基于3S技术的磨子潭水土流失动态监测研究

王 冬， 杨学志， 董张玉， 邹 橙

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230601; 2.工业安全与应急技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601)

0 引 言

水土流失是指在水力、重力、风力、冻融等自然状态和人类活动影响下,对水土资源土地生产力造成损坏,包括土地表层侵蚀和水的损失[1]。若水土流失严重,则会导致耕地面积减少、土壤肥力降低,农作物产量下降,从而会造成“越穷越垦、越垦越穷”的循环[2-3]。

水土流失动态监测是水土保持措施工作开展的重要前提,也是对监测区域水土保持措施验证的重要手段[4]。

美国早在1935年就设立了水土资源保护法(resources conservation act,RCA),特别是1954年设立的流域保护和防洪法案为美国水土流失防治工作提供了法律的保障,也为美国农业部开展自然资源战略规划、建立水土保持监测区与示范区提供指导[5-6]。欧洲为了治理荒溪、整治林地,建立了新经济体[7]。19世纪中期欧洲工业革命造成了阿尔卑斯山区环境急剧恶化,为防止山体灾害,阿尔卑斯山国家开展了荒溪治理行动并颁布相关法律,促进了该区域生态恢复[8]。20世纪90年代,欧洲主要通过数据采集和数据分析对山区生态监测评价,进行山区生态环境的预警[9]。日本建立了许多水土保持方面的法律,如《砂防法》和《治山治水紧急处置法》[10]。1972年颁布了《山川防治法》、《河川法》、《砂防实施细则》。1990年,在水资源管理、河流恢复与保护方面,颁布了《近自然工法》和《河川法》[11]。日本在水土流失监测方面,主要研究的内容包括对监测区内生态系统的综合治理监测,辨析生态系统的发展方向和影响要素[12]。

中国是世界上水土流失较严重的国家之一,截至2010年,根据全国第四次土壤侵蚀普查和水土保持措施等情况普查结果可知,全国仍有294.91×104km2水土流失面积,尤其在人口密度较大的水力侵蚀区,水力侵蚀面积达129.32×104km2[13]。水土流失监测评价是环境的重要评价指标之一[14-15]。

本文将野外调研和室内解译相结合,致力于探究磨子潭水库流域水土流失的变化规律,在磨子潭多个不同年份之间的对比基础上,厘清了该地区水土流失的整体变化趋势和其中重点区域的治理情况,为磨子潭流域后期的水土流失治理工作提供了强有力的数据支撑。

1 研究区概况及数据预处理

1.1 研究区概况

磨子潭水库位于安徽省六安市霍山县的磨子潭镇,整个水库大坝高85 m,平湖面积15 000亩,研究区位于东经116°7′0.67″～116°28′44.76″,北纬30°58′18.09″～31°14′52.63″,研究区域总面积为570 km2。研究区具有由暖温带半湿润地区往亚热带湿润区过渡的特征,平均气温维持在15 ℃,无霜期约230 d,年降雨约900 mm。研究区内怪石嶙峋、奇才多姿,土壤呈垂直节理发育,耕作以坡耕地为主。磨子潭地区的地质地貌属于极易引发水土流失、泥石流、滑坡等灾害的类型,易造成生态环境的严重破坏[16]。1987年安徽省人民政府进行皖西大别山区水土保持规划,规划基础年为1985年,规划目标年限为2000年,期间整个皖西大别山区完成190×104亩的封山育林面积。规划指出磨子潭为重点水土流失治理区,要求水库上游50%以上集水面积封山育林。磨子潭镇看重生态资源,采取多种形式来发展当地工业和旅游业,在拥有丰富的自然资源下,磨子潭镇积极开展扶贫工作,进一步做活库区,让生态经济长远发展。近年来,退耕还林补助资金由农户申报后,财政局统一通过惠农平台打卡入户,通过一系列鼓励政策,磨子潭镇的生态得到极大的保护和改善[17]。利用30 a水土流失变化动态监测,对磨子潭流域生态环境治理与建设具有深远意义。

1.2 数据及预处理

针对研究区域,本文采用1984年、1992年、2002年、2009年、2015年的Landsat TM数据和1∶50 000的数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据,同时采用2015年高分一号数据进行土地利用解译复核,对Landsat TM影像数据中模糊区域进行校准,从而大大提升土地利用解译正确率。

Landsat TM是于1982年发射的,其影像包括了7个波段,波段1～5和波段7的空间分辨率为30 m。高分一号数据2013年4月26日发射,配置了2台2 m全色分辨率相机、8 m分辨率多光谱相机,4台16 m分辨率多光谱宽幅相机[18]。对Landsat TM和高分一号数据分别进行校正、融合、镶嵌,再经过裁剪得到研究区域影像数据。

DTM是表征高程各种地貌因子在内(如坡度、坡向、坡度变化率等因子)的线性和非线性组合的空间分布,其中DEM为单项数字地貌模型,其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特征可在DEM的基础上衍生。

