段文秀

(德州學(xué)院，山東 德州253023)

隨著人口的劇增和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的水土流失問題日益嚴(yán)峻。水土流失破壞了土地資源，使土地肥力下降，并造成了水體富營(yíng)養(yǎng)化，成為嚴(yán)重的全球性的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境問題之一[1]。我國(guó)學(xué)者在水土流失機(jī)理研究和防治方面做了大量工作，如李月臣等[2]以USLE和GIS為基礎(chǔ)進(jìn)行了三峽庫(kù)區(qū)(重慶段)土壤侵蝕敏感性的綜合評(píng)價(jià)，楊娟等[3]結(jié)合USLE與GIS對(duì)臥龍流域土壤侵蝕進(jìn)行了模擬。洱海是云南白族人民的母親湖，但針對(duì)其流域日趨嚴(yán)重的土壤侵蝕問題的研究目前尚未深入開展。鑒于此，本研究以洱海流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在運(yùn)用“3S”技術(shù)對(duì)已有資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用USLE模型估算其土壤侵蝕量及侵蝕面積，制作出土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖，并匯總計(jì)算出各類土壤侵蝕強(qiáng)度區(qū)域面積以確定水土保持重點(diǎn)區(qū)域，為流域水土流失綜合防治提供了理論和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)地形數(shù)據(jù)及遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

洱海位于云南省大理白族自治州中部，屬瀾滄江流域黑惠江支流天然湖泊，是白族人民的母親湖，控制流域面積2 565 km2。流域內(nèi)有耕地4.30萬(wàn)hm2，年均氣溫15.7℃，年均降水量976.7 mm，其中西南部年均降水量1 000—1 200 mm、東北部700—900 mm，降水主要集中在每年的5—10月份，期間降水量占年降水量的84% ～92%，主汛期6—9月份的降水量占年降水量的66% ～77%，形成了干濕季節(jié)分明的氣候特點(diǎn)[4]。

1.2 流域范圍的確定

本研究在ArcGIS軟件支持下使用研究區(qū)DEM提取洱海流域范圍[5]，具體流程如圖1所示。

圖1 洱海流域范圍提取流程

1.3 遙感數(shù)據(jù)處理

在水土保持研究中，應(yīng)用的數(shù)據(jù)源主要有遙感影像、各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及調(diào)查數(shù)據(jù)等。本研究選用Landsat-5 TM遙感數(shù)據(jù)，運(yùn)用Erdas軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理[6]。具體流程如圖2所示。

圖2 遙感圖像處理流程

2 土壤侵蝕模型建立方法介紹

本研究應(yīng)用國(guó)際上通用的USLE模型，其形式簡(jiǎn)單，所需參數(shù)較易獲得，且因子的解釋具有物理意義，是目前預(yù)測(cè)土壤侵蝕量使用最為廣泛的方法。其表達(dá)式為

2.1 降雨侵蝕力因子(R)

降雨侵蝕力表達(dá)式為

式中:R為多年平均降雨侵蝕力，m·t·cm/(hm2·h·a);P為年降雨量，mm;I60、I1440分別為年均最大60、1 440 min降雨量，mm[7]。研究中由于資料缺乏，假設(shè)各地I60和I1440的值相同，得到洱海流域多年平均R=5.439P0.564。

2.2 土壤可蝕性因子(K)

據(jù)楊子生等[8]1999年研究成果，采用的兩種主要土壤可蝕性因子K值見表1。

表1 滇東北典型地區(qū)土壤可蝕性因子K值

2.3 地形因子(LS)

地形因子表達(dá)式為

式中:Lhill為侵蝕坡面的坡長(zhǎng)，m;β為坡度，(°);m為經(jīng)驗(yàn)分段函數(shù)值，計(jì)算方法如下[9]

式中:αhill為地面坡度，(°)。

2.4 植被覆蓋因子(C)

植被覆蓋因子是以植被覆蓋度為變量計(jì)算得到的數(shù)值。C值的計(jì)算式為[10]

式中:f為植被覆蓋度;NDVI為所求像元的植被指數(shù);NDVImin、NDVImax分別為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小值、最大值。

