張雪峰,何政偉,3,薛東劍

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,四川成都 610059;2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610059;3.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100037)

金沙江流域東川地區(qū)水土流失分析＊

張雪峰1,2,何政偉1,2,3,薛東劍1,2

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,四川成都 610059;2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610059;3.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100037)

通過多時相的遙感數(shù)據(jù),結(jié)合研究區(qū)1:50 000地形圖、DEM數(shù)據(jù)以及水文、氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等基礎(chǔ)資料,確定了影響水土流失的降雨、植被、地形坡度、溝壑密度、土地利用以及地表土壤組份6項(xiàng)因子。在此基礎(chǔ)上對云南東川地區(qū)水土流失情況依強(qiáng)度進(jìn)行分級。研究表明,水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)位于小江東岸。通過1988年和2002年的圖像對比發(fā)現(xiàn),水土流失情況整體有所好轉(zhuǎn),但小江東岸有進(jìn)一步惡化的趨勢。

金沙江流域;水土流失;RS;GIS;云南東川

0 引言

水土流失在全球范圍內(nèi)普遍存在,它不是一個最近才出現(xiàn)的問題,古希臘哲學(xué)家帕拉圖在他的《批判》一文中就有關(guān)于森林砍伐與水土流失關(guān)系的論述。水土流失會造成土壤失肥、污染水體、淤高河床等災(zāi)害,對環(huán)境甚至人類生存構(gòu)成巨大的威脅。近年來國內(nèi)外諸多學(xué)者從各方面對水土流失進(jìn)行研究,如,西班牙和法國學(xué)者González-Hidalgo等根據(jù)公開出版的有關(guān)地中海西部每日水土流失的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),通過分析日水土流失量與全年總流失量之間的關(guān)系,探討了一年中根據(jù)級別劃分的最大的三個水土流失事件(如突發(fā)暴雨)對全年總流失量的影響權(quán)重。得出結(jié)論是,每年超過50%的水土流失量是由這三次最大的事件所引起的,這一規(guī)律對不同地區(qū)不同年份具有普遍適用性[1];比利時學(xué)者Smets等分析了根固作用對減少水土流失的影響,并探討了植被覆蓋的空間尺度效應(yīng)[2];加拿大和美國學(xué)者Sheng L等運(yùn)用兩個土地模型對美國北部大平原上各種地貌進(jìn)行模擬,通過137Cs示蹤法分別對兩塊模型進(jìn)行了耕種型流失和流水型流失的評估。結(jié)果顯示,利用137Cs示蹤法進(jìn)行水土流失評估是可行的[3];我國學(xué)者劉耀林、羅志軍利用修正通用土壤流失方程對水土流失量實(shí)現(xiàn)了定量監(jiān)測[4];江洪、汪小欽等將多源數(shù)據(jù)同化實(shí)現(xiàn)了對水土流失進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測[5]。

金沙江是長江上游輸沙量最高的河流。金沙江泥沙的主要來源是其干流兩岸眾多短小陡急的泥石流溝谷,以及兩岸的崩塌、滑坡、坍塌等重力侵蝕作用向河流提供的大量泥沙。水土流失的國土面積約占金沙江流域總面積的56.7%[6]。水土流失使水利工程淤積嚴(yán)重,庫容減少,效益降低。通過對流域水土流失區(qū)的監(jiān)測,提取分析影響因子,制定合理的防治措施,是對金沙江進(jìn)行科學(xué)利用的前提。

1 研究區(qū)概況

東川位于云南省東北部,土地面積1 858 km2,其中山地占95%。地面切割強(qiáng)烈,山高谷深,河流兩岸地形陡峻,河道坡度大。受重力作用,地表徑流引起強(qiáng)烈的片蝕和細(xì)溝侵蝕,河流下切和溯源作用明顯。由于地處小江深大斷裂帶,構(gòu)造復(fù)雜,新構(gòu)造運(yùn)動和地震活動強(qiáng)烈。巖層松散、破碎,節(jié)理、裂隙發(fā)育,坍塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象頻繁發(fā)生。大量固體物質(zhì)堆積于坡腳、溝道和溝口,為河流泥沙提供了來源。

金沙江干流落差5 158 m,河道平均坡降1.48‰,多年平均流量為4 920 m3/s,年徑流量1 550億m3,水量充沛而穩(wěn)定。據(jù)屏山水文站資料,金沙江含沙量平均為1.71 kg/m3,年輸沙量為2.57億t,多年平均輸沙模數(shù)為503 t/(km2·a)[6]。河流廣泛發(fā)育和豐富的水量為侵蝕的泥沙提供了活動的場所,使水土流失和泥沙淤積發(fā)展趨勢難以在短時間內(nèi)得到控制。

