基于GIS的陡河水库流域水土流失研究

李海楠

（河北省唐山水文水资源勘测局，河北 唐山063000）

1 概况

陡河水库及其上游流域位于河北省燕山南麓地区陡河上游，是河北省燕山南麓地区水土流失治理典范工程区，该水库以水土保持、防洪、灌溉、供水为主要功能，对区域生态环境服务于水源承载起着重要作用。然而，随着城镇化的推进，库区人为干扰强度增大，周边土地开发强度大，土地利用类型以耕地、灌木林、建设用地为主，森林覆盖遭受一定破坏，水土流失时有发生。鉴于此，以GIS为技术支持，借助水土流失方程评估水土流失强度等级及其空间分布，以期为区域生态规划、水源保护提供参考依据。

2 分析数据来源

采用2017年8月的Andsat TM8遥感影像，于ENVI5.3平台上取植被覆盖度、土地利用类型、水土流失措施等因子；该数据融合后达15m，能够满足目视解译。地形因子以GEODEN为数据源，空间分辨率为30m，应用ArcGIS10.3软件的Spatia Anaysis模块提取。图件有1∶25万的土壤图，来自中国科学院南京土壤研究所，用于计算可蚀性因子。从国家气象数据共享服务网站上下载临近站点数据，以计算降雨侵蚀力。

3 分析理论研究

3.1 RUSE水土流失方程

RUSE水土流失方程，综合考虑了区域降水侵蚀、植被涵养、地形效应、土壤质地等因子，量化评定区域水土流失量，在水土失监测中得到广泛应用。其公式[1]：

式中 RUSE为年水土流失量 [t/（hm2·a）]；R为降雨侵蚀力因子表征降水强度对水土流失的影响[MJ·mm/（hm2·h·a）]；不同土壤其质地不同，降水强度对其侵蚀力具有一定差异，以K描述土壤可蚀性[t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）]；L，S，C，P分别为坡长、坡度、植被、水土保持措施等客观因素。参照相关学者给出的经验公式计算各因子[1-4]。

3.2 R因子提取

降水是引起区域水土流失的主要直接因子。降水通过重力势能与动能直接破坏地表稳定性，通过水蚀作用运移表土物质，是当前水土流失监测与防控的重要因素。基于相关学者在山东地区的研究成果，确定R值的表达式[2]：

式中 i=1，2，…，12，表示月份；Pi为月降雨总量（mm）；R为降雨侵蚀力因子，其值越大，表明降雨强度越大，对地表侵蚀作用越大。

3.3 LS因子提取

地形通过高程、坡度、坡向、坡长等具体特征间接影响着降雨侵蚀力在地表空间上的再分配，通常地形平坦地区水土流失的可能性低于地形复杂处，这主要由于地貌特征起作用。水土流失方程中包含坡度、坡长两个因子，研究表明水土流失量与坡度呈正相关，与坡长呈复杂相关性。坡度S、坡长L的计算如下[3]：

式中 θ为坡度值（°）；M为坡长指数，通常取0.5；S，L分别为坡度、坡长因子。LS为坡度坡长因子的组合，计算表明区域LS的取值为0～8.23，其分布特征如表1。

表1 流域坡度坡长因子面积分布

3.4 K因子提取

土壤质地是由土壤有机质、土壤机械组成等因素组成的，一般来讲，土壤质地越松软、孔隙大，则其可蚀性越强，反之土壤可蚀性越小。可蚀性因子K计算公式如下[4]：

式中 Sd，Si，Ci分别为土壤砂粒、粉粒、黏粒含量比重（%），表征土壤机械组成；c为土壤有机碳（%）。

3.5 C因子提取

植被是地表生态系统中的核心要素，其对区域水土保持功能具有积极作用。植被的地上组织能够减弱降水势能，分散雨滴下落对地表的冲击，地下组织则固结土壤、吸收水源。通常，引起一个地区的水土流失的客观因素便是植被覆盖度低、林草质量差，这在我国西北地区尤为明显。植被因子计算公式[5]：

式中 C为植被因子；f为植被覆盖度，其值域为0～100%。

3.6 P因子提取

水土保持因子P的量化值主要依据地表土地覆被特征而确定。按照常规方法，将区内自然植被覆盖区赋值为1，园地为0.8，耕地为0.5，建设用地为1，水域、裸地为0[6]。

