小流域水土保持遥感监测方法研究

2023-09-22何佩诗

水利技术监督 2023年9期

何佩诗，张璐

(湖北志宏水利水电设计有限公司，湖北武汉 430070)

水土流失不仅导致土壤肥力丧失、土体砂砾化、植被减少和农作物减产，而且产生更为甚远而严重的环境、经济和社会影响，比如水资源的污染、干旱灾害发生以及区域贫困化现象加剧等[1-2]。为掌握研究区域(治理区域)内水土侵蚀的时空演化过程，需对区域内的土壤条件、地形地貌、地质水文、植被农作物等进行监测，以为流域的水土流失治理以及生态环境恢复提供决策依据[3]。

1 研究理论

1.1 水土保持遥感解译方法

航空摄影技术的发展大大拓展了人类对自然的认识，以更加多为的时空尺度和宏观角度研究地球科学与地理系信息。遥感技术就是航空摄影的具体应用，利用高空影像信息获取地表的特征信息，可以广泛应用于地形测量、环境治理以及水土流失监测等。本文尝试利用美国LANDSAT TM陆地卫星数据以及中国环境灾害卫星HJ数据进行监测内的遥感数据提取，覆盖时间长度为2017—2021年，影响的空间分辨力为30m，另外根据监测区域内的高程和地形情况，采用ASTER遥感数据生成数值高程数据以及地形因子坡度S数据[4]。在完成遥感影响数据提取之后，对其进行预处理，比如云标识和数据合成等，并按照分类标准尝试对部分光谱区分明显的图像进行解译，同时也对分裂标准进行同步修改，以更新分类标准，避免同谱异物和信息重叠现象发生，也通过标准的更新达到纠正影响解译准则，提高解译精度的目的[5]。随后，进入人机交互解译阶段，对遥感影响地形进行勾勒、甄别，解译成果与现场实地勘察的结果进行对比验证，同步到地也对影像进行拓扑检查、完善，避免空白图斑的现象发生，最终复合解译精度并输出成果。具体的遥感解译方法如图1所示。

图1 遥感数据处理及解译流程

1.2 区域水土流失评价地形因子指标提取

在水土流失评价数学函数模型中，Williams提出的改进通用土壤侵蚀方程应用较为广泛，其包含的参数考虑了地表径流Q(地质水文因子)、降雨峰值qpeak(降雨因子)、地形因子La、植被覆盖率Ca(植被因子)、土壤含砾石百分比D、土壤侵蚀系数k(土壤因子)。水土流失量Sed的具体计算公式如方程(1)所示[6-7]。

Sed=12×(Q·qpek·A)0.56·k·Ca·p·La·D

(1)

式中，A—流域面积；p土壤防水土流失措施因子。

地形因子La的计算公式，由公式(2)—(3)得出[8-10]。

La=L×S

(2)

(3)

式中，坡长—L，m；S—坡度因子；θ—坡度值确定。

2 流域的水文特征及年径流深度拟合分析

2.1 研究流域的水文特征分析

十堰市郧阳区位于湖北省西北部(山区)，汉江中上游，鄂、豫、陕3省交界处，与西邻的郧西为本省最北的两个县、区，属丹江、黄龙库区和秦巴山区，是一个集“老、少、边、山、库”于一体的国家级贫困县、区。地跨东径110°07′～111°16′，北纬32°25′～33°15′之间。全区辖20个乡镇(场)，341个村委会，1743个村民小组，63.31万人(农业人口49.8万人)，劳力26.99万个。郧阳区东南接丹江口市，东北与河南省淅川县交错接壤，西北与陕西省商南县、湖北省郧西县相连，西及西南分别与陕西省白河县、湖北省竹山县、房县毗邻。南距十堰市区34km，东南距省会武汉市535km。国土总面积3863km2。

郧阳区境内共有大小河流769条，按河流长度分：5km以上河流139条，其中10km以上63条，20km以上19条，1～5km的有630条；按流域面积分：集雨面积5km2以上139条，其中20平方km以上55条，50km2以上26条，100km2以上13条。全区河流呈树枝状、羽毛状分布、河流总长度3351km，河网密度0.87km/km2。如图2所示。

图2 研究流域水系分布

郧阳区境内河流属长江流域汉江水系。境内地势呈自南北西逐渐向中部倾斜的特点，因此，汉水入境后，由西向东从中部流过，除滔河与汉水近乎平行汇入丹江，属间接汇入汉水外，其它河流分别由南北直接注入汉水，形成向心状水系。境内河流受地形的影响流程一般都较短，50km以上的内河只有曲远河和将军河，其它河流长度大都在20km以下，这些河流具有长度短、汇流快、落差大的特点，山洪频繁，危害甚大。比降在12%～30%之间，河道狭窄，伴有岩坎跌水，不利航运，但水能资源较丰富。根据调查计算，全区的水能的理论蕴藏量89814Kw，可开发量33262Kw，占理论蕴藏量的37%。

