2010—2020年重庆市万州区水土流失敏感性时空分析

涂 云 刘 港

（1.重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404120；2.重庆市三峡水库岸坡与工程结构灾变防控工程技术研究中心，重庆 404120）

0 引言

开展水土流失敏感性评价可以为水土流失防治提供科学依据，能更好地识别出水土流失的易发地区，从而提前制定防治方案，采取防治措施，减少土地生产力和水土资源的损失。目前，对于三峡库区土壤保持重要区的研究大多数采用通用土壤流失方程和GIS空间技术结合，且选取的研究时间相对较远［1-3］。重庆市万州区位于三峡库区土壤保持重要区腹心［4］，开展水土流失敏感性研究对水土资源保护具有重要意义，但近年来对该区域水土流失敏感性的研究较少，本研究采用修正通用水土流失方程［5］和GIS空间技术对万州区2010年、2015年和2020年三期数据进行水土流失敏感性研究，分析万州区2010—2020年的水土流失敏感性的空间分布和时间变化，旨在为万州区水土资源保护工作提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

万州区位于三峡库区腹心、重庆市东北部。下辖52 个镇乡街道，区域面积为3 457 km2。位于东经107°52′22″—108°53′25″，北纬30°23′32″—31°0′20″，东邻云阳，南接石柱、湖北利川，西连梁平、忠县，北邻开州和四川省开江县［6］。地形起伏，平坝、丘陵、低山、中山、槽谷相间排列，属典型丘陵地带。地势西高东低，长江自西南流向东北将其分为东南、西北两部分。海拔范围为106~1 762 m。相关数据来源见表1。

表1 数据来源与说明

2 评价因子分析

以修正通用土壤侵蚀方程RLUSE 为理论依据，选取降雨、起伏度、土壤、植被、土地利用现状等因子进行水土流失敏感性单因子分析。参考《生态功能区划暂行规程》［7］和相关文献［8-10］将上述因子对研究区水土流失敏感性的影响程度划分为五个等级，分别是微度敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感以及强烈敏感。划分标准见表2。

2.1 降水侵蚀力因子（R）

降水侵蚀力因子计算公式是基于雨量性质以及地理位置等自然条件的差异，各个区域的最佳R值测算方法也有所不同。本研究采用周伏建等［11］提出适合南方降雨侵蚀力的计算方法确定万州区的年R值估算公式，如式（1）。

式中：Pi为平均月降雨量，mm；Ri为年降雨侵蚀力，MJ·mm/（hm2·h·a）。

采用2001—2010 年的逐月降雨数据、2006—2015 年的逐月降雨数据、2011—2020 年的逐月降雨数据计算出2010年、2015年、2020年三期的平均月降雨量，并代入式（1），得到R因子指数。按照表2对万州区三期R因子指数进行赋值，绘制三期R因子水土流失敏感性分级图。

2.2 土壤可蚀性因子（K）

根据万州区土壤质地类型数据，万州区土壤类型以壤土、黏土、粉砂壤土和壤质砂土为主。按照表2 对万州区土壤可蚀性因子K值进行赋值，绘制万州区土壤质地对水土流失敏感性分级图。

2.3 地形因子（LS）

以万州区DEM栅格数据为基础，在ArcGIS10.7软件中邻域分析模块，采用焦点统计，提取出地形起伏度矢量。并按照表2对万州区LS因子指数进行赋值，绘制万州区LS因子水土流失敏感性分级图。

表2 水土流失敏感性影响因子分级赋值表

2.4 植被覆盖度因子（C）

根据万州区2010年Landsat TM 5影像、2015年Landsat OIL 8 遥感影像和2020 年哨兵2 号进行遥感解译得到三期的植被归一化指数（NDVI）数据，采用李苗苗［12］的方法，通过NDVI计算植被覆盖度，计算公式如式（2）。

式中：NDVI为植被归一化指数；NDVIsoil为完全无植被覆盖地表的NDVI值；NDVIveg为完全由植被所覆盖的NDVI值。

采用NDVI的频率累积值，以累积频率为2%的NDVI值为NDVIsoil，累积频率为98%的NDVI值为NDVIveg，运用ENVI5.3软件的band math模块计算植被覆盖度指数。并按照表2 对万州区LS因子指数进行赋值，绘制万州区LS因子水土流失敏感性分级图。

2.5 水土保持措施因子（C）

根据2010 年、2015 年和2020 年土地利用现状图，查阅相关文献［13-15］，采用土地利用类型数据来表示水土保持措施因子。本研究依据《土地利用现状分类》的相关划分规定［16］，将万州区30 m 土地利用数据通过ArcGIS10.7 软件分类功能划分为耕地、有林地、灌木林地、草地、湿地、水域、建设用地及未利用地8 大土地利用类型。并按照表2 对万州区P因子指数进行赋值，绘制万州区P因子水土流失敏感性分级图。

3 综合评价分析

首先将以上数据在ArcGIS10.7 软件重采样工具下统一为30 m 分辨率栅格数据，其次进行水土流失敏感性指数计算，然后采用ArcGIS10.7 软件中的自然断点分类工具将水土流失敏感性指数划分为微度敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感以及强烈敏感5 个等级［17-18］，最后采用转移矩阵计算方法［1］进行数据统计分析水土流失敏感性变化。水土流失敏感性指数计算公式如式（3）。

式中：SSi为i空间单元水土流失敏感性指数；Ri、Ki、LSi、Ci、Pi分别为降雨侵蚀力评估因子、土壤可蚀性评估因子、地形评估因子、植被覆盖度评估因子、水土保持措施评估因子。

