胡兆全，李 凱，謝欣雨，房 凱，陳 厲

(1.宿遷市淮西水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷市水利局，江蘇 宿遷 223800；3.宿遷市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 宿遷 223800)

駱馬湖位于江蘇省北部，介于北緯34°00′～34°14′、東經(jīng)118°6′～118°16′之間，駱馬湖蓄水保護(hù)范圍為一線堤防內(nèi)規(guī)劃蓄水位23.50m以下區(qū)域，面積為290km2，容積9.18億m3，匯水面積約1300km2，是淮河流域第三大湖泊、江蘇省第四大湖泊，為宿遷、徐州2個(gè)市共轄。研究區(qū)域地形的特點(diǎn)是山丘和山脊被溪流和排水道高度分割，原生植被是林地和沼澤，但這已被人類(lèi)活動(dòng)大大改變。然而，隨著人口的增加，以及需要更密集耕作的年度糧食和經(jīng)濟(jì)作物的引入，土壤嚴(yán)重退化。這導(dǎo)致該盆地香蕉種植區(qū)的產(chǎn)量嚴(yán)重下降。在過(guò)去10年中表明侵蝕是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，但由于收集大面積侵蝕的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)成本高昂，因此這些分析沒(méi)有進(jìn)一步超出農(nóng)場(chǎng)觀測(cè)，由于侵蝕過(guò)程因土壤、氣候、地形和管理方式的不同而存在很大差異，因此非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1- 3]。由于因子控制的廣泛空間和時(shí)間變異性導(dǎo)致難以測(cè)量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)侵蝕，預(yù)測(cè)模型極大地促進(jìn)了通過(guò)識(shí)別和制定有用的定制補(bǔ)救措施來(lái)改善侵蝕現(xiàn)狀[4- 6]。本研究的目的是預(yù)測(cè)駱馬湖的土壤流失，并評(píng)估土壤流失模型的可靠性。

1 土壤流失模型USLE

利用USLE模型對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行了土壤流失預(yù)測(cè)。采用了5個(gè)影響土壤流失預(yù)測(cè)量的參數(shù)，包括降雨侵蝕力系數(shù)(R)、土壤可蝕性系數(shù)(K)、坡長(zhǎng)和陡度系數(shù)(LS)、土地冠層覆蓋系數(shù)(C)和保護(hù)措施系數(shù)(P)。土地利用數(shù)據(jù)用于描述研究區(qū)域的保護(hù)實(shí)踐和土地覆蓋(C和P因子)[7- 8]。同時(shí)，通過(guò)在基于GIS的軟件中插值數(shù)據(jù)，使用集水區(qū)內(nèi)3個(gè)雨量站的降雨數(shù)據(jù)來(lái)描述降雨侵蝕力因子，SRTM數(shù)據(jù)用于確定LS因子。在使用基于GIS的軟件建立模型期間，利用獲得土壤可蝕性表推導(dǎo)K參數(shù)。

1.1 土壤侵蝕模數(shù)

基于土壤流失方程USLE模型對(duì)研究區(qū)域土壤流失進(jìn)行計(jì)算。包括氣候、土壤、植被覆蓋、地形和管理等計(jì)算因子，具體為：

A=R×K×LS×CP

(1)

式中，A—USLE計(jì)算的土壤流失侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a);R—降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K—土壤可蝕性因子，t·hm2·h·hm-2·MJ·mm-1;LS—坡長(zhǎng)與坡度組合因子，無(wú)量綱;CP—覆蓋和管理組合因子，無(wú)量綱;C—作物管理系數(shù)(代表作物覆蓋下土壤侵蝕程度與裸地相比)；P—保護(hù)措施系數(shù)(代表采取的緩解和保護(hù)措施與未采取措施相比)。

1.2 降雨侵蝕力

降雨侵蝕力是使用分段數(shù)據(jù)圖(等值線)確定的，該數(shù)據(jù)圖是從整個(gè)國(guó)內(nèi)地區(qū)的等值線研究區(qū)域裁剪得出的。使用等高線插值法對(duì)等值線進(jìn)行插值，以生成年降水量的連續(xù)曲面(map)。為了從降雨圖中獲得侵蝕力圖，使用EI30指數(shù)確定的侵蝕力值回歸長(zhǎng)期降雨得出的回歸系數(shù)，具體方程為：

R=47.5+0.38×P

(2)

