基于GIS技术的南安市水土流失成因分析

王成兰，陈小瑜

(泉州师范学院 资源与环境科学学院，福建 泉州 362000)



基于GIS技术的南安市水土流失成因分析

王成兰，陈小瑜

(泉州师范学院 资源与环境科学学院，福建 泉州 362000)

以福建省南安市为例，利用GIS技术，建立水土流失数据库.在ArcGIS软件中利用空间叠加分析等相关方法，通过数据集成与信息提取，系统地分析了高程、坡度、地貌、土地利用、居民点和道路等因子与南安市水土流失程度的关系，总结得出影响南安市水土流失的主要因素，并提出了新形势下的水土流失防治措施.

GIS；水土流失；南安市

0 引 言

水土流失引发生态环境恶化已成为当今世界各国面临的艰巨而急待解决的问题之一[1].水土流失过程极其复杂，涉及的影响因子众多，主要包括地形、地貌、植被等因子，而且与人为活动的关系十分密切.由于历史的原因，南安市的水土流失十分严重，是福建省7个严重流失地之一.因此，研究本区域的水土流失状况、分析其形成原因，对于南安市的水土保持生态建设具有重要的现实意义[2].

水土流失是指在水力、重力、风力等外营力作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失，包括土地表层侵蚀和水土损失，亦称水土损失.特别是宏观尺度的区域水土流失的研究，因涉及大量的数据，往往需要一个简短的评估期和有效的数据更新和处理方法，根据传统的数据采集与处理方法将非常受限.GIS技术自上个世纪60年代产生以来，发展迅速，利用GIS技术，不仅节省大量的人力、物力和财力，而且能及时掌握流域水土流失状况，进行合理的水土保持规划，采取切实有效、针对性强的治理措施.

1 研究区概况

研究区位于福建省东南沿海，晋江中游的南安市，北纬24°34′30″-25°19′25″，东经118°08′30″-118°36′20″，总面积2011 km2，辖23个乡镇.南安地势西北高、东南低，由中山、低山渐次过渡到丘陵台地、平原、坡麓、海滩，明显阶状倾斜，海拔1000 m以下的丘陵山地占全县总面积的73%，素有“七山一水二分田之称”.晋江上源西溪由西向东横贯中部，东溪斜贯北东，于双溪口汇合为晋江干流.全市地处南亚热带季风性湿润气候，年平均气温20.9℃，雨量充沛，年降雨量介于1000-2000 mm，多集中在春、夏，无霜期330 d.2010年，南安市常住人口141万多人,GDP总量480.21亿元，人均GDP3.2万元.南安为极具实力的县市，其综合竞争力位居福建省县域第3位.

2 数据源

根据研究的需要，收集了2000年南安市1∶100 000水土流失图、1∶100 000地形图、1∶100 000地貌图、1∶100 000行政界线图、1∶100 000土地利用类型图、1∶100 000居民点图、1∶100 000道路图等相关图件资料.本研究收集到的数据均为Shapfile格式，为了便于各要素图层间的运算,后续的数据处理均转化为基于栅格的数据结构，栅格单元统一为30 m*30 m.

3 研究方法

3.1 技术路线

本研究采用地理信息系统软件ArcGIS，利用GIS空间分析的功能，以南安市行政区划范围为研究区域，对数据进行相关处理.首先利用等高线生成Grid格式的数字高程模型，并进一步派生出坡度图；接着对居民点、道路等数据进行欧氏距离分析，得到直线距离数据集；再将地貌图、土地利用图、高程图、坡度图、路直线距离数据集、居民点直线距离数据集等6个因子数据进行重分类，并分别与水土流失程度图进行基于栅格计算的空间叠加分析.最后将所需的属性数据导入Excel中进行计算，算出各类型区中各级别水土流失率、流失面积、土地面积和该类型区的水土流失率，分析各个因子与水土流失的关系.计算公式如公式(1)和(2)：

nij=sij/Si

(1)

N=s/Si

(2)

其中，nij为i类型区j级别流失率，sij为i类型区j级别水土流失面积，N为水土流失率，s为i类型区轻度以上水土流失面积，Si为i类型区面积.具体技术路线如图1：

图1 技术路线图

3.2 专题图层制作

(1)高程分级图

高程对水土流失有着重要的影响.气候控制着降雨和植被分布的情况，因此水土流失的分布特征与海拔高度的变化呈现垂直分异的特征.本研究采用等高线生成TIN再生成DEM.结合南安市的实际情况，利用重分类将高程分为0-250m、250-500m、500-800m、800m以上等4个级别，得到高程分级图如图2.

