作者简介:李斌兵,女,陕西西安人,博士研究生,主要研究方向为地图学与地理信息系统。E 2mail:bk,libinbing8@vi p.sina .com 3通讯作者:郑粉莉,研究员,博士生导师,主要研究方向为土壤侵蚀过程、预报及效应评价。E 2mail:flzh@m s .is wc .ac .cn

基于G I S 纸坊沟小流域土壤侵蚀强度空间分布

李斌兵

1,3

,郑粉莉2,龙栋材3,江忠善

2

(1.陕西师范大学旅游与环境学院,陕西西安715600;2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与

旱地农业国家重点实验室,陕西杨陵712100;3.工程学院,陕西西安710086)

摘要:给出水蚀预报模型各因子计算方法,利用GI S 空间数据提取和运算,结合水力侵蚀强度分级,获取流域土壤侵蚀强度空间分布特征。结果表明,流域实际土壤侵蚀强度分布特征是流域沟头侵蚀面积大,侵蚀强度高于沟口,且极易发生极强烈和剧烈侵蚀;流域中部以轻度和中度侵蚀为主,同时左岸侵蚀强度明显强于右岸。流域强烈侵蚀区位于苦荞沟、拐沟、大范家沟、大罗锅沟、正沟,年均侵蚀模数23000～33000t/(k m 2・a );浅沟侵蚀是造成沟间地剧烈土壤侵蚀发生的主要原因,流域土壤侵蚀强度空间分布受地面植被覆盖和坡度制约。关　键　词:浅沟侵蚀;预报模型;侵蚀强度;空间分布

中图分类号:S157　　文献标识码:A 　　文章编号:1000-0690(2009)01-0105-06

　　通用土壤流失方程(US LE —universal s oil l oss

equati on )[1]

建立在美国缓坡地试验资料基础上,没有考虑浅沟侵蚀对土壤侵蚀的贡献。20世纪60年代US LE 颁布以来,该预报方程广泛用于缓坡地土壤流失量的估算。中国是一个多丘陵山地的国家,在复杂陡峻的地形条件和人类活动影响下,浅沟侵蚀在坡面侵蚀产沙中占有重要地位。野外观测资料表明,浅沟侵蚀带的侵蚀产沙量占整个坡面侵蚀产沙量的52.1%～.1%

[2～4]

。因此,建立

适用于中国复杂侵蚀环境的侵蚀预报模型,必须考虑浅沟侵蚀对流域侵蚀产沙的作用。本文以黄土高丘陵沟壑区纸坊沟小流域为例,结合GI S 、考虑浅沟侵蚀的土壤侵蚀预报模型,估算流域各地块的土壤侵蚀量,分析流域的土壤侵蚀强度空间分布特征,为流域水土保持重点部位确定和水土保持效益评价提供理论依据。

1　研究区概况与数据来源

纸坊沟小流域位于陕西省安塞县境内,地处延河中上游,是延河支流杏子河下游的一级支沟,属于黄土丘陵沟壑区第二副区。地理位置在109°13′46″～109°16′03″E 、36°42′42″～36°46′28″N,流域把口

站控制面积8.27k m 2

。受基础地形和现代土壤侵

蚀影响,流域呈现出沟谷密集、地面起伏率大和土壤侵蚀强烈的典型梁峁状黄土丘陵地貌形态。流

域内沟壑密度高达8.06km /k m 2

(1∶1万地形图取50m 以上沟谷量算),上下游沟床相对高差210m ,平均比降37‰。梁峁顶与沟谷高差多在150～200m 。土壤侵蚀以水力侵蚀为主,其次为重力侵

蚀。梁峁坡以片蚀、细沟侵蚀和浅沟侵蚀为主,沟

坡以切沟、冲沟、悬沟侵蚀和重力侵蚀为主[2]

。

本研究所采用的数据包括纸坊沟流域1∶1万DE M 数据和1990～1997年的土地利用图。

2　土壤侵蚀预报模型和因子计算

2.1　模型构建

江忠善等提出坡面水蚀预报模型基本结构形式

[5]

:

A =R KL LS GCP

(1)

