袁瑾雯，熊 峰

(江西省水利科學(xué)院，南昌 330000)

0 引 言

水土流失敏感性主要衡量區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生水土流失的可性能及程度，通過分析及評價區(qū)域水土流失敏感性，針對水土流失發(fā)生可能性較大的區(qū)域采取有效的防治措施，對于我國水土流失治理意義重大。遙感技術(shù)可同步獲得大面積觀測信息，并具備較強(qiáng)的現(xiàn)勢性，應(yīng)用于水土流失影響因子空間分布及區(qū)域水土流失敏感性評價方面具有十分突出的優(yōu)勢。文章主要基于landsat-8OLI衛(wèi)星影像遙感數(shù)據(jù)，通過對植被覆蓋率、植被氮反射指數(shù)、地形坡度、土壤指數(shù)等評價因子的反演及區(qū)域水土流失敏感性指數(shù)的構(gòu)建以進(jìn)行具體工程區(qū)水土流失敏感程度的分析評價，從而為水土流失重點(diǎn)防治區(qū)域的確定提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程區(qū)概況

贛江撫河下游尾閭綜合整治工程地處江西省中北部，鄱陽湖西南岸，為贛江、撫河下游及尾閭?cè)牒拥浪鶌A區(qū)域，土地面積2800km2。工程在贛江尾閭建設(shè)由主支、北支、中支、南支攔河水閘組成的南昌水利樞紐工程，并實施洲頭防護(hù)。工程區(qū)地貌類型屬沖積平原地貌，氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，土壤類型主要為砂質(zhì)土、紅壤、水稻土；地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，現(xiàn)狀植被類型為針葉林、針闊混交林和灌木林為主，工程區(qū)現(xiàn)狀林草覆蓋率約9%；土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，容許土壤流失量為500t/km2·a，項目區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為410t/km2·a。

該工程在建設(shè)過程中必將產(chǎn)生大量的土石方，導(dǎo)致水土流失發(fā)生及規(guī)模擴(kuò)大，如不采取水土保持措施，泥沙極易泄入河道并導(dǎo)致河道淤積，影響河道行洪安全，導(dǎo)流圍堰建設(shè)與拆除的過程中也會有大量土石方流入河道，造成水體渾濁度增加，水質(zhì)惡化，對河流生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。為此，必須對該工程實施造成的水土流失影響范圍及敏感性進(jìn)行科學(xué)測定。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

以來自中科院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺的成像于2021年3月20日的landsat-8OLI衛(wèi)星影像遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)性資料，其多光譜波段及全色波段的空間分辨率分別達(dá)到30m和15m，數(shù)據(jù)質(zhì)量符合監(jiān)測及應(yīng)用要求。借助ENVI5.3軟件定標(biāo)影像，并融合多光譜影像和全色影像的基礎(chǔ)上，通過目視解譯和監(jiān)督分類等手段進(jìn)行工程區(qū)土地利用類型的解譯[1]。為進(jìn)行遙感影像反演數(shù)據(jù)的后續(xù)空間疊合分析，還應(yīng)用ArcGIS軟件的坡度計算工具針對DEM數(shù)據(jù)生成坡度格柵[2]。

2.2 研究方法

2.2.1 評價因子

水土流失過程通常是氣候、土壤、植被及地形地貌等自然條件和工程建設(shè)、人類活動等人為條件綜合作用的結(jié)果，在水土流失敏感性評價因子選取時必須綜合考慮以上各個方面。文章結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究成果及實踐經(jīng)驗，并充分利用多光譜遙感數(shù)據(jù)技術(shù)優(yōu)勢，最終采用植被覆蓋率、植被氮反射指數(shù)、地形坡度、土壤指數(shù)等評價因子進(jìn)行贛江撫河下游尾閭水土流失敏感性分析，且以上評價因子均采用ENVI5.3軟件中的Band Math工具計算和分析。

1)植被覆蓋率(Fractional Vegetation Cover, FVC)是進(jìn)行水土流失程度及敏感性評價的最常用指標(biāo)，對該指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行反演主要通過植被覆蓋指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)歸一化過程實現(xiàn)，公式如下：

(1)

(2)

式中：NDVImax為純植被像元植被覆蓋指數(shù)；NDVImin為裸土像元植被覆蓋指數(shù)；NIR為landsat-8OLI衛(wèi)星影像遙感數(shù)據(jù)近紅外波段反射率；Red為landsat-8OLI衛(wèi)星影像遙感數(shù)據(jù)紅波段反射率。

2)植被氮反射指數(shù)。植被光合作用及成長離不開氮元素，根據(jù)相關(guān)研究，植被缺乏氮元素，會導(dǎo)致植被稀疏，枯枝落葉無法有效攔截降水和徑流，進(jìn)而增大水土流失的可能；植被成長的茂盛程度可通過氮反射指數(shù)(Nitrogen Reflectance Index, NRI)進(jìn)行反應(yīng)。由此，可通過植被氮反射指數(shù)指標(biāo)衡量水土流失敏感程度。該指標(biāo)通常通過近紅外波段反射率NIR及綠波段反射率進(jìn)行反演，公式如下：

NRI=NIR/Green

(3)

式中：Green為綠波段反射率；其余參數(shù)含義同前。

3)地形坡度。該指標(biāo)主要影響徑流沖刷能力和土壤侵蝕形式，文章主要通過ArcGIS軟件的空間分析模塊及坡度計算工具進(jìn)行工程區(qū)地形坡度計算。

