基于GIS的粤北青莲水流域水土流失成因分析

郑悦华，张晓远，刘协亭

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)



基于GIS的粤北青莲水流域水土流失成因分析

郑悦华，张晓远，刘协亭

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)

随着人类社会经济活动的加强，水土流失有持续恶化趋势，青莲水流域内土壤肥力下降，河道泥沙淤积，影响河流行洪安全。本文选用通用土壤流失方程，利用ArcGIS的空间叠加分析等功能，分别计算分析研究区内与土壤侵蚀相关的降雨、土壤、植被、地形、土地利用等因子，经叠加分析后生成流域水土流失现状图。结果表明，地形地貌因子和土地利用因子是影响流域水土流失的关键因子，研究结果可为广东省中小流域治理提供水土保持方面的理论支撑。

水土流失；青莲水流域；通用土壤流失方程

青莲水流域主要位于广东省北部的阳山县，属广东省级水土流失重点预防区。近年来，随着流域内人类社会经济活动的持续增强，水土流失有持续恶化趋势。持续的水土流失使流域内土层变薄、肥力下降，同时大量泥沙下泄，淤积江河湖库，降低调蓄和行洪能力，导致青莲水流域河道淤积。本文利用GIS技术的空间叠加分析等功能，选用通用土壤流失方程，对降雨、地形、植被等影响水土流失各个单因子分析计算，生成各单因子图层，叠加分析后得到流域内的土壤侵蚀现状数据，探讨了水土流失对流域内洪涝灾害、河流淤积的影响，得出地形因子尤其是坡度因子以及土地利用现状是影响流域内水土流失的关键因子，为流域内水土流失治理指明了方向。

1 流域概况

青莲水流域主要位于广东省阳山县，属亚热带季风气候区，流域包含秤架瑶族乡、黄岔镇、岭背镇、青莲镇、江英镇等镇区，面积约为1 186.20 km2，人口约为7.43万人。流域内青莲水发源于广东阳山、乳源和湖南省宜章3县交界的猛坑石，自北向南贯穿全境，主流长约85 km，在青莲圩注入连江，天然落差为 1 852 m；流域地貌类型主要为山地丘陵区，区域内坡地集中，其中坡耕地面积约为43.12 km2，流域内土壤以赤红壤为主，表土层较松，抗蚀性差。流域内植被覆盖率约90%，年均气温约为21.0 ℃，年均降雨量约为1 959.9 mm。

2 研究方法

2.1 数据与分析软件

基础数据：青莲水河流域空间分辨率为30 m的DEM； 近3 a的TM遥感影像图；流域土地利用数据；流域2006—2015年降水资料(流域所在的阳山县及周边18个自动雨量站近年来逐月降雨量)。

分析软件：ERDAS IMAGINE 9.0，用于处理遥感影像；ArcGIS 9.3，用于生成坡度、坡长等数据，并对各图层进行空间分析。

2.2 技术路线

本文采用模型为通用土壤流失方程，用来分析流域内各水土流失单因子并计算流域内土壤侵蚀强度，已有研究表明，该方程能够较好地适用于广东省境内的的水土流失估算。具体计算公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(1)

其中A为单位面积年平均土壤侵蚀量，在量值上等于R(降雨/径流侵蚀力因子)、K(土壤可蚀性因子)、L(坡长因子)、S(坡度因子)、C(植被覆盖与管理因子)、P(水土保持措施因子)6因子之乘积[1-2]。

选用计算方程后，通过GIS软件，利用研究区的TM遥感影像，提取归一化植被指数，再以此为基础计算地表覆盖因子(C)；利用ArcGIS的空间分析功能，从所获得的流域DEM中提取地形因子。然后将降雨因子图层、土壤因子图层、坡度坡长因子图层、植被覆盖因子图层及水土保持因子图层根据公式(1)进行叠加分析，得出流域内土壤侵蚀现状图及侵蚀数据，最后，根据分析结果，找出影响流域内水土流失的关键因子，进而针对不同类型的水土流失提出不同的治理措施。

2.3 影响水土流失的单因子研究分析

2.3.1 降雨因子分析

影响水土流失的降雨因素表现为降雨侵蚀力，降雨侵蚀力是反映由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是土壤侵蚀模型的重要因子[3]。本文计算主要考虑年均降雨量及月均降雨量，计算公式采用在我国南方红壤区广泛应用的威斯奇迈尔降水侵蚀力计算公式[4]：

(2)

式中 P为年均降水量，m；Pi为月均降水量，mm；R为降雨侵蚀力。

上述公式中，需计算流域内及周边雨量站数据，文中收集了流域所在的阳山县2个雨量站以及周边县市约16个雨量站自2000—2013年的各月平均降水数据，通过公式(2)计算出各雨量站的多年平均降雨侵蚀力R，然后在流域范围内对各雨量站的R值进行线性内插，得出流域内各点的降雨侵蚀力。由计算结果知，小流域内R值范围为241.312～244.626，整体上流域内降雨分布差异较小，不构成影响流域内水土流失差异的关键因素。