4 评价因子分析结果

4.1 降水侵蚀力因子（R）

根据式（1）计算出的R因子数值如表3。

表3 万州区2010年、2015年、2020年R值变化表

由表3可知，2010—2020年，R因子的最低值和最高值都在不断增加。

根据表2进行划分得到三个时期的R因子敏感性等级分布情况：2010年楼牌街道区域有极少部分处于轻度敏感区，占总面积的0.021%；2020 年武陵镇有少部分处于高度敏感区，占总面积的0.149%，其他区域均处于中度敏感区；而2015 年万州区全部处于中度敏感区。表明R因子水土流失敏感性等级基本不变。

4.2 土壤可蚀性因子（K）

根据表2进行划分得到万州区K因子敏感性空间分布，分布敏感性有低度敏感、中度敏感和高度敏感3 种。经数据统计，低度敏感区、中度敏感区和高度敏感区分别占比14.92%、33.60%和51.47%，其中，中度敏感区和高度敏感区占比为85.07%，表明万州区K因子敏感性较大。

4.3 地形因子（LS）

根据表2 进行划分得到万州区LS因子敏感性等级分布，如表4。

表4 万州区LS因子敏感性等级分布表

由表4 可知，微度敏感占比为0.54%、低度敏感占比为4.52%、中度敏感占比为23.76%、高度敏感占比为69.43%、强烈敏感占比为1.75%。其中，中度敏感、高度敏感和强烈敏感占比为94.94%，表明K因子整体上敏感性较大。

4.4 植被覆盖度因子（C）

根据表2进行划分得到万州区C因子敏感性等级分布，如表5。

表5 万州区C因子敏感性等级分布表

由表5 可知，2010 年微度敏感和低度敏感占比达到93.89%，C因子敏感性整体上比较低。在2015年呈现出敏感性扩张，低度敏感区增加17.03%，中度敏感区增加15.01%，高度敏感区增加4.11%，强烈敏感区增加1.61%。表明2015 年C因子敏感性整体上升，低度敏感区和中度敏感区扩张明显。

2020 年与2015 年相比，低度敏感区减少14.78%，中度敏感区减少7.89%，高度敏感区减少2.10%，强烈敏感区减少0.95%，其中，低度敏感区和中度敏感区有明显减少。表明2020 年C因子敏感性整体下降。在2010—2020 年C因子敏感性变化趋势为先升高后降低。

4.5 水土保持措施因子（P）

根据表2进行划分得到万州区P因子敏感性等级分布，如表6。

表6 万州区P因子敏感性等级分布表

根据表6 分析可知，三期P因子的敏感性占比基本一致，P因子敏感性以高度敏感区和低度敏感区为主。通过ArcGIS10.7 软件进行状态转移矩阵数据分析，得到2010—2020年间P因子敏感性保持不变的区域占97.97%，其中，低度敏感区和高度敏感区分别占比50.51%和44.03%，表明P因子敏感性整体上保持稳定。

5 综合评价分析结果

将上述各因子的敏感性等级划分代入式（3），将敏感性指数在ArcGIS10.7 软件重分类模块下进行自然断点分类等级划分，得到万州区水土流失敏感性等级分布表，如表7。

表7 万州区水土流失敏感性等级分布表

由表7 可知，2010—2020 年中度敏感区、高度敏感区和强烈敏感区整体上呈先升高后下降的趋势。

通过ArcGIS10.7 软件分析，得知2010 年高度敏感区和强烈敏感区主要分布在长江沿岸。2015年与2010 年相比，长江沿岸的高度敏感区和强烈敏感区有明显减少；但在除长江沿岸其他区域，中度敏感区有明显的扩张。2020 年与2015 相比，中度敏感区、高度敏感区和强烈敏感区有所下降。在空间上强烈敏感区和高度敏感区主要分布在天城镇、熊家镇、高峰镇、罗田镇。

通过ArcGIS10.7 软件进行状态转移矩阵数据分析得到表8和表9。

表8 万州区2010年和2015年水土流失敏感性状态转移矩阵表

表9 万州区2015年和2020年水土流失敏感性状态转移矩阵表

由表8 可知，2010—2015 年由微度敏感、轻度敏感状态转换为高度敏感、强烈敏感状态的面积占3.51%，面积占比小；但微度敏感、轻度敏感状态转换为中度敏感状态的面积占26.36%，敏感性状态整体上有明显上升趋势。由表9 可知，2015—2020年由中度敏感、高度敏感、强烈敏感状态转换为微度敏感、轻度敏感状态的面积占比22.03%，面积占比较大，敏感性状态整体上有明显降低趋势。

通过ArcGIS10.7 软件进行空间分析得知，2010—2020 年期间敏感性较高的长江沿岸乡镇街道、熊家镇和天城镇区域整体上有明显的降低，目前万州区水土流失敏感性状态处于下降趋势。2010—2015年期间全域敏感性状态整体升高，这与该期间城市化建设和城镇化建设扩张导致植被覆盖度降低有关。在2010年、2015年、2020年三个时期敏感性较高的高峰镇、罗田镇、天城镇、熊家镇、大周镇、百安坝街道、五桥街道、钟鼓楼街道仍然是水土流失防治需要优先考虑的区域。

6 结论

通过2010 年、2015 年和2020 年三期数据的综合评价分析，得到以下结论。

①总体上2010—2020 年敏感性空间上呈现出长江沿岸乡镇街道敏感性高、四周敏感性低的分布形式；时间上表现为由“条带状高度敏感”向“全面中度敏感”再向“全面低度敏感”状态演变；整体上先升高后下降。

②研究结果表明，研究方法对2010—2020 年万州区水土流失敏感性空间分布和演化趋势上有较好的呈现，可以为万州区水土流失防治和水土资源保护提供科学依据。