2.5 水土保持措施因子(P)

本研究參考以往研究成果并結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋乩眉稗r(nóng)事活動(dòng)情況，假設(shè)各處的水土保持措施相同。

3 1989—2006年洱海流域土壤侵蝕狀況分析

3.1 洱海流域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)總體分析

對(duì)洱海流域1989年1月、2001年1月、2001年8月和2006年12月4個(gè)典型時(shí)期遙感影像進(jìn)行解譯，結(jié)合通用土壤流失方程得到洱海流域18年來(lái)各個(gè)不同時(shí)期的土壤侵蝕狀況。根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007)[11]，在GIS支持下統(tǒng)計(jì)得出18年來(lái)研究區(qū)土壤侵蝕等級(jí)分布情況?？傮w上看:1989—2006年輕度侵蝕面積有較大幅度的下降，占總侵蝕面積的比例由13.89%減至6.47%，年均下降0.41%;中度侵蝕面積有較大幅度的上升，占總侵蝕面積的比例由6.49%增至14.04%，年均上升0.42%;其他侵蝕強(qiáng)度變化均較小，其中微度和極強(qiáng)烈侵蝕面積均小幅增加(年均分別上升0.028%和0.001 7%)，而強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積均小幅減少(年均分別下降0.005%和0.026%)。

3.2 洱海流域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)縱向分析

洱海流域1989年1月、2001年1月和2006年12月3個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕狀況如表2所示。由表2可知，1989年微度、輕度、中度和強(qiáng)烈侵蝕面積分別為951.48、323.45、151.15和110.48 km2，分別占總侵蝕面積的40.85%、13.89%、6.49%和4.74%，與之相比，2006年輕度侵蝕面積有較大幅度的減少(172.77 km2)，中度侵蝕面積有較大幅度增加(175.75 km2)，中度以上的侵蝕面積增幅較大。

為掌握各種侵蝕強(qiáng)度之間的數(shù)量轉(zhuǎn)換及時(shí)空變化動(dòng)態(tài)，在ArcView軟件支持下，利用其空間分析擴(kuò)展模塊Spatial Analysis功能，對(duì)1989—2006年時(shí)間序列的土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)分別進(jìn)行交叉列表統(tǒng)計(jì)，得到土壤侵蝕強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化矩陣(表3)，從而分析不同土壤侵蝕強(qiáng)度與面積的變化過程。

表2 洱海流域不同時(shí)期土壤侵蝕強(qiáng)度面積變化 km2

表3 洱海流域1989—2006年土壤侵蝕強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化轉(zhuǎn)化矩陣 km2

由表3可知:1989—2006年的18年間，洱海流域微度侵蝕主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)化，面積為22.20 km2;輕度侵蝕主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)化，面積為123.53 km2，是18年中轉(zhuǎn)化面積最大的;中度侵蝕主要轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，面積為2.36 km2;強(qiáng)烈侵蝕主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)化，面積為9.68 km2;極強(qiáng)烈侵蝕主要向劇烈侵蝕轉(zhuǎn)化，面積為7.56 km2;劇烈侵蝕主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)化，面積為22.91 km2。

從以上分析可知，1989—2006年各種侵蝕強(qiáng)度的面積均有所變化?？傮w分析該時(shí)段的轉(zhuǎn)化情況可知:微度、中度和極強(qiáng)烈侵蝕面積呈增加趨勢(shì)，且中度侵蝕增幅較大;輕度侵蝕面積有較大幅減少，強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積有小幅減少。中度以上的侵蝕面積增幅較大，即總體上侵蝕加劇了，侵蝕加劇的主要原因是1989—2006年間植被覆蓋度下降了。

3.3 洱海流域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)橫向分析

表4是洱海流域2001年1月和2001年8月的土壤侵蝕狀況。由表4可知:2001年1月微度、輕度、中度和強(qiáng)烈侵蝕面積分別為955.99、147.53、324.30和106.60 km2，分別占總侵蝕面積的41.12%、6.35%、13.95%和4.58%，與之相比，2001年8月侵蝕狀況變化不大，除極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積稍有減少外， 其余侵蝕面積均稍有增加。