2 水土流失的危害

水土流失會導(dǎo)致土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分的流失,使土層變薄,土壤質(zhì)量下降,農(nóng)作物減產(chǎn)。從土壤中流失的各種養(yǎng)分易引起水體的富營養(yǎng)化,污染水體。水土流失還會造成江河湖及水庫的淤積,降低水體的防災(zāi)能力,加劇洪澇災(zāi)害的發(fā)生。水土流失對水庫的影響主要表現(xiàn)在,造成水庫淤積,使庫底升高,庫容減小,甚至淤堵排洪道,威脅壩體穩(wěn)定性。金沙江流域山高坡陡、重力侵蝕嚴(yán)重、植被覆蓋率低、坡耕地普遍存在、開礦采石及建庫修橋等工程建設(shè)作用,水土流失相當(dāng)嚴(yán)重。

3 水土流失影響因子

水土流失強(qiáng)度是水土流失危害的表現(xiàn)。水土流失強(qiáng)度受降雨量大小、植被覆蓋度、地形坡度、溝壑密度、土地利用種類、土壤成分等6大因素控制,建立水土流失指標(biāo)體系,可以確定流域各區(qū)的水土流失強(qiáng)度,為研究和治理提供依據(jù)。

3.1 降雨信息

降雨是土壤侵蝕的觸發(fā)因子,降水集中和強(qiáng)度較大的暴雨對地面沖蝕力很強(qiáng),如缺乏植被覆蓋,會加重水土流失的發(fā)生[7]。區(qū)域降雨量可通過當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的統(tǒng)計(jì)資料獲得,包括年均降雨量、每月降雨量、每天最大降雨量、每小時最大降雨量、10 min最大降雨量、最大連續(xù)降雨日數(shù)等數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上編制區(qū)域降雨量等值線圖,由此推斷未知區(qū)域的降雨量圖。

3.2 植被信息

植被信息主要包括植被類型、植被覆蓋度、植被的垂直結(jié)構(gòu)、形態(tài)結(jié)構(gòu)等[8]。植被可以阻止水土的流失。主要是截留降雨,減少雨滴擊濺土壤的動能,增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),固結(jié)土壤使地表徑流量和土壤流失量大大減少。植被覆蓋度指數(shù)是影響水土流失最為活躍的因子[9-10]。野外觀測發(fā)現(xiàn),植被覆蓋度越高,地表的抗蝕能力越強(qiáng)。植被覆蓋度信息可以從遙感圖像根據(jù)不同的算法分別進(jìn)行提取。

3.3 地形坡度信息

坡度和坡長是影響水土流失強(qiáng)度非常重要的兩個指標(biāo)。隨著坡度的增大,坡長的增加,水土流失也隨之加劇。坡度信息的提取方法有多種,一種簡便有效的方法是:在地形圖上分別提取等高線和高程點(diǎn),通過GIS軟件生成數(shù)字高程模型(DEM),在空間分析模塊里面可以對坡度坡長等信息進(jìn)行提取。通過對照流域的坡度圖、蓋度圖和地質(zhì)災(zāi)害分布圖發(fā)現(xiàn),通常坡度大于30°、植被覆蓋度小于36%的地區(qū)為水土流失及各類地質(zhì)災(zāi)害相對發(fā)育區(qū)。

3.4 溝谷密度信息

溝谷的密度是隨著水土流失過程而發(fā)生和演化的,是研究水力侵蝕的關(guān)鍵因素。在本次對東川地區(qū)水土流失研究中,不僅對重大的溝壑,范圍內(nèi)對土壤侵蝕有直接影響的的細(xì)小溝谷的信息都進(jìn)行了選取。根據(jù)《水土保持技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)要求,溝谷密度按0～1 km/km2、1～2 km/km2、2～3 km/km2、3～5km/km2、5～7km/km2、>7 km/km2分為6級。溝谷密度信息可以利用GIS強(qiáng)大的空間分析與統(tǒng)計(jì)功能在研究區(qū)地理圖進(jìn)行提取,也可通過實(shí)地調(diào)查采集。

3.5 土地利用類型

土地利用類型的不同水土流失強(qiáng)度必然不同[9]。土地利用類型信息的提取要綜合考慮多方面的因素,如遙感數(shù)據(jù)的分辨率、地貌復(fù)雜度以及實(shí)際需要等。金沙江流域的土地利用類型可以分為:林地、水田、疏林地、草地、裸地、坡耕地。

3.6 地表組成物質(zhì)(土壤成土母質(zhì)和下墊面巖性)

