基于GIS 的新疆阿勒泰地区水土流失研究

2020-11-19庞毅

陕西水利 2020年9期

庞毅

（新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站，新疆乌鲁木齐 830000）

水土流失、土壤侵蚀在新疆维吾尔自治区都有自己的区域特殊性，这是由于土地资源质量的退化和水土流失造成的破坏原始表面结构的发展和人类社会几千年来的建设项目。随着现代经济的发展，人口的增长和区域发展的进一步加速，新疆土壤侵蚀和水土流失的问题会变得越来越严重，环境质量将进一步减少，这将严重影响经济和社会的可持续发展。新疆土壤侵蚀类型复杂多样，可分为风蚀、水力侵蚀和冻融侵蚀三种类型[1]。水土流失的产生，是各类自然条件综合作用的结果，合理的地形、植被以及水源条件才能产生水土流失。本文从地形地貌和植被盖度两方面探讨了阿勒泰市土壤侵蚀的强度分布。

1 研究区概况

阿勒泰市位于亚洲大陆腹地，据史料记载，秦朝时候，就已经有部落生活在阿勒泰地区，阿勒泰市总面积达10800 km2，见图1。阿勒泰山脉在北部形成了自然的北方地理屏障，曾格盆地接邻南部边缘，因此，阿勒泰市形成了较为特别的天气条件，南方与北方的气候差异巨大。阿勒泰地区地区有三大水系通过境内，水资源储量非常丰富。

图1 阿勒泰市地理位置图

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文使用的数字高程模型提取自资源三号遥感测绘卫星，通过ENVI 和ArcGIS 软件进行提取、校正等工作，经过检验，提取精度较高[2]。它的机身上主要搭载4 台光学相机，包括1 台2.1 m 分辨率的全彩相机、2 台3.6 m 分辨率的正、反相机。它能够以长期、连续和稳定的方式获得立体全色图像、多光谱图像和辅助数据见表1、图2。

表1 技术参数

图2 阿勒泰市DEM 数据

2.2 研究方法

（1）地形起伏度

研究区域高程的最高点与最低点的差值即是地形起伏度[6]。地形起伏度可以将地形因素进行定量描述[3]。地形起伏计算表达式如下：

式中：hx,y为领域内像元的高程值；hxy,max和hxy,min分别代表目标栅格最大和最小高程值（x,y=1,2,3，…，n）；Δh 表示高程值差；N 为栅格的个数；S 为栅格的起伏度和；M 为平均起伏度值。

（2）水土流失

原则上水土流失强度的分类以允许土壤流失和最大国民损失为两极值，并通过插值法分为六个等级（见表2）。由于研究区地域辽阔，自然类型多样，不同地区的土壤形成速率不同，不同侵蚀区的土壤容许流失量不同[4]。土壤允许流失量是指长期保持土壤肥力的最大流失量和土地生产力的基本稳定性。

表2 水土流失强度划分标准

（1）提取坡度系数。在ArcGIS 10.2 软件中，利用资源三号遥感卫星提取出阿勒泰市数字高程模型，然后运用“空间分析”模块中的“地表分析”工具生成研究区的坡度分布栅格图，并按5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°25°～35°和＞35°的范围进行重新分类。

（2）土地利用分布类型因子。根据2014 年研究区的遥感图像，在ENVI 5.1 软件中，研究区的土地利用类型分为：草地、林地、未利用地、建筑用地、水体。

（3）植被覆盖因子的提取。在ENVI 5.1 软件中，利用波段数学工具，利用遥感方法估算植被覆盖度。NDVI 二元模型是线性混合像元分解模型中最简单、最准确的一种，用于植被覆盖度的估计。

3 结果分析

3.1 地形分析

（1）地形起伏度

在ArcGIS 的分析窗口中，利用栅格计算器，设置statistics type 为最大值，得到最大值图层，设置statistics type为最小值，得到最小值图层，然后将最大值图层减去最小值图层得到研究区起伏度。然后依据地形起伏度划分标准（见表3）对地形起伏度进行重分类色块显示。

表3 地形起伏度划分表

均值变点法是数理统计学当中的方法。数据拟合曲线应该是非线性的，并且只有一个变化点。在地貌研究中，该方法可以快速确定平均地貌生长速率的拐点，即最佳统计单元。在系统模型统计中，当一个时间突然变化时，时间就是变化点[5]。计算过程大致如下：将样本数据 i=2，…，N，分为 X1，X2，…，Xi-1和Xi，Xi+1，…，Xt。

图3 均值变点法统计图

经过均值变点法计算结果见图3，可以看出，当网格窗口为5 m×5 m 时，提取的起伏度为最佳值，见图4。

图4 阿勒泰市地形起伏度图

表4 阿勒泰市地形起伏度统计表

由图4 和表4 可以得到阿勒泰市境内以平原为主，占比达到54.96%，主要集中分布在南部地区。地势总体呈现北高男低的趋势。北部以山地为主，山地面积占总面积21.43%。水土流失严重地区也主要在北部山区。

（2）坡度分析

图5 阿勒泰坡度分析图

由图5 可以看出，阿勒泰地区南部平均坡度较低，经过统计，平均坡度仅有3.27°，而北部山区平均坡度较高，为17.3°。

（3）植被覆盖分析

根据研究区域2018 年的遥感图像，利用研究区域的红外波段和近红外波段，根据以下公式估算研究区域内每个像素的归一化植被指数（NDVI）[6]：

式中：NIR 表示近红外波段；RED 表示红外波段。

然后，根据经验选取置信区间，确定NDVIsoil和NDVIveg，依照下式估算各像元的植被覆盖度FVC：

得到植被覆盖度解译图6。

图6 植被覆盖解译图

通过图6 可以看出，阿勒泰北部山区及南部平原地区植被覆盖度较好，经统计，北部地区植被覆盖度可达87.3%，南部地区植被覆盖度为63.2%。中部及中东部地区植被覆盖较差，仅为32.1%。平均植被覆盖度为64.5%。

3.2 水土流失分布分析

对各个图层进行分析和统计。在阿勒泰市土地利用类型中，通过调查分析，将水体划分为无水土流失强度类型，建设用地划分为微水土流失强度类型。总结其他四类土地，得到阿勒泰市2019 年水土流失强度空间分布图7。

图7 阿勒泰市水土流失强度分布图

表5 阿勒泰市水土流失面积占比表

由图7 和表5 可以看出，阿勒泰市水土流失较为分散，微度侵蚀范围最广，面积达到了43.2%，集中分布在地势较为平坦的平原、台地和丘陵地区。轻度和中度侵蚀区域主要分布在台地地区，面积占比为23.9%、12.4%。大起伏山地区域主要以强度和极强度侵蚀为主，占比为10.3%、5.77%。剧烈侵蚀零星分布在山地地区，占比最小，仅为4.43%。北部地区主要为冰雪的冻融侵蚀。南部低洼地区主要受到水力侵蚀。