基于GIS和RUSLE模型的松涛水库上游水土流失定量分析

2016-11-18关学彬史建康吕淑果

中国水土保持 2016年10期

关键词：松涛土壤侵蚀坡度

关学彬，史建康，吕淑果

(海南省环境科学研究院，海南海口 571126)

基于GIS和RUSLE模型的松涛水库上游水土流失定量分析

关学彬，史建康，吕淑果

(海南省环境科学研究院，海南海口 571126)

松涛水库上游；地理信息系统；遥感技术；RUSLE模型；水土流失

基于地理信息系统(GIS)和遥感技术(RS)，提取了松涛水库上游降雨侵蚀力、地形、土壤可蚀性、植被与经营管理和水土保持措施5个主要水土流失影响因子，运用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)估算该区域土壤侵蚀量，生成土壤侵蚀程度分布图。运用GIS空间分析和数理统计方法，分析水土流失在地理空间上的分布特征，结果表明：水土流失主要以微度和轻度侵蚀为主，分别占研究区总面积的48.43%和26.76% ；坡度是引起水土流失的重要因子，水土流失主要分布在坡度>15°的区域；水土流失主要发生在人类干扰活动较强烈的草地、灌木林、速生林、热作园等地类上，其水土流失面积占到研究区水土流失总面积的89.64%。

海南省土壤侵蚀以水力侵蚀为主，根据2013年海南省第一次水利普查结果，海南省现有水土流失面积2 116.04 km2，比全国第三次土壤侵蚀遥感调查结果增加了1 678.27 km2，水土流失呈加剧趋势[1]。海南省水土流失总面积不大，但局地水土流失严重，主要集中在海口鸭程溪、文昌宝陵河、澄迈黄龙岭、儋州蚂蝗岭一带。针对海南省水土流失现状，许多学者进行了研究，比如：赵玉国等[2-3]先后在海南开展了土壤侵蚀研究，结果表明海南岛潜在土壤侵蚀量巨大，并且主要发生在中部山区；曾红绢等[4]采用USLE方程对海南岛松涛水库流域2003—2005年平均土壤侵蚀量进行了定量模拟，结果显示流域内潜在土壤侵蚀量超过容许土壤流失量60倍，对人工经济作物采用水土保持措施或恢复林草植被能有效控制土壤侵蚀。

松涛水库位于海南省儋州市南部，库区回水至白沙县平义镇，大坝位于南渡江上游的儋州市亲足口峡谷，集水面积1 440 km2，总库容33.40亿m3，为海南省第一大水库。近年来，库区范围内的毁林开垦、采石、采砂、取土等毁坏了水源林及周边生态，造成大量水土流失，并引发水质污染，危及周边地区群众用水安全[5]。本研究以松涛水库上游为研究区，基于GIS和RUSLE模型，建立水土流失因子库，估算研究区水土流失量及其空间分布，以及水土流失与土地利用、坡度的关系，为松涛水库流域水土流失治理奠定基础。

1 研究区概况

松涛水库上游位于白沙黎族自治县境内，绝大部分位于海南中部山区国家级生态功能保护区内，物种资源丰富，生态服务功能和生态价值大，为松涛水库提供了74%的蓄水量；地处低山丘陵区，地势西南高、东北低；雨量丰沛，多年平均降雨量1 875 mm，多年平均水面蒸发量1 179 mm，并且存在明显的干湿两季；土壤类型主要有砖红壤、赤红壤和黄壤，沿河各地带分布的冲积沙壤土土地肥沃，是主要的耕地；植被种类繁多，自然植被主要包括常绿季雨林、沟谷雨林和山地雨林等，人工植被主要是橡胶、胡椒和槟榔等热带经济作物；以农林业为主，除传统农作物外，偏重橡胶和果树等经济林木，水库养殖也占一定比重。

2 研究数据与方法

2.1 基础数据

本研究采用的遥感影像为2010年9月6日覆盖该区域的30 m分辨率的Landsat TM多光谱遥感影像，用于提取植被覆盖度信息、地表覆盖因子和水土保持措施因子。专题图件数据包括：1∶25万行政区图，用于确定研究区边界及结果统计；1∶25万地形图，用于建立数字高程模型、提取流域地形因子；土壤类型图和土壤可蚀性数据来自海南省第二次土壤普查成果，用于提取土壤可蚀性因子。文本数据为气象局提供的该区域多年的年均和月均降雨量，用于计算降雨侵蚀力因子。

2.2 水土流失评价模型

根据研究区实际情况和已获取的各种数据，参考国内学者周伏建等[6-7]在闽东南地区的研究成果，选取应用广泛的RUSLE模型作为研究区土壤侵蚀模型，计算公式为

A=RKLSCP

(1)

式中：A为年平均土壤流失量，t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L为坡长因子；S为坡度因子；C为植被与经营管理因子；P为水土保持措施因子。

