湯麗潔，舒 暢

（1．安徽省經(jīng)濟(jì)研究院，安徽 合肥230001；2．農(nóng)業(yè)部 合肥遙感分中心，安徽 合肥230001；3．浙江省水資源管理中心，浙江 杭州310009）

由于環(huán)境變遷及人為因素的影響，近年來巢湖流域水土流失日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤肥力下降，生態(tài)環(huán)境惡化，蓄洪能力減弱，已嚴(yán)重制約了巢湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，因此開展巢湖流域水土流失治理工作十分必要。水土流失監(jiān)測(cè)是進(jìn)行巢湖流域水土流失治理的基礎(chǔ)性工作，它涉及土壤、大氣、地貌、植被及人類活動(dòng)等多方面的內(nèi)容，其對(duì)信息源的時(shí)空性有較高的要求，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析手段無(wú)法滿足要求。

遙感（RS）可實(shí)時(shí)、快速地記錄流域的空間信息及各種化參數(shù)，已成為獲取流域信息的重要手段，地理信息系統(tǒng)（GIS）具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與分析能力，將RS和GIS相結(jié)合，既可保證高效和穩(wěn)定的信息源，又可進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和綜合分析，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和決策的目的，因此，已成為當(dāng)今流域水土流失治理中廣泛采用的方法［1－6］。本研究基于GIS和RS技術(shù)，提取巢湖流域時(shí)空信息，并運(yùn)用修正通用土壤流失模型（RUSLE）對(duì)巢湖流域水土流失空間分布特征作評(píng)估分析，為巢湖流域水土流失治理及決策提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)收集

1．1 研究區(qū)概況

巢湖流域位于長(zhǎng)江中下游左岸，橫臥在安徽中部，東瀕長(zhǎng)江，西枕大別山余脈。流域內(nèi)地形地貌較為復(fù)雜，為江淮丘陵向沿江平原的過渡地帶，大體可分為低山、丘陵、崗地、平原4種地貌類型。境內(nèi)西高東低，崗、丘、圩、沖相間，河道縱橫，塘壩水庫(kù)星羅棋布。主要支流有杭埠河、南淝河、派河、兆河、十五里河、塘西河、白石天河、雙橋河、柘皋河等，呈放射狀匯入巢湖，經(jīng)湖泊調(diào)蓄后由裕溪河注入長(zhǎng)江。

巢湖流域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，雨量集中，年均降雨量為1 032mm，年均蒸發(fā)量為1 400～1 650mm，年均氣溫在16～16．5℃。流域面積1．35km2，其中湖區(qū)正常水面近800km2［7－8］。

1．2 資料收集

本研究采用的數(shù)據(jù)有遙感、專題圖件和實(shí)測(cè)3類數(shù)據(jù)。遙感影像為2009年覆蓋巢湖流域30m分辨率的Landsat TM多光譜遙感影像，用于提取地表覆蓋因子和水土保持措施因子。專題圖件數(shù)據(jù)包括1∶5萬(wàn)行政區(qū)圖，用于確定研究區(qū)邊界及研究結(jié)果的統(tǒng)計(jì)；1∶5萬(wàn)地形圖，用于建立巢湖流域數(shù)字高程模型（DEM），提取流域地形因子；巢湖流域土壤類型圖和土壤可蝕性數(shù)據(jù)為安徽省第2次土壤普查成果，用于提取土壤可蝕性因子。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為巢湖流域11個(gè)縣市氣象站點(diǎn)1970—2009年年均和月均降水量，用于計(jì)算降雨侵蝕力因子。

