GIS与遥感技术在水土流失定量评价中的应用研究

冷 宗

(深圳市海平峰水务技术工程有限公司，广东 深圳 518000)

水土流失是一个全球性的问题，由于人类的不合理开发和使用，造成了水土流失问题进一步加重，据统计，我国约有37%的土地遭受水土流失的困扰，给我国的社会经济发展带来巨大阻碍[1- 3]。刘长君将VIC模型和改进的通用土壤侵蚀方程进行相耦合，对大洋河流域的水土流失进行了时空分布式模拟[4]。王娇等利用USLE和GIS技术，对太行山地区的水土流失敏感性进行了空间分析[5]；宋磊利用MULSE模型开展了区域水土流失的模拟工作[6]；张养安等以陕西省榆林地区为例，利用遥感技术对水土流失现状进行了分析[7]。

对水土流失(土壤侵蚀)的研究工作主要包括定性研究和定量研究，其中，定量研究相对于定性研究而言难度更高、技术要求更复杂，但对于精确掌握水土流失现状和进行针对性治理具有重要意义。目前，GIS和遥感技术是最为广泛使用的土壤侵蚀定量研究手段，可对水土流失现状进行相对可靠的时空分布计算和分析[8- 11]。本文结合前人研究理论和方法，将GIS技术和遥感技术应用于中国2007以及2017两个时期水土流失的定性和定量分析，以期为水土流失治理工作提供借鉴。

1 研究方法及技术路线

本文首先采用日降雨量估算半月降雨侵蚀模型对降雨侵蚀力进行了时空分析，得到R值，然后利用EPIC公式得到了土壤侵蚀因子K值；再分别通过SRTM DEM法和植被数据分别得到坡度因子和植被管理因子值，从而最终确定土壤侵蚀强度的分级图，进行水土流失的定性和定量评价，如图1所示。

图1 研究方法及技术路线

2 评价结果

2.1 定性评价结果

利用SRTM DEM法对坡度进行分析，并将植被数据统计结果对土壤侵蚀度进行定性分析，根据水利部相关标准划分分级指标，根据坡度值将坡度分为6级，将植被覆盖度分为5级，二重组合下，将土壤侵蚀度分为微度、轻度、中度、强烈和极强烈五个等级，见表1。

运用Arc GIS分析软件计算出2007年和2017年两个不同时期的侵蚀强度的分布图，如图2所示。从图2可以看到：两个时期的的土壤侵蚀强度分布具有一致性，微度和轻度侵蚀基本分布于中东部、西南及北方地区，强烈侵蚀和极强烈侵蚀均集中于西北、青藏高原部分地区，中度侵蚀在2007年主要分布于甘肃、宁夏、陕西、青藏高原部分地区以及东南沿海一带，而到了2017年，中度侵蚀则主要集中于云贵高原、甘肃、宁夏、陕西、山西以及青藏高原部分地区，广东、福建沿海地区的土壤侵蚀有所好转，这是由于近些年来该地区对水土保持工作加大了力度，水土流失情况明显好转。

表1 分级指标表

图2 土壤侵蚀强度定性分布图

2.2 定量评价结果

植被覆盖与管理因子C是评价土壤侵蚀强度的主要指标之一，基于遥感技术，可计算相应的C值：

(1)

式中，α、β—分别为计算分析参数;NDVI—遥感植被指数。通过分析计算分别得到了2007年和2017年两个时期的年内C值变化特征，如图3所示。从图3可以看到，C值在年内分布具有明显的季节性特征，11月—来年4月，植被覆盖度较低，C值较高，而到了4—9月，植被覆盖度较高，则C值较低；2017年的C值整体上要低于2007年，特别是在7—9月最为明显，这与近年来国家重视水土保持工作有关，这与上文分析结果一致。

图3 2007、2017年C值年内变化

将降雨侵蚀力(R)、土壤侵蚀力(K)、坡度因子(S)以及C值统一投影和栅格大小，得到了土壤侵蚀模数特征值，见表2。从表中可以看到，2007年和2017年的最小侵蚀模数均为0，但最大侵蚀模数和平均侵蚀模数有所差别，2017年较2007年分别减少了近7.9%和16%，侵蚀量则从2625亿t降低至2133亿t，这与上文分析结果一致。

表2 土壤侵蚀模数值

3 时空分布特征分析

3.1 空间分布特征

根据SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》，将土壤侵蚀模数单位由t/(ha·a)转换为t/(km2·a)，得到了两个时期的土壤侵蚀强度空间分布图，如图4所示。从图4可以看到，剧烈和极强烈的分布范围较广，且主要集中于黄土高原、南方红壤丘陵区、东北部分地区、青藏高原东南、云贵高原、新疆部分地区，中度侵蚀主要集中于华北华东及东北部分区域；2017年与2007年相比，东北及华东地区的剧烈侵蚀和中度侵蚀面积有所减少，土壤侵蚀程度明显减弱。

表3 南方红土壤丘陵区土壤侵蚀强度随时间转移分析 单位：km2

图4 土壤侵蚀强度定量分布图

3.2 随时间动态转移分析

利用Arc GIS软件分析得到了2007—2017年不同级别侵蚀强度面积转移情况(以南方红壤丘陵区为例)，见表3。从表中可以发现：从2007到2017年，共有348203km2的面积发生土壤侵蚀强度的转移；2017年的微度侵蚀主要由2007年的轻度侵蚀转移而来，轻度侵蚀则主要由2007年额强烈和极强烈转移而来，其次为微度侵蚀和中度侵蚀转移而来；中度侵蚀主要由强烈和极强烈转移而来，占比为93.37%；强烈侵蚀主要由极强烈侵蚀、剧烈侵蚀和中度侵蚀转移而来，占比达到99.9%；极强烈侵蚀主要由剧烈侵蚀转移而来，占比为80%；剧烈侵蚀主要由极强烈转移而来，占比为93.61%。总体而言，2017年的微度和轻度侵蚀面积在增加，表明水土流失治理工作取得一定成效，但要注意部分地区的恶化问题。

4 结论

通过遥感和GIS技术对我国2007和2017年两个时期的土壤侵蚀强度进行了定性和定量分析，整体而言，近10年来我国的水土流失情况有所好转，东部地区的土壤侵蚀强度在逐渐降低，但西部局部地区的土壤侵蚀强度在增加，需要在后期加强水土保持治理力度；研究结果对于我国下一步水土流失治理工作的开展具有一定的参考意义。