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        三岔河流域基于RUSLE模型與GIS的土壤侵蝕模數(shù)

        2019-03-25 07:34:40劉雪枚劉爽
        中國(guó)科技縱橫 2019年4期
        關(guān)鍵詞:三岔河土壤侵蝕

        劉雪枚 劉爽

        摘 要:對(duì)于喀斯特地區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕定量研究,可以為水土流失防護(hù)與治理工作提供科學(xué)理論指導(dǎo)。目前,在GIS技術(shù)的支持下,結(jié)合日降雨量數(shù)據(jù)、土壤類(lèi)型、土地利用、DEM、MODIS-NDVI等數(shù)據(jù),利用RUSLE模型可以快速地估算研究區(qū)域內(nèi)的土壤侵蝕量。經(jīng)計(jì)算,三岔河流域內(nèi)的土壤侵蝕在0-5493.48t/(km2·a)之間,其中,70%以上地區(qū)屬于輕度侵蝕,但問(wèn)題仍然嚴(yán)峻。

        關(guān)鍵詞:土壤侵蝕;三岔河;RUSLE;GIS

        中圖分類(lèi)號(hào):S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2019)04-0014-03

        水土流失作為一個(gè)常見(jiàn)的現(xiàn)象,已經(jīng)廣泛引起各國(guó)政府及專(zhuān)家學(xué)者的注意。一個(gè)國(guó)家的水土流失現(xiàn)象的加劇與緩解,不僅直接關(guān)系到農(nóng)林牧生產(chǎn),而且影響到資源利用與環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi),乃至社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。深入研究不同自然和社會(huì)條件下水土流失的區(qū)域分布規(guī)律,能為水土流失防治宏觀決策的制定提供理論依據(jù)和信息基礎(chǔ)資料。

        1 研究區(qū)概況

        三岔河為烏江南源一級(jí)支流,位于東經(jīng)104°54'~106°24'、北緯26°06'~27°00'之間,流域面積為5968km2,流域地勢(shì)呈現(xiàn)西高東低的空間格局,海拔在911~2330m范圍波動(dòng)。

        2 數(shù)據(jù)與方法

        2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

        本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括:研究區(qū)30×30m的數(shù)字高程模型(DEM),3個(gè)縣級(jí)氣象站點(diǎn)2007-2017年的日降雨數(shù)據(jù),2015年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù),2015年月合成NDVI數(shù)據(jù),空間分辨率為500m,1:5萬(wàn)土壤類(lèi)型圖,以及聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所構(gòu)建的世界土壤特征數(shù)據(jù)庫(kù)。

        2.2 土壤侵蝕模型

        RULSE(Revised Universal Soil Loss Equation)是1997年由Renard K G和Foster G R倆人在修正USLE土壤流失方程的基礎(chǔ)上建立的,通過(guò)結(jié)合GIS與RS技術(shù),在實(shí)用性和綜合能力方面相比較原有的ULSE得到了更大的提升。它的計(jì)算公式為:

        公式中,A表示年均土壤侵蝕模數(shù)(t/km2·a);R表示降雨力侵蝕因子(MJ·mm/km2·h·a);K表示土壤可蝕性因子(t·km2·h/km2·MJ·mm);LS表示坡長(zhǎng)坡度因子,無(wú)量綱;C則表示地表植被覆蓋和管理因子,無(wú)量綱。

        一般來(lái)說(shuō),是通過(guò)GIS技術(shù)與RS技術(shù)等,利用地區(qū)的降雨量、土壤、遙感影像以及土壤侵蝕普查數(shù)據(jù),計(jì)算出各因子的量,之后再逐一相乘得到地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)[1]。

        2.2.1 降雨侵蝕力R因子及其計(jì)算

        降雨侵蝕力反映了降雨潛在的對(duì)土壤侵蝕的能力大小,進(jìn)而表明某地區(qū)土壤受到侵蝕的潛在可能性大小。據(jù)研究區(qū)流域的降雨具體情況考慮,以研究區(qū)附近的赫章、威寧、水城三個(gè)氣象站的2007年-2107年日降雨量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用Yu等在澳大利亞建立的月降雨侵蝕力計(jì)算公式(Yu B.,1996;Yu B.,1998)進(jìn)行月降雨侵蝕力值的估算,公式如下:

        式中,Ej表示j月的降雨侵蝕力(MJ·mm·hm-2·h-1);Rd表示日降雨量(mm);R0表示產(chǎn)生侵蝕的日降雨強(qiáng)度閾值,本文在前期研究的基礎(chǔ)上(彭韜,2009),采用臨界值12mm作為日降雨強(qiáng)度閾值;f表示頻率,取值1/12;j表示月份值;ω取值5π/6;N表示j月中日降雨量超過(guò)R0的天數(shù);S表示下半年5-8月份的總降雨量(mm);P表示年均降雨量(mm);η是一個(gè)由年均降雨量計(jì)算得來(lái)的模型參數(shù)(3),α與β在年降雨量不同的地方具有不同的關(guān)系計(jì)算表達(dá)式,年降雨量大于1050mm時(shí),采用公式(1),年降雨量大于500mm而小于1050mm時(shí),采用公式(2)具體如下;

        利用上述公式計(jì)算三個(gè)氣象站2007-2017年的逐月降雨侵蝕力后,匯總得到個(gè)各氣象站點(diǎn)的多年平均降雨侵蝕力R。導(dǎo)入Arcgis中后,采用反距離權(quán)重(IDW)插值方法內(nèi)插點(diǎn)降雨侵蝕力數(shù)據(jù),形成流域內(nèi)的多年平均降雨侵蝕力圖層:

        2.2.2 土壤可蝕性K因子及其計(jì)算

        土壤可蝕性表示土壤抵抗降雨、徑流以及徑流侵蝕能力的大小,并側(cè)面表示土壤受到侵蝕的潛在可能性大小。K因子值與土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)、坡面滲透性、土壤有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)。

        在數(shù)據(jù)上由于缺少各土壤類(lèi)型的滲透性和結(jié)構(gòu)系數(shù)等參數(shù),因此這里李用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(HASA)共同構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD),結(jié)合研究區(qū)1:10萬(wàn)的土壤類(lèi)型圖,用EPIC的公式來(lái)計(jì)算子研究區(qū)內(nèi)各種土壤類(lèi)型的K值。公式如下:

        式中,K表示土壤可蝕性(t·hm-2·h·MJ-1·mm-1·hm-2),SAN、SIL、CLA、C分別表示砂粒含量百分比、粉粒含量百分比、粘粒含量百分比、有機(jī)碳含量百分比,SN1表示:1-SAN/100。

        經(jīng)公式計(jì)算后獲得各土壤類(lèi)型的K值,流域內(nèi)各種土壤類(lèi)型的K值。

        2.2.3 坡長(zhǎng)與坡度LS因子及其計(jì)算

        坡度因子S是指,在其它條件相同情況下,任意坡度下的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡度下的單位面積土壤流失量之比;坡長(zhǎng)因子L是指,在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下,任意坡長(zhǎng)的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下單位面積土壤流失量之比。

        S因子采用劉寶元修正過(guò)后的陡坡分段計(jì)算公式:

        其中θ值為坡度柵格圖,利用Arcgis中的柵格計(jì)算器工具,使用以上分段公式計(jì)算得到流域內(nèi)的S因子圖層。

        坡長(zhǎng)因子采用Wischmerier和Smith的坡長(zhǎng)因子計(jì)算公式:L=

        其中m=,λ為近似坡長(zhǎng)(m),22.1為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡長(zhǎng)(m),θ值為表面坡度,計(jì)算結(jié)果得到L因子圖層。

        最后將L因子與S因子做柵格運(yùn)算后所得的LS柵格圖層。

        2.2.4 植被覆蓋與管理因子C及其計(jì)算

        植被覆蓋與管理因子C,以在某一特定作物或者植被覆蓋下的土壤流失量與耕種后的連續(xù)休閑地的流失量比值表示,衡量了植被覆蓋與經(jīng)營(yíng)管理對(duì)土壤侵蝕的抑制作用。以蔡崇法等建立的C因子值與植被覆蓋度f(wàn)v兩者之間的回歸方程來(lái)計(jì)算C值,公式如下:

        其中,C表示植被覆蓋與管理因子,fv表示植被覆蓋度,植被覆蓋度以公式fv=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)計(jì)算。其中,NDVIveg與NDVIsoil分別為純植被覆蓋與裸地的歸一化植被指數(shù)值。計(jì)算所得得C值圖層。

        2.2.5 水土保持措施因子P及其計(jì)算

        水土保持措施因子P表示采取水土保持措施后的土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值,值介于0-1之間。經(jīng)充分考慮研究區(qū)的實(shí)際地形、植被等因素后,對(duì)不同的土地利用類(lèi)型進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)P因子賦值,得到P值柵格圖層。

        2.2.6 土壤侵蝕量的計(jì)算

        在Arcgis的運(yùn)算支持下,將各因子圖層歸一為同一坐標(biāo)系下的柵格圖層后,利用柵格計(jì)算器按照RUSLE模型進(jìn)行乘積運(yùn)算,得到三岔河流域的土壤侵蝕量的分布圖。

        3 結(jié)果與分析

        將土壤侵蝕模數(shù)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出分析表明:(1)三岔河流域的土壤侵蝕模數(shù)值范圍在0至5493.48t/km2·a之間;(2)三岔河流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)在0-2000t/km2·a之間的占比73%以上;(3)三岔河流域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)在5000t/km2·a以上的占比不足0.06%;

        按照國(guó)家水利部頒發(fā)的《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-96)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看,大部分是屬于輕度侵蝕,僅有極其小的面積具有重度侵蝕隱患;但考慮到喀斯特地區(qū)本身土壤量就比較少的特殊性,輕度侵蝕地區(qū)的流失量仍遠(yuǎn)高于喀斯特地區(qū)的允許流失量。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 高璐,王學(xué)鳳,曲本亮,等.基于RUSLE模型的遼寧省土壤侵蝕定量研究[J],長(zhǎng)江科學(xué)學(xué)院院報(bào),2015,32(12):25-29.

        [2] TERRANOVA O.Soil Erosion Risk Scenarios in the Mediterranean Environment Using RUSLE and GIS:An Application Model for Calabria (Southern Italy)[J]. Geomorphology,2009,112(3):258-245.

        [3] PRASANNAKUMAR V. Estimation? of Soil? Erosion? Risk within A Small Mountainous Sub-watershed in Kerala,India, Using Revised Universal Soil Loss Equation(RUSLE)and Geo-information Technology[J].Geoscience Frontiers,2012,3(2):209-215.

        [4] XU L F. Risk Assessment of Soil Erosion indifferent Rainfall Scenarios by RUSLE Model Coupled with Information Diffusion Model:A Case Study of Bohai Rim,China[J].Catena,2012(100):74-82.

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