2 模型與方法

2．1 修正通用土壤侵蝕模型

Wischmeier在20世紀(jì)60年代提出的通用土壤流失方程（universal soil loss equation，USLE）是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?］。修正通用土壤流失方程（revised universal soil loss equation，RUSLE）從技術(shù)性和確定因子的算法上對(duì)USLE進(jìn)行了改進(jìn)，因而應(yīng)用范圍更廣，預(yù)測(cè)精度更高。此方程形式簡(jiǎn)單，所需的參數(shù)較易獲取，且各因子具有物理意義，被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估分析［10－11］。在參照國(guó)內(nèi)外專家土壤侵蝕研究成果的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)巢湖流域的自然環(huán)境特征，決定采用修正的通用土壤流失方程對(duì)巢湖流域的土壤侵蝕進(jìn)行分析，其模式為：

式中：A——土壤侵蝕量〔t／（hm2·a）〕；R——降雨侵蝕力〔（MJ·mm）／（hm2·h·a）〕；K——土壤可蝕性因子〔（t·hm2·h）／（MJ·hm2·mm）〕；LS——坡長(zhǎng)坡度因子（無(wú)量綱）；C——地表植被覆蓋因子（無(wú)量綱）；P——水土保持措施因子（無(wú)量綱）。方程各因子指標(biāo)值的確定是使用RUSLE方法的關(guān)鍵。

2．1．1 土壤可蝕性因子KK值反映土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)的難易程度，反映了土壤對(duì)侵蝕的敏感性。影響K因子的因素很多，不同類型土壤具有不同的侵蝕率。本文采用Williams等［12］在EPIC模型中提出的K值估算方法，利用土壤有機(jī)質(zhì)和顆粒組成進(jìn)行估算，其模型計(jì)算式如下：

依據(jù)安徽省第2次土壤普查結(jié)果，采用式（2）計(jì)算出不同土壤類型的K值（表1），并得到巢湖流域K值空間分布（附圖9）。

表1 巢湖流域不同土壤類型的土壤K值

2．1．2 坡度坡長(zhǎng)因子LS坡度坡長(zhǎng)因子LS表示在其他地理環(huán)境因子相同的條件下，某一給定坡度和坡長(zhǎng)的坡面上，土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)土壤流失量的比值。該因子反映地形地貌特征對(duì)土壤侵蝕的影響，是侵蝕動(dòng)力的加速因子。坡度越大，坡長(zhǎng)越長(zhǎng)，土壤侵蝕就越嚴(yán)重。目前，計(jì)算LS因子的公式主要從坡地試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。由于這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)和參數(shù)大小存在一定的差異［13－17］，利用DEM數(shù)據(jù)計(jì)算地形因子、坡長(zhǎng)因子的方法有多種，例如實(shí)地調(diào)查得到坡長(zhǎng)與地貌類型的關(guān)系［2］，基于對(duì)計(jì)算坡長(zhǎng)終止的假設(shè)［14］，或依據(jù)坡度坡向分級(jí)歸并劃分區(qū)域［17］。本文坡度因子S采用McCool等的計(jì)算公式［15］：

式中：S——坡度因子；θ——坡度（%）。

坡長(zhǎng)因子采用了基于DEM數(shù)據(jù)的坡長(zhǎng)因子計(jì)算，該公式反映坡面從上向下，隨匯流面積增加，徑流量增加，侵蝕力加大的過程：

式中：Lij——是柵格單元的坡長(zhǎng)因子；Aij－in——單元上坡匯流面積；D——單元寬度；xij——單元垂直流向的寬度；m——坡長(zhǎng)指數(shù)。本文中，m取值公式參考江忠善等［16］的研究，生成的LS子?xùn)鸥駡D如圖1所示。

圖1 坡度坡長(zhǎng)因子LS空間分布

2．1．3 降雨侵蝕力系數(shù)R降雨是土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?，雨滴的大小、速度、暴雨歷時(shí)和風(fēng)速等均影響降雨侵蝕力的大小。降雨侵蝕力因子R是一項(xiàng)評(píng)價(jià)降雨引起的土壤分離和搬運(yùn)的指標(biāo)，反映了降雨對(duì)土壤侵蝕的潛在能力。本文采用Wischmeier經(jīng)驗(yàn)公式來確定R值［12］，該公式既考慮了年降水總量，又考慮了降水的年內(nèi)分布：

