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        基于RUSLE的引黃入晉北干線沿線地區(qū)土壤侵蝕定量研究

        2018-07-26 00:41:34郭子萍王乃昂屈志勇
        水土保持通報 2018年3期
        關(guān)鍵詞:模數(shù)土壤侵蝕坡度

        郭子萍, 王乃昂, 屈志勇

        (1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/干旱區(qū)與沙漠研究中心, 甘肅 蘭州 730000; 2.山西省氣象信息中心, 山西 太原 030000)

        土壤侵蝕是當(dāng)今人類面臨的一種最普遍、持續(xù)性最強的地質(zhì)災(zāi)害[1-3],會引起土地退化、土壤肥力下降、水環(huán)境惡化,從而影響生態(tài)安全和人類的可持續(xù)發(fā)展。黃土高原是中國水土流失最嚴重的地區(qū)[4],而土壤侵蝕是黃土高原河流泥沙的主要來源[5],因此,定量計算土壤侵蝕量、土壤侵蝕強度,評價水土流失時空分布特征,對該地區(qū)水土保持及土地的合理利用具有重要的意義。土壤侵蝕模型是土壤侵蝕量定量評價和預(yù)報的重要方法。國內(nèi)外已經(jīng)研究開發(fā)出許多實用的模型,其中修正的通用土壤流失方程(RUSLE)應(yīng)用最為廣泛[6-8]。

        自20世紀90年代以來,在GIS和RS技術(shù)的支持下,中國學(xué)者利用RUSLE模型開展了廣泛的土壤侵蝕研究,其中黃土高原作為研究的熱點區(qū)域受到了廣泛的關(guān)注,但相關(guān)研究大都集中于對侵蝕面積、侵蝕總量、空間分布的分析,對與影響因子的關(guān)系以及對人為因素作用日漸增強的地區(qū)關(guān)注度不夠。引黃入晉工程是為促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展,滿足能源基地供水而建設(shè)的水利工程,對煤電基地建設(shè)、提高人民生活質(zhì)量具有重要意義,但也不可避免的加重了水土流失問題。目前對于該工程的研究主要集中在水價分析[9-10]和社會經(jīng)濟影響評價研究[11]等社會經(jīng)濟領(lǐng)域;抗震性分析[12]、泥質(zhì)膨脹巖工程地質(zhì)研究[13]等工程地質(zhì)領(lǐng)域;環(huán)境保護設(shè)計[14]等環(huán)境工程領(lǐng)域,針對土壤侵蝕的研究較少,幾乎沒有涉及。

        本研究擬采用RUSLE模型計算引黃入晉北干線2005,2010,2015年3 a土壤侵蝕模數(shù),分析土壤侵蝕時空變化特征,以期為當(dāng)?shù)厮帘3趾蜕鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)理論依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)收集

        1.1 研究區(qū)概況

        山西省萬家寨引黃工程位于山西省西北部,北干線主要任務(wù)是自萬家寨水庫引水,向山西北部的大同、平朔等能源基地供水,年引水量2.96×108m3,供水區(qū)總供水面積5 273 km2[14]。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫5.7~7.9 ℃,年平均降水量380~440 mm,降水季節(jié)分配不均,降水變率大。研究區(qū)海拔為859~2 405 m,地形起伏變化較大[15]。該工程北干線2009年2月開始實施,2011年9月16日竣工。

        1.2 數(shù)據(jù)來源

        本研究所使用的數(shù)據(jù)包括: ①朔州市市轄區(qū)、山陰縣、懷仁縣、大同市市轄區(qū)2005,2010,2015年月降水量數(shù)據(jù),來源為山西省氣象信息中心。②研究區(qū)GDEMV230 M分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)以及研究區(qū)2005,2010,2015年LandsatTM4-5遙感影像圖,均來源于地理空間數(shù)據(jù)云。③研究區(qū)2005,2010,2015年土地利用圖、研究區(qū)土壤類型圖,來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