2.3.2 地形地貌因子分析

地形因子是将坡长及坡度对坡面水土流失的影响进行综合描述的因子，流域所在的广东省属南方红壤区，计算LS值时，选用杨艳生等提出的适用于南方红壤地区的LS经验公式[5]。

LS=0.002 6×1.1β×h×(1-cosβ)/sinβ

(3)

根据计算结果，得到青莲水流域的LS值范围为0 ～ 66.2，平均值为42.22 ，人类经济活动可通过微地貌改变L、S因子，该因子是影响流域内水土流失差异的关键因子。

2.3.3 土壤因子分析

土壤可蚀性是评价土壤是否易受侵蚀破坏的性能，体现在土壤对侵蚀的易损性或敏感性[6]。

据调查，青莲水流域内土壤主要为赤红壤，分布有少量红壤、水稻土等，各土壤可侵蚀性(K值)计算参考《中国水土流失防治与生态安全-南方红壤区卷》中的结果，未列入的指标本文通过WischmeierWH建立的土壤可蚀性(K)值的计算公式[7]来计算。

K=[2.1×(N1×N2)1.14×(12-OM)×(10-4)+3.25(S-2)+2.5(P-3)]/100

(4)

式中 N1为粒径介于(0.002～0.1mm)的粉砂与极细砂百分比含量(%)；N2为粒径介于(0.002～2.0mm)的粉粒与砂粒百分比含量(%)；OM为有机质含量的百分比(%)；S为土壤结构等级；P为土壤渗透等级。根据上述公式，得出研究区土壤K值介于0.232红壤、0.423之间，属于中度可侵蚀性土壤。

2.3.4 植被覆盖因子分析

USLE方程中最为复杂的因子为植被因子，为特定条件下已种植土地的土壤流失量和未种植休耕地状态下土壤流失量的比值，起到抑制侵蚀动力的作用[8]。本文利用马超飞等提出的回归分析法，分析植被覆盖度V与C之间的关系[9]，公式如下：

(5)

利用上述公式，通过遥感影像进行归一化植被指数计算，提取区域内植被覆盖度。再利用GIS的空间叠加分析功能，计算得出流域内植被覆盖因子数据及图件。

2.3.5 地表覆盖因子分析

在土壤侵蚀研究中，地表覆盖是治理土壤侵蚀必须研究的对象，地表覆盖因子为特定条件下已种植土地的土壤流失量和未种植休耕地状态下土壤流失量的比值，起到抑制侵蚀动力的作用。该因子用于衡量覆盖地表的植被减缓侵蚀保持水土能力的大小。

通过流域内土地现状各地类分布数据图，本文采用蔡崇法等提出的针对不同土地利用方式P取定值[10]，即：林地0.006，疏林地0.017，荒地0.06，经济林0.05，坡耕地0.31，水田0.18，居民地0.04，将这些值赋值到土地利用图层中，得到流域内P值分布数据及图件。

3 流域水土流失现状及关键因子分析

3.1 水土流失现状分布分析

在GIS软件中将上述影响水土流失的各单因子图层统一坐标、栅格大小等，通过ArcGIS的空间分析功能，对各水土流失单因子图层进行叠加分析，得出流域内水土流失现状分布图 (见图1)。

通过分析，流域内年均侵蚀模数约762.07t/(km2·a)，其中微度侵蚀面积1 008.56km2，占总面积的85.02%；轻度侵蚀面积100.51km2，占8.47%；中度侵蚀面积41.22km2，占3.47%，强烈侵蚀面积20.95km2，占1.77%；极强烈侵蚀面积9.92km2，占0.84%，剧烈侵蚀面积5.04km2，占0.42%。流域内年均土壤侵蚀模数约762.07t/(km2·a)，整个流域年侵蚀总量约67.33万t/a。由表1数据可知，流域内总体上水土流失较严重，局部地区土壤侵蚀模数高达15 000t/(km2·a)。

表1 青莲水流域水土流失强度等级

图1 流域内水土流失现状分布示意

图2 流域内地形地貌分布示意

3.2 水土流失关键因子分析

分析计算结果，降雨侵蚀力因子、土壤可侵蚀性因子在流域内表现相差不大，流域内植被覆盖也比较均匀，并且降雨侵蚀因子、土壤可侵蚀性因子等均非人为可以控制的因子，而流域内林草植被覆盖率在一定时期内也不会有大的变动。因此本文着重分析影响流域内人为因素可控的地形因子和水土保持措施因子，分析其与水土流失关系，通过人为可控因素，采取相应措施防治水土流失。

3.2.1 地形地貌

流域内地形地貌对水土流失的影响主要表现在地形坡度上(见图2)，利用GIS的空间叠加分析功能，在ArcGIS中对流域水土流失现状图进行叠加分析，得出流域坡度与水土流失的对应关系。

