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        基于CSLE模型的神木市土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算

        2021-04-19 10:28:02游浩妍黃曦濤
        中國(guó)水土保持 2021年4期
        關(guān)鍵詞:神木模數(shù)覆蓋度

        游浩妍,黃曦濤,陳 瑞

        (1.自然資源部 陜西基礎(chǔ)地理信息中心,陜西 西安 710054; 2.自然資源部 第一地理信息制圖院,陜西 西安710054)

        神木市隸屬于陜西省榆林市,位于陜甘寧蒙晉五省區(qū)交界地帶,地理位置重要,礦產(chǎn)資源豐富,是正在建設(shè)的國(guó)家能源重化工基地之一,同時(shí)神木市又位于內(nèi)蒙古毛烏素沙地和黃土丘陵溝壑區(qū)的過(guò)渡區(qū),部分地區(qū)長(zhǎng)期存在的土壤侵蝕會(huì)影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此,本研究選擇神木市為研究對(duì)象,基于GIS、RS平臺(tái),采用中國(guó)土壤流失方程(CSLE)研究土壤侵蝕的時(shí)間和空間變化特征,并利用水文觀測(cè)站實(shí)測(cè)輸沙模數(shù)、陜西省水資源公報(bào)輸沙量數(shù)據(jù)等對(duì)計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,以期合理評(píng)價(jià)區(qū)域水土流失分布規(guī)律,為水土流失治理提供參考。

        1 研究區(qū)概況

        神木市位于109.66°~110.92°E、38.23°~39.45°N之間,總面積7 484.29 km2,南北長(zhǎng)138 km,東西寬113 km,是陜西省面積最大的縣級(jí)市;屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均日照時(shí)數(shù)2 876 h,年無(wú)霜期 169 d,年均氣溫8.5 ℃,年均降水量440. 8 mm;位于森林草原向典型草原和干旱草原過(guò)渡帶,主要土地利用類型為草地、耕地和林地[1];降水資源短缺,但地下水資源相對(duì)豐富,西北部有46個(gè)內(nèi)陸湖泊,其中塞上明珠紅堿淖總面積 54 km2、儲(chǔ)水8億m3,是中國(guó)最大的沙漠淡水湖;主要土壤類型為風(fēng)沙土和黃綿土,還有淡栗鈣土和黑壚土交錯(cuò)分布。

        2 研究數(shù)據(jù)

        本研究采集數(shù)據(jù)包括:全國(guó)氣象站網(wǎng)2001—2017年日降雨數(shù)據(jù),來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心;1∶50萬(wàn)神木市土壤屬性空間分布圖及工程措施數(shù)據(jù),來(lái)源于陜西水土保持研究所;神木市分辨率10 m DEM數(shù)據(jù),來(lái)源于陜西測(cè)繪地理信息局;2010、2015、2017年神木市土地利用現(xiàn)狀和植被覆蓋度數(shù)據(jù),分別來(lái)源于陜西測(cè)繪地理信息局1∶5萬(wàn)DLG數(shù)據(jù)(2010年)、地理國(guó)情普查(2015年)和基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)(2017年)地表覆蓋分類數(shù)據(jù),以及2010、2015、2017年7月神木市Landsat影像;還有位于神木市西南的孤山川高石崖控制站2010年實(shí)測(cè)輸沙模數(shù),以及陜西省水利廳發(fā)布的各年水資源公報(bào)輸沙量數(shù)據(jù)。

        3 研究方法

        3.1 CSLE模型

        CSLE模型的基本形式為

        A=R·K·L·S·B·E·T

        (1)

        式中:A為土壤侵蝕模數(shù),t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子,MJ·mm/(hm2·h·a);K為土壤可蝕性因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);L、S分別為坡長(zhǎng)、坡度因子,無(wú)量綱;B為生物措施因子,無(wú)量綱;E為工程措施因子,無(wú)量綱;T為耕作措施因子,無(wú)量綱。

        3.2 模型因子取值

        (1)降雨侵蝕力因子。根據(jù)全國(guó)氣象站網(wǎng)2001—2017年日降雨數(shù)據(jù),采用監(jiān)測(cè)年份前10年降雨數(shù)據(jù)(2010年采用2001—2010年數(shù)據(jù),2015年采用2006—2015年數(shù)據(jù),2017年采用2008—2017年數(shù)據(jù))計(jì)算2010、2015、2017年各個(gè)站點(diǎn)半月降雨侵蝕力,由此計(jì)算得到半月平均、月平均、逐年、年平均降雨侵蝕力,然后采用簡(jiǎn)單克里金內(nèi)插方法進(jìn)行降雨侵蝕力空間插值,得到研究區(qū)降雨侵蝕力分布。降雨侵蝕力計(jì)算公式[2]分別為