(2)坡度分级图

坡度是地表单元陡缓的程度，通常把坡面的垂直高度和水平距离的比值称为坡度.坡度的大小直接影响地表物质能量的再分配，影响土壤的发育、植被的种类，制约土地利用类型与方式[3].本研究利用生成的DEM进一步派生成坡度图.根据国家有关标准和实际情况将坡度分为0°-7°、7°-15°、15°-25°、25°以上等4个级别，得到坡度分级图如图3.

(3)道路距离分级图

在道路建设过程中，对路基的开挖和开辟一定规模的采石场、隧道等各类场地与临时场地，缺乏合理的规划和水土保持措施，使得在原来的地表植被、降雨、人为作用的影响下，产生严重的水土流失.利用道路数据进行基于欧式距离的距离分析，并结合南安市的实际情况，进一步重分类为0～1000m、1000～2000m、2000～3000m、3000m以上4个级别，得到道路距离分级图如图4.

图2 高程分级图 图3 坡度分级图 图4 道路距离分级图

(4)居民点距离分级图

距离居民点越近，受人类活动的影响越强，水土流失发生的可能性越大，水土流失的强度也会越大.本研究利用居民点数据进行基于欧式距离的距离分析，并结合南安市的实际情况，进一步重分类为0～1000m、1000～2000m、2000～3000m、3000m以上4个级别，得到居民点距离分级图如图5.

(5)土地利用类型图

土地利用是人类活动影响的集中体现，土地利用类型是根据土地利用的地域差异划分的，反映了土地的用途和性质，代表着人类改造利用土地的结果.因此土地利用方式的不同很大程度上影响着区域水土流失的发生面积和强度特征[4].研究区的土地利用类型包括耕地、林地、草地、居民用地、水域和未利用土地.本研究的土地利用类型图由研究区1∶100 000土地利用类型图栅格化得到如图6.

图5 居民点距离分级图 图6 土地利用类型图 图7 地貌类型图

(6)地貌类型图

南安市地貌类型自沿海向内陆地区由平原——台地——丘陵——山地逐级过渡，以丘陵和山地为主，且主要分布在西北地区，地形较为破碎，这为水土流失提供了客观条件[5].研究区的地貌类型包括平原、台地、低丘、高丘、低山、中山、高山和山间盆地.该研究区的地貌类型图由1∶100 000地貌图栅格化后得到如图7.

(7)水土流失强度图与行政区划图

利用研究区1∶100000水土流失强度图栅格化后，根据国家相关标准分为微度、轻度、中度、强度、极强等5个级别[6]，得到水土流失强度图如图8.利用研究区1∶100 000行政区划图栅格化后获得行政区划图如图9.

图8 行政区划图 图9 水土流失强度图

3.3 因子图层与水土流失图的叠加

叠加分析是GIS中的一项非常重要的空间分析功能，是指在统一空间参考系统下，通过对两个数据进行的一系列集合运算，产生新数据的过程.本研究采用基于栅格图层叠加，分别将高程分级图、坡度分级图、地貌类型图、道路距离分级、居民点距离分级图、土地利用现状图与水土流失强度图进行地图代数操作，所有叠加结果如图10.以高程分级图与水土流失强度图的栅格叠加计算为例，代数的公式为a*10+1*b，其中a为高程分级图，b为水土流失强度图；最后叠加结果为11、12、13、14、15、21……45.11表示海拔250m以下存在微度流失，12表示海拔250m以下存在轻度流失，13表示海拔250m以下存在中度流失，14表示海拔250m以下存在极强度流失，15表示海拔250m以下存在强度流失……

图10 6种因子与水土流失强度图叠置果图

4 水土流失特征及成因分析

4.1 水土流失总体特征

对水土流失数据进行统计，统计结果如表1，结果表明：全市水土流失面积为478.09km2，占土地总面积的23.50%.其中轻度流失面积259.77km2，占研究区土地面积12.97%；中度流失面积164.20km2，占研究区土地面积8.20%；强度流失面积53.19km2，占研究区土地面积2.66%；极强度流失面积0.87km2，占研究区土地面积0.04%.研究区的水土流失主要以轻度和中度为主.

表1 南安市水土流失情况统计表

通过南安市行政区划图层与水土流失强度图层的叠加统计如表2可以看出，仑苍镇的水土流失率最大为36.83%；水头镇的水土流失率最小为10.40%.水土流失率高的地区主要分布在山地、开发区和采石区，水土流失率低的地区主要在平原地区.从总体上看，南安市水土流失严重的区域分布由沿海平原地区向内陆山区发展的趋势，局部高强度水土流失形势严峻，特别是开发区、采石区、道路基建区等造成新的水土流失问题也较为严重.