土壤是土壤侵蝕的抗侵蝕因子,不同類型的土壤對侵蝕的敏感性也不一樣。將研究區(qū)成土母巖分為6種類型,即人工堆積物和第四系松散堆積巖組;半膠結(jié)砂巖、粘土巖巖組;紫紅色泥巖、砂巖、頁巖巖組;巖漿巖巖組;變質(zhì)巖巖組和碎屑巖夾少量碳酸鹽巖巖組;碳酸鹽巖夾少量碎屑巖巖組,根據(jù)成土母質(zhì)的不同來確定土壤侵蝕的影響強(qiáng)度[10]。土壤的信息可以從土壤圖上獲得。

4 東川地區(qū)水土流失情況分析

4.1 水土流失強(qiáng)度分級指標(biāo)

依據(jù)中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)SL 190-96《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》[11],參考《水土保持技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)要求[12],結(jié)合上述水土流失各因子分級定標(biāo),將金沙江流域東川段水土流失強(qiáng)度由弱至強(qiáng)劃分為6個等級:微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)、劇烈流失[13]。強(qiáng)度分級圖見圖1。

4.2 水土流失演化分析

依據(jù)水土流失強(qiáng)度分級指標(biāo),利用衛(wèi)星遙感圖像對水土流失強(qiáng)度進(jìn)行識別和區(qū)劃。東川水土流失比較嚴(yán)重,輕度和中度水土流失面積占到1/3,強(qiáng)度以上水土流失面積占到了2/3,水土流失嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在小江流域。對比分析1988年(圖2)和2002年(圖3)的水土流失情況可見:水土流失強(qiáng)度呈現(xiàn)由高向低轉(zhuǎn)移的趨勢,尤其是劇烈、極強(qiáng)度水土流失面積大幅度降低,中度水土流失和輕度水土流失面積增加。分析結(jié)果與東川地區(qū)1988年(表1)和2002年(表2)水土流失統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)吻合。水土流失演化圖見圖4。

圖1 東川水土流失強(qiáng)度分級圖(2002年)

圖2 東川1988年T M432波段遙感圖像

圖3 東川2002年T M432遙感圖像

圖4 水土流失演化圖

表1 東川地區(qū)1988年水土流失統(tǒng)計(jì)

表2 東川地區(qū)2002年水土流失統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

利用遙感手段可以快速地對區(qū)域范圍內(nèi)水土流失進(jìn)行監(jiān)測,通過GIS的空間分析功能,依據(jù)影響水土流失的6項(xiàng)因子,對流失情況按強(qiáng)度進(jìn)行分級。結(jié)果表明:金沙江流域的水土流失狀況近年來雖有所好轉(zhuǎn),但仍十分嚴(yán)重。除受特定的地質(zhì)構(gòu)造等條件影響外,與人類的工程活動也有關(guān)系。為防止水土流失演化,建議在金沙江上游進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的保護(hù),通過加強(qiáng)植樹造林,擴(kuò)大流域植被覆蓋度,加強(qiáng)水土保持和水源涵養(yǎng)能力。對土地進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃合理開發(fā)。另外,由于人類工程活動,如東川地區(qū)的礦山開發(fā)所造成的生態(tài)環(huán)境的破壞要進(jìn)行必要的恢復(fù)。

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Analysis onWater and Soil Erosion ofDongchuan Area in Jinsha Valley

Zhang Xuefeng1,2,He Zhengwei1,2,3and Xue Dongjian1,2
(1.Geosciences College,Chengdu University of Technology,Chengdu610059,China;
2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention&Geoenvironm ent Protection,Chengdu610059,China;
3.Key Laboratory of Resource Environment and GIS in Beijing,CapitalNo rmalUniversity,Beijing100037,China)

W ith the support ofmulti-temporal remote sensing imagines and the 1:500000 digital reliefmaps, the DEM and some fundamental information such as the hydrological,meteorological,agricultural,forestry data of the research area,6 factors which play an important role in the process of water and soil erosion are defined. These 6 factors are the rainfall data,the vegetation coverage information,the slope steepness,gully density, land-use and soil component.On the base of that,the water and soil erosion ofDongchuan area are classified by intensity.The results show that the most serious area of erosion is on the east side of the Xiaojiang River. Comparison of the remote sensing data of two periods of 1988 and 2002 shows that the erosion in the most areas is under the control expect that on the east side of Xiaojiang River.

Jinsha River;water and soil erosion;RS;GIS;Dongchuan in Yunnan

SI57.1

A

1000-811X(2010)01-0050-04

2009-08-25

四川省杰出青年學(xué)科帶頭人培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(06ZQ026-014);四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(2006A116);北京市資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助

張雪峰(1979-),男,吉林省延吉市人,博士研究生,主要從事遙感技術(shù)應(yīng)用方面研究.E-mail:Rainbowyaa@163.com