三峡库区下岸溪小流域水土流失现状评估

杨青华，张 志，2，杜 军，杨军杰，杨 强

三峡库区下岸溪小流域水土流失现状评估

杨青华1，张 志1，2，杜 军1，杨军杰1，杨 强1

（1.中国地质大学（武汉）地球科学学院，武汉 430074；2.国家遥感中心地壳运动与深空探测部，武汉 430074）

以三峡库区下岸溪小流域为研究区，在GIS软件的支持下，利用2008年SPOT5遥感影像和1∶5万DEM数据，提取坡度因子、植被覆盖度因子和土地利用类型因子作为水土流失风险评估指标因子，结合土壤侵蚀分级标准，生成研究区水土流失风险分级图，利用改进的工程侵蚀模数计算模型，对小流域土壤侵蚀量进行了估算。结果表明：①本流域以水力侵蚀为主，占研究区总面积的88.81%，其中中度侵蚀面积占该流域总面积的38.49%；②开矿等引起的工程侵蚀对该小流域土壤侵蚀量贡献率很大，占该流域水土流失量的41.43%。因此，在开矿和矿区基础设施建设等工程施工时，应采取有效的水土保持措施。

遥感；地理信息系统；小流域；水土流失风险

水土流失被专家称为长江的“头号生态问题”［1］，也是三峡库区产生大量泥沙的根本因素。侵蚀的泥沙直接入库，造成的淤积将对三峡工程构成很大威胁，国家已将三峡库区列为全国水土保持重点保持区。库区水土流失主要以水力侵蚀为主，还包括一部分工程侵蚀。

对于水土流失评价，可以采用许多不同的方法。可以将这些方法区分为基于专家的方法和基于模型的方法［2］。前者需要较大的人力和时间，由于判读人员的主观因素变化使得调查结果的一致性往往难以保证；后一种方法需要更多的时间来收集模型建立所需的数据。基于遥感（RS）与地理信息系统（GIS）的水土流失监测方法是近年来随着RS和GIS的迅速发展才得以出现的土壤侵蚀调查新方法。它突破了传统调查方法在多源信息的“整体分析”上所存在的技术瓶颈，因此该方法为快速、准确地获取水土流失和土地退化方面的深加工信息提供了技术保障。本文以三峡库区下岸溪小流域为例，利用2008年2月28日SPOT5遥感影像数据，基于RS和GIS的水土流失监测方法，对研究区水土流失现状进行了评估与分析。

1 研究区域概况

下岸溪小流域地处长江中上游湖北省夷陵区内，黄陵背斜轴部南端长江北岸，距三峡坝址约7 km，介于30°51′22″N～30°53′50″N，111°06′05″E～111°07′44″E 之间。流域总面积8.3 km2，海拔在40～950 m之间，山体坡度陡峭，平均坡度为25.14°，是典型山区小流域。气候属中亚热带大陆性季风气候，年平均气温17.4℃，多年平均降水量1 150.0 mm，夏季降水量占全年的65%以上，集中性暴雨易造成山洪灾害。流域内土壤为花岗岩类岩石发育下的黄壤和黄棕壤，植被除农田外，多为天然次生林和灌草坡面。该流域内存在一个国有矿山——三峡总公司工程建设部下岸溪人工砂石料场。开采矿种为建筑用花岗岩，开采方式为露天开采。该矿山位于宜昌西陵峡采石区生态环境恢复与土地复垦治理区内，水土流失严重。

2 数据来源和技术流程

2.1 数据来源

以覆盖研究区的2008年2月28日SPOT5遥感影像、1∶5万H49E007013幅DEM、长江流域土壤类型分布图、土地利用图为基础数据。另外，还收集了湖北省矿产资源开发利用规划数据、湖北省的土壤侵蚀遥感调查报告（2001年）等资料。

2.2 技术流程

利用RS和GIS估算土壤侵蚀量，其研究思路是利用数字高程模型（DEM）数据提取坡度因子信息；然后对2008年的SPOT5遥感影像进行几何精校正等图像预处理，从影像中提取植被覆盖度和土地利用类型等因子信息。将以上各因子分级图转换成.grid文件，运用Arcview的Map Calculator进行单因子等权重加和运算［3］，得出下岸溪小流域水土流失风险分级图，用已建立好的土壤侵蚀模型估算出土壤侵蚀量（见图1）。采用水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-96）［4］，以土地利用类型、植被覆盖度和地形坡度为水力侵蚀的判别指标，在评价的栅格因子中分析水土流失风险等级（表1）。共分为微度（＜500 t／km2）、轻度（500～2 500 t／km2）、中度（2 500～5 000 t／km2）、强度（5 000～8 000 t／km2）、极强度（8 000～15 000 t／km2）和剧烈（＞15 000 t／km2）6级。

图1 水土流失现状评估技术路线流程图Fig.1 The flow chart for the techniques on soil-erosion assessment

