基于GIS的多年土壤侵蚀对安基山水库淤积的影响

2016-03-23程公德济南市水利建筑勘测设计研究院济南5004河海大学水利水电学院南京0098

中国农村水利水电 2016年10期

钟磊，周迎，刘畅，程公德(. 济南市水利建筑勘测设计研究院，济南 5004；．河海大学水利水电学院，南京 0098)

0 引言

土壤侵蚀是土壤及其母质在外营力作用下被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程，其输出程度受人为因素和自然因素的综合影响[1]。土壤侵蚀引起的水土流失不仅使土壤养分颗粒流失和土地退化，还使流域上游大量泥沙向下迁移造成水库和河道淤积，以致影响水库的正常使用[2,3]。因此，对土壤侵蚀的定量检测和水库淤积的估算是有效治理水土流失和保护水库的前提。

GIS(Geographic Information System)具有的数据提取、管理和空间分析功能，在多尺度、大范围集水地以及各级管理区域水土保持预测模型中应用极其广泛[4]，如游松财等[5]在GIS技术支持下，运用通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)对灌溪乡土壤侵蚀进行定量估计，计算结果与实测数据有良好的相关性；周伟峰等[1]利用RS(Remote Sensing)和GIS技术在通用土壤流失方程的框架上建立区域土壤侵蚀模型，对北京市密云水库土壤侵蚀量进行定量估算。针对水库淤积计算问题，很多学者进行了深入研究。如焦恩东等[6]对万两河水库进行水库泥沙淤积分析计算，包括淤积程度判断、淤积形态判别、淤积量计算和坝前淤积高程计算，并提出防治水库淤积措施；王彦芳等[7]基于泥沙随机沉降的原理，结合汾河静乐水文站的历年实测资料，建立汾河水库泥沙淤积的随机数学模型，并应用模型对汾河水库库区泥沙淤积发展情况进行模拟预测。然而以上研究并未针对流域上游土壤侵蚀和下游水库淤积情况进行探讨，不能反映多年土壤侵蚀变化对下游水库淤积影响的严重程度。因此，在防治水库泥沙淤积工作中，研究多年土壤侵蚀变化对下游水库淤积的影响十分迫切。

本文研究的是在GIS技术支持下多年土壤侵蚀对水库泥沙淤积的影响，以安基山水库为例，分析2007-2011年5 a间流域上游土壤侵蚀对安基山水库淤积情况。利用RS遥感影像数据获取流域内的植被覆盖度和土地利用分类信息，收集降雨资料和土壤数据；在流域DEM数据基础上利用ArcGIS表面分析功能提取流域内的坡度和坡长等地形数据；采用通用土壤流失方程USLE建立流域土壤侵蚀定量检测模型，利用ArcGIS空间分析技术对安基山水库集水区域连续5 a间的土壤侵蚀量进行定量估算；根据多年土壤侵蚀量分析安基山水库拦沙和淤沙量，以期为水土流失和水库泥沙淤积治理提供指导作用。

1 研究区概况及数据准备

1.1 研究区概况

安基山水库位于七乡河上游，是南京市江宁区的村镇饮用水源地(119°3′～119°7′E、32°4′～32°8′N)，流域面积为15.74 km2，库区与句容市亭子镇接壤。水库坝顶长350 m，坝顶高程53 m，坝顶宽6 m。水库总库容618 万m3，属于小(一)型水库。流域内有安基山村、孟塘、叶庵、鹿山、袁家咀、韩家边、螺丝冲、、华山村等村。流域上游为丘陵地形，水库附近地势较平缓，流域海拔范围23～403 m。流域范围内以耕地和林地为主，其中林地占大部分。多年平均降雨量1 047 mm，降雨多集中在6-9月，暴雨一般多集中在7-8月。

1.2 数据准备

研究中用到的数据包括该地区的数字高程模型数据(DEM)、Landsat7遥感影像数据(2007-2011年)、降雨资料(2007-2011年)、土壤数据。其中DEM数据用于提取地形信息[见图1(a)]，根据汇水区域分水岭利用ArcGIS软件中Arc Hydro Tools功能确定安基山水库集水流域范围[8][见图1(b)]。

遥感影像成像时间选择在6-9月为最佳，并用流域范围对遥感数据进行裁剪，进而应用监督分类的方法处理遥感影像。如2011年6月27日研究区Landsat遥感影像数据经图像预处理、影像增强、监督分类、人工校核等，获取该时期集水流域内农田、水域、村庄、裸地、林地等土地利用类型[见图1(c)]。土壤数据是全国第二次土壤普查土壤类型及其理化性质分析资料。

