上海市土壤侵蚀模数的研究与确定
2013-09-08宋建锋顾圣华王玲玲
宋建锋,顾圣华,杨 二,王玲玲
(1.上海市水利管理处,上海 200002;2.上海市水文总站,上海 200232;3.黄河水利科学研究院,河南郑州 450003)
为了全面贯彻实施《中华人民共和国水土保持法》,实施分区防治战略,实行分类指导,有效地预防和治理水土流失,减轻水旱灾害,促进经济社会的可持续发展,依据水土流失调查结果,有必要划定上海市水土流失重点预防区和重点治理区,而划定的主要依据即是对土壤侵蚀模数的研究与确定。
在土壤侵蚀定量监测方面,美国率先提出了通用土壤流失方程式(USLE)。1958年,USLE被美国土壤保持局用于不同耕作制度与土地利用方式下土壤流失量的长期评估,之后世界各国相继开展了对USLE应用的研究,包括对其进行改进以适应不同地区的气候、地质、土壤、植被覆盖和耕作制度条件等。该方程是目前应用最多、效果也较好的一个土壤侵蚀预测模型,本研究应用该模型计算上海市土壤侵蚀模数。
通用土壤流失方程(USLE)的表达式为式中:A为土壤侵蚀模数,t/(km2·a);R为降雨侵蚀力因子,MJ·mm/(km2·h·a);K为土壤可蚀性因子,t·h/(MJ·mm);LS为地形因子,无量纲;C为作物经营因子,无量纲;P为水土保持措施因子,无量纲。
1 土壤侵蚀模型因子计算
1.1 降雨侵蚀力因子
1.1.1 上海市降雨的时间分布特征
依据上海市高桥、夏字圩、邱移庙、青浦、青村、望新、淀浦河东闸、芦潮港、祝桥9个雨量站点2000—2009年逐日降雨量资料,计算并绘制出该市年均降雨量逐月分布如图1。从图1和计算结果知,上海市降雨主要集中在5—9月,期间降雨量约占年降雨量的70%;最大降雨量发生在8月,最小降雨量发生在10月。
1.1.2 上海市降雨的空间分布特征
由于上海市的雨量站点是分散布设于面上的,因此在进行降雨空间分布特征分析时,须采用适当的方法对降雨观测值进行空间离散。本研究采用反距离权重插值方法对上海市的实测降雨量进行插值(时间步长为 0.5 h),计算式[1]为
式中:P(Z)为待插点的值;Zi是控制点的值;di是控制点i与点0之间的距离,表示由离散点(xi,yi)至P(x,y)点的距离;u为距离的方次,其取值在1.0~6.0之间,此处取2.0。
图1 上海市年均月降雨量分布
应用ARC/INFO软件绘制插值后的降雨量空间分布,可得到上海市直观的年均降雨量分布图(图2)。
从图2可知,上海市年均降雨量整体上由西向东逐渐增加,最大降雨中心出现在青村和祝桥。
1.1.3 降雨侵蚀力计算
图2 上海市年均降雨量空间分布
降雨侵蚀力因子R,是一个评价由降雨引起的土壤离散和搬运的动力指标。在地表条件相同的水蚀区,同一地区不同年份或同一年份不同地区的侵蚀之所以能出现差异,皆源于R值的不同。R值的研究,自从Wischmeier提出经典的算法R=EI30以来,国内外有关专家分别根据降雨观测资料的丰缺和流失量的实测值,应用中对其作出了修正或提出了适用于当地的简便算法。在计算上海市年均降雨侵蚀力R时,本研究采用章文波等[2]以多年平均月降雨量求算侵蚀力的方法,其计算式为
其中
式中:Ff为中间变量;Pi,j为第 i年、第 j月的降雨量,mm;N为年数。
1.1.4 降雨侵蚀力(R)的空间插值
在降雨侵蚀力空间格局研究中,常用Kriging和Spline插值方法对我国降雨侵蚀力进行空间离散和拟合,但该插值法要求雨量站点要多于10个,因此本研究实行地统计和GIS相结合,采用Spline插值方法来实现上海市降雨侵蚀力数据的离散化和空间化,计算获得的上海市年均降雨侵蚀力(R)分布见图3。
图3 上海市降雨侵蚀力分布
1.2 土壤可蚀性因子(K)
土壤可蚀性是指土壤是否易受侵蚀破坏的性能,即土壤对侵蚀介质剥蚀和搬运的敏感程度,是影响土壤侵蚀量大小的重要因素之一。在USLE中,K值被定义为标准径流小区春天顺坡耕翻一次裸土状态下由单位降雨侵蚀力所引起的土壤流失量。
土壤可蚀性与土壤机械组成、水稳性团粒结构、有机质含量、土壤入渗性能以及土层厚度等有关。本研究采用Williams等在侵蚀/生产力影响模型(EPIC)中发展的土壤可蚀性因子K值的估算方法,用已有的试验观测数据进行订正和补充。K值的估算式为
式中:SAN、SIL、CLA和 C分别为砂粒、粉粒、黏粒和有机碳的含量,%。
对上海市不同类型土壤进行采样和分析,通过计算获得了土壤可蚀性因子(K值)分布(图4)。
图4 上海市土壤可蚀性因子(K值)分布
1.3 地形因子LS值计算