表2 各乡镇水土流失情况统计表

续表2

4.1.1 水土流失与高程的关系

由表3可知，本研究区海拔总体较低，水土流失主要发生在800m以下的地区，尤其在500～800m的地区水土流失最为严重，水土流失率最大达到了25.94%，强度流失与极强度流失最大的也分布在此地区，分别为2.01%与0.57%；在0-250m的地区的水土流失率为24.28%，流失面积最大的分布在此地区，水土流失也尤为严重；在250-500m的地区的水土流失率为22.76%；在几乎不受人类活动影响的800m以上的地区的水土流失率也达到了10.94%.在海拔0-250m的地区人为活动频繁，土地利用强度大，水土流失较重；海拔>800m的地区由于海拔高，人为活动弱，水土流失程度最轻；而500-800m的地区因人类活动较大且又缺乏合理的规划和保护措施，导致该地区的水土流失最为严重.水土流失类型主要以轻度和中度为主.

表3 水土流失与高程的相关统计表

4.1.2 水土流失与坡度的关系

由表4可知，水土流失主要集中在坡度25°以下的地区，其中7°以下的地区的水土流失率为17.43%，该区坡度平缓，水土流失程度较轻.从整体上看，水土流失率最大的分布在7-15°的地区，为34.62%，强度流失率最大的也分布在此地区，水土流失最为严重；该区主要因为经济建设等活动加速了水土流失.15-25°的地区的水土流失率为29.04%，不合理的开垦等活动导致该区水土流失情况也不容忽视.在一般禁止开垦的>25°的地区的水土流失率达到了21.18%，人类活动加剧了水土流失.以上这些类型均以轻中度流失为主.

表4 水土流失与坡度的相关特征统计表

4.1.3 水土流失与地貌类型的关系

由表5可知，全市地貌类型主要以山地和丘陵为主，水土流失也主要发生在丘陵和山地，其中高丘和低丘水土流失最为严重，平原水土流失并不明显.低山丘陵地区由于人口稠密，且水热条件好，造成水土流失损失严重.平原的水土流失率仅为3.36%；台地的水土流失率为11.37%，极强度流失率最大的也分布在此地区；低山的水土流失率为26.53%，强度流失率最大的也分布在此地区；中山的水土流失率为18.96%；低丘的水土流失率最大为34.26%；高丘的水土流失率达29.19%；山间盆地水土流失率为16.11%.

表5 水土流失与地貌类型的相关特征统计表

4.1.4 水土流失与土地利用类型的关系

由表6可知，全市的土地类型主要以林地和耕地为主.水土流失主要集中表现在林地、耕地和未利用土地中.耕地的水土流失率为19.29%，强度流失率和极强度流失率最大的也分布在此类型区，不合理的开垦和耕作措施易造成水土流失的发生.林地的水土流失率为24.90%；草地的水土流失率为23.62%，水土流失程度较重主要原因是人类活动频繁，造成植被减少.居民用地的水土流失率为6.71%，有合理的规划，所以水土流失程度较轻.水域的水土流失率为10.68%；未利用土地的水土流失率最大为35.91%，该区主要是荒地等，土地利用强度低又没有相关的改善措施，故而成为水土流失最严重的地区.以上这些类型的水土流失主要以轻度和中度为主.

表6 水土流失与土地利用类型的相关特征统计表

4.1.5 水土流失与道路分布的关系

由表7可知，距离道路1km以内的地区的水土流失率最小，为23.37%；距离道路1-2km的地区的水土流失率为24.63%，极强流失率最大的也分布在此地区；距离道路3km以外的地区水土流失率最大，达到28.53%，且强度流失率最大的也分布在此地区.4个类型区的水土流失差异不大且随着距离道路越远，水土流失率越大.在道路建设过程中，水土保持工作未能与其同步进行，导致水土流失日益严重.

表7 水土流失与道路的相关特征统计表

4.1.6 水土流失与居民点分布的关系

由表8可知，在距离居民点1km以内的地区水土流失率为22.92%，强度流失率最大的也分布在此；距离居民点1-2km地区的水土流失率最大，达到26.18%，可见该区人类活动最为频繁，水土流失比较严重；距离居民点2-3km的地区的水土流失率为22.54%；距离居民点3km以外的地区的水土流失率最小为8.67%，主要因为该类型区居民地有限，人类活动弱，水土流失并不明显.在距离道路3km以内的3个类型区水土流失差异不大，主要原因是这些地区适宜人类居住，人们从事生产等活动过于频繁，水土监督与保持工作仍有不足.

表8 水土流失与居民点的相关特征统计表

4.2 水土流失成因分析

根据以上各影响因子与水土流失关系的分析，造成水土流失是自然因素和人为因素综合作用的结果，研究区的气候、地形、地貌、植被等自然因素是水土流失的潜在因子，人类不合理的生产活动是引起和加速水土流失的主导因子[7].

