密云沙厂小流域土壤侵蚀GIS和RS评价方法研究

曹艳超，杨 贤，管晨雪，高 阳，罗文敏

(1.桂林理工大学，桂林 541004；2.河北省地矿局水文工程地质勘查院，石家庄 050021；3.招金矿业股份有限公司技术中心，招远 265400；4河南省有色金属地质矿产局第二地质大队，河南 郑州 450016)

密云沙厂小流域是北京市重要的水源保护区，是首都人民生活用水和工业用水的重要来源。随着人口增长和经济的快速发展，以及人类不合理的规划建设，流域水资源及生态环境遭到严重破坏，影响到人们的用水安全和经济的可持续发展。本文针对密云水资源保护和生态环境恢复问题，利用遥感技术和土壤侵蚀原理，建立小流域土壤侵蚀评价模型，估算土壤侵蚀量，用适宜的数学方法分析土壤侵蚀特征。

1 研究区背景

沙厂小流域位于北京市密云县东南部，距离密云县城约25km，位于沙厂水库西侧，总面积约17km2，流域地理坐标为：东经116°59′～117°02′，北纬40°21′～40°23′。流域属于燕山山脉，以浅山丘陵为主，地势较低，流域内沟道狭长，大体从东北向西南走向。坡度在0～39°之间。流域内岩石主要有花岗岩、片麻岩等，土壤以褐土为主，土层厚度20～30cm，土壤质地较粗，多为沙壤土，粘粒含量低，保水性能较差，容易产生土壤侵蚀。植被以油松、侧柏、草灌坡为主，植被盖度较高，近山以板栗、核桃等经济林为主。低山区为耕作区，人为活动频繁，冬春季节植被覆盖度较低，局部地区植被退化，易产生水土流失。流域属于暖温带季风型大陆性半湿润半干旱气候，四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽宜人，冬季寒冷干燥。

2 研究方法

2.1 研究数据

本文中主要采用的遥感数据源为 TM影像，用于研究区植被覆盖度提取，辅助遥感影像为“北京一号”、Quick Bird影像，用于研究区土地利用类型提取。本文收集的基础数据包括研究区的位置和范围、自然地理和社会人文资料、气象和水文资料等，主要用于辅助小流域土壤侵蚀影响因子的提取。

2.2 水利部土壤侵蚀标准评价方法

本论文根据我国及密云县土壤侵蚀实际情况，选择水利部颁布的《土壤侵蚀强度分级标准》(SL190-2007)进行沙厂小流域土壤侵蚀定量评价研究。

根据《标准》中全国土壤侵蚀类型区划范围及特点，可知沙厂小流域属于水力侵蚀为主的类型区中的北方土石山区，土壤侵蚀类型以面蚀为主。因此，本研究遵照水利部标准SL190-2007有关面蚀分级标准，以及沙厂小流域各影响因子分级情况，将沙厂小流域土壤侵蚀面蚀分级标准改进为表1。将沙厂小流域土壤侵蚀强度分为6个等级，每个等级的划分由土地利用类型、植被覆盖度和地面坡度三个因子决定。

表1沙厂小流域土壤侵蚀分级评价

Tab.1AssessmentofSoilErosionDegreeofShachangSmallDrainageArea

2.3.1 植被覆盖度

植被覆盖度(f)指植被冠层的垂直投影面积与土壤总面积之比，即植土比。遥感器所测得的反射辐射R可表示为：

R=fRv+(1-f)RS

式中RV、RS分别为植被、土壤的总反射；f为植被覆盖度。则

f=(R-RS)/(RV-Rs)

利用植被指数计算覆盖度，公式即

f=(NDVI-NDVIS)(NDVIV-NDVIS)

对研究区NDVI值进行频率统计，NDVI值按从小到大的顺序排列，本研究中根据经验对NDVIsoil和NDVIveg进行估计，取累计百分比为5%的NDVI值为NDVIS，取累计百分比为95%的NDVI值为NDVIV，根据上述公式可估算研究区的植被覆盖度情况，依据水利部关于土壤侵蚀植被覆盖度等级划分标准，结合沙厂小流域的实际情况，将研究区植被覆盖度分为五级，如图1所示。

提取结果表明，研究区内植被覆盖度较高，植被覆盖度类型以高、中高为主。植被覆盖度在60%以上的面积为1404.16公顷，占研究区总面积的83%。其中，植被覆盖度在60%～75%之间的面积为691.80公顷，占研究区总面积的40.69%；植被覆盖度>75%的面积为691.80公顷，占研究区总面积的41.90%；植被覆盖度在45%～60%之间的面积为95.05公顷，占研究区总面积的5.59%；植被覆盖度在30%～45%之间的面积为61.26公顷，占研究区总面积的3.6%；植被覆盖度小于30%的面积为139.68公顷，占研究区总面积的8.22%。

2.3.2 土地利用类型提取

本研究依照国土资源部2007年发布实施的《土地利用现状分类》(GB/T 21010―2007)的分类系统，水利部关于土壤侵蚀评价标准中土地利用分类要求，以及沙厂小流域实际情况进行提取土地利用类型。一级地类分为耕地、林地、草地、城镇村及工矿用地、水域及水利设施用地5类，结果以一级地类统计汇总。

沙厂小流域土地利用类型主要基于Quick Bird影像，进行遥感解译，对沙厂小流域土地利用类型进行提取。结果如图2所示，经统计发现，研究区内土地利用类型以林地为主，面积为1287.9公顷，占研究区总面积的76%，其次是建筑用地和草地，面积分别为183.41公顷、154.36公顷，分别占小流域面积的10.97%、9.08%；耕地和水体的面积很少，共占研究区总面积的4%，面积分别为45.9公顷、28.58公顷。