2.3 RUSLE模型因子提取

(1)降雨侵蚀力因子R。降雨侵蚀力因子R反映了由降雨引起水土流失的潜在能力、气候因素对水力侵蚀的作用[8]，是实现定量监测与评价一个地区水土流失的重要基础因素。基于国内学者的研究成果[9-11]，选取周伏建等[6]提出的福建省降雨侵蚀力因子R值的估算公式进行计算，公式为

(2)

式中：Pi为月降雨量，mm；R为降雨侵蚀力因子，J·cm/(m2·h·a)。

(2)地形因子LS。地形因子LS由坡度因子S和坡长因子L共同决定，反映了地形地貌特征对水土流失的影响。在坡面尺度上地形因子可以根据实测值计算，但大区域的估算只能用DEM数据进行提取。本研究选用RUSLE方程的坡长坡度因子计算方法，借鉴Liu等[12]研究成果，得出地形因子计算公式为

(3)

(4)

式中：S为坡度因子；θ为由DEM提取的坡度值，(°)；L为坡长因子；λ为由DEM提取的坡长值，m；M为可变的坡长指数，取0.5。

计算得到研究区LS因子取值为0～7.13，各取值区间面积分布情况见表1。

表1 研究区LS因子面积分布情况 km2

(3)土壤可蚀性因子K。土壤可蚀性因子K是土壤潜在侵蚀性的量度，反映了土壤容易遭受侵蚀的程度。本研究选用Williams等在EPIC模型中对土壤侵蚀因子K的估算方法，即根据土壤有机碳含量和土壤机械组成估算K值，计算公式为

(5)

式中：Sd为砂粒含量，%；Si为粉粒含量，%；Ci为黏粒含量，%；c为有机碳含量，%。

研究区土壤类型主要有砖红壤、山地赤红壤和山地黄壤，其中砖红壤占研究区面积的53.84%，山地赤红壤占26.61%，山地黄壤占13.89%。运用公式(5)计算砖红壤、山地赤红壤和山地黄壤的土壤可蚀性因子分别为0.38、0.39、0.40，可蚀性基本相当。

(4)植被与经营管理因子C。植被与经营管理因子C反映的是有关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、管理措施的综合作用等。蔡崇法等[13]通过计算坡面产沙量与植被覆盖度的相关关系，建立了坡面产沙量与植被覆盖度的数学关系，并与标准状况下的产沙量进行对比，得出C因子的计算公式为

(6)

式中：f为植物覆盖度，%。

(4)水土保持措施因子P。参照美国农业部手册703号和黄金良等[14]在九龙江流域土壤侵蚀研究中P因子取值的研究成果，进行P因子值的率定。研究区内自然植被(包括天然林地、灌木林地、草地)，无水土保持措施，P值取1；橡胶、速生林等经济作物多采用顺坡种植方式，无水土保持措施，P值取1；热作园P值取0.8；耕地一般位于沿河低地，部分采取了水土保持措施，P值取0.5；建设用地P值取1；水域P值取0。流域内经济作物大多是顺坡种植，极易引发水土流失。

3 结果与分析

3.1 研究区水土流失现状

将R、LS、C、K、P各因子空间分布图转化为统一坐标系，像元大小为30 m分辨率，应用ArcGIS软件分析模块的“Raster Calculator(计算)”功能进行叠加相乘运算，再乘以100，得到研究区土壤侵蚀强度等级图。根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准(SL 190—2007)》确定水土流失分级指标，得到研究区土壤侵蚀强度分级及面积统计结果，见表2。由表2知，研究区土壤侵蚀现状以微度、轻度和中度为主，分别占总面积的48.43%、26.76%和21.60%。

3.2 水土流失空间分布特征

研究区水土流失等级分为微度、轻度、中度、强烈、极强烈5个等级。为更好地反映松涛水库上游地区水土流失空间分布特征，将该区域的乡镇边界与水土流失分布图叠加，分析每个乡镇的水土流失情况。位于该流域的7个乡镇(除了青松乡、王下乡是部分位于研究区内，其他乡镇全部位于研究区内)水土流失类型以轻度和中度侵蚀为主，土壤侵蚀率(轻度以上土壤侵蚀面积除以研究区内乡镇面积)在50%以上的乡镇有5个，其中：青松乡土壤侵蚀率最高，达59.64%；之后是细水乡、王下乡、元门乡和南开乡，分别为58.04%、56.74%、52.14%和51.77%。土壤侵蚀率最低的是白沙镇和牙叉镇，分别为46.14%和37.94%。