式中,A 为土壤流失量[t/(km 2

・a )];R 为降雨侵蚀

力因子[MJ ・mm /(h m 2

・h ・a )];K 为土壤可蚀性性

[t ・h m 2・h /(h m 2

・MJ ・mm ・a )];L LS 为地形坡度坡长

因子(无量纲);G 为浅沟侵蚀因子(无量纲);C 为覆盖和管理因子(无量纲);P 为水土保持措施因子(无量纲)。

第29卷第1期2009年02月　　　　　　　　　　　　　　地　理　科　学SC I E NTI A GE OGRAPH I C A SI N I C A 　　　　　　　　　　　

Vol.29　No.1

Feb .,2009

2.2　模型各因子确定

1)降雨侵蚀力因子(R )。据1995～2000年气

象和径流泥沙观测资料,纸坊沟降雨主要集中6～9月,侵蚀性降雨显著特点是历时短、强度大;高强度的次降雨是造成土壤侵蚀主要因素(图1)

。

图1　纸坊沟小流域降雨特征及输沙模数

Fig .1　Rainfall characteristic and sedi m ent yield in

Zhifanggou s mall watershed

　　王万忠提出的计算年降雨侵蚀力的公式[6,7]

充分考虑了黄土高原降雨侵蚀特点,因此本文采用

该公式作为计算年降雨侵蚀力的标准,即:

R c =16.38(P c I 60/100)

0.953

(2)

式中,R c 为某年降雨侵蚀力[MJ ・mm /(h m 2

・h ・a )];P c 为同年次降雨量≥10mm 的累计年降雨量

(mm );I 60为同年最大60m in 的降雨强度(mm /h )。

在研究年限中,由于1995年的降雨具有降雨时间长、强度大,最大30m in 降雨强度达0.947mm /m in,全年大于10mm 的降雨量为450.1mm

的强侵蚀降雨特点,流域出口站的实测侵蚀量为2624.2t/k m 2

。因此,选择当年降雨资料计算年降

雨侵蚀力为3232.7[MJ ・mm /(h m 2

・h ・a )]。

2)土壤可蚀性因子(K )。土壤可蚀性因子以单位降雨侵蚀力在标准小区上引起的土壤流失量来衡量。流域内主要土壤类型为幼年土黄绵土,其面积占土壤总面积的63.5%左右;其次为红胶土(25.1%);其余为潮土(0.5%)、新积土(0.3%)、粗骨土(10%)和石质土(0.6%)。由于研究区土壤中粉砂(粒径0.002～0.05mm )+极细沙(粒径0.05～0.1mm )含量不超过70%,所以K 因子计

算选用如下方程式计算

[1]

:

100K =2.1M

1.14

(10-4

)(12-a )+

3.25(b -2)+2.5(c -3)

(3)

式中,M 为土壤颗粒级配参数,M =“粉砂+极细沙”含量百分数×(100–粘粒含量百分数);a 为有机质含量(%);b 为土壤结构编号;c 为土壤渗透性等级。按公式(3)计算上述六种土壤的K 值,分别为0.37,0.42,0.34,0.22,0.23和0.24。据此制作土壤可蚀性k 值分布图。

3)坡长坡度因子(LS )。在拟定的标准小区

条件下,坡长坡度LS 因子的计算公式

[2,3,8]

l L S =(

λ/20)m (θ/20)n (4)式中,l L S 代表坡长坡度因子,λ为坡长,m 为坡长指数,θ为坡度,n 为坡度指数。江忠善和郑粉莉综合分析了全国各地区坡长指数m 值的研究成果,推荐全国统一采用的可变坡长因子m 值,可由下列两种方法来确定。一是采用分段取值方法,当θ≤5°,m =0.15;当5°<θ≤12°,m =0.2;当12°<θ≤22°,m =0.35;当22°<θ<35°,m =0.45。在坡度因子方面,全国各地的坡度幂指数n 值的变化为1.2～1.6,并且主要集中在1.3～1.45之间,推荐

全国统一采用的坡度指数n 值为1.3～1.4,因此,

本文m 取0.4,n 取1.375。

用A rcGI S 计算每一格网单元的像元坡长。设流域内所有格网单元总数为max,公式如下:λi =

6

i

1

(D i /cos θi )-

6

i-1

1

(D i /cos θi )=D i /cos θi

(5)

式中,λi 为待求像元坡长,D i 为沿径流方向的像元坡长的水平投影距离,在栅格图象中是两相邻像元的中心距离,大小随方向而异,θi 为待求像元的坡度,i 为待求像元的格网号(i =1,2,…max )。

