基于“3S”技术的西藏工布江达县西朗小流域综合治理研究

张 瑜,李兴隆,,孙 凡,张建强

(1.西南大学资源环境学院 西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 北碚 400715;2.中国科学院 山地灾害与环境研究所,四川 成都 610041)

3S技术是全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术的统称,3S技术及其集成是地球空间信息科学技术体系中最基础和基本的核心技术.它是将 GPS、GIS、RS三种对地观测新技术有机地集成在一起,充分利用各自的技术特点,快速准确而又经济地为人们提供所需信息的新技术.它的基本思想是利用 RS提供最新的图像信息,利用 GPS提供图像信息中“骨架”位置信息,利用 GIS为图像处理、分析、应用提供技术手段,技术系统流程见图1,且数值计算和图形处理有机结合,具有简洁、直观、易操作和快速等特点[1,2].由于西藏重要而特殊的生态地理地位,中央和自治区政府对西藏的生态环境保护与建设高度重视.2005年,国务院在关于进一步做好西藏发展稳定工作的意见中明确指出:将西藏纳入国家生态环境重点治理区域,构建西藏高原生态安全屏障.其中,水土保持生态建设是生态屏障保护与建设的重要组成部分(《西藏生态安全屏障保护与建设规划(2008～2030年)》).现以工布江达县加兴乡西朗小流域为例,说明 3S技术在西藏典型小流域综合治理中的应用.

1 研究区域概况

加兴乡西朗小流域系尼洋河水系,尼洋河上游左岸支沟,小流域气候属高原温带半湿润季风气候区,气候温和,光、热、水具有复杂的时空分布.通过实地调查,结合 GPS和 RS技术,为 3S技术的核心——GIS系统提供精确、定量的数字信息源,得到其地理坐标为 30°5′3″～ 29°55′15″N,92°40′19″～ 92°36′29″E,总面积 369.67 km2,流域形状呈叶形,南北长约 26.2 km,东西平均宽约 20.0 km,流域内主沟全长 39.2 km,平均纵比降为 12.6‰.小流域山势陡峭,沟谷深切,属深切割的高山河谷地貌.流域内的成土母质主要有残积物、坡积物、洪积物、冲积物与冲洪积物,分布有高山草甸土、亚高山草甸土、褐土、草甸土和新积土五种土类.

2 西朗小流域土地利用和流失信息解译

西朗小流域地广人稀,自然地理与土地利用情况均相对简单,年度变化较少.本文采用 2007年TM多光谱影像,分辨率为 15m,4,3,2波段合成标准假彩色数字影像,利用 1∶10万的地形图,进行几何纠正和投影处理.投影方式采用高斯克吕格投影,中央经线为 102°,解译后制图比例尺为1∶10万.收集基础资料、小流域 1∶10万地形图和其他有关自然地理与社会经济资料,并对其根据要求进行整理,输入到计算机,建立基础资料库.

将小流域地形图扫描、处理并利用 GPS测得控点坐标,对土地利用和水土流失图斑更新、补测、补绘等,并对地形图进行遥感图像几何精纠正,产生统一的影像底图,作为对 TM影像进行人机交互解译土地利用信息的背景[3].在GIS桌面地理信息系统中,根据不同影像特征如色调、纹理、形状等勾绘土地利用现状图和水土流失现状图,并自动生成图斑面积及属性,建立了西朗小流域土地利用和水土流失的本底值.水土保持综合治理3S集成技术流程框图如图1所示.

图1 水土保持综合治理 3S集成技术流程框图

2.1 西朗小流域土地利用信息解译

西朗小流域在TM影像上清晰可辨,山势陡峭,属深切割的高山河谷地貌.小流域内海拔在5 727.5～3 860m之间,相对高差达 1 867.5m,相互间为陡坡过渡.根据小流域的数字高程模型(DEM)提取坡度分布图,按照坡度分级标准,统计出小流域的坡度分布状况一般为 30°～50°,最大有 70°～80°,人口主要集中在沟底及水系的出口处.

经解译流域总面积中的土地利用现状如表1所示,解译数据与加兴乡 2009年统计数据基本一致,如表2所示.经表1、表2对比分析,解译数据和实际统计数据的差异主要表现在耕地、建筑用地、水域、未利用地面积方面,主要由于社会主义新农村建设对流域这两年的土地利用变化所导致,林地、草地面积则变化不大.

表1 西朗小流域土地利用现状解译表

表2 西朗流域土地利用现状 2009年统计表

土地解译中林地包括林地、灌木林地、疏幼林;草地包括高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地,详见图2.

2.2 西朗小流域水土流失信息解译

受流域内自然及人文条件的影响,西朗小流域土壤侵蚀具有多样性特征,以水力侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀等侵蚀类型为主.水蚀在时间上交替、空间上叠加,形成较为强烈的侵蚀,通过外业调查和对地形、土壤、植被覆盖等因素以及相关成果的分析,确定土壤侵蚀类型、强度及分布范围.

