基于GIS的三江源区冻融侵蚀强度评价

李成六,马金辉,唐志光,周 伟

(兰州大学西部环境教育部重点实验室,甘肃兰州 730000)

基于GIS的三江源区冻融侵蚀强度评价

李成六,马金辉,唐志光,周 伟

(兰州大学西部环境教育部重点实验室,甘肃兰州 730000)

GIS;冻融侵蚀;强度评价;三江源区

在 GIS技术的支撑下实现了三江源冻融侵蚀区范围的界定,然后选取气温年较差、坡度、坡向、植被覆盖度、年降水量等因素作为强度评价指标,提出了适合三江源区的冻融侵蚀强度评价标准,并借助GIS技术完成了三江源区冻融侵蚀强度评价。结果表明:三江源冻融侵蚀区分布范围广,区域分异特征明显;冻融侵蚀强度分布不一,高强度冻融侵蚀主要分布在地形起伏较大的山区,而低强度冻融侵蚀则主要分布在地势较平坦区。

冻融侵蚀是高寒地区由于温度变化,导致土体或岩石的水分发生相变、体积发生变化以及由于土壤或岩石不同矿物的差异膨胀,造成土体或岩石机械破坏并在重力等作用下被搬运、迁移、堆积的过程。有研究表明,冻融侵蚀可以改变土壤的性质,进而影响土壤的可蚀性[1],同时土壤冻融作用还具有时间和空间的差异性,进而影响到坡面土体的稳定,增加水土流失量[2]。

三江源区是黄河、长江和澜沧江的源头地区,是我国乃至世界的生态安全制高点,它通过黄河、长江和澜沧江水系将源区的生态环境与我国东部、全国乃至东亚的生态环境紧密联系在一起。三江源区位于青藏高原腹地,其海拔高、气温低、温差大的气候特性为冻融侵蚀的发生创造了条件。冻融侵蚀是该区最主要的侵蚀类型,也是该区所面临的主要生态环境问题之一[3]。因此,开展三江源区冻融侵蚀研究,对于完善冻融侵蚀理论和科学保护该区生态环境具有重要的意义。

目前,对三江源区冻融侵蚀问题的深入研究尚比较缺乏。吴万贞等[4]研究了三江源区冻融侵蚀分布范围、分布规律以及评价指标体系,但其所得出的冻融侵蚀分布范围比较宏观、粗略,且其侵蚀强度评价方法也比较简单,有进一步完善改进的必要。本研究通过应用GIS技术来实现三江源区冻融侵蚀分布范围的精确界定,并改进评价方法,完成了对该区冻融侵蚀强度的评价。

1 研究区概况

三江源区位于我国西部的青藏高原腹地,行政区域涉及青海省玉树、果洛、海南、黄南 4个藏族自治州的 16个县和格尔木市的唐古拉乡以及甘肃省的玛曲县和阿坝县,总面积约 39.1万km2。在 2008年度三江源预防保护区水土流失监测中,综合考虑行政边界、流域边界以及区内植被覆盖状况等因素,以流域边界内植被覆盖较好、便于行政管理为原则划定了三江源预防保护区的边界,其地理位 置介于东经 90°45′— 102°29′、北 纬 31°32′— 36°32′之间,面积约为 25.9万 km2,约占整个三江源地区面积的 66%。本研究以三江源预防保护区作为研究区域。

2 冻融侵蚀区范围界定

2.1 理论方法

冻融侵蚀区是指具有强烈冻融作用的寒冷气候条件,冻融作用是最普遍、最主要的外力侵蚀过程,同时应有相应的冻融侵蚀地貌形态表现的区域。目前,针对确定青藏高原冻融侵蚀区范围的理论与方法有众多研究,其中以张建国等[5-6]的研究为代表。张建国等的研究取冰缘区的下界作为冻融侵蚀区的下界,并认为冰缘区下界比多年冻土区下界低 200m左右,然后取年均温-2.5℃作为多年冻土带的下界。根据年均温、纬度、经度及海拔的回归方程计算出年均温-2.5℃的海拔,从而得出冻融侵蚀区的下界海拔,这就获得了准冻融侵蚀区的基本范围,再从中剔除沙漠化区和冰川区,就可得到冻融侵蚀区的范围。

该理论方法在青藏高原上具有普遍的适用性,因此本研究应用该方法进行三江源冻融侵蚀区范围界定。利用源区 41个气象站 30年气温观测数据对源区年均气温(T,℃)与经度(X,°)、纬度(Y,°)及海拔(H,m)的关系进行多元线性回归分析(F=360.63,通过P=0.05的显著性检验),得出回归方程为