根据公式(4)和(5),在A rcGI S 中进行栅格运算得到坡长坡度因子(图2)。

　　4)浅沟侵蚀因子(G )。浅沟侵蚀是坡地中下部土壤侵蚀主要方式之一,尤其在中国黄土高原坡面土壤侵蚀中有重要作用。该因子计算公式为

[5]

:

G =1+β

(6)

式中,β为浅沟侵蚀因子校正系数,主要受降雨、汇流强度、坡度坡长和土壤性质的影响。当坡面无浅沟侵蚀时,β=0。

在无植被覆盖的黄土陡坡条件下,浅沟侵蚀因子校正系数β主要受降雨因素和地面坡度的影响,是一个动态参数。取浅沟侵蚀发生的临界坡度θc 为15°,得到当地面坡度大于15°的浅沟侵蚀因子

601　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地　　理　　科　　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷

图2　流域坡长坡度因子图

Fig .2　Map of sl ope length and sl ope steepness fact or in Zhifanggou

的计算公式为:

G =1+(α-θc )[1.003(R I 30)0.103

-1]/(30-θc )

(7)

式中,α为地面坡度(°

),R 为次降雨量(mm ),I 30为次降雨最大30m in 雨强(mm /m in )。当坡度小于15°时,G =1。

对于本次研究,给定降雨数据时,采用公式

(7)来计算浅沟侵蚀因子。由坡度图和降雨数据得到的浅沟侵蚀因子图(图3)。

　　5)作物覆盖与管理因子及水土保持因子(C 和P )。作物覆盖与管理因子(C )、水土保持因子(P )作为侵蚀动力的抑制因子,主要反映作物管理和植被措施对土壤侵蚀量的影响[8～10]

。

根据林草地与对照裸露小区的观测资料[5,8]

,

建立了林地和草地植被C 值计算公式为:

人工草地,当V ≤5%时,C =1.0;

当V >5%时,C =e

-0.0418(V -5)

(8)人工林地,当V ≤5%时,C =1.0;

当V >5%时,C =e

-0.0418(V -5)1.5

(9)　　式(8)和(9)中,V 为植被覆盖度(%);e

为自

图3　流域浅沟侵蚀因子图

Fig .3　Map of ephe meral gully er osi on fact or in Zhifanggou

然对数底值。

对于C 因子,由实地调查资料得到植被盖度和C 因子值的对应关系(表1),结合土地利用类型现状图,转换得到C 值的栅格图像(图4)。水土保持因子(P )是以黄土高原丘陵沟壑区的研究为依据[10,11],根据土地利用类型现状图,结合纸坊沟的实际情况,赋予不同利用类型不同的P 值(表1),然后转换为栅格大小为5m ×5m 的图像(图4)。

3　流域土壤侵蚀强度空间分布

将上述各因子值的图层进行检查、几何配准和叠加运算,得到各计算单元的土壤侵蚀量。根据水利部土壤侵蚀分类分级标准中的水力侵蚀强度分级(2008年颁布的新标准),得到流域土壤侵蚀强度分布图。为了分析植被覆盖和水土保持措施对流域土壤侵蚀的影响,以及说明浅沟侵蚀的产沙贡献,所获取的流域土壤侵蚀强度分布图包括:①无植被覆盖和无任何水保措施下的考虑浅沟侵蚀的流域潜在土壤侵蚀强度分布图(图5);②现有土地利用(植被覆盖和水保措施)条件下的考虑浅

表1　流域内不同土地利用类型对应的C 、P 值

Table 1　The C and P value t o all kinds of landus types in the s mall watershed

土地类型水域

旱地

园地

居民地

林地

荒地

水田

疏林地

草地

植被覆盖度00.210.2900.780.440.210.780C 值00.460.100.080.0050.210.180.0190.09P 值

0.20

0.50

1.0

0.15

0.10

1.0

7011期　　　　　　　　　　　李斌兵等:基于GI S 的纸坊沟小流域土壤侵蚀强度空间分布研究　　　　　　　　　　

图4　CP 因子

Fig .4　CP fact or map in

Zhifanggou

图5　流域潜在土壤侵蚀强度(有浅沟)分布

Fig .5　D istributi on map of potential s oil er osi on

intensity with ephemeral gully

沟的流域实际土壤侵蚀强度分布图(图6);③现有土地利用(植被覆盖和水保措施)条件下的不考虑浅沟侵蚀的流域土壤侵蚀强度分布图(图7)。分别统计上述不同情景下流域各级土壤侵蚀强度分布的面积和所占的比例(表2)和沟间地各级土壤侵蚀强度分布的面积和所占的比例(表3),进一步分析流域土壤侵蚀强度空间分布特征