2 研究方法

土壤侵蚀的影响因子主要包括降水、地貌、地面组成物、土地利用、植被覆盖、水土保持设施的数量和质量等7个因素,其中,可采用坡度、土地利用、植被覆盖的3因子技术进行不同侵蚀度级别的划分[19-20]。

本文采用Remote Sensing、全球定位系统(global position system,GPS),地理信息系统(geographic information system,GIS)的“3S”技术获取上述3因子,依据水利行业《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007),将磨子潭水库流域进行侵蚀度分类,具体技术路线如图1所示。

图1 磨子潭水库水土流失监测技术路线

本文中的土地利用数据采用TM数据作为信息源,建立相应的解译标注,通过土地利用分类编码,在eCognition软件和GIS技术的支持下,采用人机交互判读,获取磨子潭水库流域不同时期的土地利用面积和相邻年面积变化情况,并制作图表。

土地利用分类流程如图2所示。

图2 土地利用分析解译路线

植被覆盖度和植被指数之间存在显著相关性,TM数据近红外波段(near infrared red,NIR)和红外段(red,R)分别位于绿色植被的强反射光谱区和植物叶绿素的强吸收波段,通过归一化植被指数(normalized differential vegetation index,NDVI)进行反演得到植被覆盖分级。NDVI数据可通过Landsat TM影像反演得到,其计算公式为:

其中,NIR和R分别为近红外波段(0.76～0.96 μm)和红外波段(0.62～0.69 μm)。植被覆盖的分级流程如图3所示。

坡度图通过DEM数据在ARCGIS软件中快速提取,数据采用1∶50 000的30 m分辨率数字高程图。

图3 植被覆盖度分析路线

坡度是指地表单元的陡峭程度,一般把坡面垂直高度与水平距离之比称为坡度。坡度计算公式为:

(1)

其中,S为坡度因子；θ为坡度。

根据(1)式并依照《水土保持技术规范》将坡度划分成<5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°共6个等级。

在上述土地利用类型、植被覆盖度和坡度数据的基础上进行相交处理,本文依照《土壤侵蚀分类分级标准》对水土流失分类公式进行等级划分。水土流失等级划分为微度、轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈6个等级,其中微度为非水土流失面积。

3 实验结果与分析

3.1 水土流失现状特点

本文通过对磨子潭流域土地利用和植被覆盖度的反演,再结合坡度对磨子潭流域进行水土流失分析。首先,利用TM数据对磨子潭流域各年份的土地利用进行解译,解译后的各年份土地利用通过高分二号进行室内验证以及野外验证点验证保证精度后,对各个年份的土地利用面积分类。土地利用分类面积的统计结果见表1所列。

表1 磨子潭流域各年份土地利用面积 km2

同时针对各相邻年份,给出林地到耕地、耕地到林地、林地到建设用地和其他土地等变化类型,并对上述数据进行统计。磨子潭流域土地利用各相邻年份面积差异见表2所列。

表2 磨子潭流域土地利用相邻年份面积差异 km2

由表2可知,磨子潭流域以林地和耕地为主,1984—2015年间的林地面积持续增加,其中以1992—2002年间的增长最为明显。整体上来说,水土保持的治理对当地林地保护起到了很大作用。建筑面积随着年份的增加呈递增趋势,这与当地的土地建设息息相关。

根据土地利用相邻年份差异分析可知,磨子潭水库流域在林地变为耕地的同时,耕地也在演变为林地,并且林地演变耕地的面积远没有耕地演变为林地的面积多,这一点得益于政府对该流域的植被保护。

对TM数据进行植被覆盖度反演,并对植被覆盖各个年份图进行统计得到磨子潭流域各年份植被覆盖面积见表3所列。

表3 磨子潭流域各年份植被覆盖面积 km2

由表3可知,磨子潭水库流域在1984年的中覆盖及其以上面积(中覆盖、中高覆盖以及高覆盖三者之和)占总面积比重为41.46%,1992年为58.21%,到2002年中覆盖及其以上面积占总面积比重达到了80.67%。此后,在2010年和2015年的中覆盖及其以上面积占总面积比重依次为85.65%和89.62%。从数据上看,在1984—2002年以及2002—2009年2个时间段的中覆盖及其以上面积占总面积比重迅速提升。磨子潭水库流域在1984—2015年间中覆盖、中高覆盖和高覆盖在持续增长,结果与表2中各年份的林地持续增多现象相对应。同时,对相邻年份的非建筑面积转为建筑面积的统计,即对相邻年份地表扰动进行分析。磨子潭相邻年份土地扰动面积变化如下：1984—1992年、1992—2002年、2002—2009年、2009—2015年土地扰动面积变化分别为3.72、9.50、8.42、9.28 km2。这些变化反映出了20世纪90年代至21世纪初工业发展迅速,在2009-2015年间,土地扰动的面积就达到了9.28 km2,这更说明了随着工业化的发展,磨子潭流域土地扰动面积的增长不断扩大,从而要求当地人在不断深化经济发展的同时还要树立环境保护的思想。根据上述分析结果,将土地利用矢量、植被覆盖矢量和坡度矢量进行相交处理,通过水土流失等级划分公式,对磨子潭水库流域水土流失各年份进行矢量分析。磨子潭各年份水土流失面积见表4所列。