        2 研究方法

        2.1 修正的通用土壤流失方程

        修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE)作為估算年均土壤流失量的方法,需要考慮降水(月降水量)、土壤類型、坡度因子、坡長因子、植被覆蓋與管理因子、水土保持措施管理因子6大主要因子,方程定義為[16]:

        A=R·K·L·S·C·P

        (1)

        式中:A——土壤侵蝕模數(shù)〔t/(hm2·a)〕;R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;K——土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;L——坡長因子(無量綱);S——坡度因子(無量綱);C——植被覆蓋與管理因子(無量綱);P——水土保持措施因子(無量綱)。

        2.1.1 降雨侵蝕力因子R降雨侵蝕力因子是預(yù)測預(yù)報土壤侵蝕模型中的重要因子,本研究采用Wischmeier等[17]提出并經(jīng)Arnoldus修改的比較適用于黃土高原地區(qū)且廣泛應(yīng)用的經(jīng)驗公式(2)來計算研究區(qū)2005,2010,2015年的R值。

        (2)

        式中:P——年降水量(mm);Pi——第i月降水量(mm)[17]。

        利用2005,2010,2015年北干線沿線完整且均勻分布的4個氣象站點的氣象數(shù)據(jù),根據(jù)公式(1)計算得到研究區(qū)3 a的R值,利用ArcGIS工具連接功能將R值賦給各站點,并利用空間插值對R值進行空間化處理。研究采用普通克里格方法,半變異模型選用球形函數(shù)模型,進行研究區(qū)R值空間插值,生成研究區(qū)3 a的R值空間分布。

        2.1.2 土壤可蝕性因子K土壤可蝕性因子K(soil erodibility)是土壤抵抗侵蝕能力的綜合體現(xiàn),影響因素有:土壤結(jié)構(gòu)、土壤質(zhì)地、土壤滲透率、緊實度、含水率以及黏土礦物性質(zhì)等[18],根據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心公布的土壤類型數(shù)據(jù),獲得研究區(qū)土壤類型,以及《山西土壤》[19]中記載的關(guān)于各種土壤類型典型剖面的理化性質(zhì),采用Wischmeier等[7]于1990年在EPIC模型中建立的計算公式(3)計算研究區(qū)各土壤類型的K值。

        (3)

        式中:SAN——砂粒含量(%); SIL——粉砂含量(%); CLA——黏粒含量(%);C——有機碳含量(%),SN1=1-SAN/100。

        張科利等[20]的研究指出,與美國相比,中國土壤可蝕性K值普遍偏小,用EPIC模型所建立的公式計算的可蝕性K值,通過公式(4)進行修正轉(zhuǎn)換,方可用于中國的土壤可蝕性估算。

        K=0.013 83+0.515 75

        (4)

        利用公式(3),(4)計算的研究區(qū)K值,并在ArcGIS中生成K值分布。

        2.1.3 坡度因子S通用土壤流失方程中允許計算的最大坡度為18%(10°),研究區(qū)位于黃土高原,這樣的條件不適用于研究區(qū)丘陵溝壑中的陡坡地形(>10°),因此,在利用DEM提取坡度以后,要分段對坡度因子S進行計算,緩坡采用McCool坡度公式,陡坡采用劉寶元[21]提出的黃土高原S因子計算公式(5)。

        (5)

        式中:S——坡度因子;θ——坡度。

        2.1.4 坡長因子L采用Hickey提出的非累計流量直接計算法估算坡長,坡長因子L的提取采用Wischmeier提出的坡長因子計算公式(6):

        L=(λ/22.13)m

        m=β/(1-β)

        (6)

        β=(sinθ/0.089 6)/〔3.0(sinθ)0.8+0.56〕

        式中:λ——水平坡長(m);m——坡長指數(shù); 22.13——標準徑流小區(qū)坡長(m);β——細溝侵蝕與面蝕的比率;θ——利用DEM提取的坡度。ArcGIS計算的坡度以度為單位,要轉(zhuǎn)換為弧度表示,即乘以π/180。