表1 水力侵蚀强度分级指标Table 1 Classification index of intensity for hydraulic erosion

3 水土流失风险评估

3.1 分级指标因子的提取

3.1.1 坡度因子的提取

坡度因子是基于1∶50 000 H49E007013幅DEM数据，利用ArcMap9.1软件中3D Analyst的Surface Analysis分析模块提取出坡度分级图（见图2）。具体分级包括＜3°，3～5°，5～8°，8～15°，15～25°和＞25°，6个等级。

3.1.2 植被覆盖度因子的提取

植被覆盖度是指植被冠层或叶面在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比。本文基于像元二分模型计算植被覆盖度。在SPOT5多光谱遥感影像基础上，采用标准化植被指数（NDVI）的方法来计算植被覆盖度，其指数公式为

进而根据公式（2），获得植被覆盖度：

式中：Fc为植被覆盖度，NDVIveg和NDVIsoil分别为纯植被和纯裸土的归一化植被指数。其中，

NDVIsoil=NDVImin，NDVIveg=NDVImax。

图2 坡度分级图Fig.2 Slope classification

图3 植被覆盖度图Fig.3 Vegetation coverage

在ERDAS／IMAGINE遥感图像处理软件支持下，在目视解译的基础上采取最大似然法对遥感影像每个像元的植被覆盖度进行计算机自动判别，进行除噪处理后得到研究区植被覆盖度最终分类结果（见图3）。依据表1的水力侵蚀强度分级标准，植被覆盖度分为＜30%，30%～45%，45%～60%，60%～75%，＞75%，共5个等级。

3.1.3 土地利用类型的提取

土地利用方式可以明显影响径流和水土流失。人类不合理的土地利用是水土流失发生的主要原因之一。因此，除了植被覆盖度、坡度数据外，划分水土流失风险等级还需要研究区土地利用类型的分布情况。结合实际的调查，参考地形地貌、土壤类型、人口密度等，进行人机交互解译，可得到研究区土地利用数据。分类的类型有坡耕地、林草地、裸露地、交通用地、居民用地与工矿用地（见图4）。

3.1.4 水土流失风险分级

运用Arcview的Map Calculator，将坡度等级图、土地利用类型图和植被覆盖度图进行空间分析和叠加运算，依据水力侵蚀强度分级标准（表1），对研究区水土流失风险进行分级，评价各图斑的水土流失风险等级，从而得到2008年下岸溪小流域的水土流失风险分级图（见图5）。

图4 土地利用类型图Fig.4 Land use types

图5 水土流失风险分级图Fig.5 Soil-erosion risk

3.2 土壤侵蚀模数的确定

3.2.1 水力侵蚀模数

下岸溪小流域的土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀和工程侵蚀。确定水力侵蚀土壤侵蚀模数的依据是中华人民共和国行业标准SL190-96《土壤侵蚀分类分级标准》。土壤容许侵蚀量（T值）取500 t／（km2·a）。土壤侵蚀强度级别中，微度侵蚀的平均侵蚀模数在T值范围内，可不予计算。

3.2.2 工程侵蚀模数

工程侵蚀土壤侵蚀模数比较复杂，国内有关开发建设活动造成的工程侵蚀模数的定量研究不多。本文参考蔺明华提出的下垫面为扰动地面的年土壤侵蚀模数的计算模型［5］，即

式中：M为工程侵蚀模数；R为年降雨侵蚀力；Kw为土壤抗冲性因子；J为地面坡度。

本研究采用的年降雨侵蚀力R参考湖北三峡库区及周边地区观测站点实测数据［6］，计算得该本流域年平均降雨侵蚀力值为433.9 J·m-2；土壤抗冲性因子Kw参考长江流域土壤抗冲性指标［7］，对本流域的土壤抗冲性指标取估算值为0.414 kg·m-2·mm-1；J的取值见（图2）。利用ArcGIS的属性表计算统计功能，统计出工程侵蚀的平均土壤侵蚀模数为16 559 t／（km2·a），大于原地貌水力侵蚀的土壤年侵蚀模数。

3.3 土壤侵蚀量的计算

由于下岸溪小流域的土壤侵蚀量主要由水力侵蚀和工程侵蚀产生，在水土流失风险分级和土壤侵蚀模数确定的基础上，本文采用如下公式计算土壤侵蚀总量Ws［8］，其表达式为

式中：Ws为土壤侵蚀总量，t；Wa为水力侵蚀类型所对应的土壤侵蚀总量，t；Wb为工程侵蚀类型所对应的土壤侵蚀总量，t；Mai为不同水力侵蚀类型所对应的土壤侵蚀模数，t／（km2·a）；fi为不同水力侵蚀类型所对应的地表面积，km2；Wb为工程侵蚀所对应的平均土壤侵蚀模数，t／（km2·a）；F为工程侵蚀所对应的地表面积，km2。计算结果见表2。

表2 土壤侵蚀强度分级面积和土壤侵蚀量Table 2 Grading area of soil erosion intensity and the amounts of soil erosion

4 结果分析

根据下岸溪小流域的水土流失风险分级图（图5）和土壤侵蚀量计算结果（表2）来看，下岸溪小流域水土流失风险较大，需要采取对策进行治理，主要是工程侵蚀造成的水土流失。具体分析如下：

