侯禮婷

（1.河南省小流域生態(tài)水利工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475000；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475000）

土地資源和生態(tài)系統(tǒng)是地球上的重要生命支撐系統(tǒng)，土壤的成土過程十分漫長，土地資源遭受到破壞后，土壤很難再進(jìn)行恢復(fù)［1］。最常見的土地資源破壞就是土地侵蝕，而土地侵蝕的定義一般是指土壤及其母質(zhì)在各類外力作用下，土壤被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積等過程，該種外力包括但不限于重力、水力、風(fēng)力和凍融等［2］。土壤侵蝕所帶來的影響十分惡劣，會(huì)引起洪澇、干旱、滑坡以及泥石流等自然災(zāi)害，也會(huì)進(jìn)一步降低土地生產(chǎn)力，導(dǎo)致水土流失，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極其嚴(yán)重的侵害。因此，土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最依賴的基本環(huán)境要素，為了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展，合理應(yīng)對(duì)土壤侵蝕，形成有效防治手段十分必要。1959 年，Wischmeier W H 和Smith D D 針對(duì)美國東部多個(gè)徑流小區(qū)的觀測(cè)資料，提出了通用土壤流失方程USLE［3］。1985 年，美國農(nóng)業(yè)部進(jìn)行了土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型WEPP 的研究工作［4］，WEPP 是 目 前 研 究 最 為 完 整 的 參 數(shù) 模 型。1994 年，Morgan 依據(jù)歐洲的田間和流域的土壤狀況歸納出歐洲土壤侵蝕模型EUROSEM［5］，并且集成GIS，運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)對(duì)土壤的動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析。從20世紀(jì)90 年代開始，中國應(yīng)用GIS、GPS 等技術(shù)開展不同流域內(nèi)的侵蝕調(diào)查、防治措施等研究工作，主要是以地表水作為研究要素，對(duì)流域內(nèi)的土壤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究和模型建立［6］。本研究主要針對(duì)線狀生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開展土壤侵蝕情況分析，應(yīng)用RUSLE 技術(shù)，對(duì)城市建設(shè)中最為常見的快速路工程對(duì)土壤的侵蝕作用開展研究，解決線狀工程水土流失所具有的大跨度空間性和階段時(shí)變性等難點(diǎn)。

1 研究理論基礎(chǔ)

1.1 RUSLE 模型

RUSLE 模型又稱為修正土壤侵蝕方程（Revised universal soil loss equation），RUSLE 模型可以預(yù)測(cè)面蝕和溝蝕的年均土壤流失量RUSLE 模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。如式（1）所示，式中，A為年均土壤侵蝕量，該侵蝕量主要是指由降雨和徑流形成的細(xì)溝間侵蝕的年均土壤流失量［7］。R為降雨侵蝕力因子，是降雨動(dòng)能和最大的30 min 降雨強(qiáng)度的乘積，主要用來描述降雨導(dǎo)致土壤流失的潛在能力。K為土壤可蝕性因子，定義為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)單位內(nèi)的降雨導(dǎo)致的單位面積土壤侵蝕量［8］，通常用來表征土壤抗侵蝕能力和敏感性。LS分別是指坡長與坡度因素，L是坡長的冪函數(shù)，LS表示某坡長與坡度的土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)參考坡面上的土壤流失量的比值。C表示植被覆蓋因子，該因子主要用來衡量植被覆蓋和經(jīng)營管理對(duì)土壤侵蝕的抑制作用，定義為植被覆蓋的土壤流失量與耕種后連續(xù)休閑地的土壤流失量的比值。P指水土保持措施因子，指對(duì)土壤采取保護(hù)措施后的土壤流失量與順坡種植土壤流失量的比值。

由于RUSLE 模型是一種經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，計(jì)算比較簡單，考慮土壤流失的因素也較為全面，預(yù)測(cè)效果較好，再加上GIS 和RS 技術(shù)的應(yīng)用，可以簡便直觀地表示土壤流失的計(jì)算結(jié)果，有助于分析土壤的空間分布狀態(tài)。且該模型在應(yīng)用不同地質(zhì)狀況時(shí)，需要進(jìn)行本地化的處理，在進(jìn)行修正之后模型更加準(zhǔn)確。