        2.1.5 植被覆蓋與管理因子CNDVI是估算C因子最普遍應(yīng)用的數(shù)據(jù)[22]。以經(jīng)過輻射定標和大氣校正的TM影像為數(shù)據(jù),在ENVI 5.1中計算歸一化植被指數(shù)NDVI,在提取NDVI之后,根據(jù)像元二分模型原理[23],計算研究區(qū)的植被覆蓋度F,公式為:

        F=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

        (7)

        式中:F——有植被覆蓋的面積比例,即像元的植被覆蓋度; NDVIveg——純植被覆蓋像元的NDVI值; NDVIsoil——無植被覆蓋像元的NDVI值。在求解植被覆蓋度F后,參考有關(guān)研究成果,賦予了研究區(qū)不同土地利用類型和不同植被覆蓋度下的C值(見表1)。

        表1 研究區(qū)不同土地利用類型和不同植被蓋度下的C值

        2.1.6 水土保持措施因子Pp值介于0~1之間,0代表根本不會發(fā)生土壤侵蝕的地區(qū),1代表未采取任何水土保持措施的地區(qū)。國內(nèi)學(xué)者根據(jù)區(qū)域特點對不同的土地利用方式進行賦值,本研究區(qū)位于黃土高原,參照前人有關(guān)研究成果[24-25]賦值P,將水體、林地、草地、建筑用地、未利用地賦值為1,對于耕地,通常坡度越大,水土保持措施的作用越突出,因此耕地依據(jù)表2按照坡度范圍進行賦值。

        表2 不同坡度范圍內(nèi)耕地的p值

        2.2 土壤侵蝕量估算

        將上述各因子圖層?xùn)鸥駟卧y(tǒng)一為1 000 m×1 000 m,并標準化為相同的投影坐標系統(tǒng)WGS1 984_UTM_zone_49 N,地理坐標系GCS_WGS_1984,在ArcGIS軟件的柵格計算器工具中將每個網(wǎng)格(Grid)中各因子連乘,得到研究區(qū)3期土壤侵蝕模數(shù)。RUSLE計算的土壤流失量默認單位是美制單位〔ton/(area·a)〕,要將結(jié)果乘以224.2得到中國常用的公制單位t/(km2·a)。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 土壤侵蝕強度分級

        在ArcGIS中根據(jù)水利部《土壤侵蝕分類分級標準(SL190-2007)》,對研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)進行重分類,得到3期土壤侵蝕強度圖如附圖2所示。

        3.2 土壤侵蝕強度時空動態(tài)變化

        由表3可知,從土壤侵蝕模數(shù)看,研究區(qū)2005,2015年的土壤侵蝕模數(shù)均在500~2 500 t/(km2·a)之間,屬于輕度侵蝕,而2010年土壤侵蝕模數(shù)為3 340.41 t/(km2·a),屬于中度侵蝕。

        表3 研究區(qū)土壤侵蝕變化統(tǒng)計

        從2005—2010年,土壤侵蝕模數(shù)增長了80.91%;從2010—2015年下降了47.87%。3 a的土壤侵蝕模數(shù)呈先增后減,總體減小的趨勢。但3 a中土壤侵蝕模數(shù)均大于水利部公布的黃土高原土壤允許流失量1 000 t/(km2·a)的標準。這說明研究區(qū)土壤侵蝕程度嚴重,應(yīng)重點給予關(guān)注。引黃入晉北干線2009年2月實施,2011年9月竣工,2010年土壤侵蝕模數(shù)驟增與該工程的實施關(guān)系密切。工程建成后,為了區(qū)域的生態(tài)安全和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,實施了一系列生物措施和工程措施,產(chǎn)生了良好的水土保持效果,因此2015年土壤侵蝕模數(shù)減小。