表4 磨子潭流域各年份水土流失面积 km2

从表4可以看出,1984年、1992年、2002年、2009年的水土流失微度面积占比分别为48.46%、62.29%、 67.34%、68.79%，由此可看出,在1984-2015年间水土流失的程度逐年向好,其中2015年微度面积占比更是达70.78%。

3.2 水土流失动态监测分析

水土流失动态监测能够反映磨子潭水库流域随时间的水土流失变化情况,能够为该区域水土流失治理情况提供一个更好的跟踪措施,可评价该区域内水土流失等级之间转换情况,因为水土流失指的是除微度等级外的其他所有等级,所以将相邻年份轻度转微度、中度转微度的部分提取出来。另外,由于工程建设和人为活动等原因造成的耕地林地破坏,会引起中度转强烈和微度转强烈的情况发生,因此，本文采用4个不同等级之间的面积转换对磨子潭水库流域的水土流失监测进行动态分析。磨子潭流域各年份水土流失动态面积变化如图4所示。

图4 相邻年份水土流失面积变化

根据图4对磨子潭水库流域进行水土流失动态矢量图的统计，得到磨子潭流域水土流失相邻年份面积差异见表5所列。

表5 磨子潭流域水土流失相邻年份面积差异 km2

据资料记载,1969—1984 年磨子潭综合治理措施以植树种草、塘堰坝为主[21]。由表5知,1984—1992年间轻度、中度转换为微度面积共为211.6 km2,这说明在该段时间内,水土保持措施发挥了很好的效果,水土流失程度得到明显的改善。1992—2002年,轻度与中度转换为非水土流失成分的面积为87.5 km2。进入20世纪以来,磨子潭水库流域的水土流失平均每10年间改善60 km2左右。在中度与微度转换为强烈情况中,各相邻对比年份的面积总数均不大于10.5 km2,其中1984—1992年间为10.1 km2,为对比年份当中最大项,这也说明在水土流失改善的过程中,通过建设塘堰坝与水土保持措施的工程虽很大程度改善了水土流失,但也会对水土流失造成一定负面影响。

4 结论与讨论

1984—2015年间磨子潭水库流域的水土流失程度逐年向好发展,微度等级的增加说明水土保持措施起到了良好作用。林地逐年增多,说明该区域生态环境有很大转变,另外中覆盖、中高覆盖和高覆盖在2015年达到了510.89 km2,占区域总面积的89.6%。高植被覆盖有效降低整个磨子潭水库流域的水土流失程度,中覆盖及其以上面积(中覆盖、中高覆盖以及高覆盖之和)、林地面积与非水土流失面积(微度)之间的关系见表6所列。

表6 各年份中覆盖及其以上、林地、非水土流失面积 km2

由表6可知,林地面积与中覆盖及其以上面积与非水土流失面积正相关,林地面积与中覆盖及其以上面积的提升,能够为水土流失改善带来直接的促进作用,磨子潭水库流域应该重视林地的保护措施,同时要注意建设项目的开发是否合理。磨子潭水库流域所处的霍山县,在1991年普查时,全县水土流失面积达到1 592 km2,占总面积的78%,每年水流土壤达到600多万吨。1992年开始,霍山县被列为淮河流域水土保持综合治理开发的重点县,开展了大规模小流域连片治理,建立起水保经济林基地。2003年霍山县水土流失面积相比较1992年减少了近800 km2,取得了显著成绩。磨子潭水库流域水资源丰富,环境基础正在建设中[22],在进行水土流失治理的过程中,应注意以下问题:

(1) 严格把控开发建设项目。在磨子潭水库流域旅游业迅速开展的过程中,需要针对道路修建、景点建设制定相应政策,防止破坏现有的大片林地,以及对当地水资源的污染。针对破坏程度存在商榷的项目,政策应该严格把关;对破坏程度较高的建设项目,政府应直接不予批复[23]。在项目执行过程中,政府需要进行监督,在项目完成后需要对水土流失部分进行快速治理,做到经济与水土保持共同向好发展。

(2) 持续推动退耕还林政策。磨子潭水库流域现拥有较好的植被覆盖,耕地面积也占多数,在退耕还林的政策面前,既改善当地环境,又保证人均收入。坚持因地制宜的政策,开展旅游业和水产业的同时要保护林地。另外,发挥水资源和环境优势,在经济、市场、技术面前进行第三产业的开发,有规划地进行林地保护。

(3) 规范坡耕地开发活动。坡地进行茶园种植活动是磨子潭地区的特点之一,通常坡地存在土壤薄、保水差的特点。另外,若坡耕地配套设施不完善,水资源难以及时补充,造成水土流失的概率很大。因此需要规范坡耕地建设,做到农产业发展的同时防止水土流失发生。

经过多年规范的水土流失治理,磨子潭水库流域水土流失程度改善效果明显,应坚持经济发展与环境治理相结合,本文通过近30 a来磨子潭水库流域水土流失进行动态监测分析,不仅可对该区域前30 a的水土流失治理手段进行评价,更为该区域后续的水土流失治理提供了基础数据。