式中，R—降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；P—年降雨量，mm/a。

1.3 坡度長(zhǎng)度和陡度

在覆蓋該區(qū)域的1∶50000地形圖上疊加了相等的正方形。在描圖紙上繪制5mm×5mm(約0.2km2)的正方形，然后疊加在底圖上。計(jì)算沿著每個(gè)小正方形的線相交的等高線數(shù)量，并乘以底圖上的等高線間隔。用于計(jì)算和確定水平距離的線對(duì)準(zhǔn)了工作廣場(chǎng)上觀察到的最接近等高線的部分。然后將等高線數(shù)和等高線間距的乘積乘以自然切線，計(jì)算坡度值。然后將其繪制為點(diǎn)(轉(zhuǎn)換為百分比后)，并通過(guò)點(diǎn)插值獲得數(shù)字形式的高度(數(shù)字高程模型DEM)。通過(guò)使用傾斜儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的坡度進(jìn)行進(jìn)一步的物理測(cè)量。在研究區(qū)域內(nèi)的3條山脊的6個(gè)面上，分別進(jìn)行了36次坡度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并根據(jù)觀測(cè)到的坡度長(zhǎng)度繪制圖形，以獲得坡度和坡度長(zhǎng)度之間的多項(xiàng)式關(guān)系(等式(3))。這種關(guān)系被用來(lái)從DEM中得出坡度長(zhǎng)度。

L=-0.0848S2+4.49S+65.5

(3)

式中，L—坡長(zhǎng)，m；S—坡度，%。

在高于21%的斜坡上，USLE的預(yù)測(cè)能力很差，有2個(gè)等式。(4)和(5)用于改進(jìn)其性能。對(duì)于低于21%的斜坡，使用原始USLE公式(4)估算斜坡長(zhǎng)度和坡度：

SL<21=(L/72.6)×
(65.41sinS+4.56×sinS+0.065)

(4)

式中，SL—坡長(zhǎng)和坡陡系數(shù)；S—坡度，(°)；L—坡長(zhǎng)，m。

SL>21=(L/22.1)0.7×
(6.432×sinS0.79×cosS)

(5)

通過(guò)map計(jì)算和Eqs結(jié)合坡度和坡長(zhǎng)圖，計(jì)算出2個(gè)坡度因子圖(SL<21和SL>21)。如果貼圖中的像素的斜率值小于21%，則返回結(jié)果為表達(dá)式SL<21，否則，當(dāng)斜率值大于21%時(shí)，返回結(jié)果為表達(dá)式SL>21。

1.4 覆蓋和管理因子

研究區(qū)域的土地利用圖是通過(guò)航空照片判讀(API)和衛(wèi)星圖像判讀相結(jié)合，使用歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)獲得的，然后通過(guò)地面真實(shí)性確認(rèn)判讀。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的土地利用和土地覆蓋分類(lèi)系統(tǒng)(安德森等人，1976年)經(jīng)過(guò)調(diào)整和修改，包括6種主要土地利用類(lèi)型，即農(nóng)業(yè)區(qū)、畜牧區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、林區(qū)和沼澤區(qū)。2種方法用于推導(dǎo)CP因子圖?；诠?6)，以得出各土地利用的CP系數(shù)。

CP=A/RKLS

(6)

在該方法中，森林和沼澤地使用類(lèi)型的CP因子通過(guò)方程式(7)確定實(shí)踐(P)系數(shù)的值，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)得出的覆蓋(C)系數(shù)，以確定土地利用類(lèi)型的CP系數(shù)。

P=0.2+0.03×S

(7)

預(yù)計(jì)的土壤流失潛力(侵蝕危害)表示為t/(hm2·a)通過(guò)乘以降雨侵蝕力因子(R因子)圖、可蝕性因子(K因子)圖、坡長(zhǎng)和陡度因子(SL因子)圖以及覆蓋和管理措施因子(CP因子)，確定研究區(qū)域。通過(guò)將侵蝕危害圖分別與各土地利用圖、地形圖和土壤圖疊加，獲得了各土地利用類(lèi)型、地形單元和土壤單元的年平均土壤流失分離。嘗試了各種模型參數(shù)化方法，并在最終分析中選擇了以下組合，并將展示這些組合的結(jié)果。

總體方法如圖1所示，說(shuō)明了方法的4個(gè)階段，包括數(shù)據(jù)收集、參數(shù)推導(dǎo)、GIS處理、土壤流失計(jì)算和分析。

圖1 總體技術(shù)路線方法

2 結(jié)果和討論

2.1 土地利用和土地覆蓋面積變化

2008—2015年土地利用變化對(duì)比評(píng)估見(jiàn)表1。

所有土地使用被簡(jiǎn)化為6大類(lèi)，即農(nóng)業(yè)區(qū)、畜牧區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、林區(qū)和沼澤區(qū)。根據(jù)表1的結(jié)果，從2008—2015年，農(nóng)業(yè)區(qū)面積分別減少了約1.3%。畜牧區(qū)土地利用變化結(jié)果表現(xiàn)出不一致性，從2008—2010年，面積減少了5.7%，居民區(qū)面積減少了6.3%，工業(yè)區(qū)面積減少了7.2%，林區(qū)和沼澤區(qū)面積分別減少了4.7%和1.5%。