。

图6　考虑浅沟侵蚀流域侵蚀强度分布

Fig .6　D istributi on map of s oil er osi on intensity with ephe meral gully under current landuse in

Zhifanggou

图7　不考虑浅沟侵蚀流域侵蚀强度分布

Fig .7　D istributi on map of s oil er osi on intensity

without ephe meral gully er osi on under

current landuse in Zhifanggou

　　对比表2中的潜在土壤侵蚀强度(S 1)和实际土壤侵蚀强度(S 2),发现在有植被和水保措施时,极强烈侵蚀和剧烈侵蚀分布面积仅占流域面积的17.7%,而中度以下的侵蚀面积占流域的79.1%。

而在没有植被和水保措施时,流域极强烈和剧烈侵

801　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地　　理　　科　　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷

2

(考虑浅沟侵蚀)和S3(不考虑浅沟侵蚀),发现浅沟侵蚀的存在极大地增加流域土壤侵蚀强度。如不考虑浅沟侵蚀,流域极强烈和剧烈侵蚀面积占流域面积9.2%,而考虑浅沟侵蚀后,流域极强烈和剧烈侵蚀面积占流域面积的百分比增加8.5%,说明浅沟侵蚀对流域侵蚀产沙有较大贡献。

表3看出,考虑浅沟侵蚀和不考虑浅沟侵蚀两种情况下,极强烈以下侵蚀面积占沟间地面积比例基本相同;剧烈侵蚀面积占沟间地面积由不考虑浅沟侵蚀时1.44%增加到考虑浅沟侵蚀时2.97%,剧烈侵蚀实际面积增加12.83hm2。浅沟侵蚀是造成沟间地上剧烈侵蚀发生主要原因。构建适用于黄土丘陵区侵蚀预报模型必须考虑浅沟侵蚀的作用,否则会低估流域土壤侵蚀量。

表2　纸坊沟流域土壤侵蚀强度空间分布

Table2　The s patial distributi on of s oil er osi on intensity in Zhifanggou W atershed

侵蚀级别

删格数

S1S2S3

侵蚀区面积(hm2)

S1S2S3

占流域面积%

S1S2S3

微度267196840101010 6.68242.1252.530.828.930.2轻度19848439088222.3212.11227.21 2.725.327.1中度7932499286237319.83124.82155.93 2.414.918.6强烈12419441014903431.05110.25122.59 3.713.214.9极强烈34759475182638486.9118.865.9610.314.27.8剧烈268147115165063670.3728.7912.6680.1 3.5 1.4

　　S

1表示无植被覆盖和无任何水保措施下的考虑浅沟侵蚀的潜在土壤侵蚀强度;S

2

表示在现有土地利用(植被覆盖和水保措施)条件下

的考虑浅沟侵蚀的实际土壤侵蚀强度;S

3

表示在现有土地利用(植被覆盖和水保措施)条件下的不考虑浅沟侵蚀下的土壤侵蚀强度。

表3　纸坊沟流域沟间地土壤侵蚀强度空间分布

Table3　The s patial distributi on of s oil er osi on intensity on hillsl opes of Zhifanggou W atershed

侵蚀级别

删格数

S2S3

侵蚀区面积(hm2)

S2S3

占流域面积(%)

S2S3

微度163491744940.8743.62 4. 5.21轻度3618138650.4596.6510.8111.55中度187471825946.8745.655 5.6 5.45强烈100651040725.1626.02 3.0 3.11极强烈185232022446.3150.56 5.53 6.04剧烈9947481524.8712.04 2.97 1.44