由此可推出三江源冻融侵蚀区下界海拔的计算公式为

2.2 冻融侵蚀区分布图的获取

三江源区冻融侵蚀区范围界定的技术路线如图1所示。

研究中所用 DEM数据是国家 1∶25万 90m分辨率数据,冰川分布、沙漠化分布数据是基于三江源区 2007年 9月 17—20日的北京一号卫星(BJ-1)多光谱遥感影像解译所得。按上述技术路线得到如图 2所示的三江源区冻融侵蚀分布图,统计各区面积可得到冻融侵蚀区面积为 21.6万km2,非冻融侵蚀区面积为4.3万 km2,分别占研究区总面积的 83.4%和 16.6%。

3 侵蚀强度评价

3.1 侵蚀强度评价的相关指标

3.1.1 气温年较差

土温周期性的变化直接决定着土壤冻结和融化的深度和程度,温差越大冻融深度就越大,反之则小。然而,影响冻融侵蚀的温度指标却很难获得。由于青藏高原气温和地温具有高的相关性,因此可用气温替代地温作为冻融侵蚀强度评价的指标[7]。本研究选取气温年较差作为冻融侵蚀强度评价的指标之一。

利用三江源区41个气象站 30年的气温观测数据对源区的气温年较差(T)与经度(X)、纬度(Y)及海拔(H)进行多元线性回归分析,得出的回归方程(F=61.85,通过 P=0.05的显著性检验)为

3.1.2 坡度与坡向

坡度影响着侵蚀量和侵蚀位移的大小,坡度越大,冻融侵蚀产物被输送的就越多越远。坡向的差异影响着冻融侵蚀的强度,阳坡接受太阳辐射量大,土壤昼夜温差大,冻融侵蚀强烈,阴坡则相反。

3.1.3 植被覆盖度

植被可以保护地表,提高土壤的稳定性,减小土温差,从而减弱冻融作用的强度及其对土体的破坏。

3.1.4 年降水量

降水量增大,致使土体中含水量增大,冻结时由于水体结冰体积增大对土体的破坏力增大,降水和冰雪融水对土壤的搬运作用也随降水量的增加而增大。

3.2 评价指标分级赋值标准及权重计算

本研究选取气温年较差、坡度、坡向、植被覆盖度、年降水量5个指标作为三江源区冻融侵蚀强度评价指标,根据各指标在三江源冻融侵蚀区的具体分布情况,确定各指标的分级赋值标准如表1。

表 1 评价指标分级赋值标准

根据各评价指标对冻融侵蚀强度的相对重要性,确定了指标对冻融侵蚀强度的判断矩阵,然后运用层次分析法计算权重并进行一致性检验(表 2)。

表2 评价指标的判断矩阵及其权重

3.3 冻融侵蚀强度评价方法

对冻融侵蚀强度的评价就是将多项强度评价指标进行综合,使之成为单一的强度指数。本研究采用加权求和的方法计算冻融侵蚀强度指数,其计算式为

式中:F为冻融侵蚀强度指数;Wi为第i个评价指标的权重;Ii为第i个评价指标的等级赋值;n为评价指标总数。

3.4 各评价指标分级图的获取

各评价指标分级赋值图的获取技术路线如图 3所示。根据此技术路线,在 ArcGIS与ERDAS软件中由三江源研究区DEM计算提取气温年较差分布图、坡度图及坡向图,然后将三江源区41个气象站的多年平均降水量数据用克里金内插法计算得到年降水量分布图,再从三江源区 2007年 9月 17—20日的北京一号卫星(BJ-1)多光谱遥感影像中提取植被指数,计算获得植被覆盖图[8],最后依据表1的各指标分级赋值标准将得出的各指标

图3 评价指标分级赋值图获取技术路线

分布图分级赋值,从而产生各评价指标分级图。

3.5 强度指数图及侵蚀强度分级图的获取

在 ArcGIS软件中应用公式(4)对各评价指标分级图进行加权求和,得到三江源区冻融侵蚀强度指数图。根据计算得到的冻融侵蚀强度指数图,可知三江源区冻融侵蚀强度指数在1.396～4.590之间,强度指数越高冻融侵蚀越强烈,侵蚀强度就越高。为了方便评价,根据对强度指数图进行非监督分类所得的结果,将强度指数按表 3界定分为五级,从而在ArcGIS中得到如图 4所示的三江源区冻融侵蚀强度分级图。