图1 研究区数据

2 研究方法

2.1 模型建立

通用土壤流失方程(USLE)是众多土壤侵蚀预报模型应用最为广泛的模型[9,10]，它具有形式简单、参数易求、利于计算、适用于资料短缺的地区等特点。USLE模型综合考虑人为因素和自然因素的影响，其核心内容是R、K、L、S、C和P6个因子的计算，具体表达式如下：

A=fRKLSCP

(1)

式中：A为年土壤侵蚀量，t/km2；L为坡长因子；S为坡度因子；R为降雨侵蚀因子；K为土壤可蚀性因子；C为植被覆盖度(管理)因子；P为水土保持因子；f为单位换算系数，若A取用英美单位，f=1，若取我国常用的t/(km2·a)，f=224.2。

2.2 因子计算

2.2.1R因子计算

降雨侵蚀因子是雨滴击溅产生削蚀现象和雨水径流形成地表冲涮作用的综合评价指标，其计算是采用吴素业[11]研究提出的适合我国长江流域地区降雨侵蚀因子的简单计算方法，以此根据安基山流域多年降雨资料计算降雨侵蚀因子。由于流域面积小，降雨分布比较均匀，全流域每年只采用一个R值，并利用ArcGIS软件转化为栅格图像。R由下式计算：

(2)

式中：Pi为月降雨量，mm；170.2为转化为R的美制单位换算系数。

2.2.2K因子计算

土壤可蚀性因子K采用EPIC模型中的计算方法[12]，在ArcGIS软件中由土壤类型分布进行赋值，再转化为土壤K值得到栅格数据。计算如下：

(3)

式中：SAN为砂粒(0.05～2 mm)含量百分数；SIL为粉粒(0.002～0.05 mm)含量百分数；CLA为黏粒(<0.002 mm)含量百分数；C为有机碳含量百分数；SN=1-SAN/100。

2.2.3S、L因子计算

坡度和坡长因子是反映地形特征对土壤侵蚀的影响程度，其计算是利用ArcGIS软件对研究区DEM数据处理得到。坡度因子和坡长因子计算公式[13]如下：

(6)

式中：θ为坡度，(°)；λ为坡长，m；m为坡度坡长系数；β为细沟和细沟间侵蚀的比率。

2.2.4C、P因子计算

植被覆盖度因子C表示植物叶面生长覆盖地面情况，可抑制土壤侵蚀发生，根据马超飞等[14]建立的植被覆盖度与C值数学关系式求得：

(7)

式中：C为植被覆盖度因子；f为植被覆盖度，可通过遥感数据归一化植被指数求得。

水土保持因子P是指采用特定水土保持措施后的土壤侵蚀量与相应无实施顺坡耕地土壤侵蚀量比值，P大小范围为0～1，0表示未发生土壤侵蚀地区，1表示未采取任何保持措施地区。根据相关研究数据[12,15]知，自然植被区、裸地、农村居民区和建筑用地均为1，水域为0，水田为0.15，旱田为0.35。由该集水流域内土地利用类型，利用ArcGIS对C、P因子赋值计算，得到栅格化图层。

2.3 多年侵蚀量统计

基于6大因子计算得到的栅格因子专题图层，运用GIS技术空间分析功能进行叠加运算，得到2007-2011年安基山水库流域土壤侵蚀模数G，并依据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)[16]对计算结果进行分级统计，分级级别为：微度[0～500 t/(km2·a)]；轻度[500～2 500 t/(km2·a)]；中度[2 500～5 000 t/(km2·a)]；强度[5 000～8 000 t/(km2·a)]。安基山水库流域各点土壤侵蚀模数不同，故根据土壤侵蚀模数栅格图层属性值和像元大小，计算安基山水库流域每年向下游水库输沙量W(入库泥沙量)。

3 水库淤积

土壤颗粒在降雨作用下随着地表径流形成的汇流进行迁移，当进入水库后，水深增加，水流速度减小，水流挟沙能力降低，导致水流中的部分悬移质和推移质泥沙在库区内沉淀，使水库不断淤积，进而影响水库使用寿命和污染水库[6]。

3.1 水库拦沙率

水库拦沙率β表示土壤颗粒淤积在水库库底的沙量与进入水库的沙量比值[3]，与水库库容和径流量的比值有关，计算公式为：

(9)

式中：β为水库拦沙率，%；T为年入库水量，m3；f为流域年降雨量，mm；αi为各种下垫面径流系数，由《室外排水设计规范》(GB50014-2006)[17]查得；Ai为各种下垫面面积，m2。

3.2 水库淤积量

对长期蓄水情况下的中小型水库来说，通过计算水库淤沙量分析滞留在水库库底的泥沙情况，以便确定水库的寿命或使用年限，可以根据水库拦沙率法计算[3]：

S=Wβ

(10)