地形因子是坡度因子S和坡长因子L的总称,坡度坡长因子LS是通用土壤流失方程式中反映地形对土壤侵蚀影响的量化指标,它在很大程度上决定了模型计算的精度。本研究采用杨勤科等[3]的研究成果计算上海市的 LS值,其方法是:基于较高分辨率的DEM,根据水流来向和流向关系,定义局部高点作为坡长累计计算的起点,从高到低,通过不断寻求径流结束点的方式,利用多重循环和迭代方法,完成对累计坡长的计算,其计算流程如图5。
坡度因子S的计算式为
图5 地形因子LS值计算流程
坡长因子L的计算式为
式中:L为坡长因子;λ为坡长,m;m为坡长指数,根据坡度大小取值,即
经计算,获得如图6所示的上海市地形因子LS值分布图。
图6 上海市地形因子LS值分布
1.4 作物经营因子C值
C因子评价的是所有有关植被覆盖和管理变量对土壤侵蚀的综合作用,其值大小取决于具体的作物覆盖、轮作顺序及管理措施的综合作用以及作物不同生长期侵蚀性降雨的分布状况。不同覆盖度下C值的计算,采用蔡崇法的植被覆盖度(c)与C值的关系式[4]
经计算,得到如图7所示的上海市作物经营因子C值分布图。
图7 上海市作物经营因子C值分布
1.5 水土保持措施因子P值
根据2011年最新水利普查结果,上海市共有水土保持措施357.6 hm2,措施主要包括水土保持林和草两部分。其中:乔木林260.1 hm2,占水土保持措施面积的72.74%;灌木林64.6 hm2,占18.06%;具有明显水土保持功能的草地面积为32.9 hm2,占9.20%。
上海市地处河网平原区,水土保持措施主要分布在各郊区县尚未采取护坡措施、基本呈自然状态的泥质河岸河道的两侧边坡、堤防两侧边坡以及少量的海岸地带,分布较为零散。对于其他区域,由于地势平坦,高楼、硬化地面广为分布,河道护坡措施良好,土壤侵蚀强度非常低,因此本次计算中P值取1。
2 土壤侵蚀模数计算结果
在上述各个影响因子计算的基础上,利用USLE计算获得了如图8所示的上海市土壤侵蚀模数空间分布。
图8 上海市土壤侵蚀模数分布
需要说明的是,由于USLE本身的局限性,无法准确地估算出河岸坍塌的侵蚀模数,因此我们利用收集到的相关资料,对船行波造成的河岸侵蚀强度、淀山湖沿岸坍塌强度进行了估算。在上海市通航河道中,严重坍塌的岸线长度为865 km,一般坍塌的岸线长度为904 km,合计1 769 km。20世纪80年代以来,这些航道每年损失的土地高达87 hm2,即年均塌岸约0.5 m,其中淀山湖和元荡沿岸每年损失的土地超过1.5 hm2。按照河流两岸各100 m(湖岸为100 m)为影响区、平均坍塌高度为1.5 m、土壤容重为1.3 t/m3计算,则通航河道影响区范围内,由于船行波造成的侵蚀强度每年高达9 500 t/km2,淀山湖沿岸影响区范围内每年的侵蚀强度也高达10 400 t/km2。
依据USLE计算的上海市土壤侵蚀模数,并结合对上海市主要通航河岸、湖岸坍塌侵蚀范围和强度的计算,获得了上海市不同级别土壤侵蚀模数的面积及所占比例(表1)。
表1 上海市土壤侵蚀模数分级统计
按照水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007),上海市的容许土壤侵蚀模数为 500 t/(km2·a)。研究结果表明,上海市水土流失非常轻微,96.71%的面积为微度侵蚀,全市轻度以上﹝>500 t/(km2·a)﹞的流失面积为207.2 km2,占全市土地总面积的3.29%。严重侵蚀区主要集中分布在佘山、黄浦江上游及其主要支流拦路港、太浦河、大蒸港和大泖港沿线,吴淞江、大治河等部分河道沿线,以及淀山湖和元荡的部分岸线,其中骨干河道和湖岸线状水土流失面积176.9 km2,西部地势较高的佘山及附近区域水土流失面积30.3 km2。
3 结语
本研究依据上海市降雨、土壤类型、地形图和水土保持措施等资料,在GIS技术支持下,分析了影响水土流失的主要因子,获得了各像元侵蚀因子图,应用USLE模型计算获得了上海市土壤侵蚀模数及空间分布状况,并结合对上海市主要河岸、湖岸坍塌范围和强度的计算,获得了上海市不同级别土壤侵蚀模数的面积及所占比例。该研究成果不但为上海市水土流失重点预防区和重点治理区的划分提供了重要依据,而且为今后编制上海市水土保持规划和开展综合治理奠定了基础。
[1]洪伟,吴承祯.Krige方法在我国降雨侵蚀力地理分布规律研究中的应用[J].土壤侵蚀与水土保持学报,1997,3(1):91-96.
[2]章文波,付金生.不同类型雨量资料估算降雨侵蚀力[J].资源科学,2003,25(1):35-41.
[3]杨勤科,郭伟玲,张宏鸣,等.基于DEM的流域坡度坡长因子计算方法研究初报[J].水土保持通报,2010,30(2):203-207.
[4]蔡崇法,丁树文,史志华,等.应用USLE模型与地理信息系统IDRISI预测小流域土壤侵蚀量的研究[J].水土保持学报,2000,14(2):19-24.