巨家河地跨十堰市郧阳区白桑关镇、安阳镇两镇，为汉江中游左岸的一级支流，属汉江水系，发源于郧阳区白桑关镇秀峪沟村三保寨(高程1002.1m)。巨家河沿途流经白桑关镇秀峪沟村、下院、麻花铺村、白桑关镇、猴猿沟村、柏营村、淘沟河村、白湾村、安阳镇寨沟村、陈营村、李营村、小河村、龙门塘村，从龙门塘村汇入汉江丹江口水库。巨家河主河道可分为3段：上游淘沟河段，中间巨家河水库段、下游龙门河段，其中在巨家河水库以上的上游段叫淘沟河，巨家河水库以下下游段称龙门河。主河道全长40km，流域面积229km2(包括塘耳沟)。流域最高点高程1002.1m(位于三保寨)，最低点高程150m(位于龙门堂村赵家院)，相对高差约852m。流域为山区呈长带形，植被良好。

大沟河为巨家河中游左岸的一级支流，属汉江水系，发源于郧阳区安阳镇二龙山村大龙山(高程1083m)，其中高庙河支流汇入口以上的主河段又称为上、下塘河，其下河段又称大沟河。河流上游流向由南向北，中游为由东流向西，下游转为由北向南，沿途流经二龙山村大龙山、龙潭沟村、董家营、上塘河、下塘河、白马堰，于白湾与淘沟河汇入巨家河水库。主河道全长14.2km，流域面积52.5km2。流域为山区椭圆形，植被良好。

杨家河属大沟河左岸支流，为巨家河中游左岸的二级支流，属汉江水系，发源于郧阳区安阳镇二龙山村大龙山西部(高程1083m)。河流上游流向由南向北，中下游转为由东北流向西南，沿途流经北坡、魏家山、银山河、张家堡、杨家河村、李家院、王家院，在詹家营附近下游汇入大沟河。主河道全长6.7km，流域面积7.3km2。流域为山区呈长带形。

2.2 研究流域的年径流深度拟合分析

研究巨家河江湾水文站作为水土保持径流量计算的参证站，研究收集有江湾水文站1959—1990年共32年的实测月径流资料，以及1959—2013年共55年的系列降雨资料。按相关规范的要求，应延长径流系列至近年，则应插补延长其径流系列，因此，需要对江湾站1959—1990年32年径流与同期降雨建立相关关系，然后展延径流系列。年径流深度与降雨量拟合计算方法如公式(4)～(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式中，Cvx—降雨量x的离差系数；Kxi—降雨量x的年均系数；Cvy—年径流深度y的离差系数；Kyi—年径流深度y的年均系数；r—拟合相关系数。

拟合计算过程见表1，拟合结果由公式(7)得出，拟合相关系数为0.893。

表1 研究流域降雨量与径流量的拟合关系

y=0.41x-51.42

(7)

式中，y—年径流深度，mm；x—降雨量，mm。

3 水土保持遥感监测结果分析

基于遥感航空摄影及解译技术，提取地形因子指标，对区域内水土流失进行评价，计算研究流域内水土流面积占总面积的百分比、平均侵蚀模数，结果见表2。从表2中可以看出，讲究区域内的水土流失侵蚀程度可以划分为6个等级，分别为微度、轻度、中度、强度、极强度和剧烈，同一水土流失程度等级下，不同年份的水土流失面积占总面积的百分比，呈现一定程度的波动，但波动范围较小，即数值上较为接近；在同一年份下，随着水土流失侵蚀程度的加剧，水土流失面积占总面积的百分比逐步减小，而平均侵蚀模数则不断增加。从微度侵蚀向剧烈侵蚀变化时，随着侵蚀强度的增加，不同侵蚀等级的水土流失面积占比也逐渐减小，监测区域内的水土流失侵蚀等级主要为微度侵蚀和轻度侵蚀，两者的面积占比之和大于70%。

表2 监测区域内不同水土侵蚀程度的水土流失面积占总面积的百分比

2021年度研究流域内地形因子指标(坡度)与水土流失面积之间的相关关系见表3。从表3中可以看出，地形因子指标可以大致划分为6个区间，分别为0°～15°、15°～30°、30°～45°、45°～60°、60°～75°和75°～90°。流域内的水土流失面积主要集中在坡度角度较小的范围内，水土流失治理时应重点放在地形坡度小于30°时的水土侵蚀治理，而坡度角度大于75°时，水土流失的面积较小。