式中：Pi，P——代表月均和年均降雨量（mm）。利用11個(gè)氣象站點(diǎn)近20a的數(shù)據(jù)，估算各個(gè)站點(diǎn)的R值，然后基于反距離權(quán)重法空間內(nèi)插生成巢湖流域降雨侵蝕力空間分布圖（圖2）。

圖2 降雨侵蝕力系數(shù)R空間分布

2．1．4 地表覆蓋因子C地表覆蓋因子C又稱作物經(jīng)營(yíng)管理因子，是指在相同的土壤、坡度和降雨條件下，某一特定作物或植被下的土壤流失量與耕種過后連續(xù)休閑地的土壤流失量比值。該因子根據(jù)地表覆蓋狀況不同反映植被對(duì)土壤流失影響，是侵蝕動(dòng)力的抑制因子，起著保持水土的作用，其值小于或等于1。

本研究以2009年TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，在ERDAS／IMAGINE遙感圖像處理軟件支持下，結(jié)合實(shí)地調(diào)研，并參考地形地貌、土壤類型等資料，進(jìn)行人機(jī)交互解譯，得到研究區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)。土地利用類型分為水田、旱地、林地、疏林地、草地、水域、居民用地、裸巖8大類。根據(jù)安徽省土地利用及農(nóng)田經(jīng)營(yíng)情況實(shí)際調(diào)查，并結(jié)合已有研究結(jié)果（主要參考長(zhǎng)江流域的地表覆蓋因子C的取值），對(duì)各土地利用類型地表覆蓋因子C賦值，表2為巢湖流域土地利用類型面積及C因子取值，生成的地表覆蓋因子空間分布如附圖10所示。

表2 巢湖流域土地利用類型及各類型C，P因子取值

2．1．5 水土保持措施因子P水土保持措施因子P是指特定保持措施下的土壤流失量，與未實(shí)施保持措施之前相應(yīng)地塊順坡耕作時(shí)的土壤流失量之比值。土壤保持措施主要通過調(diào)整水流形態(tài)、斜坡坡度和表面水流的匯流方向，減少?gòu)搅髁浚档蛷搅魉偎俚茸饔脺p輕土壤侵蝕。

本文依據(jù)以往研究成果并結(jié)合安徽省土地利用及農(nóng)事活動(dòng)情況，對(duì)水土保持措施因子P賦值（表2），0值代表無(wú)侵蝕地區(qū)，1值表示未采取任何水保措施的地區(qū)。本研究利用遙感影像獲得土地利用類型信息，對(duì)各土地利用類型水土保持措施因子P賦值，得到巢湖流域P因子圖層，生成水土保持因子措施分布圖（附圖11）。

2．2 研究方法

本文以遙感影像為信息源，地理信息系統(tǒng)為分析工具，依據(jù)降水、土壤、數(shù)字高程模型等資料，運(yùn)用修正通用土壤侵蝕模型（RUSLE），以人機(jī)交互目視解譯的判讀方式，生成土壤侵蝕主要因子圖層，并對(duì)生成的各土壤侵蝕因子圖層進(jìn)行疊加計(jì)算，得到巢湖流域土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖（附圖12），并與水利部水土保持司的《（SL190－96）土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》作比較，分析當(dāng)前巢湖流域土壤侵蝕的時(shí)空分布特征。

3 結(jié)果與討論

3．1 巢湖流域水土流失現(xiàn)狀

將R，LS，K，C和P各因子空間分布圖轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，像元大小為30m×30m。在ArcGIS軟件支持下，采用柵格運(yùn)算，將各因子圖層相乘，得到各像元土壤侵蝕量〔t／（hm2·a）〕空間分布圖，再乘以系數(shù)100，轉(zhuǎn)換單位為〔t／（km2·a）〕，生成巢湖流域土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)圖（附圖12）。根據(jù)水利部頒布的《（SL190－96）土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》確定土壤侵蝕分級(jí)指標(biāo)［18］，對(duì)侵蝕柵格圖進(jìn)行分類，得到巢湖流域土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)及面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（如表3所示）。

