小流域水土流失现状及动态变化分析评价

庄志东

(彰武县苇子沟镇水利站,辽宁 彰武 123212)

小流域多分布于流域上游或河流源头,这是构成江河水系的重要单元。由于特殊的气候环境及地貌形态,彰武县小流域往往受到地质灾害的影响,如泥石流、滑坡、山洪等。一般小流域多分布于偏远山区或农村,对暴雨洪水灾害抵御能力和基础建设投入不足,在人为和自然因素的双重作用下小流域土壤侵蚀严重,极大地限制了农村经济的持续发展。因此,为有效防治水土流失水利部门提出实施小流域综合治理等措施,全面掌握水土流失的年际动态变化、强度、分布类型及面积等信息,可为小流域水保措施布设和优化设计提供数据支持[1-3]。鉴于此,文章以彰武县土城子小流域为例,选取覆盖土城子小流域的卫星遥感影像,基于RS和GIS技术更新解译土地利用数据,采用中国土壤流失方程(CSLE)和差值方法计算分析2015年、2020年土城子小流域土壤侵蚀及其动态变化规律,通过评价分析水土流失现状及动态变化提出行之有效的防治对策,以期为北方土石质山区小流域综合治理提供技术和数据支持。

1 小流域概况

土城子小流域位于彰武县东部苇子沟镇境内,地处E122°40′49.77″～122°47′31.85″、N42°24′51.62″～42°28′30.98″,属于养息牧河流域。该流域为北方土石质山区,属半干旱、半湿润大陆性季风气候,年均降水量433mm,雨量多集中于夏秋两季,呈短历时暴雨特征。通过更新解译彰武县土地调查成果可知,土城子小流域现有土地资源34.47km2,其中耕地2234hm2,占总面积的64.8%,其中旱平地1314hm2,占总耕地的58.8%,坡耕地920hm2,占总耕地的41.2%;园地137 hm2,林地855hm2,荒草地37hm2,水域及水利设施用地4hm2,城镇村及工矿用地154hm2,沟壑26 hm2。

2 研究方法

2.1 数据预处理

研究所用数据包括土城子小流域矢量范围数据、降雨量数据、土壤数据、地形地貌数据、卫星遥感影像和土地利用数据等。通过重采样、增强、裁剪、镶嵌、影像融合、正射矫正、大气校正、辐射矫正等预处理2015年和2020年卫星遥感影像,可获取空间分辨率2m的遥感影像,通过合成最大值、确认与去除空值、投影转换等预处理2012—2014年和2017—2019年MODIS归一化植被指数(NDVI)。

2.2 计算方法

中国土壤流失方程CSLE是考虑我国水土保持实际情况、地形地貌特点和各类影响水土流失的因素,通过改进通用方程USLE的地形因子使其更加适用的土壤侵蚀计算方法,具体表达式为[4-6]:

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中:A为土壤侵蚀模数;R、K、L、S、B、E、T为降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长、坡度、植被覆盖与生物措施、水土保持工程措施和耕作措施因子。

2.3 水土流失因子计算

2.3.1 降雨侵蚀力因子R

采用降雨侵蚀力公式和彰武县及周边地区1985—2020年逐日降雨量数据计算雨量站年均降雨侵蚀力,并应用克里金空间插值法和Arc GIS软件获取R因子数据,空间分辨率10m。

2.3.2 土壤可蚀性因子K

从彰武县土壤分布图中提取土城子小流域土壤类型,利用有关公式和现场采样调查结果计算土壤可蚀性因子,经重采样后获取K因子数据,空间分辨率10m。

2.3.3 坡长坡度因子LS

根据1∶5万数字高程模型(DEM)和北京师范大学开发的工具,计算获取土城子小流域坡长坡度因子,经重采样获取L因子、S因子数据,空间分辨率10m。

2.3.4 植被覆盖与生物措施因子B

采用参数修订法和已处理的MODIS归一化植被指数(NDVI)产品计算小流域的植被覆盖度,依据土地利用类型数据、降雨侵蚀力因子比例计算植被覆盖与生物措施因子,经重采样获取B因子数据,空间分辨率10m。

2.3.5 水土保持工程措施因子E

通过解译卫星遥感影像和查询赋值表获取流域内的水土保持措施及其因子值,经重采样获取E因子数据,空间分辨率10m[7]。

2.3.6 耕作措施因子T

从“耕作措施轮作区代码”字段值查询赋值表中获取流域内耕作措施因子值,经重采样获取T因子数据,空间分辨率10m[8]。

2.4 土壤侵蚀模数

以格栅为单元,采用Arc GIS空间分析平台对7个水土流失因子格栅数据进行图层乘积,从而获取土壤侵蚀模数,各个格栅的土壤侵蚀强度按照《土壤侵蚀分类分级标准》确定,以土城子小流域为单元确定2015年、2020年土壤侵蚀数据[9]。

2.5 图斑落地

通过以上处理,可以获取以格栅形式表达的2015年、2020年土城子小流域的土壤侵蚀数据,考虑到CSLE方程是以像元为计算单元,多种土壤侵蚀类型会存在于同一个土壤侵蚀地块,不利于实际应用分析[10]。所以,为综合判断以土壤侵蚀地块为单元的土壤侵蚀强度引入高强度侵蚀结构指数和平均土壤侵蚀模数,经过概化处理,将土壤侵蚀强度按矢量的形式来表征。