4 研究结果分析

4.1 陡河库区流域地表覆被现状特征

虽然陡河库区流域面积狭小，但用地类型空间异质性强。通过对研究区土地利用类型进行解译得到如下结论。

（1）本区以林地分布为主，面积22.89km2，占区域的52.02%。

（2）旱地是第二大用地类型，主要位于林地与建设用地结合部，达13.96km2。

（3）建设用地呈斑块状分布，面积2.92km2，结构比为6.57%。

（4）园地和草地分布较少，依次为0.99，0.56km2，仅占区域的2.25%，1.27%。

（5）水田呈片状集中分布于区域东南边缘，面积2.10km2。

统计表明，陡河库区流域林草覆盖度较高，水土保持能力较好。

4.2 陡河库区流域水土流失空间分布特征

将R，S，C，K，P等因子图层统一转化为WGS-84坐标系统，设置栅格大小为30m，通过ArcGIS软件的Raster Cacuator功能提取研究区水土流失强度，并划分水土流失等级。

（1）陡河库区流域水土流失以微度为主，分布较广，呈片状延伸，表明区域水土流失总体较弱。

（2）微度水土流失区域面积达31.35km2，占71.28%。

（3）中度流失呈带状延伸，分布离散，占全域的10.2%。

（4）轻度水土流失面积达7.78km2，主要沿着丘陵沟壑分布。

（5）强度水土流失面积最小，仅0.37km2。

4.3 水土流失与土地利用类型的关系

叠加分析如表2。

表2 水土流失与土地利用类型关系

（1）微度水土流失区主要分布于旱地、林地，面积分别达9.724，14.75km2，分别占31.02%，47.05%。

（2）轻度水土流失区也以林地、旱地土地利用类型较多，分别达1.962，3.749km2。

（3）中度水土流失集中于建设用地和林地，面积依次为1.618，1.118km2，建设用地类型流失面积占35.65%。

（4）强度水土流失区中以建设用地面积最大，为0.407km2。

4.4 水土流失与海拔之间的关系

将DEM分等级并与水土流失强度图叠加如表3。

表3 水土流失分布的海拔特征

（1）海拔小于200m的地区，水土流失以微度、中度为主，面积达8.5，2.034km2。

（2）海拔为200～300m的地区主要为微度，面积达14.22km2。

（3）海拔为300～400m的地带以中度、微度为主，达1.759和7.21km2。

（4）海拔在400～500m的地带，轻度水土流失1.280km2，微度为1.3km2，中度达1.238km2，强度达0.208km2。

（5）海拔大于500m的地带，以轻度水土流失为主，面积达0.62km2，其次是中度水土流失，为0.198 km2。

4.5 水土流失与坡度之间的关系

分区统计后（表4）表明，水土流失主要集中于5°～13°的坡地带。

表4 水土流失分布坡度特征

（1）坡度小于5°的地区，水土流失面积较小，水土流失由弱至强，分别达4.68，0.87，0.08，0km2。

（2）坡度介于5°～8°的地区，以微度为主，达8.95km2，

（3）坡度介于8°～13°的坡度处，微度、轻度、中度水土流失为主，面积依次是10.82，3.52，0.784km2。

（4）坡度介于13°～18°的坡度处，微度、轻度、中度水土流失为主，面积依次是4.62，2.72，2.365km2。

（5）坡度大于18°的坡度带，微度水土流失2.32km2，轻度0.51km2，中度0.868km2。

5 结语

（1）以遥感和DEM数据为基础，运用GIS技术提取了陡河库区流域水土流失敏感因子，结合水土流失方程，计算了库区水土流失等级，并运用ArcGIS叠加分析，提取水土流失强度与影响因子关系矩阵。

（2）陡河库区流域水土流失以微度为主，是水土流失治理的重点。虽然区域林草覆被程度高、水土涵养能力好，但人为活动强烈，局部建设用地、相对海拔较高的地带存在一定范围剧烈水土流失，特别是8°～18°的坡度带，水土流失率高。应结合水土流失分布与土地利用类型、地形之间的关系，分区治理。

（3）实施本区生态规划，划分水源涵养区、水土流失人工防护区，对于水源涵养区注重天然林草恢复、封山育林等策略；人工水土流失区采用人工林种植、护坡、淤坝等措施。

（4）优化地表景观结构，即在立体空间上实施乔灌草立体生态防护，以减小降水强度并增加地表覆盖度；横向上构建‘碳汇碳源’循环型用地景观结构，通常水域、林地、草地为碳汇景观，建设用地、耕地为碳源景观，在后续土地开发时考虑用地汇源平衡。

（5）缓坡为该区水土流失密集区，对于缓坡局部水土流失严重地段仍以人工护坡为主，但要向生态护坡转化。