2.3.3 坡度因子

本文以北京市30mDEM数据源，在Arc GIS软件中，将30mDEM数据重采样为10m，采用空间分析(Spatial Analysis)模块的坡度(Slop)功能，提取研究区的坡度分布信息。依据水利部关于土壤侵蚀坡度等级划分标准，结合沙厂小流域的实际情况，将研究区坡度分为六级，如图3所示。提取结果表明，研究区内坡度只要分布在8°～25°之间，占总面积的46.26%。其中8°～15°面积为446.81公顷，占研究区总面积的26.28%，15°～25°面积为786.41公顷，占研究区总面积的41%；坡度小于5°的面积为171.56公顷，占小流域面积的10.09%；坡度在5°～8°之间的面积为109.28公顷，占小流域面积的6.43%；坡度在25°～35°之间的面积为296.62公顷，占小流域面积的17.45%；坡度大于35°的面积为26.01公顷，占小流域面积的1.53%。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀评价分析

按照表1中的分级标准，利用ArcGIS中地图代数的功能，获得沙厂小流域土壤侵蚀强度等级图，如图4所示。

经统计发现(表2)，沙厂小流域以微度侵蚀和轻度侵蚀为主，占研究区总面积的98.68%，中度侵蚀和强度侵蚀很少，无极强度侵蚀和剧烈侵蚀。轻度侵蚀分布相对集中，主要位于研究区的中部；中度侵蚀分布较分散，主要位于西部和东部；强度侵蚀很少，位于研究区西部。

3.2 不同影响因子的土壤侵蚀分析评价

应用Arc GIS的空间分析功能，将植被覆盖图层、土地利用图层、坡度图层分别与土壤侵蚀强度图层进行叠加，得到统计结果如下：

(1)不同植被覆盖度下土壤侵蚀存在差异，沙厂小流域植被覆盖度以高覆盖和中高覆盖为主，对应的土壤侵蚀强度也以微度侵蚀为主，植被覆盖度小于60%时，土壤侵蚀以微度和轻度为主。在高覆盖和中高覆盖地区，土壤侵蚀类型有中度、强度侵蚀存在，主要原因是坡度较陡；在植被覆盖度<30%的地区，虽然植被覆盖度很低，但多数是地面被硬化的建筑用地，所以只有少量中度侵蚀区，未见强度侵蚀。

(2)不同土地利用类型之间，土壤侵蚀强度差异显著，耕地的土壤侵蚀强度主要以微度为主，主要是因为耕作方式对有保持水土的功效；林地的侵蚀强度主要以微度和轻度为主，因为植被覆盖的大小直接决定了土壤侵蚀强度等级，但由于某些地方坡度较陡，使侵蚀类型表现为轻度，甚至出现中度和强度。草地的侵蚀方式与林地相似，由于沙厂小流域内有些地区以自然草地为主，缺少人工保护措施，所以侵蚀强度偏高。建筑用地以微度和轻度为主，主要是因为地面被硬化后，在一定程度上防止了水土流失，降低了土壤侵蚀程度。

(3)不同坡度下，研究区内土壤侵蚀以微度侵蚀为主，在其他条件不变的情况下，在0°～25°范围内，土壤侵蚀随坡度的增加而加剧，且变化明显；大于25°后，土壤侵蚀强度以轻度侵蚀为主，但变化不明显。

表2 土壤侵蚀分级统计(SL190-2007)

4 结 论

本研究在GIS软件的支持下，利用水利部标准SL190-2007对沙厂小流域土壤侵蚀进行定量研究，得出了沙厂小流域的土壤侵蚀情况。表明该区内土壤侵蚀以微度侵蚀为主，占总面积的70.87%，但是轻度及轻度以上的侵蚀面积仍接近30%，因此，在轻度侵蚀区，尤其是在中度和强度的侵蚀区，应采取水土保持措施，治理或缓解土壤侵蚀状况。为了提高生态环境质量，本文给出以下建议：

(1)为了改善流域内坡地的种植园水土流失状况，提高土地生产力和果品产量，在坡度为5°～15°、地形较为破碎的果园地修建树盘。

(2)农作物种植生产过程中，禁止使用高毒、高残留的农药，控制化肥农药施用、发展生态农业，减少面源污染。

(3)在中山、低山地区，采用封禁治理措施，设置封禁标牌、护栏，禁止人为开垦放牧等生产活动，减少人为活动和干扰，充分依靠大自然的力量，发挥生态系统的自我修复功能。

(4)在村庄内部及附近，植树种草、铺设步道，美化环境；按人口及垃圾生产量合理建设垃圾收集站；分别集中处理生活污水、禽畜养殖废水、工业废水。

参 考 文 献

[1]袁克勤，倪九派，宫春明，陈晓燕.基于GIS的土壤侵蚀预测与评价研究进展[J].水土保持应用技术.2009，(1)：16～20.

[2]薛利红，杨林章.遥感技术在我国土壤侵蚀中的研究进展[J].水土保持学报.2004，18(3)：186～189.

[3]李京，李晓兵，宫阿都.基于遥感方法的小流域土壤侵蚀研究[J].自然灾害学报.2008，17(6)：77～81.

[4]王小明.GIS技术支持下的小流域土壤侵蚀研究[学位论文].西安：西安科技大学，2010.