3 结果与分析

3.1 现状分析

针对各因子格栅数据,采用Arc GIS的空间分析功能进行叠加相乘、小图斑祛除、图斑落地和重分类等处理,从而生成2015年和2020年土城子小流域水土流失数据,如表1所示。

表1 2015—2020年土城子小流域水土流失变化表

1)2015年水土流失情况。结果表明,2015年土城子小流域土壤侵蚀以人为侵蚀(生产建设、坡耕地等)和自然侵蚀为主,其中自然侵蚀1066.26hm2,占总侵蚀面积93.45%;人为侵蚀中的生产建设、坡耕地侵蚀30.01hm2和44.73hm2,占总侵蚀面积2.63%和3.92%。自然侵蚀以轻度为主并伴随有少量的强烈和中度侵蚀,集中分布于土城子小流域的北部和东部;人为侵蚀主要发生于生产建设和坡耕地上,各侵蚀强度在坡耕地上均有分布,而生产建设以轻度侵蚀为主且分布相对分散,坡耕地侵蚀多分布于流域内水源条件较好的中部、南部。

2)2020年水土流失情况。结果显示,2020年土城子小流域土壤侵蚀总面积141hm2,占流域面积4.09%,其中自然侵蚀130.78hm2,占总侵蚀面积92.75%,占流域面积3.79%;人为侵蚀中的生产建设、坡耕地侵蚀5.32hm2和4.91hm2,占总侵蚀面积3.77%和3.48%。自然侵蚀以轻度为主并伴随着少量强烈、中度侵蚀,轻度侵蚀占总侵蚀面积的68.42%,集中分布于流域内的北部、东部,零星分布于西南部;人为侵蚀主要发生于生产建设和坡耕地上,以轻度侵蚀为主,侵蚀面积依次为3.95hm2和3.53hm2,占总侵蚀面积的2.80%和2.50%。2020年与2015年相比其坡耕地侵蚀面积大幅下降,减少39.82hm2,侵蚀强度也明显减弱,轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈侵蚀面积依次减少6.97hm2、5.86hm2、6.05hm2、9.30hm2、11.64hm2,河流两侧低山丘陵区仍有部分坡耕地存在一定的侵蚀。生产建设各等级侵蚀强度有所下降,但侵蚀面积变幅较小,人类活动密集的平原区受开发建设活动影响仍有一定侵蚀[10]。

3.2 动态变化

从面积变化上,2020年与2015年相比土城子小流域的土壤侵蚀面积减少1000.00hm2,减少幅度达到87.64%;从侵蚀类型上,自然侵蚀降幅最高达到22.09%,其中极强烈、强烈、中度和轻度侵蚀面积降幅依次为0.04%、0.99%、4.01%、22.09%,各侵蚀面积均有所减少,说明2015—2020年自然环境保护取得了显著成效,有效控制了自然侵蚀发展态势,中度及以上侵蚀强度和面积均明显下降。2020年与2015年相比坡耕地侵蚀面积也明显减少,在整个流域范围内减少1.16%,其中坡耕地剧烈、极强烈和强烈侵蚀面积降幅较大,依次减少11.64hm2、9.30hm2、6.05hm2。从图斑分布上,土城子小流域坡耕地和自然侵蚀范围明显减少,但流域内部、东部依然存在一定强度的土壤侵蚀,这是今后土城子小流域水土保持整治的重点。

2015—2020年,对土城子小流域实施的生产建设、坡耕地治理、退耕还林草和生态保护等水土保持项目取得了明显成效,在一定程度上改善了侵蚀强度和范围,但是局部地区依然存在水土流失的情况,应采取差别化防治策略全面改善水土流失现状。针对自然侵蚀采取禁垦禁牧、自然封育等措施,从而加快恢复林草植被,逐步减轻土壤侵蚀;对于坡耕地侵蚀应考虑不同坡度,选择性地实施带状耕作和植物篱等生物措施以及修筑坡式梯田、水平梯田、建设高标准农田;另外,通过加大信息化监管力度和联合执法行动、水土保持遥感监管等,有效防治人为因素所造成土壤侵蚀[11-12]。

4 结 论

文章综合利用RS、GIS技术和CSLE方程计算分析彰武县土城子小流域2015年及2020年的水土流失状况,结论如下:

1)土城子小流域2015年和2020年土壤侵蚀面积依次为1141.00hm2、141.00hm2,占流域面积的33.10%和4.09%,土壤侵蚀以人为侵蚀(生产建设、坡耕地等)和自然侵蚀为主。

2)从侵蚀面积上,2020年与2015年相比土城子小流域的土壤侵蚀面积减少1000.00hm2,其中生产建设、坡耕地和自然侵蚀面积分别减少24.69hm2、39.82hm2、935.48hm2,在整个流域内的减少比例为0.72%、1.16%和27.14%;从侵蚀类型上,自然侵蚀降幅最高达到22.09%,其中极强烈、强烈、中度和轻度侵蚀面积降幅依次为0.04%、0.99%、4.01%、22.09%。流域内北部、东部侵蚀面积大幅减少,但局部地区依然存在坡耕地侵蚀和自然侵蚀,应作为今后土城子小流域水土保持治理的重点。