4.2.1 自然因素

降雨是水土流失最主要的自然因素.南安市地处南亚热带海洋性季风气候区，兼具山地气候的某些特征，气候温暖，雨量充沛.由于降雨季节分配不均，降水强度大，暴雨集中，往往造成强烈的水土流失.地形是影响水土流失的重要因素，高程与坡度影响着水热条件与植被的分布.由表3、表4可知，水土流失主要发生在800m以下，坡度25°以下的地区.全市的地貌类型主要以丘陵和山地为主，水土流失也集中在丘陵和山地，地形较为破碎，为水土流失提供了条件.植被是决定水土流失发生程度的重要条件，由表6可知，林地与草地的水土流失率分别达到24.90%和23.62%，植被遭到破坏，加剧了水土流失.

4.2.2 人为因素

(1)地表植被遭到破坏加剧水土流失

个别单位受经济利益驱使，过度砍伐，在开发利用水土资源的过程中，未采取任何水土保持防护设施，一经台风暴雨袭击，水土流失随之而来[8].其次是几次大的人为破坏加上森林火灾频发，造成植被日益减少，也加剧了局部水土流失.

(2)不合理的生产建设活动引发水土流失

由表7、表8可知，随着距离道路越远，水土流失率越大；水土流失主要集中在距离居民点3km以内的地区.南安市是我国唯一的“中国建材之乡”和“中国石材城”.近年来大量开采矿山，修建公路以及其他基本建设，建设过程不注意水土保持，缺乏合理的规划和水土保持措施，经济发展与生态环境建设未能同步进行，引发水土流失.

(3)超坡度开垦是水土流失的重要因素

在坡地开发利用中，个别业主往往只注重眼前经济利益，急功近利，开垦的梯田前无埂后无沟，有的甚至顺坡种植，甚至还出现40°以上坡面开垦种植的现象，造成土壤严重松散，容易造成大量水土流失[9].由表4可以看出，坡度大于25°的地区的水土流失率高达21.18%，人为的不合理地开垦造成水土流失不容忽视.

5 结 语

本研究以南安市为例，以GIS技术为支撑，并利用高程、坡度、地貌等6种主要因子对南安市2000年水土流失情况进行成因分析.得出以下结论：

(1)水土流失主要集中在海拔800m以下，25°以下的坡度带；在地貌类型中丘陵与山地水土流失最为严重；在土地利用类型中，由于没有相应的保护措施，未利用地水土流失尤为严重，耕地与林地的水土流失也不容忽视；在道路分布中，随着距离道路越远，水土流失率越大；在居民点分布中，水土流失主要集中在距离居民点3km以内的地区.根据结果，未来南安市在水土保持工作中，应加大对耕地和林地这2种土地类型的治理力度，将其列为重点治理对象；不仅如此，在对道路建设等方面的同时，应与水土保持工作同时进行.

(2)研究区的水土流失主要以轻中度为主，但强度和极强度流失仍时有发生.

(3)南安市的水土流失主要是由自然因素和人为因素方面共同作用而形成的.自然条件中的不利因素为研究区水土流失提供了客观条件，而地表植被的破坏、不合理的生产建设活动与超坡地开垦加剧了研究区的水土流失.

水土流失在我国的危害已达到十分严重的程度，它不仅造成土地资源的破坏，导致农业生产环境恶化，生态平衡失调，水灾旱灾频繁，而且影响各业生产的发展[10].治理水土流失应与生态环境综合整治结合，抓住修筑山区水土保持林，强化造林治理；以小流域为单位进行全面规划，摸清流域内水土流失的具体情况，分阶段有重点地进行综合治理；在坡地上实行乔灌结合，生物措施与工程措施结合，坡耕地修筑梯田与间作套种结合等措施保持水土.水土流失主要是人为因素造成的，而水土保持事关国计民生，要加强城市水土保持工作的宣传，增强全社会的水土保持意识，树立水土保护的观念，加快水土流失的治理步伐.

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[责任编辑：徐明忠]

The cause of soil erosion of Nan’an city analysis based on GIS

WANG Chenglan,CHEN Xiaoyu

(College of Resources and Environmental Sciences，Quanzhou Normal University,Quanzhou 362000,China)

The article analysis the cause of soil erosion in Nan’an city of Fujian Province,which uses GIS technology to establishing database of soil erosion.Systematically analysis the relationship between factors of elevation，slope，landform，land use，settlements and roads and the degree of soil erosion in Nan’an city,then,concluded that main factors affecting the soil erosion in Nan’an city.Finally，put forward prevention and control measures.

GIS；soil erosion；Nan’an city

2016-08-15；

2016-09-30

福建省中青年教师教育科研项目计划(JAT160407)

陈小瑜(1982—)，女，福建泉州人，泉州师范学院讲师，硕士，主要从事GIS应用研究.

Q149

A

1672-3600(2017)09-0055-08