4)土壤指數(shù)：對于降雨強(qiáng)度較大且林分結(jié)構(gòu)單一的山地丘陵地區(qū)，因缺乏草地、灌木等林下植被，發(fā)生中度以上林下水土流失的可能性較大。為此，必須在植被覆蓋度指標(biāo)之外增加歸一化土壤指數(shù)(Normalized Difference Soil Index, NDSI)，以體現(xiàn)林下地表裸露程度及林下水土流失可能性，公式如下：

(4)

式中：SWIR1為landsat-8OLI衛(wèi)星影像遙感數(shù)據(jù)短波紅外1波段反射率；其余參數(shù)含義同前。

2.2.2 水土流失敏感性指數(shù)

在以上評價因子的基礎(chǔ)上，構(gòu)建能夠綜合體現(xiàn)贛江撫河下游尾閭綜合整治工程區(qū)水土流失敏感程度的敏感性指數(shù)。為保證各評價因子具備可比性，還必須進(jìn)行各因子標(biāo)準(zhǔn)化處理，使各因子取值均在[0,1]區(qū)間內(nèi)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的工程區(qū)水土流失敏感性指數(shù)(Sensitivity Index, SI)表示如下：

(5)

式中：SIj為第j格柵單元水土流失敏感性指數(shù)；Cij為第j格柵單元中第i個評價因子標(biāo)準(zhǔn)化取值；Wi為第j格柵單元中第i個評價因子權(quán)重。

為量化反映贛江撫河下游尾閭綜合整治工程區(qū)水土流失敏感性中不同評價因子的影響和作用程度，必須借助熵權(quán)法結(jié)合各因子原始信息及效用價值進(jìn)行因子權(quán)重的確定。

3 結(jié)果及分析

3.1 評價因子空間分布

使用ArcGIS繪制贛江撫河下游尾閭綜合整治工程區(qū)植被覆蓋率、植被氮反射指數(shù)、地形坡度、土壤指數(shù)等評價因子空間分布圖。考慮到植被覆蓋率和氮反射指數(shù)對于植被覆蓋區(qū)域較為適用，為保證分析過程的嚴(yán)謹(jǐn)性及結(jié)果的準(zhǔn)確性，忽略工程區(qū)建設(shè)用地、交通、水域及耕地等非植被覆蓋的土地利用類型，僅分析草地、林地等區(qū)域水土流失敏感性。根據(jù)對評價因子空間分布圖的分析，文章所提出的四個評價因子所具備的空間異質(zhì)性均較大，且該工程區(qū)植被覆蓋率均值高達(dá)72.13%，F(xiàn)VC表現(xiàn)出東西高、中部低的空間分布特征。

該工程區(qū)中部地區(qū)地形比較平坦，居住密度大，人類活動頻繁，土地利用類型主要為園地和稀疏林地；東西地區(qū)則主要為低山丘陵地形，植被茂密。NRI則呈現(xiàn)出東低西高的趨勢，這與工程區(qū)植被分布實際情況基本一致。NDSI取值較高的區(qū)域主要在城鎮(zhèn)村莊及公路沿線等受人類活動影響較大的地區(qū)，而取值低的區(qū)域主要為山地、丘陵等遠(yuǎn)離人類活動的區(qū)域。

3.2 水土流失敏感性等級劃分

采用熵權(quán)法確定出的贛江撫河下游尾閭綜合整治工程區(qū)植被覆蓋率、植被氮反射指數(shù)、地形坡度、土壤指數(shù)等評價因子的權(quán)重分別為0.1945、0.2694、0.2533、0.3082，通過ArcGIS軟件中的格柵計算工具進(jìn)行工程區(qū)水土流失敏感性指數(shù)計算，并按照自然斷點(diǎn)分級法[3]將工程區(qū)水土流失敏感程度劃分為高度敏感、中度敏感、輕度敏感、不敏感等級別。最終所得出的工程區(qū)各水土流失敏感性等級所對應(yīng)的面積及占比情況具體見表1。

表1 工程區(qū)水土流失敏感性等級劃分情況

通過分析結(jié)果可知，贛江撫河下游尾閭綜合整治工程區(qū)水土流失主要以中度敏感和輕度敏感為主，且兩種水土流失敏感程度之和在工程區(qū)總面積中的占比約為87%，中度敏感區(qū)和輕度敏感區(qū)面積分別為1307.88km2和1128.12km2，在總面積中占比分別為46.71%和40.29%；中度敏感區(qū)主要分布在偏遠(yuǎn)丘陵山地地帶，輕度敏感區(qū)則大多分布在山地丘陵向平原河谷過渡區(qū)域；而高度敏感區(qū)和不敏感區(qū)占比分別為6.78%和6.22%。為此，必須根據(jù)各敏感區(qū)水土流失特點(diǎn)、防治責(zé)任和防治目標(biāo)，加強(qiáng)治理與防護(hù)相結(jié)合，臨時措施、植物措施與工程措施相結(jié)合，針對中度敏感和輕度敏感區(qū)構(gòu)建起完整的水土流失防治體系。

4 結(jié) 論

綜上所述，贛江撫河下游尾閭綜合整治工程區(qū)水土流失敏感性主要為中度敏感和輕度敏感，且兩者面積和在工程區(qū)總面積中占比達(dá)到87%，為此，必須以這兩類區(qū)域為工程區(qū)水土流失防治的重點(diǎn)區(qū)域。文章水土流失敏感性分析所采用的多光譜遙感技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取便捷、分析過程簡便、操作性強(qiáng)、結(jié)論真實可靠等優(yōu)勢，但遺憾的是，該技術(shù)只能分析水土流失敏感程度及面積，無法量化獲取水土流失的具體面積，這也為下一步研究提出了方向。