形成以原始摩梭族文化和湖泊自然景觀為主的獨特景觀特色。通過野外調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該流域水土流失普遍，導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化和濕地嚴(yán)重淤積，嚴(yán)重影響到地區(qū)獨特文化傳承。而四川片區(qū)開發(fā)程度較低，植被稀疏，經(jīng)過長期地質(zhì)侵蝕，溝壑縱橫，形成梁峁丘陵地形。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究采用數(shù)據(jù)包括覆蓋瀘沽湖全域1∶50 000地形圖、分辨率為10 m的全色景象3景規(guī)劃區(qū)域圖。1∶50 000地形圖用于生產(chǎn)數(shù)字高程模型(DEM)，通過進(jìn)行矢量處理提取高程信息，通過3D Analyst生產(chǎn)柵格像元DEM，運用ArcMap提取DEM中高程、坡度、坡向矢量數(shù)據(jù)。遙感圖像采用2019年采集的Landsat 8遙感影像，采用ENVI軟件進(jìn)行圖像幾何校正、圖像增強、影像裁減和融合等處理方式，實現(xiàn)影像與地物匹配。以融合后的影像數(shù)據(jù)作為土地利用和植被覆蓋度數(shù)據(jù)源，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，運用歸一化植被指數(shù)模型獲得植被覆蓋度數(shù)據(jù)，瀘沽湖地區(qū)的不同土地類型如圖1所示。

1.3 分析方法

選取2020年10月Landsat 8 遙感影像和地形圖為數(shù)據(jù)源，運用3D Analyst柵格計算功能，提取瀘沽湖DEM、坡度、坡向等影響因子，運用ENVI軟件獲取植被覆蓋度[12]。通過ArcMap空間疊加獲得區(qū)域水土流失敏感性空間分布情況。

圖1 瀘沽湖地區(qū)土地類型Fig.1 Land types in Lugu Lake

2 區(qū)域水土流失敏感度分析

2.1 敏感性強度分級

瀘沽湖地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂、節(jié)理及過渡性剪切帶發(fā)育，云貴高原地區(qū)主要受降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形、植被覆蓋、水土保持等因子的影響，且地區(qū)非喀斯特地形發(fā)育。為準(zhǔn)確表征水土流失狀況，以水土流失等級調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)為參考[13]，確定水土流失敏感性強度分級指標(biāo)見表1。

表1 水土流失敏感強度分級指標(biāo)Tab.1 Classification of soil erosion sensitivity

2.2 指標(biāo)因子提取

(1)植被覆蓋度。植被的冠層削弱雨水對地面打擊力度，根系增加雨水的下滲能力和土壤的抗侵蝕能力。植被覆蓋度主要通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)計算，將遙感影像中不同波段的灰度值進(jìn)行組合運算，通過ENVI軟件的Transform模塊構(gòu)建NDVI模型來計算NDVI[14]。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合瀘沽湖植被覆蓋情況進(jìn)行等級劃分，具體植被覆蓋度劃分等級為：非常低(0～30%)、低級(30%～45%)、中級(45%～60%)、良好(60%～75%)、優(yōu)秀(75%～100%)，結(jié)合ArcGIS研究區(qū)域植被覆蓋度數(shù)據(jù)。

(2)坡度。坡度作為影響水土流失敏感性評價指標(biāo)，坡度越大，徑流越大，對地面沖刷力越強。坡度指標(biāo)以地形圖信息為數(shù)據(jù)源，利用ArcMap提取區(qū)域高程線和高程點，運用研究區(qū)邊界編輯TIN，生成DEM。由3D Analyst工具的Surface Analysis的坡度計算模型獲得區(qū)域坡度數(shù)據(jù)，根據(jù)土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)及土壤侵蝕遙感數(shù)據(jù)。其中，坡度不超過50°時，隨坡度的增大，水土流失風(fēng)險程度增大；坡度大于50°后，坡地的暴露程度迅速下降；當(dāng)坡度在50°～65°時，坡地對水土流失風(fēng)險程度在35%～50%，隨著坡度的進(jìn)一步增加，風(fēng)險程度繼續(xù)下降；坡度為90°時，影響完全消失。本文將瀘沽湖坡度劃分為6個不同等級，分別為<5°，5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°。

(3)高程。海拔高度直接影響到氣候溫度、相對濕度和雨量，同時環(huán)境中的土輻射強度、空氣流動、土壤性質(zhì)也發(fā)生改變[15]。本文根據(jù)瀘沽湖地形起伏情況，運用ArcMap空間疊加原理，將高程分為7個等級，分別為<+500 m，+500～+800 m，+800～+1 200 m，+1 200～+1 500 m，+1 500～+1 800 m，+1 800～+2 300 m。

3 結(jié)果分析

3.1 水土流失敏感性分析

植被具有防沙保土、截流降雨等功能，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的功能體，植被覆蓋度直接關(guān)系到區(qū)域水土流失情況。運用Arc-Map空間分析模塊，將植被覆蓋度數(shù)據(jù)與水土流失敏感評價指標(biāo)疊加，獲得植被覆蓋度與水土流失敏感度關(guān)系，見表2。