表3 巢湖流域土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)及面積

3．2 巢湖流域水土流失空間特征分析

根據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布圖（附圖12）和侵蝕面積統(tǒng)計(jì)（表3），可以認(rèn)為目前巢湖流域水土流失現(xiàn)狀主要為微度侵蝕和輕度侵蝕，分別占流域總面積的93．867%和6．039%。其中微度侵蝕區(qū)主要分布在沿巢湖、黃陂湖、白湖的圩區(qū)以及河流中下游兩岸的圩區(qū)和部分植被覆蓋較好的低山區(qū)，地貌特征主要為沖積平原，地勢(shì)平坦。輕度流失區(qū)主要分布在植被覆蓋較好的低山區(qū)及丘陵崗沖地帶。此外，中度流失區(qū)主要分布在流域西部杭埠河、豐樂河上游以及流域四周的低山區(qū)和低山丘陵區(qū)，其侵蝕程度因巖性不同而不同，一般多形成切溝和沖溝，侵蝕橫斷面呈“V”形，崗沖相間，河流下切強(qiáng)烈，墾殖系數(shù)40%～60%，植被覆蓋率小于10%，約占流域面積的0．092%。強(qiáng)度流失區(qū)主要分布在流域西部大別山北麗，杭埠河上游龍?zhí)逗印⒑优锖又猩嫌蔚貐^(qū)以及廬江、居巢區(qū)部分礦山開采劇烈的地區(qū)，該流失區(qū)一般山高坡陡，巖性為紫紅色碎屑火山巖、片巖、片麻巖及花崗巖等，礦石顆粒粗大，部分巖石多鈣質(zhì)膠結(jié)，遇水易溶解和風(fēng)化，風(fēng)化后的巖石粘結(jié)力很差，極易流失，侵蝕特點(diǎn)是出現(xiàn)寬溝、山坡多為碎石，約占流域面積的0．001%。

通過對(duì)流域坡度等級(jí)情況和土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖分析發(fā)現(xiàn)，輕度侵蝕主要分布在坡度非常小的地區(qū)；中度侵蝕則分布在坡度較陡的山區(qū)和半山區(qū)；強(qiáng)度侵蝕及以上的地區(qū)大多數(shù)分布在流域內(nèi)坡度極大的地方，表明地面坡度對(duì)侵蝕量的影響非常大。同時(shí)，通過植被圖和土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，很多地區(qū)雖然坡度陡，但由于植被覆蓋和水土保持措施的實(shí)施，土壤侵蝕量并不大，可見植被覆蓋程度對(duì)土壤侵蝕量有一定的影響。特別對(duì)于地質(zhì)條件不好的山區(qū)，應(yīng)通過加大植被覆蓋度等水土保持措施來改善該類地區(qū)的水土流失情況。

4 結(jié) 論

基于GIS和RS技術(shù)的支持，本文提取了地表覆蓋因子、水土保持措施因子、坡度坡長(zhǎng)因子、土壤可蝕性因子、降雨侵蝕力因子作為巢湖流域水土流失現(xiàn)狀評(píng)估指標(biāo)，并運(yùn)用修正通用土壤侵蝕模型，分析評(píng)估巢湖流域水土流失現(xiàn)狀和土壤侵蝕空間分布狀況。研究表明目前巢湖流域水土流失主要為微度侵蝕和輕度侵蝕，分別占流域總面積的93．867%和6．039%，此外，坡度和植被覆蓋是影響流域土壤侵蝕的主要因素。本研究結(jié)果可為巢湖流域水土流失治理及決策提供科學(xué)參考。

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