        從圖1中可以看出,2005,2015年均以微度侵蝕所占的面積最大,其次為輕度、中度、強度、極強度、劇烈侵蝕,土壤侵蝕面積隨著侵蝕強度的增加而逐漸減小。與2005年相比,2010年由微度侵蝕轉(zhuǎn)移到中度以上侵蝕的面積高達11.75%。中度以上侵蝕強度所占面積增大,無疑會加重土壤侵蝕。2015與2010年相比,微度、輕度侵蝕面積增加,中度以上侵蝕所占面積減小12.63%,侵蝕狀況明顯好轉(zhuǎn),且各侵蝕強度所占的面積與2005年基本相同。

        圖1 引黃入晉北干線沿線地區(qū)不同年份各侵蝕強度所占面積比

        由表4可知,從空間上看,研究區(qū)土壤侵蝕呈塊狀侵蝕和點狀侵蝕相間分布的特點。3 a中土壤侵蝕面積均為朔州市市轄區(qū)最大,塊狀侵蝕分布較多,其次是大同市轄區(qū)、山陰、懷仁,且3 a中土壤侵蝕量也均為朔州市轄區(qū)最大。從土壤侵蝕模數(shù)看,4個地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)從2005—2015年均呈先增后減的趨勢,在2010年處達到峰值,因此每個地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)與總的土壤侵蝕模數(shù)分布特點一致。

        由附圖2可以看出,以北干線為界,線上方土壤侵蝕明顯高于線下方,兩側(cè)侵蝕狀況差異顯著,這種趨勢在2010年尤為明顯。土壤侵蝕的空間分布與研究區(qū)的DEM也有較高的吻合度,分析研究區(qū)DEM可以明顯看出,研究區(qū)分為2個地貌單元,分別為侵蝕中低山區(qū)和沖洪積平原區(qū)[15],侵蝕中低山區(qū)土壤侵蝕明顯比沖洪積平原侵蝕嚴重。

        3.3 土壤侵蝕主控因子分析

        3.3.1 土壤侵蝕與降雨 從圖2可以看出,研究區(qū)不同地域單位R因子均在2010年處達到最大值,而折線圖顯示,土壤侵蝕模數(shù)也在2010年處達到峰值。在其他因素不變的情況下,降雨侵蝕力因子R是土壤侵蝕的加速因子。因此,當(dāng)R因子的值增大時,土壤侵蝕模數(shù)也會相應(yīng)的增大。分析所獲得的降水?dāng)?shù)據(jù),研究區(qū)2005年年降水量為367.73 mm,2010年為423.5 mm,2015年為380 mm,由此可以看出2010年降水量顯著增大是導(dǎo)致R因子值增大的直接原因,R因子與土壤侵蝕模數(shù)呈明顯正相關(guān)。

        3.3.2 土壤侵蝕與土壤類型 由表5可以看出,栗褐土所占的土壤侵蝕面積最大,為4 199 km2,栗褐土的土壤侵蝕量也最高。從研究區(qū)土壤類型分布圖中,我們可以清楚的看到,研究區(qū)栗褐土的面積為46.36%,栗褐土區(qū)為半干旱一年一熟旱作區(qū),分布有大量的耕地,但是耕地的質(zhì)量較差,絕大部分為坡耕地,且坡度大的耕地占很大比例,耕地的輸出少,只用不養(yǎng),導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)惡化,土壤干旱、貧瘠,侵蝕嚴重,再生能力低。因此在栗褐土分布區(qū),應(yīng)重點防范水土流失。

        圖2 引黃入晉北干線沿線地區(qū)各年份R因子值與土壤侵蝕模數(shù)