叠加分析表明，流域内坡度小于5°的流域域面积为618.53km2，年均土壤侵蚀量为259.2t/(km2·a)；坡度在5°～15°以内的流域面积195.99km2，年均土壤侵蚀量724.86t/(km2·a)；坡度15°～25°范围的的面积为225.03km2，年均土壤侵蚀量900.94t/(km2·a)；坡度大于25°区域约146.65km2，年均土壤侵蚀量1 146.72t/(km2·a)；流域内年均土壤侵蚀量主要集中分布于坡度15°～25°范围内，其他坡度区间范围内均相应减少(如表2所示)。

表2 青莲水流域各级坡度水土流失土壤侵蚀量

据小流域土壤侵蚀与坡度对应关系，得出小流域内水土流失程度与地形坡度关系相关性。数据显示，水土流失轻微区主要是坡度为在<5°的平缓河谷、村庄等区域，大于25°的坡度、植被覆盖良好区上同样分布较为集中；中度以上土壤侵蚀区域主要分布在5°～25°的区域(见表3)。

表3 青莲水流域土壤侵蚀强度与地形坡度相关性

综上分析，流域区的土壤侵蚀集中分布在5°～25°之间的区域，该区域是海拔较低的低山区，坡度较小，人类活动频繁，坡耕地较多，植被破坏严重，容易造成水土流失。在坡度较大的地区，因当地农民种植经济作物，造成的水土流失现象严重，人为因素是造成当地水土流失的重要因素。

3.2.2 土地利用类型

根据最新国土二调数据，青莲水流域土地利用现状数据见表4。

图3 流域内土地利用现状分布示意

图4 流域内坡耕地分布示意

表4 青莲水流域内不同土地利用类型水土流失情况 km2

从表4知，不同地类的土壤侵蚀程度差异较大。经分析，林草地水土流失主要发生在疏林地中，以轻度侵蚀为主。中度及以上水土流失主要发生在耕地和其他地类中，区域内坡耕地数量多且坡度较陡，不易保水保土，容易造成水土流失；其他地类主要是人类社会经济活动较强的地区，如修路、开矿采石等造成的水土流失。

综上，水土流失治理时，治理重点应重视集中连片的坡耕地区、林下水土流失严重的疏林地区及人类生产建设活动较强的修路、采矿区等。

4 结语

本文采用通用土壤流失方程，通过对研究区内影响水土流失的单因子、多因子综合分析，对流域水土流失进行评价研究。得到青莲水流域土壤侵蚀各单因子分布数据及土壤侵蚀现状分布图及数据，并通过研究影响流域水土流失的关键因子，明确了流域内水土流失的空间分布规律及主导因子，得出流域内水土流失总体较轻，但局部严重的水土流失现状，流域内平均土壤侵蚀模数约762.07t/(km2·a)，整个区域年侵蚀总量约67.33万t/a，流域内水土流失是造成区域内河道淤积、生态恶化的重要因素，因此，流域内水土流失防治重点是防治人为水土流失的控制，特别是坡耕地开发及修路、开矿采石等生产建设活动，应提高流域内各级政府和人民群众对水土流失危害性的认识，提高水土保持生态建设质量，有计划有步骤的进行坡耕地改造，实施退耕还林还草，同时贯彻落实水土保持法，加大监督执法力度，坚持预防为主、保护优先的水土保持工作方针，采取工程、植物结合的多种综合措施，加大流域内的水土流失治理力度。

[1] 潘建平,龚建雅,李长风. 土壤侵蚀模型研究现状和GIS、RS应用[J]. 地质灾害与环境保护, 2005, 16 (1): 89 - 93.

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(本文责任编辑 马克俊)

Causes Analysis of Soil Erosion in Qinglian River Watershed of North Area of Guangdong Province Based on GIS

ZHENG Yuehua, ZHANG Xiaoyuan, LIU Xieting

(Guandong Hydropower Planning&Design Institute , Guangzhou 510635, China)

With the strengthening of human social and economic activities, water and soil erosion has continued to deteriorate in Qinglian River Watershed, which not only reduce soil fertility, also caused the river silt, and affect the safety of river flood. By using GIS technology and selecting the Universal Soil Loss Equation (USLE) as The mathematical models, using the spatial analysis function of the GIS, calculation and overlay analysis the factor of rainfall, soil, vegetation, topography, land use and so on, generate status maps of soil erosion. And soil erosion of the region are analyzed and evaluated. Research results show that, topographic factors and land use factors are the key factor of soil erosion, and the result could support technical supporting for the middle and small watershed soil erosion of Guangdong province.

soil erosion； Qinglian river watershed； USLE

2016-05-10;

2016-06-30

郑悦华(1966),男，高级工程师，主要从事水土保持及环境保护研究。

S157.1;P208.2

A

1008-0112(2016)05-0024-05