        (2)

        (3)

        β=0.836 3+18.144/Pd12+24.455/Py12

        (4)

        α=27.815β-7.189 1

        (5)

        上四式中:R半月i為第i個(gè)半月時(shí)段的降雨侵蝕力,MJ·mm/(km2·h);k為該半月內(nèi)侵蝕性降雨日數(shù),d,k=1,2,…,m;Pk為該半月內(nèi)第k天的日雨量,mm,Pk≥12 mm,否則以0計(jì);R年為多年平均降雨侵蝕力,MJ·mm/(km2·h·a);Pd12為一年內(nèi)侵蝕性降雨日雨量的平均值,即一年中大于等于12 mm日雨量的總和與相應(yīng)日數(shù)的比值,mm;Py12為侵蝕性降雨年總量的多年平均值,即大于等于12 mm日雨量年累加值的多年平均,mm;α、β均為參數(shù)。

        (2)土壤可蝕性因子。本研究?jī)H考慮土壤水蝕作用,采用1∶50萬(wàn)神木市土壤屬性空間分布圖及工程措施數(shù)據(jù)計(jì)算土壤可蝕性因子。計(jì)算公式[3]為

        (6)

        式中:K為土壤可蝕性因子,thm2h/(hm2MJm);SAN、SIL、CLA、C分別為砂粒、粉粒、黏粒和有機(jī)碳含量,%;SN1=1-SAN/100。

        (3)坡度、坡長(zhǎng)因子。借助神木市分辨率10 m的DEM數(shù)據(jù),采用符素華等[4]提出的公式計(jì)算坡度、坡長(zhǎng)因子,計(jì)算公式分別為

        (7)

        (8)

        上式中:S為坡度因子;θ為坡度,(°);L為坡長(zhǎng)因子;λ為坡長(zhǎng),m;m為坡長(zhǎng)指數(shù)。

        (4)生物措施、工程措施、耕作措施因子。根據(jù)2010、2015、2017年神木市土地利用現(xiàn)狀、植被覆蓋度數(shù)據(jù)及Landsat影像,采用符素華等[4]的研究成果,對(duì)CSLE模型中的生物、工程、耕作措施因子進(jìn)行賦值或計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表1、2。工程措施因子計(jì)算公式[5-6]為

        (9)

        式中:St為梯田面積,km2;Sd為淤地壩控制面積,km2;S為土地面積,km2;α、β分別為梯田和淤地壩的減沙系數(shù),α=0.764,β=1。

        表1 神木市不同地表覆蓋類型的B值

        表2 神木市不同坡度條件的T值

        3.3 模型驗(yàn)證

        采用CSLE模型,通過(guò)計(jì)算各因子值,計(jì)算得到神木市孤山川高石崖控制站2010年土壤侵蝕模數(shù)為185.37 t/(km2·a),而水文觀測(cè)站實(shí)測(cè)輸沙模數(shù)為98.2 t/(km2·a),兩結(jié)果均屬微度侵蝕,可以認(rèn)為CSLE模型及上述參數(shù)取值適用于當(dāng)?shù)氐耐寥狼治g評(píng)價(jià),可以應(yīng)用于全市土壤侵蝕模數(shù)估算。此外,據(jù)陜西省水利廳發(fā)布的各年水資源公報(bào),2010、2015、2017年黃河流域輸沙量分別為10 214萬(wàn)、4 075萬(wàn)、12 147萬(wàn)t,呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì),這同本研究采用CSLE模型計(jì)算得到的神木市土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢(shì)一致。輸沙是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程,暴雨洪水、人類活動(dòng)等都會(huì)引起輸沙量的變化,雖然不完全等同于土壤侵蝕,但其趨勢(shì)對(duì)于土壤侵蝕評(píng)價(jià)有參考意義,也輔助證明了本研究計(jì)算得到的土壤侵蝕模數(shù)變化規(guī)律的準(zhǔn)確性。

        4 結(jié)果與分析

        4.1 土壤侵蝕模數(shù)

        運(yùn)用CSLE模型,計(jì)算得到神木市2010、2015、2017年土壤侵蝕模數(shù)分別為1 252.55、1 216.68、1 976.07 t/(km2·a),呈先減后增的變化趨勢(shì),不同侵蝕強(qiáng)度土地面積及比例見(jiàn)表3。

        4.2 土壤侵蝕與植被的關(guān)系

        將研究區(qū)植被分級(jí)數(shù)據(jù)與2010、2015、2017年3期土壤侵蝕空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,分析不同時(shí)段不