式中：S为水库淤积泥沙量，以质量计算，t；β为水库拦沙率；W为入库泥沙量，t。

4 结果与分析

4.1 侵蚀强度分析

根据安基山水库上游土壤侵蚀监测结果，统计土壤侵蚀强度分布状况，2007-2011年土壤侵蚀量分级结果见图2，5 a土壤侵蚀统计见表1。

4.1.1土壤侵蚀区域分析

由图2可知，侵蚀级别所占面积关系是微度>轻度>中度>强度>，强度侵蚀主要发生在流域中下部，中度侵蚀分布区域紧邻强度侵蚀发生区附近，轻度侵蚀主要是在流域中部和下部，其余均是微度侵蚀，无明显侵蚀现象。

分析知，强度侵蚀主要发生在裸地和地势起伏大的区域，其原因为裸地地面植被覆盖度较小和未采取水土保持措施；地势起伏大的区域地面坡度坡长较大，地表径流速度和水流长度增加，致使坡度因子和坡长因子较大。中度和轻度侵蚀主要发生在人类活动频繁地区和丘陵山区，其原因是人类活动频繁地区土地利用类型发生了改变，丘陵山区山高坡陡等地形条件。微度侵蚀所占比例均在80%以上，该区植被覆盖较好，大部分区域是以林地为主，人类活动干扰小。

表1 2007-2011年安基山水库上游土壤侵蚀变化统计表

4.1.2土壤侵蚀年际分析

由图2和表1可知，2007-2011年5 a中2007年土壤侵蚀最为严重，强度侵蚀所占面积百分比为0.35%，中度侵蚀所占面积百分比为3.26%，输沙量最多；2008年土壤侵蚀最弱，未发生强度侵蚀，中度侵蚀所占面积百分比仅为0.15%；2009-2011年土壤侵蚀情况大致相同，其中2010年土壤侵蚀情况稍弱。

降雨条件和人为扰动是影响2007-2011年土壤侵蚀的变化主要因素，其中降雨是水土流失的载体，2007年各月降雨强度相差不大，但其降雨侵蚀力R明显大于其他年份，以致2007年安基山水库上游输沙量最多和强度侵蚀面积较大。2008年降雨量较少，导致降雨侵蚀力下降，土壤侵蚀强度最小。人为扰动因素主要影响植被覆盖度和水土保持控制因子，发生在人类活动频繁的区域，但相邻年间植被变化不明显。

4.2 水库淤积分析

根据安基山水库流域降雨资料和土壤侵蚀结果计算水库拦沙率、输沙量和淤积量，结果见表2。2008年水库拦沙率最大，其他年份拦沙率差别不大。2007年水库的输沙量明显多于其他年份，2008年输沙量最小，仅为2007年输沙量的43%。2007年和2011年水库泥沙淤积量最多，2008年最少，仅为2007年淤积量的49%。降雨是影响水库泥沙淤积量的重要因素，包括降雨侵蚀因子和年入库水量，致使拦沙率和输沙量不同，综合影响水库泥沙淤积量。人类活动的干扰也会增大土壤侵蚀强度，增加向下游水库的泥沙输送量。

表2 2007-2011年安基山水库淤积情况

5 结语

本研究根据通用土壤流失方程USLE利用遥感影像数据、降雨资料、土壤信息和地形资料提取相关影响因子，应用GIS技术实现安基山水库上游2007-2011年多年土壤侵蚀变化检测，进而分析上游水土流失对水库的泥沙淤积影响，为流域土壤侵蚀和水库淤积治理提供技术支持和参考。其中流域强度侵蚀主要发生在裸地和地势起伏大的流域中下部；中度和轻度侵蚀主要发生在人类活动频繁地区和丘陵山区；微度侵蚀则以植被覆盖较好的林地为主，所占比例均在80%以上；5 a中2007年土壤侵蚀最为严重，2008年土壤侵蚀最弱。在水库淤积方面，2008年水库拦沙率最大；2007年水库的输沙量明显多于其他年份，2008年输沙量最小。2007年和2011年水库泥沙淤积量最多，2008年最少。

根据土壤侵蚀动态检测分析和统计结果知，流域土壤侵蚀治理对减少水库淤积至关重要。通过植树造林、退耕还林、修建截流沟和前置库、改造坡耕地等措施，减少地表径流速度，提高地表抗蚀能力，以减少泥沙输送量，保护水库蓄水功能和延长使用年限。

因数据资料的精度限制和计算方法的选取不同，其计算结果会与真实值有所偏差，但不影响流域土壤侵蚀的分布趋势，在土壤侵蚀预测方面仍有指导作用。在今后的应用中，尽可能使用高精度数据并选择合理的区域性计算方法，以此提高土壤侵蚀预测准确度。

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