        表4 引黃入晉北干線沿線地區(qū)各年份不同地域土壤侵蝕變化統(tǒng)計

        表5 引黃入晉北干線沿線地區(qū)各年份不同土壤類型土壤侵蝕變化統(tǒng)計

        3.3.3 土壤侵蝕與坡度 以全國《土壤侵蝕強度劃分標準(SL190-2007)》為坡度分類標準,將坡度重分類為6類:<5°,5°~8°,8°~15°,15°~25°,25°~35°,>35°。據(jù)相關(guān)文獻可知,地表類型按坡度可以分為平坡(0~5°)、緩坡(5°~15°)、斜坡(15°~25°)、陡坡(25°~35°)、急坡(35°~45°)、險坡(≥45°)[26],根據(jù)面積分布情況,可以看出,研究區(qū)以平坡和緩坡為主,斜坡為輔,急坡和險坡占很小比重。為了進一步探討坡度與土壤侵蝕量之間的關(guān)系,利用空間疊加工具將坡度圖層與侵蝕模數(shù)圖層疊加,計算研究區(qū)2005,2010,2015年6類坡度下的土壤侵蝕量模數(shù)及土壤侵蝕量比如表6所示。

        表6 引黃入晉北干線沿線地區(qū)各年份不同坡度土壤侵蝕變化統(tǒng)計

        從表6中可以看出,2005,2010,2015年在不同坡度上的土壤侵蝕格局變化不大,不同坡度與土壤侵蝕關(guān)系密切。

        從侵蝕面積來看,8°~15°坡度帶最大,這主要與研究區(qū)緩坡分布面積大有關(guān)。從平均侵蝕模數(shù)看,當(dāng)坡度大于25°時土壤侵蝕模數(shù)較高,盡管此帶的分布面積小,但侵蝕量大,因此侵蝕模數(shù)高,侵蝕級別2005,2015年達到強度侵蝕,2010年為極強度侵蝕,主要是因為在北方,25°以下的區(qū)域?qū)儆诰徠聟^(qū)域,退耕還林工程的實施使得該區(qū)域成為人工林和梯田改造后的農(nóng)田,土壤侵蝕狀況稍有改善,因此低于25°以上的區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)。從各坡度帶的土壤侵蝕模數(shù)看,在3 a中各坡度帶的值均為2010年最大,并且,在每1 a中,坡度小于35°時,隨著坡度的增加,土壤侵蝕模數(shù)增大。總體而言,25°以上的坡度帶應(yīng)成為重點預(yù)防和治理的區(qū)域。

        3.3.4 土壤侵蝕與土地利用類型 從土地利用類型可以看出,研究區(qū)大部分地區(qū)分布著耕地、林地和草地,將土地利用類型與土壤侵蝕強度進行疊加可以得出如表7所示結(jié)果。

        表7 引黃入晉北干線沿線地區(qū)各年份不同土地利用類型土壤侵蝕變化統(tǒng)計

        (1) 不同土地利用類型之間,土壤侵蝕狀況差異顯著,3 a中土壤侵蝕面積均為耕地最大,其次為草地、林地、建筑用地、水體、未利用土地。耕地以輕度侵蝕為主,這是因為陡坡的耕地面積大,在黃土高原地區(qū),耕地一般沿著等高線帶狀耕作[4],耕作方式比較粗放,缺少水土保持的措施,加之人類活動頻繁干擾,導(dǎo)致耕地侵蝕。

        (2) 林地和草地以輕度和中度侵蝕為主,這是因為林地和草地大都分布在海拔1 000 m以上的山區(qū),林地被人為毀林開荒,草地基本為自然草地,當(dāng)降雨發(fā)生時,這些未采取水保措施的區(qū)域,在降雨和陡坡的作用下,會不同程度的產(chǎn)生土壤侵蝕。

        (3) 建筑用地的水土保持良好,而水體基本無土可蝕,未利用土地所占面積雖小,但土壤侵蝕強度高,在山陰縣南部和懷仁縣北部,有部分區(qū)域地表裸露,無植被覆蓋且坡度大,土壤侵蝕嚴重。

