芦山地震灾区土壤流失方程研究

刘斌涛，宋春风，史 展，陶和平

(1.中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2.西南大学 地理科学学院，重庆 400715)



芦山地震灾区土壤流失方程研究

刘斌涛1，宋春风1，史 展2，陶和平1

(1.中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2.西南大学 地理科学学院，重庆 400715)

芦山地震诱发大量崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害，植被破坏严重，生态环境受到严重威胁。建立土壤流失方程是进行区域土壤侵蚀定量评估的最有效方法。通过对芦山地震水土流失调查与评价工作的总结与提炼，介绍了芦山地震灾区土壤流失方程的基本形式，给出了降雨侵蚀力因子(R值)、土壤可蚀性因子(K值)、坡长坡度因子(LS值)、地表覆盖与管理因子(C值)、水土保持措施因子(P值)的具体计算方法。本方程对芦山地震灾区水土流失调查与动态监测、水土保持规划、灾后生态恢复重建具有参考意义。

水土保持；芦山地震灾区；土壤流失；水利普查；降雨侵蚀力

1 研究背景

2013年4月20日，四川省雅安市芦山县境内发生Ms7.0级强烈地震，这是四川省自2008年汶川特大地震以来发生的第2次严重地震灾害，强震波及四川雅安、成都、乐山、眉山、甘孜、凉山、德阳等市州的32个县(市、区)，受灾人口约218.4万人，遇难196人，失踪2人，受伤14 785人。芦山地震发生后，笔者负责了“芦山地震灾区水土流失调查与评价”应急项目。经过1 a的调查和分析，获取了芦山地震灾区1∶50 000、重灾区1∶10 000的土壤侵蚀强度数据，掌握了芦山地震灾区震前、震后土壤侵蚀的面积、强度及空间分布特征，编制了芦山地震灾区分县(市、区)和重灾区分乡镇的土壤侵蚀强度图，支撑了《“4·20”芦山强烈地震水土保持专题公报》的及时发布。“芦山地震灾区水土流失调查与评价”工作是在第一次全国水利普查水土保持情况普查、四川省水土保持情况普查工作基础上开展的。芦山地震灾区水土流失调查综合使用了遥感三参量调查法[1]、土壤流失方程计算法和空间抽样调查法[2-3]，多种方法相互比较，取得优良的调查精度。本文是对芦山地震灾区水土流失调查工作中土壤流失方程计算方法的总结，可以为我国区域水土流失调查，尤其是西南土石山区水土流失调查工作提供借鉴和参考。

2 方程基本形式

Wischmeier等[4-5]于20世纪60年代提出了通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)模型。经过50多年的发展，USLE模型已经成为全世界广泛应用的土壤流失预报方程[6-10]。USLE模型在我国应用十分广泛，并出现了众多国产化方程，如中国土壤流失方程(CSLE)[2, 11-12]、中国坡面水蚀预报模型[13-14]、云南省金沙江流域土壤流失方程[15-16]、黑龙江省土壤流失方程[17-18]、北京土壤流失方程[19-20]等。芦山地震灾区土壤流失方程(Soil Loss Equation for the Area Affected by 4·20 Lushan Earthquake, LSSLE)仍采用USLE模型的基本形式，其公式为

A=R×K×L×S×C×P。

(1)

式中：A为土壤侵蚀模数[t/(km2·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·km2·h/(hm2·MJ·mm)]；L为坡长因子(无量纲，0～1)；S为坡度因子(无量纲，0～1)；C为地表覆盖与管理因子(无量纲，0～1)；P为水土保持措施因子(无量纲，0～1)。

3 影响因子计算方法

3.1 降雨侵蚀力因子(R值)

降雨侵蚀力(rainfall erosivity)是指降雨引起土壤侵蚀的潜在能力[21]。本研究采用第一次全国水利普查水土保持情况普查使用的降雨侵蚀力算法计算芦山地震灾区降雨侵蚀力数据，其形式[2, 22-24]为

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

3.2 土壤可蚀性因子(K值)

环境政策综合气候(Environmental Policy-Integrated Climate，EPIC)模型是最常用的计算土壤可蚀性的方程之一，在我国应用非常广泛[25-30]。在芦山地震灾区土壤流失方程中用EPIC模型计算土壤可蚀性K值。EPIC模型的公式为：

