基于DEM的合川区地形因子分析

2017-07-13唐庆贺春明陈伟华

安徽农学通报 2017年12期

唐庆　贺春明　陈伟华

摘要：该文通过合川区的高程数字模型（DEM数据），利用ArcGIS进行水文分析提取沟壑密度、分析坡度、高程。分析结果表明：合川区沟壑密度为0.28km/km2，沟壑密度较小，但汇流累积量大；境内坡度以2°～15°为主，主要分布在中部和西部的丘陵盆地区，>15°的地区主要为川东平行岭谷区；区内主要为丘陵盆地（200～500m），>500m的范围主要在川东平行岭谷区，呈东北西南走向。对合川区地形的研究为水土流失的分析、监测管理提供了可靠依据。

关键词：合川区；DEM；沟壑密度；坡度；高程

中图分类号 P931.6 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）12-0162-03

水土流失是指在水流作用下，土壤被侵蚀、搬运和沉淀的整个过程。我国是世界上水土流失最为严重的国家之一[1]，据第二次全国土壤侵蚀遥感调查显示，我国水土流失面积高达3.56×106km2，占国土总面积的37.6%[2]。地形是影响地表径流和土壤侵蚀的重要因素[3]，沟壑密度、坡度、高程等指标是影响土壤侵蚀的重要变量。在进行水土保持方案规划和工程建设之前，应对区域的地形进行准确把握。

DEM是当今地理学、地貌学界，特别是地理信息科学研究的热点问题[4]。本文基于DEM数字高程模型对合川区进行地形分析。通过ArcGIS软件对合川区的DEM数据进行水文提取，计算沟壑密度、坡度、高程，以期对该区的地形特征形成综合的认识。当前合川区工业化、城市化正在快速发展中，但水土流失阻碍了其经济发展，破坏了生态环境。本研究通过对合川区的地形的分析，以为合川区的水土保持工作提供可靠的理论依据，具有重要的现实意义，并且为其他区域的地形因子分析、水土保持等提供经验。

1 研究区概况

合川区地理坐标为东经105.58′37″～106.40′37″、北纬29.51′02″～30.22′24″，位于长江上游，重庆西北部，区内嘉陵江、渠江、涪江三江汇流，处嘉陵江下游，上游来水量大。地处中丘陵和重庆平行岭谷的交接地带，全境地貌大致分为平行岭谷和平缓丘陵两大类型：东南边缘的华蓥山区为平行岭谷地形；西北部广大地区，属渝西丘陵盆地，为平缓丘陵地型。境内属亚热带季风气候区，年降雨量达1552.7mm，但降水分布不均，雨季降雨量约占全年的70%。土壤以紫色泥岩、砂岩为主，易风化和流失[5]。全区幅员面积2343km2，总人口156万，人口密度大，土地垦殖系数高，水土流失问题依然严重[5]。

2 数据来源

本文使用的是由美国航天局（NASA）与日本经济产业省（METI）共同推出的全球数字高程模型，简称ASTER GDEM[6]。该数据的分辨率为30m×30m，全球覆盖范围为83°N～83°S的所有陆地区域。在ArcGIS10.2中，定义合川区的矢量坐标与DEM数据的坐标相同，为D_WGS_1984。对DEM栅格数据进行拼接裁剪，得到合川区的DEM数据，进而求出沟壑密度、坡度、高程地形因子（图1）。

3 水文提取

3.1 洼地填 DEM是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于一些真实的地形地貌和误差的存在，DEM中的洼地分为了自然洼地和伪洼地。研究表明，洼地影响水流的方向，栅格中的水只能流入洼地不能流出，故在进行水文分析前，应先进行填洼，得到无洼地的DEM数据。

3.2 流向分析计算流向采用的是ArcGIS中最常用的D8算法。其原理是计算DEM中每一栅格单元与其相邻栅格单元间的最大坡降，以最大坡降的单元格为水流出的方向。如果存在相邻栅格坡降相等，就向外扩张至寻找到最大坡降为止。