表4 洱海流域2001年1月和2001年8月不同侵蝕強(qiáng)度變化 km2

同樣，對(duì)2001年1月和2001年8月的土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)進(jìn)行交叉列表統(tǒng)計(jì)，得到土壤侵蝕強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化矩陣(表5)。

表5 洱海流域2001年1月和8月土壤侵蝕強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化轉(zhuǎn)化矩陣 km2

由表5可知:從2001年1月(冬季)到8月(夏季)，微度侵蝕主要由中度侵蝕轉(zhuǎn)化而來(lái)，面積為8.03 km2;輕度侵蝕主要由中度侵蝕轉(zhuǎn)化而來(lái)，面積為11.10 km2;中度侵蝕主要是由劇烈侵蝕轉(zhuǎn)化而來(lái)，面積為12.05 km2;強(qiáng)烈侵蝕主要由極強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)化而來(lái)，面積為9.45 km2;極強(qiáng)烈侵蝕主要由劇烈侵蝕轉(zhuǎn)化而來(lái)，面積為15.59 km2;劇烈侵蝕主要是由極強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)化而來(lái)，面積為12.28 km2。

該轉(zhuǎn)化矩陣表明，2001年1月和8月各種侵蝕強(qiáng)度的面積均有所變化?？傮w分析其轉(zhuǎn)化情況可以得出如下認(rèn)識(shí):微度、輕度、中度和強(qiáng)烈侵蝕面積呈增加趨勢(shì)但增幅均不大;極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積呈減少趨勢(shì)，且后者減幅相應(yīng)大一些;中度以上侵蝕面積減幅較大，即總體上侵蝕減弱了。以上變化主要是由于一年內(nèi)從冬季到夏季植被覆蓋度上升所致。

3.4 土壤侵蝕強(qiáng)度變化速率分析

土壤侵蝕強(qiáng)度變化速率可定量描述一定時(shí)段內(nèi)某種侵蝕強(qiáng)度變化的速度，有利于比較土壤侵蝕強(qiáng)度變化的差異和預(yù)測(cè)未來(lái)土壤侵蝕變化趨勢(shì)。其表達(dá)式為

式中:Ua和Ub分別為研究初期和末期某種侵蝕強(qiáng)度的數(shù)量;T為研究時(shí)段長(zhǎng)，若以年為量度則LC為年均變化率。

綜合分析洱海流域1989—2006年土壤侵蝕強(qiáng)度與面積年均變化率可知:中度侵蝕年變化率最大，為6.46%;其次為輕度、強(qiáng)烈、劇烈和微度侵蝕，年均變化率分別為 -2.97%、-0.11%、-0.10%和0.056%;極強(qiáng)烈侵蝕年均變化率最小，為0.020%。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究運(yùn)用GIS和USLE，分析了1989—2006年洱海流域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化，研究表明，各種侵蝕強(qiáng)度面積均有所變化，具體變化是:

(1)1989—2006年，微度、中度和極強(qiáng)烈侵蝕面積呈增加趨勢(shì)，且中度侵蝕面積增幅較大(6.49%—14.04%);輕度侵蝕面積呈較大幅度的減少(13.89%—6.47%);強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積小幅度減少(年均分別下降0.005%、0.026%);中度以上侵蝕面積增幅較大。

(2)2001年冬、夏季相比，微度、輕度、中度和強(qiáng)烈侵蝕面積呈增加趨勢(shì)但增幅均不大;極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積減少，且后者減幅相應(yīng)大些。

(3)18年來(lái)，微度、輕度、強(qiáng)烈和劇烈侵蝕多轉(zhuǎn)化為中度侵蝕，面積分別為22.20、123.53、9.68、22.91 km2;中度侵蝕多轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，面積為2.36 km2;極強(qiáng)烈侵蝕多轉(zhuǎn)化為劇烈侵蝕，面積為7.56 km2;中度侵蝕年變化率最大(6.46%)，極強(qiáng)烈侵蝕年變化率最小(0.020%)。

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