2.2 研究區(qū)土壤流失量分析

預(yù)測(cè)土壤流失的圖像顯示了30km2區(qū)域內(nèi)的土地利用單元，如圖2所示。

USLE的2種參數(shù)化方法對(duì)于不同土地利用預(yù)測(cè)的侵蝕結(jié)果基本一致，方法1預(yù)測(cè)的侵蝕率較小，方法2預(yù)測(cè)侵蝕率普遍較大，且兩者誤差范圍為8.3%～16.7%，整體誤差在4.8%以內(nèi)說(shuō)明方法預(yù)測(cè)較為可靠。盡沼澤區(qū)占用的土地面積比所有其他土地利用都多，但預(yù)計(jì)每年的農(nóng)田侵蝕量最高。當(dāng)覆蓋率和侵蝕預(yù)測(cè)相結(jié)合時(shí)，方法1的預(yù)測(cè)值為63t/(hm2·a)，而方法2的預(yù)測(cè)值為66t/(hm2·a)整體誤差為4.8%。工業(yè)區(qū)和沼澤區(qū)預(yù)測(cè)侵蝕兩最低，說(shuō)明2種土地類(lèi)型發(fā)生侵蝕概率最低，2種預(yù)測(cè)方法的農(nóng)業(yè)區(qū)預(yù)測(cè)侵蝕量均為最高為18t(hm2·a)和20t/(hm2·a)，說(shuō)明農(nóng)業(yè)用土發(fā)生土壤侵蝕的可能性最大，需要加強(qiáng)防護(hù)。年土壤流失量詳見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)域土地利用預(yù)測(cè)的年土壤流失量

這種繪制侵蝕危害圖的參數(shù)化方法提供了更好的土壤流失指數(shù)，因?yàn)樗鼮樵敿?xì)。不同土壤參數(shù)的可變性在根據(jù)USLE估算可蝕性(K)系數(shù)時(shí)缺乏可變性，可以通過(guò)結(jié)合可用數(shù)據(jù)和有限的土壤調(diào)查進(jìn)行估算。LS反映了坡度和地形對(duì)地表水流分離和輸送能力的影響，這些基本上由能量-力關(guān)系決定。這種預(yù)測(cè)方法的主要缺點(diǎn)是，當(dāng)外推到不同于用于推導(dǎo)其因子值的條件時(shí)，其經(jīng)驗(yàn)性限制了其準(zhǔn)確性。它的應(yīng)用并不普遍，部分原因是它再現(xiàn)了特定于數(shù)據(jù)集的降雨和徑流之間的相關(guān)性，部分原因是土壤類(lèi)型范圍的限制，使其成為該數(shù)據(jù)集范圍的約束。該方法的另一個(gè)特點(diǎn)是，它處理的是年平均土壤流失量，這是一個(gè)非常有用的概念，適用于開(kāi)發(fā)該方法的氣候背景。

2.3 研究區(qū)水土流失等級(jí)劃分

圖2顯示了根據(jù)2008—2015土地利用情況生成的土壤侵蝕圖，范圍為6～18t/(hm2·a)。土壤侵蝕等級(jí)見(jiàn)表3。

表3 土壤侵蝕等級(jí)

值得注意的是，研究區(qū)內(nèi)的土壤流失率風(fēng)險(xiǎn)整體處于中低水平，其中居民區(qū)、工業(yè)區(qū)和沼澤區(qū)平均值小于10t/(hm2·a)。其他地區(qū)包括農(nóng)業(yè)區(qū)、畜牧區(qū)和林區(qū)的侵蝕率在10～50t/(hm2·a)之間，處于中等水平。

3 結(jié)論

USLE模型是一個(gè)統(tǒng)計(jì)且相對(duì)簡(jiǎn)單的土壤侵蝕模型，易于參數(shù)化，因此需要較少的數(shù)據(jù)和運(yùn)行時(shí)間。將模型與GIS集成有助于數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)輸入和輸出顯示。最重要的是，GIS網(wǎng)格空間顯示和分析實(shí)用程序允許將USLE模型應(yīng)用于單個(gè)單元(微區(qū)域)。與傳統(tǒng)的土壤侵蝕預(yù)測(cè)集中方法相比，這種分布式方法可以幫助土地管理者確定問(wèn)題區(qū)域，并相應(yīng)地采用最佳管理實(shí)踐。GIS USLE方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于插值功能，它能夠預(yù)測(cè)大面積的土壤流失。因此，通過(guò)在GIS中捕捉和疊加USLE參數(shù)，可以繞過(guò)有限的土壤流失現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和/或其在中宏觀尺度上的因子控制的限制?？偟膩?lái)說(shuō)，土壤流失估計(jì)值高于容許值(t=5t/(hm2·a))，為了提高實(shí)地土壤流失預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，還需要關(guān)于土壤可蝕性、覆蓋和管理措施以及降雨侵蝕力的進(jìn)一步數(shù)據(jù)。該模型還需要現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，以選擇最佳和最準(zhǔn)確的參數(shù)化方法。