3.3 汇流累积量单位栅格的汇流累积量等于DEM中该栅格单元上游汇入的累加数目。汇流累积量是基于流向数据计算的。汇流累积量的大小直接反映了单元栅格的汇水能力。汇流累积量越大说明该地的地势越低洼，最大值处易形成河流；相反，汇流累积量越小，说明该处地势越高，最小值处可视为分水岭。

3.4 河网提取河网提取与汇流累计量的阈值有关，阈值越小，其河网越密集，阈值越大，河网越稀疏。但是阈值的选定与当地的地形、地质、气候、植被等因素相关。本文首先假设阈值为500，750，1000……8500，算出不同阈值对应的沟壑密度，然后以沟壑密度趋于稳定的第一个阈值为本文的最佳阈值。

4 结果与分析

4.1 沟壑密度分析沟壑密度也叫沟道密度或沟谷密度，指单位面积内沟壑的总长度，单位为km/km2。沟壑密度是评价地表侵蚀影响、水土流失情况、进行地貌类型分析等的重要指标[7]。本文根据合川区30米分辨率DEM进行河网提取，得出当阈值为8000时，沟壑密度相对稳定，为0.28km/km2，区内河流总长约为606.28km（表1）。沟壑密度愈大，表明地面被切割得愈破碎，侵蚀愈强烈[8]。合川区的沟壑较小，但境内河流处于幼年时期，以侵蚀作用为主，且汇流累积量大，存在明显的水蚀作用。

4.2 坡度分析在ArcGIS中进行坡度分析，步骤如下：打开Arc Toolbox 的Spatial Analyst—表面分析—坡度工具，就可以对合川区的DEM数字高程模型进行坡度分析。再将坡度栅格数据进行重分类，得到坡度的分级。坡度是反映一个区域地形特征的基本参数，坡度对土壤侵蚀的影响最大，是水土保持工作中首先要考虑的因素之一[9]。坡度分级方法分为一般主观分级法、临界坡度分级法与模式分級发三类[10]，本文采取主观分级的方法，简单、灵活[11]。根据合川区的坡度数据，本文将坡度分为5级，分别是：0°～2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°。坡度小于2°，说明地形相当平坦，一般无水土流失；坡度位于2°～6°的地区，坡度增大，存在轻度土壤侵蚀，应注意水土保持；坡度为6°～15°的地区，可能存在中度土壤侵蚀，应用梯田、等高种植等措施保持水土；15°～25°的地区，坡度较高，水土流失严重，应该加强工程生物等措施防治侵蚀；坡度>25°，是开荒限制坡度，已耕种的应该逐步退耕还林还草。合川区坡度>15°的地区，主要位于东南部平行岭谷地带，地形起伏大，坡度较高。境内坡度主要集中在2°～15°的西部广大地区，地形相对平坦，但受人类活动影响大，地表植被覆盖差，土壤抗蚀力弱（图2、图3）。

4.3 高程分析根据合川区总体的海拔高度，将该地分为低海拔（<200m），较低海拔（200～500m），中海拔（500～1000m），较高海拔（>1000m）四类。区内>500m的范围主要分布在东部和东南部，属川东平行岭谷地带，呈东北—西南走向。200～500m的海拔高度在区内占绝对优势，主要分布在中部和西部的广大地区。雨季降水量大，降雨集中，山区易形成山洪、泥石流等灾害，水土流失问题严重（图4、图5）。

5 结论与讨论

本研究基于DEM数据分析了合川区的沟壑密度、坡度、高程地形特征，并指出了地形对水土流失的影响。

合川区沟壑密度较小（0.28km/km2），但匯流累积量大，水蚀作用明显；区内地形主要以中部和西部的丘陵盆地为主，坡度范围为2°～15°，海拔500m以下，农业活动频繁，地表植被以农作物为主，土壤抗蚀能力差；合川区东部和东南部属华蓥山低山区，坡度15°以上，海拔500m以上，在降水集中的夏季易发生山洪泥石流等灾害。

本文分析了沟壑密度、坡度、高程对合川区水土流失的影响，但是造成水土流失的因素是多方面的，未考虑到区域河流发展演化阶段、人类活动、地表植被状况、降水、土壤等客观条件。因此，今后还需对合川区的水土流失状况进行系统研究。

参考文献

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