(7)

(8)

式中：Sa为砂粒(2～0.05 mm)含量(%)；Si为粉砂(0.05～0.002 mm)含量(%)；Cl为黏粒(<0.002 mm)含量(%)；C为有机碳含量(%)。

张科利等[27, 31]研究指出，EPIC模型计算的K值与中国各地区实测的K值相差较大，并提出K值修正公式为

K=-0.013 83+0.515 75KEPIC。

(9)

3.3 坡度坡长因子(LS值)

地形因子(LS)是决定土壤侵蚀量的关键性因子。USLE，RUSLE模型给出了LS因子的计算公式[4-5, 32]。我国学者针对LS因子的修正算法开展了大量研究，代表性的有刘宝元算法[33-34]、江忠善算法[13-14]、杨子生算法[15-16, 35]等。

杨子生[15-16, 35]在金沙江流域进行了大量观测，建立一个适用于金沙江流域陡坡环境的坡长(L)因子算法。芦山地震灾区地形特征与金沙江流域较为接近，因此本文使用杨子生算法计算芦山地震灾区L因子，其公式为

(10)

笔者整理分析了西南土石山区的径流小区资料，提出了10°～25°及≥25°两个坡度范围的S因子计算算法，修正了现有的刘宝元算法[33, 36]。修正的S因子计算公式为

(11)

3.4 地表覆盖与管理因子(C值)

本文将地表覆盖类型分为农地、林地、草地3类。农地C值与农作物类型、种植制度、耕地管理方式等有关。根据我国土地利用分类制度，本文将耕地分为水田、旱地2类分别确定C值。第一次全国水利普查水力侵蚀野外调查确定了每一个调查地块的农作物类型、植被覆盖度、农作物种植制度等信息。根据杨子生等[37-43]的研究成果，确定该区域水稻、小麦、玉米、黄豆、甘薯、马铃薯、油菜、蔬菜等作物生长期内的C值分别为0.010 0，0.434 5，0.351 7，0.355 1，0.386 4，0.372 1，0.427 3和0.500 0。然后通过野外调查获得的种植制度和种植结构信息，进行空间统计，确定各县域耕地的C值。图1展示了芦山地震灾区21个县(市、区)水田和旱地的C值。

林地C值与林地郁闭度和林下地表覆盖度密切相关。在USLE模型手册[5]中，将林地划分为：①未扰动林地；②放牧、火烧或采伐过的林地；③采伐后进行了迹地整理准备再造林的林地。我国现行的土地利用分类系统无法支撑这样的处理方式。本文将林地分为茂密林地、有林地、灌木林地、其他林地等4类，分别确定它们的C值。根据USLE模型手册[5]以及王万忠等[44]、杨子生等[16]的研究，本文分别确定4种林地的C值赋值标准。根据第一次全国水利普查水力侵蚀野外调查单元中的林地郁闭度、地表覆盖度调查参数，通过空间统计获取了芦山地震灾区县域林地的C值。图2展示了芦山地震灾区21个县(市、区)茂密林地、有林地、灌木林地和其它林地的C值。

图1 芦山地震灾区耕地C值Fig.1 Value C of cultivated land in Lushan earthquake area

图2 芦山地震灾区林地C值Fig.2 Value of C of forest in Lushan earthquake area

草地C值主要取决于植被覆盖度。江忠善等[13-14]提出了草地C值与植被覆盖度的定量关系，其公式为

(12)

式中：C为草地C值；V为草地植被覆盖度(%)。

本文使用HJ-1A/1B多光谱影像和芦山地震灾区1∶50 000土地利用图，借助像元二分法[45]计算了芦山地震灾区2010年的植被覆盖度数据，然后利用式(12)计算了全区草地的C值。

3.5 水土保持措施因子(P值)