　　S

2

,S3同表2。

　　流域中部坡度较缓,坡度大多集中在5～15°,且植被覆盖好和水土保持措施较好,所以土壤侵蚀以轻度和中度为主(图6);而流域沟头坡陡,坡度多集中在20～55°之间,且水土保持措施较差,使沟头侵蚀强度明显强于中部,侵蚀强度以极强烈和剧烈为主。流域轻度和微度侵蚀区多发生在林地或草地,而强烈和剧烈侵蚀发生多发生在植被覆盖和水保措施较差的地块。从图6还可看出,流域土壤侵蚀强度呈明显不对称性,左岸侵蚀强度明显强于右岸。流域年均侵蚀模数在23000～33000t/ (k m2・a)之间的极剧烈侵蚀发生区,分别位于苦荞沟、拐沟、大范家沟、大罗锅沟、正沟。除苦荞沟外,其余4个沟均位于流域左岸,是植被覆盖和水土保持措施较差的地块,也时坡度较陡的地块,这些部位应是流域土壤侵蚀治理的重点部位。4　结　论

本文基于已有的土壤侵蚀预报模型,给出了模型各因子的算法,并利用GI S空间数据提取和数据运算方法,估算了计算单元土壤侵蚀量,结合水利部水力侵蚀强度分级,分析了纸坊沟流域土壤侵蚀强度空间分布特征,所得结论如下:

1)流域土壤侵蚀分布特征为沟口区土壤侵蚀面积小,侵蚀强度为微度和轻度侵蚀;流域的中部以轻度和中度侵蚀为主;沟头侵蚀面积大,极易发生极强烈和剧烈侵蚀。流域土壤侵蚀强度呈明显的不对称性,以主沟为界,左岸侵蚀明显强于右岸。苦荞沟、拐沟、大范家沟、大罗锅沟、正沟是流域剧烈侵蚀和极强烈侵蚀发生区。微度和轻度土壤侵蚀区多见于林地或草地,强烈和剧烈侵蚀多发生于坡度

901

1期　　　　　　　　　　　李斌兵等:基于GI S的纸坊沟小流域土壤侵蚀强度空间分布研究　　　　　　　　　　较陡、且无植被或无任何水保措施的地块。

2)在不考虑植被和水保措施时,流域极强烈和剧烈侵蚀的发生面积占流域面积90.4%,而在现有植被和水保措施时,极强烈侵蚀和剧烈侵蚀分布面积仅占流域面积的17.7%,中度以下的侵蚀面积占流域的79.1%。充分说明了植被和水保措施对土壤侵蚀防治的重要作用。

3)在不考虑浅沟侵蚀时,流域极强烈和剧烈侵蚀面积占流域面积9.2%,考虑浅沟侵蚀后,流域极强烈和剧烈侵蚀面积占流域面积达17.7%。对于沟间地,考虑浅沟侵蚀后,沟间地剧烈侵蚀面积增加12.83h m2,说明浅沟侵蚀是造成流域剧烈侵蚀发生的主要原因。因此,构建适用于黄土丘陵区侵蚀预报模型必须考虑浅沟侵蚀的作用。

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W a tershed Ba sed on G I S

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2.The S tate Key L aboratory of Soil Erosion and D ryland Far m ing on L oess Plateau,N orthw est A&F U niversity,

Yangling,Shaanxi712100;3.A r m ed2Police Forces of Engineering Collage,X i′an,Shaanxi710086)

Abstract:Based on calculating fact or para meters of s oil er osi on p redicati on model,s patial distributi on map of fac2 t or para meters at Zhifangguo W atershed was dra wn.By using Geographic I nf or mati on Syste m(GI S)technol ogy, s patial distributi on characteristics were als o gotten.I n additi on,the distributi on map of s oil er osi on intensity in Zhifangguo W atershed was gained t oo.The results indicated that s oil er osi on intensity in the up strea m of the catch2 ment was more severe than that in the l ower strea m;severe and extre me severe s oil er osi on occurred at the up2 strea m.I n the m iddle2strea m,slight and moderate er osi on intensity happened;s oil er osi on intensity in the left side of the catche mnt wasmore than that in the right side.Extre me severe s oil er osi on area was l ocated at Guaig ou,Ku2 qiaog ou,Dafanjiag ou,Zhenggou and Daluoguogou,where s oil er osi on intensity reached t o23000-33000t/(k m2・a).Ephe meral gully er osi on was a maj or fact or causing occurrence of extre me severe s oil er osi on on hillsl opes. Soil er osi on intensity distributi on was dom inated by vegetati on coverage and sl ope gradient.

Key words:ephe meral gully er osi on;p redicti on model;s oil er osi on intensity;s patial distributi on 011　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地　　理　　科　　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷下载本文