表 3 三江源区冻融侵蚀强度分级标准

图4 三江源区冻融侵蚀强度分级

4 结果与分析

(1)从图 2三江源区冻融侵蚀区分布图可以看出三江源区冻融侵蚀的分布特点是:①冻融侵蚀分布范围广,占源区面积的绝大多数(83.4%)。②区域分异特征明显。非冻融侵蚀区主要集中分布在源区东部和南部,而在其他区域冻融侵蚀连片分布,中间有零星小片的非冻融侵蚀区。这是由于源区东部和南部海拔相对较低、年均气温较高不足以产生冻融侵蚀的缘故,而在其他区域尤其是在北部和西部则分布着小片的冰川区和沙漠化区等非冻融侵蚀区。

(2)从图 4三江源区冻融侵蚀强度分级图可以看出该区冻融侵蚀强度分布有以下特点:①不同强度冻融侵蚀区面积相差不大。②强度相近的冻融侵蚀区在空间上积聚,高强度和低强度的冻融侵蚀区在空间上分异,因此产生多个高强度和低强度的冻融侵蚀区。③源区冻融侵蚀强度总体上是从东到西由强到弱再到强,最后再到弱,分别有两个高强度和低强度冻融侵蚀区,其中高强度冻融侵蚀主要分布在地形起伏较大的山区,而低强度冻融侵蚀则主要分布在地势较平坦区。

5 结 语

本研究基于 GIS技术实现了三江源区冻融侵蚀的范围界定及其侵蚀强度的评价。针对面积广大的三江源区,在缺乏冻融侵蚀量数据的情况下,该方法快速方便,具有很强的实用性。本研究冻融侵蚀范围界定及强度评价的结果,对加深认识三江源区冻融侵蚀的分布以及开展源区水土保持生态建设具有重要意义。

[1]Sharratt B S,Lindstrom M J.Laboratory simu lation of erosion from a partially frozen soil[C].Soil Erosion Research for the 21st Century,Honolu lu,HI,USA:American Society of Agricu ltural and Biological Engineers,2001:159-162.

[2]刘秉正,吴发启.土壤侵蚀[M].西安:陕西人民出版社,1997.

[3]董瑞琨,许兆义,杨成永.青藏高原的冻融侵蚀问题[J].人民长江,2000,31(9):39-41.

[4]吴万贞,刘峰贵,陈琼,等.三江源地区土壤侵蚀类型研究[J].地球科学与环境学报,2009,31(4):423-426.

[5]张建国,刘淑珍.界定西藏冻融侵蚀区分布的一种新方法[J].地理与地理信息科学,2005,21(2):32-34.

[6]张建国,刘淑珍,范建荣.基于 GIS的四川省冻融侵蚀界定与评价[J].山地学报,2005,23(2):248-253.

[7]张建国,刘淑珍,杨思全.西藏冻融侵蚀分级评价[J].地理学报,2006,61(9):911-918.

[8]唐志光,马金辉,李成六,等.三江源自然保护区植被覆盖度遥感估算[J].兰州大学学报,2010,46(2):11-15.

GIS-Based Eva luation on Intensity of Freeze-Thaw Erosion in Headw ater Region o f the Three-R iver-Source A rea

LICheng-liu,MA Jin-hui,TANG Zhi-guang,et al.
(Key Laboratory of Western China's Environment of Ministry of Education,Lanzhou University,Lanzhou,Gansu 730000,China)(41)

The paper achieves the definition of the range of freeze-thaw erosion area at the Three-River-Source Area with the support of GIS technique.It puts forward evaluation standards of intensity of freeze-thaw erosion which suits the condition of the area by taking the factors of annual temperature range,slope,slope direction,vegetation coverage and annual precipitation as indexes,and completes the evaluation of intensity of freeze-thaw erosion with the support of GIS technique.The outcomes show that a)the distribution range of freeze-thaw erosion at the area is wide and the characteristics of regional differentiation obvious and;b)the distribution of intensity of freeze-thaw erosion is different.The high erosion intensitymainly distributes in mountainous region with terrain undulation and the low erosion intensitymainly distributes in the relatively leveled area.

GIS;Three-River-Source Area;freeze-thaw erosion;intensity evaluation

S157.1

A

1000-0941(2011)04-0041-03

国家自然科学基金项目(40671179)

李成六(1986—),男,河南淅川县人,硕士研究生,研究方向为遥感与地理信息系统应用。

2010-09-15

(责任编辑 赵文礼)