（1）工程侵蚀引起的水土流失风险最大；水力侵蚀引起的水土流失风险分布大致为环形，环由外向内强度逐渐增加，与土地利用类型具有极大相关性。在水土流失风险等级中，工矿占地＞坡耕地＞林草地。

（2）研究区水力侵蚀面积占研究区总面积的88.81%，其中中度侵蚀面积所占比例最大，其次为微度、轻度、强度、极强度、剧烈侵蚀。而水力侵蚀量只占到研究区总侵蚀量的38.08%。

（3）矿山用地、交通用地和居民用地形成的工程侵蚀虽然只占矿区面积的11.19%，但其所产生的土壤侵蚀量高达15 383.311 t，远大于水力侵蚀，占总侵蚀量的41.43%，对研究区水土流失贡献最大。

5 结语

本文研究的目的是利用GIS和RS作为小流域水土流失风险评价模式的基础。这一模型划分出并且在空间上标识出小流域中那些易于发生水土流失的区域。本文提取了坡度因子、植被覆盖度因子和土地利用类型因子作为水土流失现状评估指标因子，可以快速、准确、客观、及时地掌握小流域的水土流失的相关信息。

由于开矿等引起的工程侵蚀造成的水土流失极其严重，需要引起足够的重视。尤其是露天开采，需要把矿体上覆地层和表土进行剥离，直接破坏地表土层和植被，剥离出的岩石和土体（如尾矿、废石、矸石等）的堆置又要侵占大量土地，所以露天开采常常造成双重土地破坏。废石、废渣等松散的废弃物又极易产生水土流失，其影响面将远远超过废弃物堆置场的地域和空间。因此，在开矿和矿区基础设施建设等工程施工时，应采取有效的水土保持措施。

［1］ 杨三军.三峡库区：水土流失面积以年均1%的速度递减［EB／OL］.（2006-12-09）［2008-07-09］.http∥www.gov.cn.

［2］ van der KNIJFF J M，JONES R J A，Montanarella L.Soil Erosion Risk Assessment in Europe［R］.Ispra（IT）：Euro-pean Soil Bureau，European Commission.（2000）.

［3］ 张增祥，赵晓丽，陈晓峰，等.基于遥感和地理信息系统（GIS）的山区土壤侵蚀强度数值分析［J］.农业工程学报，1998，14（3）：77-83.

［4］ SL190-96.土壤侵蚀分类分级标准［S］.

［5］ 蔺明华，薛小丁，马 宁.开发建设新增土壤流失后评估方法研究［J］.人民黄河，2006，28（2）：57-61.

［6］ 王万中，焦菊英，郝小品.中国降雨侵蚀力R值的计算与分布（Ⅱ）［J］.土壤侵蚀与水土保持学报，1996，2（1）：29-39.

［7］ 周利军，齐 实，王云琦.三峡库区典型林分林地土壤抗蚀抗冲性研究［J］.水土保持研究，2006，13（1）：186-188.

［8］ 王 旭，张 志，陈昆仑，等.基于RS和GIS的保康县矿区土壤侵蚀定量评价［J］.人民长江，2008，39（5）：58-60.

Soil Erosion Assessment on Xia'anxi Small Watershed of Three Gorges Reservoir Area

YANG Qing-hua1，ZHANG Zhi1，2，DU Jun1，YANGH Jun-jie1，YANG Qiang1
（1.Faculty of Earth Sciences，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Department for Crust Dynamic&Deep Space Exploration，National Remote Sensing Center of China，Wuhan 430074，China）

In this paper，Xia'anxi small watershed of Three Gorges reservoir area was taken as a case study.On the basis of the platform of GISsoftware，pertinent factors for soil erosion were assessed and three principal factors were identified as evaluation indices of soil erosion risk.The proposed principal factors include slope factor obtained from 1∶50 000 DEM，land use type factor and degree of vegetation coverage factor from SPOT-5 of 2008 remote sensing images.A soil erosion risky classification map was generated，which combines classification criterion on soil erosion.The amounts of soil-erosion for this small watershed were estimated and mapped using spatial analysis by GIS and an improved calculation model of soil erosion modulus.The result indicated as follows：（1）Soil erosion by water，a dominating type of erosion，accounts for 88.81%of total areas of small watershed，in which moderate erosion estimates for 38.49%of total area of small watershed.（2）Artificial erosion induced by mining made a great contribution to soil erosion amount of small watershed，which accounts for 61.92%of total soil erosion amount.Therefore effective soil and water conservation measure should be taken during engineering construction，such as mining and construction of foundation installations.

GIS；RS；small watershed；risk of erosion

S157

A

1001-5485（2009）04-0053-04

2008-07-09；

2008-10-06

中国地质调查局项目（1212010785007）

杨青华（1981-），女，山西翼城县人，硕士研究生，研究方向为“3S”技术的地学应用，（电话）15926282582（电子信箱）qinghua9＠yahoo.cn。

（编辑：刘运飞）