表2 研究区土壤侵蚀强度分级

3.3 水土流失与土地利用的关系

土地利用是人类活动的集中体现，土地利用方式的不同，很大程度上影响着区域水土流失发生面积和强度特征[15]。将水土流失分级图与土地利用类型图叠加分析，获取研究区不同土地利用类型的水土流失情况，结果见表3。从表3可以看出，不同土地利用类型的水土流失差异较大，水土流失主要发生在草地、灌木林、速生林、热作园和有林地等5类地类上，其水土流失面积占研究区水土流失总面积的89.64%。5类土地利用类型水土流失程度以轻度和中度侵蚀为主：草地水土流失面积占草地总面积的74.13%，其中轻度侵蚀占40.70%、中度侵蚀占29.07%；灌木林水土流失面积占灌木林面积的71.14%，其中轻度侵蚀占的37.58%、中度侵蚀占29.51%；速生林水土流失面积占速生林面积的61.03%，其中轻度侵蚀占30.23%、中度侵蚀占26.03%；热作园水土流失面积占热作园面积52.89%，其中轻度侵蚀占44.44%、中度侵蚀占8.22%；有林地水土流失面积占有林地面积的51.01%，其中轻度侵蚀占21.16%、中度侵蚀占24.02%。综上，研究区水土流失情况整体不算严重，但局部地区如人类干扰活动较强烈的灌木林、速生林和草地分布区水土流失较为严重，因此要特别加强对这几类地类的管理，在坡度较大的地区实行退耕还林。

表3 各土地利用类型水土流失情况

3.4 水土流失与坡度的关系

坡度是影响土壤侵蚀的关键因子之一。研究区坡度系统分成6个等级，将坡度图与水土流失等级图叠加分析，得出不同坡度带土壤侵蚀程度分布情况，见表4。研究区山高坡陡，其中：0～15°缓坡地区占研究区动；15°～35°坡度地区占研究区总面积的56.46%；大于35°陡坡地区面积较小，仅占研究区总面积的7.79%。从表4可以看出，各坡度水力侵蚀均以轻度和中度侵蚀为主，其中：微度和轻度侵蚀主要分布在8°以下区域；8°～15°区域轻度侵蚀面积占34.77%，强烈和极强烈侵蚀占1.42%；15°～25°区域轻度和中度侵蚀分别占28.83%和24.79%，强烈和极强烈侵蚀占3.01%；25°～35°区域轻度和中度侵蚀分别占23.64%和29.07%，强烈和极强烈侵蚀占5.05%。

表4 不同坡度带土壤侵蚀程度分布情况

4 结论

本研究在GIS、RS技术的支持下，提取地表覆盖因子、水土保持措施因子、坡度坡长因子、土壤可蚀性因子和降雨侵蚀力因子作为研究区水土流失评估指标，运用RUSLE模型，分析计算流域范围内的水土流失量、分布状况，以及水土流失与土地利用、坡度的关系，得出结论：松涛水库上游地区水土流失以微度和轻度侵蚀为主；坡度是引起水土流失的重要因子，水土流失主要分布在坡度>15°的区域；水土流失主要发生在人类活动干扰较强烈的草地、灌木林、速生林、热作园等地类上，其水土流失面积占到研究区水土流失总面积的89.64%。

[1] 林郁.海南省水土保持的现状及对策[J].中国水土保持,2015(3):7-9.

[2] 赵玉国,张甘霖,龚子同.SOTER支持下海南岛土壤侵蚀模拟与影响因子分析[J].土壤通报,2003,34(3):219-224.

[3] 肖寒,欧阳志云,王效科，等.GIS支持下的海南岛土壤侵蚀空间分布特征[J].土壤侵蚀与水土保持学报,1995,5(4):75-80.

[4] 曾红娟,杨胜天,王凌,等.海南省松涛水库流域土壤侵蚀及控制方案[J].地理研究,2009,28(5):1197-1207.

[5] 刘阳生.海南省重要饮用水源地污染源调查及保护策略研究[J].水利科技与经济,2006,12(11):748-750.

[6] 周伏健,陈明华,林福兴,等.福建省土壤流失预防研究[J].水土保持通报,1995,9(1):25-30.

[7] 黄炎和,卢程隆,付勤,等.闽东南土壤流失预报研究[J].水土保持通报,1993,7(4):13-18.

[8] 王健.降雨及其侵蚀力研究方法探讨[J].广东水利电力职业技术学院学报,2008,6(2)：53-57.

[9] 周伏建,陈明华,林福兴,等.福建省降雨侵蚀力指标R值[J].水土保持学报,1995,9(1):13-18.

[10] 吴素业.安徽大别山区降雨侵蚀力指标的研究[J].中国水土保持,1992(2):32-33.

[11] 刘秉正.渭北地区R值的计算与分布[J].西北林学院学报,1993,8(2):21-29.

[12] Liu Baoyuan,Nearing M A,Risse L M.Slope gradient effects on soil loss for steep slopes[J].Transactions of the ASAE,1994,37(6):1835-1840.