1.2 數(shù)據(jù)來源

對(duì)于快速路的生產(chǎn)建設(shè)，前期的數(shù)據(jù)主要來源于當(dāng)?shù)貒临Y源局，并結(jié)合實(shí)測(cè)地形圖獲得。由于地表變化大，施工建設(shè)過程中的土壤數(shù)據(jù)難以測(cè)定，所以一般由經(jīng)驗(yàn)認(rèn)定為裸露地表。施工后的土壤數(shù)據(jù)主要依靠人工測(cè)定。然后，進(jìn)行高程數(shù)據(jù)的確定。高程數(shù)據(jù)測(cè)定的平均密度為1 個(gè)高程點(diǎn)/120 m2，采用IDW（反距離權(quán)重插值）法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合土地?cái)?shù)據(jù)的分辨率，輸出的像元為0.5 m×0.5 m。年降雨量的數(shù)據(jù)主要來源于該區(qū)域的4 個(gè)水文站2015—2018 年的日降雨數(shù)據(jù)，由于受到實(shí)際條件的限制，分別是建設(shè)項(xiàng)目區(qū)的范圍和水文站點(diǎn)的限制條件。所以無法采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)中的克里金空間插值的方法，而是簡單地將水文站的降雨量數(shù)據(jù)平均值作為建設(shè)項(xiàng)目區(qū)降雨侵蝕力的數(shù)值，將區(qū)域范圍控制在會(huì)受到該快速路建設(shè)項(xiàng)目區(qū)影響的地理范圍。

2 研究區(qū)概況模型

2.1 土壤侵蝕定量分析方法

建立定量分析模型，首先是R因子的提取，R因子的估算方法是由Wischemeier 提出的USLE 的原始算法［9］，其經(jīng)典算法如式（2）所示。R是降雨侵蝕力數(shù)值，∑E表示降雨總動(dòng)能，I30表示最大降雨30 min的降雨強(qiáng)度。

基于EI結(jié)構(gòu)計(jì)算降雨侵蝕力，主要依賴于降雨對(duì)地表的作用能量，以及降雨是否有侵蝕現(xiàn)象產(chǎn)生［10］。多數(shù)研究主要基于日、月、年降雨量資料計(jì)算降雨侵蝕力，這里利用日雨量計(jì)算降雨侵蝕力，其計(jì)算方法如式（3）所示。M表示半月的侵蝕力數(shù)值，k表示半月時(shí)段內(nèi)的降雨天數(shù)，Pj是針對(duì)半月時(shí)段的第j天的日雨量，設(shè)置閾值為12 mm，該閾值與中國侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)一致。將所有月份以當(dāng)月15 日為邊界，這樣全年12 個(gè)月劃分成24 個(gè)時(shí)間段，式（3）中的β、α是模型參數(shù)，兩者之間的關(guān)系表達(dá)式如式（4）所示。其中，Pd12表示日雨量不小于12 mm 的日平均雨量，Py12是不小于12 mm 的年平均降雨量。通過上述公式的累加即可計(jì)算出年降雨侵蝕力的數(shù)值。

土壤可侵蝕性因子K的估算方法主要有諾謨圖法、EPIC 公式法等［11］，諾謨圖法可以方便地測(cè)定土壤理化性質(zhì)，所得結(jié)果穩(wěn)定，成本較低，該方法由Wischmeier 提出。本研究主要采用Willams 提出的侵蝕/生產(chǎn)力影響模型EPIC，針對(duì)性地對(duì)土壤可蝕性進(jìn)行計(jì)算，如式（5）所示。其中，SAN、SIL、CLA和C分別表征沙粒、粉粒、黏粒和有機(jī)碳額的含量百分比，可以根據(jù)區(qū)域分布的數(shù)據(jù)制成柵格圖層獲得不同K，其常見K分布如表1 所示。

表1 不同土壤的K 分布

LS因子的提取，分別計(jì)算坡長因子（L）和坡度因子（S），其反映地貌特征對(duì)土壤侵蝕的影響。L和S的估算值與土壤侵蝕量成正比關(guān)系，L的計(jì)算公式由Wischmeier 和Smith 提出［12］，如式（6）所示，其中，水平坡長的數(shù)值用λ表示，坡長指數(shù)為α，利用DEM提取坡度θ，計(jì)算流程如圖1 所示。

圖1 L 計(jì)算流程

對(duì)于坡度因子S的計(jì)算，要結(jié)合McCool 提出的適用于緩坡的研究成果公式和針對(duì)陡坡區(qū)域S的計(jì)算［13］，從而對(duì)研究區(qū)域的S提取，表達(dá)式如式（7）所示。

對(duì)于式中C和P的提取比較難以確定，C的計(jì)算受多種因素的影響，需要考慮植被的差異、植被水平與垂直結(jié)構(gòu)以及不同時(shí)段的變化。通常的計(jì)算如式（8）所示，SLRi是第i個(gè)時(shí)段的土壤流失比，EIi是第i個(gè)時(shí)段的降雨侵蝕力指數(shù)值占全年的百分比。P可通過徑流小區(qū)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，該方法周期長，區(qū)域局限性比較大。在生產(chǎn)建設(shè)的過程中，由于開挖等操作造成松散的裸土形成，又很快被雜草覆蓋，又由于項(xiàng)目建設(shè)的人工干預(yù)，P一般難以測(cè)定。因此，根據(jù)區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)值（表2）進(jìn)行計(jì)算采納。