        由以上分析可知,區(qū)域內(nèi)耕地的侵蝕面積大,林地、草地、未利用土地的侵蝕級別高,因此應(yīng)加強以上土地利用類型的合理利用和管理規(guī)劃,制定相應(yīng)的水土保持措施,改善區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況。

        3.4 土壤侵蝕的人為因素作用

        2005—2010年土壤侵蝕模數(shù)增長將近1倍主要是由于工程建設(shè)時期的一系列施工活動會對地表進行開挖、擾動、再塑,還會損毀水土保持設(shè)施,造成大面積的土地裸露,加重水土流失。具體到各因子中主要表現(xiàn)為: ①施工過程中,對地表的擾動再塑,會形成大量的人工坡面和懸空面,在短期內(nèi)坡度、坡長等地形因子會發(fā)生劇烈的變化; ②項目建設(shè)過程中會產(chǎn)生大量的棄土棄渣,這些物質(zhì)穩(wěn)定性差,在無植被覆蓋的情況下,極易產(chǎn)生風(fēng)蝕和水蝕; ③對地表覆蓋物(林地、草地)的清除或砍伐,會使得防風(fēng)固沙的能力下降,極易引起風(fēng)力侵蝕,并且大量的土地直接裸露,土壤直接遭受雨滴擊濺和沖刷,極易引起水力侵蝕。

        2010—2015年土壤侵蝕模數(shù)下降主要是由于工程建成后,實行了一系列的工程措施和生物措施來恢復(fù)該地的生態(tài)環(huán)境。如坡面綠化、庫岸治理護岸、道路護坡固土、整地措施、抗旱造林措施、攔截措施等有效的減緩了水土流失[15]。

        4 討論與結(jié)論

        4.1 討 論

        本研究仍存在一定的不足:本文的研究結(jié)果仍需水文站實測的泥沙數(shù)據(jù)進行驗證,各因子的數(shù)據(jù)精度不一,難免在柵格計算過程中產(chǎn)生誤差,例如降雨侵蝕力的計算只采用了4個雨量站點的數(shù)據(jù),如果采用更多的雨量站點數(shù)據(jù),可以進一步提高計算精度。P因子的賦值不確定性因素較高,如有定量計算P因子的方法,計算的結(jié)果將更為客觀。未來的研究將根據(jù)研究區(qū)背景特征修正模型中因子的參數(shù),結(jié)合土壤允許流失量的閾值來對研究區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險進行評估。

        4.2 結(jié) 論

        (1) 2005—2015年,引黃入晉北干線所經(jīng)地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)呈先增后減,總體減小的趨勢。2005,2015年屬于輕度侵蝕,而2010年屬于中度侵蝕,大于水利部公布的黃土高原土壤允許流失量1 000 t/(km2·a)的標準。引黃入晉北干線的實施是2010年土壤侵蝕模數(shù)增長近1倍的重要原因,表明人類活動的影響在土壤侵蝕的研究中不可忽視。

        (2) 研究區(qū)土壤侵蝕呈塊狀侵蝕和點狀侵蝕相間分布的特點。以北干線為界界線兩側(cè)土壤侵蝕差異顯著。土壤侵蝕的空間分布與研究區(qū)的地貌單元關(guān)系密切,侵蝕中低山區(qū)高,沖洪積平原低。朔州市轄區(qū)的土壤侵蝕面積和土壤侵蝕量最大,朔州市轄區(qū)、山陰、懷仁、大同市轄區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)均與總的土壤侵蝕模數(shù)分布特點一致。

        (3) 各因子中,R因子與土壤侵蝕模數(shù)呈明顯正相關(guān),當(dāng)土壤類型為栗褐土、坡度為8°~15°、土地利用類型為耕地時土壤侵蝕面積最大,當(dāng)坡度大于25°、土地利用類型為草地和林地時土壤侵蝕量最高。

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