        表3 2010、2015、2017年神木市不同侵蝕強(qiáng)度土地面積及比例

        同植被覆蓋度下的土壤侵蝕分布,結(jié)果見(jiàn)表4。隨植被覆蓋度增加,3期不同植被覆蓋度區(qū)域侵蝕模數(shù)和侵蝕量均呈先增后減的變化趨勢(shì)。分析其變化原因:植被覆蓋度≤20%區(qū)域多集中在西部地勢(shì)平坦的沙丘區(qū),受地形影響,侵蝕模數(shù)相對(duì)較低;植被覆蓋度40%~60%區(qū)域多集中在東部地形破碎、海拔1 150 m以上的草地,受雨水沖刷影響明顯,侵蝕模數(shù)較高;植被覆蓋度>60%區(qū)域,植被覆蓋度較高,抗蝕作用強(qiáng),加之土地面積較小,因此侵蝕模數(shù)較低,侵蝕量也較小。

        表4 研究區(qū)2010、2015、2017年不同植被覆蓋度的土壤侵蝕分布

        4.3 土壤侵蝕的地形分布特征

        (1)不同海拔的土壤侵蝕分布。將研究區(qū)地形圖與3期土壤侵蝕空間分布圖疊加,分析不同海拔的土壤侵蝕分布,結(jié)果見(jiàn)表5。隨區(qū)域內(nèi)海拔逐漸升高,3期不同高程帶內(nèi)侵蝕模數(shù)均呈逐漸減小趨勢(shì),即海拔越高侵蝕強(qiáng)度越低。隨時(shí)間演進(jìn),>1 050 m高程帶內(nèi)侵蝕模數(shù)呈先減后增趨勢(shì);在≤1 050 m高程帶內(nèi)侵蝕模數(shù)呈增加趨勢(shì)。在≤950 m高程帶內(nèi),3期侵蝕模數(shù)均為各高程帶內(nèi)最大值?!?50 m高程帶區(qū)域主要分布在研究區(qū)東南部,區(qū)內(nèi)溝壑縱橫、地形破碎、坡度較陡,劇烈侵蝕區(qū)域所占比例較大,因此侵蝕模數(shù)較大。

        表5 研究區(qū)2010、2015、2017年不同海拔的土壤侵蝕分布

        (2)不同坡度的土壤侵蝕分布。將研究區(qū)坡度等級(jí)圖與3期土壤侵蝕空間分布圖疊加,分析不同坡度級(jí)別的土壤侵蝕分布,結(jié)果見(jiàn)表6。從表6中可以看出:隨著坡度增加,3期不同坡度級(jí)別區(qū)域侵蝕模數(shù)均大致呈增加趨勢(shì);隨時(shí)間演進(jìn),除25°~35°坡度級(jí)別外,相同坡度級(jí)別內(nèi)侵蝕模數(shù)和侵蝕量均呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。

        表6 研究區(qū)2010、2015、2017年不同坡度的土壤侵蝕分布

        4.4 土壤侵蝕與降雨的關(guān)系

        降雨是影響土壤侵蝕的重要自然因素,尤其是暴雨對(duì)土壤侵蝕影響巨大。神木市2017年土壤侵蝕程度增加明顯,在一定程度上是受降水增加的影響。神木市2017年降水量554.14 mm,比2010年降水量400.23 mm增加了38.46%;2017年降雨侵蝕力為2 141.91 MJ·mm/(hm2·h·a),比2010年降雨侵蝕力1 089.31 MJ·mm/(hm2·h·a)增加了96.63%。因此,在神木市開(kāi)展水土流失防治時(shí)應(yīng)增加應(yīng)對(duì)暴雨的措施。

        5 結(jié) 論

        (1)采用CSLE模型對(duì)神木市2010、2015、2017年土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行定量分析,用境內(nèi)實(shí)測(cè)站點(diǎn)輸沙量數(shù)據(jù)和水資源公報(bào)輸沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明估算結(jié)果合理,說(shuō)明CSLE模型作為經(jīng)驗(yàn)?zāi)P涂捎糜谏衲臼型寥狼治g定量研究。

        (2)2010—2017年神木市土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢(shì)。同時(shí),隨植被覆蓋度增加,不同植被覆蓋度區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)和侵蝕量先增后減;隨海拔升高,不同高程帶內(nèi)侵蝕模數(shù)逐漸減小,在≤950 m高程帶內(nèi)侵蝕模數(shù)出現(xiàn)最大值;隨著坡度增加,不同坡度級(jí)別區(qū)域侵蝕模數(shù)大致呈增加趨勢(shì);此外,暴雨是導(dǎo)致神木市土壤侵蝕增加的重要原因,因此在水土保持工作中應(yīng)增加應(yīng)對(duì)暴雨的措施。

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