西朗小流域内水土流失轻度及其以上面积为 208.90 km2,包括水力侵蚀、冻融侵蚀,占总土地面积的 56.51%.在总土地面积中,微度侵蚀面积 160.76 km2,占总面积的 43.49%;轻度侵蚀面积 92.57 km2,占总面积的 25.04%;中度侵蚀面积 93.73 km2,占总面积 25.35%;强烈侵蚀面积 21.30 km2,占总面积的 5.76%;极强烈侵蚀面积 1.02 km2,占总面积的 0.28%;剧烈侵蚀面积 0.29 km2,占总面积的 0.08%,详见表3.

在流域尺度上,利用 3S技术和小流域土地利用现状,计算得到整个流域的平均侵蚀模数为1 473 t/km2◦a,每年流失土壤约 54.47万 t.发生水土流失的地类主要是坡耕地、疏幼林、郁闭度低的灌木林、部分退化的草场和未利用地,主要分布在人类活动极为频繁的沿线以及坡度较陡、植被稀疏的山坡.将水土流失层面的属性表输出后处理统计,得到西朗小流域的水土流失现状图,详见图3.

经过实地调查和对照遥感图片,西朗小流域水土流失的主要因素是:人类活动区域频繁的干扰以及林地的过度砍伐、过度放牧,部分草场退化严重,导致水土流失严重,生态环境不断恶化.

图2 西朗小流域土地利用现状解译图

图3 西朗小流域水土流失现状解译图

表3 西朗小流域水土流失现状解译表

3 西朗小流域水土保持综合治理规划及对策

西朗小流域地处高寒山区,经济发展长期滞后,水土保持生态建设起步较晚.水土保持综合治理的目标是使小流域水土流失得到基本控制,山、水、田、林、路统一部署,科学合理,综合配套;引、排等小型水利水保工程达到国家标准,解决人畜饮水问题,人均粮食与人均纯收入均有增加,提高流域内整体的生态环境质量[4],并以示范项目带动周边生态环境治理.

在进行了细致的人口预测、粮食供需情况分析、能源供需情况分析、木材供需情况分析、草场供需情况分析后,根据西朗小流域的土地利用和水土流失状况,确定西朗小流域上游和海拔超过4 500m以上的中高山区以及人类活动极少的区域为重点预防保护区,面积 256.941 km2,占流域总面积的 69.50%,主要为夏季放牧草地和难利用的裸岩石砾地.位于西朗小流域中下游的山体中下部区域,人类活动频繁的区域定为重点监督区,面积 83.39 km2,占流域总面积的 22.56%.西朗流域内的河谷阶地、洪积扇区以及人类活动极为频繁的区域作为重点治理区,面积 29.34 km2,占流域总面积的 7.94%.

西朗小流域重点治理区内,工程措施、植物措施及封禁治理等结合布设,工程措施有坡改梯和小型水利水保工程,坡改梯面积 39.34 hm2,选择在离村庄较近,地块相对集中、15°以下的坡耕地,并配套道路和坡面水系工程,小型水利水保工程有饮水渠道 7 km、挡土墙2座及谷坊 10座等.

植物措施有造林、种草和封禁治理.造林主要在水土流失较为严重区域 15°～35°荒坡,造林面积 40 hm2;种草主要是选择在海拔 4 500m以下便于对牲畜进行管理放养的重点治理区域进行人工种草面积 120.00 hm2;封禁治理则主要分布在集中连片区域,以及人工草场和水保林灌溉较为方便的区域,充分利用大自然的生态修复能力 ,面积 410 hm2.

根据水土保持任务的需要,用 GPS来细化、定点、更新部分信息[5,6].经过分析、处理,得出相应的成果并动态地预测水土流失的发展趋势,为治理措施的决策提供科技支持[7,8].最后将水保措施层面(shapefile)的属性表输出后处理统计,得到西朗小流域的水土保持措施规划图表.

4 专题制图

制图是水土保持综合治理设计中不可缺少的重要手段,同时是表达研究成果的有效方式.传统的制图方式受到资料来源的限制,工序繁多.应用 3S技术进行专题制图,基于同一影像资料的基础上,按照统一的比例尺所编制的成套专题地图,既具有专业要素的特点又具备系统的综合性,具有综合性、系统性和分要素组合、分析与评价的灵活性.在西朗小流域水土保持规划中,制作了土地利用现状图、水土流失现状图和水保措施规划图.三图的成图比例尺均为 1∶10万,统一有道路、水系、乡村所在地等基础地理信息[9],图斑一致性好,主题内容信息则分别为土地利用、水土流失和水保措施,可方便灵活地添加图名、比例尺、指北针、图例、图框等常规制图要素和统计图表等,三图之间的关联性与逻辑性强,直观醒目.为了使图件表达效果达到最佳,还可以反复调整图例颜色,在与常规制图一致的基础上,有效区分不同项目内容.

5 结论

事实证明,3S技术在水土保持小流域综合治理工作中具有广阔的应用前景,采用 3S技术进行小流域综合治理初步设计,有效克服了基础资料不足的困难,客观精确,快速有效,而且制图方便,可以根据规划设计的需要灵活调整制图内容和效果,添加图名、比例尺、图例和统计图表等,既具有专业要素的特点又具备系统的综合性、集成性、网络性、智能性[7],为水土流失动态监测、水土保持综合治理、工程设计、效益评估等提供准确、快速的手段;为领导决策提供全面、科学、准确的依据,从而有效提高了小流域水土保持综合治理的效率和精度,增加了小流域水土保持综合治理和生态保护的科技含量[10].

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