表2 水土流失敏感度與植被覆蓋關(guān)系Tab.2 Sensitivity of of soil erosion and vegetation cover

由表2可以看出，不同植被覆蓋度下的水土流失強度表現(xiàn)出顯著特征。隨著植被覆蓋度增加，水土流失敏感度區(qū)域面積前期迅速上升，植被覆蓋度在30%～45%時達(dá)到峰值，隨后緩慢下降，表明瀘沽湖水土流失主要分布在植被覆蓋度30%～45%區(qū)域。根據(jù)植被覆蓋與水土流失比較，隨著水土流失等級和植被覆蓋度的增加，流失面積逐漸較小，植被覆蓋度與水土流失面積呈負(fù)相關(guān)，大部分輕度以上水土流失敏感區(qū)域分布在植被覆蓋度30%～45%。

水土流失敏感性與坡度間的關(guān)系見表3。由表3可以看出，瀘沽湖水土流失敏感性區(qū)域集中在坡度為15°～35°。這個坡度范圍水土流失敏感區(qū)域占輕度以上流失區(qū)域80%以上，面積達(dá)到654.13 km2。隨坡度的增加，水土流失峰值表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，坡度對水力侵蝕存在一個臨界坡度，當(dāng)超過該臨界坡度時，土壤侵蝕面積下降。這是由于在投影面積相同情況下，坡度大的區(qū)域平均水量越小，水土流失增加。由表3可以看出，當(dāng)坡度大于35°后，瀘沽湖水土流失強度下降，由于瀘沽湖作為生態(tài)功能區(qū)，在35°坡度實行了退耕還林政策，人為干預(yù)較小，因此，坡度15°～35°應(yīng)該作為水土流失防治核心地帶。

表3 水土流失敏感度與坡度關(guān)系Tab.3 Relationship between soil erosion sensitivity and slope

水土流失敏感度與高程關(guān)系見表4。水土流失敏感度集中在高程+800～+1 400 m內(nèi)，占輕度以上水土流失敏感區(qū)的75%，并且不同等級的水土流失高程特征表現(xiàn)出典型的單峰變化趨勢，即隨著高程的增加，各等級水土流失敏感性面積表現(xiàn)出一個先增加后下降的趨勢，除輕度水流失敏感度范圍在高程+1 100～+1 400 m外，其他均在高程+800～+1 100 m達(dá)到最高值。由于瀘沽湖活動主要在高程+800～+1 400 m，而該研究區(qū)的平均高程均在+1 100 m，地區(qū)人類活動較頻繁。同時該地區(qū)降水集中在高程+800～+1 400 m內(nèi)，在該范圍水土流失達(dá)到一個峰值，后續(xù)水土流失中應(yīng)以高程+800～+1 400 m作為治理核心區(qū)。

表4 水土流失敏感度與高程關(guān)系Tab.4 Relationship between sensitivity and elevation of soil erosion

3.2 綜合結(jié)果分析

根據(jù)ArcMap空間分析特征，將區(qū)域坡度、植被覆蓋度、高程因子疊加分析，對瀘沽湖水土流失敏感性進(jìn)行綜合評價見表5。由表5可以看出，輕度以上水土流失敏感區(qū)占整面積的67.41%，敏感區(qū)面積達(dá)到812.63 km2，其中主要以輕度和中度為主。輕度水土流失敏感性區(qū)域站總面積的49.13%，敏感區(qū)域面積591.26 km2，中度水土流失敏感度占總面積12.31%，敏感區(qū)面積148.26 km2，強度、極強、劇烈水土流失區(qū)較小，圖斑破碎。研究表明瀘沽湖水土流失敏感區(qū)域分析，主要呈點狀分布，聚居于人類活動相對密集區(qū)域，極少區(qū)域呈面狀分布。

表5 瀘沽湖水土流失敏感性強度特征Tab.5 Sensitivity and intensity of soil erosion in Lugu Lake

4 結(jié)論

利用地理空間信息技術(shù)對瀘沽湖地區(qū)水土流失敏感度進(jìn)行分析評價，從高程、坡度、植被覆蓋度等因素考慮，研究不同影響因子和水土流失敏感性強度關(guān)系，并對地區(qū)水土流失敏感性強度進(jìn)行綜合評價，研究結(jié)論如下。

(1)水土流失敏感性區(qū)域出現(xiàn)在植被覆蓋度30%～45%，坡度15°～35°，高程+800～+1 400 m范圍內(nèi)，輕度以上侵蝕面積表現(xiàn)出先增加后下降的單峰分布，后續(xù)水土流失防治中，以該范圍作為核心治理地帶。

(2)瀘沽湖區(qū)域水土流失敏感區(qū)主要以輕度和中度等級為主，輕度以上水土流失敏感區(qū)占總面積的67.41%，敏感區(qū)面積達(dá)到812.63 km2，強度、極強、劇烈水土流失區(qū)較小，圖斑破碎。主要呈點狀分布。