表2 不同土壤條件的C、P 因子值

2.2 土壤侵蝕模型構(gòu)建

根據(jù)RUSLE 的模型得到土壤侵蝕模數(shù)圖，在計(jì)算過程中，無意義的研究點(diǎn)過多，會(huì)造成無法針對(duì)土壤侵蝕模型中的焦點(diǎn)問題進(jìn)行針對(duì)性的分析，所以需要對(duì)焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠交幚?，繪制該區(qū)域2018 年土壤侵蝕模數(shù)分布，如圖2 所示，土壤的侵蝕模數(shù)存在最大值和最小值，分別是47 447.00、0 t/（km2·年）。研究區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)為3 717.76 t/（km2·年），研究區(qū)的土壤侵蝕分級(jí)可以判定為中度侵蝕。

圖2 土壤侵蝕模數(shù)分布

為了確定該快速路不同階段的土壤侵蝕等級(jí)分布，將對(duì)應(yīng)的RUSLE 模型因子劃分成0.5 m×0.5 m 的柵格圖，分析該快速路建設(shè)區(qū)域的3 個(gè)階段周期的土壤侵蝕分布。本研究依據(jù)水利部的標(biāo)準(zhǔn)（SL 190—2007），對(duì)南方紅壤丘陵區(qū)的水力侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分類，將該生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)的土壤等級(jí)分布情況分成6 類，依次是劇烈、極強(qiáng)度、強(qiáng)度、中度、輕度以及微度，具體如表3 所示。

從內(nèi)容（表3）進(jìn)行分析，在侵蝕強(qiáng)度方面，施工過程中以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，強(qiáng)度侵蝕及以上約占4%。在侵蝕面積上，輕度侵蝕所占的比例相比于施工前大幅增加，其主要誘因是在建設(shè)過程中，需要搬運(yùn)大量土石和機(jī)械設(shè)備，破壞了周邊的水土資源，強(qiáng)度侵蝕的增加是由于道路旁的臨時(shí)堆土區(qū)造成的土堆結(jié)構(gòu)疏松，土壤抗侵蝕能力大幅降低。在施工結(jié)束后，該區(qū)域進(jìn)入恢復(fù)期，絕大部分的侵蝕以微度侵蝕為主，且道路開挖的裸露面被綠化覆蓋，植物的水土保持能力進(jìn)一步加強(qiáng)。針對(duì)RUSLE 模型，該快速路建設(shè)造成土地利用類型的變化直接影響著C、P這2 個(gè)因子，因此，土地利用變化直接影響著土壤侵蝕的大小。在施工期間，地表覆蓋類型會(huì)經(jīng)歷較大的變化，且該區(qū)域雨水較多，降雨侵蝕因子R的作用至關(guān)重要，盡量減少人為施工因素造成的水土流失。

表3 快速路不同施工階段的土壤侵蝕等級(jí)分布

3 研究區(qū)土壤侵蝕的空間分析

土壤侵蝕需要相應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，土地資源是必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。土地使用現(xiàn)狀直接反映開發(fā)利用程度，利用方式的不同會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕方式的差異，該快速路周圍研究區(qū)域的土地類型依照RUSLE 模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后比較預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值的差異。考慮土壤侵蝕分級(jí)圖和土地應(yīng)用現(xiàn)狀的歸納結(jié)合，由表4 可以看出，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值大致相同，但對(duì)于施工過程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)高1 個(gè)等級(jí)，說明對(duì)于施工的主體區(qū)域需要在精度上有所提高。結(jié)果表明，可以通過RUSLE模型來指導(dǎo)生產(chǎn)建設(shè)。

表4 研究區(qū)域不同施工周期的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

4 小結(jié)與展望

本研究通過將修正的通用土壤流失方程引入到快速路建設(shè)的項(xiàng)目中，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立對(duì)該區(qū)域的RUSLE 模型，根據(jù)模型預(yù)測(cè)施工前后的土壤侵蝕情況以及空間分布情況。在侵蝕強(qiáng)度上，施工期對(duì)土壤擾動(dòng)最大，侵蝕級(jí)別以微度和輕度為主，主要是由土地利用造成的。預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值基本一致，且在構(gòu)建模型過程中，依次分析了土壤侵蝕因子的各種因素，并對(duì)其中的R、LS因子進(jìn)行了重點(diǎn)分析。通過上述研究，快速路區(qū)域的水土保持工作可以從2 個(gè)方面入手，即工程保護(hù)措施和植被綠化措施，對(duì)土地進(jìn)行總體性整治和利用。在未來的研究中，可以結(jié)合GIS 技術(shù)，提高預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，在綜合考慮土壤利用復(fù)雜性的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的分析。