芦山地震灾区主要的水土保持措施有水平梯田(地)、坡式梯田(地)等类型。其中，在我国南方地区种植水稻的耕地称为田，对应的水土保持措施为水平梯田、坡式梯田；种植旱作作物的耕地称为地，相应的水土保持措施为水平梯地、坡式梯地。我国学者对水平梯田(地)、坡式梯田(地)的减蚀效益开展了大量研究，通过前人研究成果，本文确定该区域水田、水旱轮作田(地)、水平梯地、园地梯地、坡式梯田(地)的P值分别为0.010 0，0.052 8，0.136 2，0.103 5，0.187 9。利用第一次全国水利普查耕地野外调查资料，通过空间统计获得每一个县域耕地的P值。图3给出了芦山地震灾区21个县(市、区)旱地的P值。从图3中可以看出，地处四川盆地西南部台地、浅丘区的夹江、东坡、丹棱、雨城、名山等县(区)的P值较低，这与当地大量分布的水旱轮作田(地)以及农林复合经营方式有关；盆周山区各县P值普遍较高，这主要是因为这些地区坡耕地较多的缘故。

图3 芦山地震灾区旱地P值Fig.3 Value of P of dry land in Lushan earthquake area

4 结 论

通过对“芦山地震灾区水土流失调查与评价”工作的总结与提炼，笔者建立了芦山地震灾区土壤流失方程(LSSLE)，给出了降雨侵蚀力因子(R值)、土壤可蚀性因子(K值)、坡长坡度因子(LS值)、地表覆盖与管理因子(C值)、水土保持措施因子(P值)的具体计算方法。该方程对于指导芦山地震灾区水土流失调查与监测、水土保持规划和灾后生态恢复重建具有重要参考意义。

笔者利用芦山地震灾区土壤流失方程(LSSLE)已经计算获得了灾区1∶50 000和重灾区1∶10 000的土壤侵蚀空间数据，编制了灾区分县(市、区)和重灾区分乡镇的土壤侵蚀强度图，统计获取灾区分乡镇的土壤侵蚀模数、年土壤侵蚀量、土壤侵蚀面积等数据，充分展示方程的应用前景，特别是在大比例尺土壤侵蚀制图方面的应用能力。

笔者在后期工作中，对芦山地震灾区土壤流失方程(LSSLE)进行了发展和完善，将模型拓展成四川省土壤流失方程(Sichuan Soil Loss Equation，SCSLE)，实现对四川全省1∶50 000空间精度的土壤侵蚀调查与制图。限于篇幅，本文只给出了芦山地震灾区土壤流失方程(LSSLE)的基本形式和各个因子的计算方法，后续将进一步对方程的精度验证、芦山地震灾区土壤侵蚀空间分布特征、芦山地震诱发的土壤侵蚀以及基于无人机遥感和LSSLE的大比例尺(1∶10 000，1∶1 000)的土壤侵蚀制图技术进行专门分析。

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(编辑：黄 玲)

Soil Loss Equation of Lushan Earthquake Area

LIU Bin-tao1，SONG Chun-feng1，SHI Zhan2，TAO He-ping1

(1.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China； 2. School of Geography Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Many secondary disasters such as collapse, landslide and debris flow were induced by Lushan earthquake. The vegetation was seriously destroyed and ecological environment was under serious threat. The most effective method for quantificationally evaluating the regional soil erosion is to establish the soil loss equation. Through summarizing the soil loss investigation and assessment results in Lushan earthquake area, we described the soil loss equation which had been used in Lushan earthquake area. The specific calculation methods of rainfall erosivity factor, soil erodibility factor, slope length and slope gradient factor, surface cover and management factor and the soil and water conservation measures factor were given in this paper. This equation can be referenced for the investigation and dynamic monitoring of soil and water loss, the soil and water conservation planning and the ecological reconstruction of Lushan earthquake area.

soil and water conservation；Lushan earthquake area；soil loss；water conservancy survey；rainfall erosivity

2014-08-08；

2014-09-12

国家重点基础研究计划(973)项目(2015CB452706)；国家自然科学基金项目(41201457)；地理空间信息工程国家测绘地理信息局重点实验室经费资助项目(201117)

刘斌涛(1984-)，男，山东德州人，助理研究员，硕士，主要从事冰缘地貌过程与生态过程、土壤侵蚀、山地垂直带谱等领域的研究工作，(电话)15982060905(电子信箱)lbt609@163.com。

10.11988/ckyyb.20140674

2016,33(01):15-19

S157

A

1001-5485(2016)01-0015-05