基于GIS和RS的崩坎水小流域水土流失敏感性评价

刘朱婷，连少宏

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

水土流失是目前全球危害最大、影响最深远的环境和灾害问题之一，严重的水土流失会破坏土壤肥力，从而导致土地生产力下降甚至土地退化[1]。近年来，随着经济建设活动的不断推进，人类不合理开发利用加剧了水土流失，严重制约了生态环境的可持续发展[2]。水土流失敏感性是判断生态系统水土流失发生的潜在可能性，可用于反映水土流失对人为扰动的敏感程度[3]，是实施水土流失治理、生态环境综合规划和管理的重要依据[4]。小流域是江河水系中的基本单元，广东省小流域众多，多分布于河流源头或流域上游。特殊的地形地貌以及地质和气象条件，使得小流域范围内时常受到山洪、滑坡泥石流等地质灾害的影响。小流域一般分布于农村或边远山区，基础建设投入十分有限，抵御暴雨洪水灾害的能力不足，自然和人为双重因素的影响导致部分小流域水土流失严重，下游清洁水源日益减少，防洪减灾压力不断加大，严重制约了地方的经济发展。因此在小流域尺度开展水土流失敏感性评价具有重要意义，可为日后水土保持治理工程的监测和规划提供技术支撑。本研究以位于广东省揭阳市的崩坎水小流域为研究区，基于GIS和RS技术结合实地调查的方法，通过降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度以及地表植被覆盖等评价因子计算以及水土流失敏感性指数的构建[5-7]，开展崩坎水小流域2011年和2021年水土流失敏感性分析与评价，揭示粤东山区小流域尺度不同等级水土流失敏感性的空间分布，旨在为粤东山区实施水土流失综合防治提供技术支撑。

崩坎水小流域位于广东省揭阳市普宁市境内，中心地理位置为东经116.003°，北纬23.233°。流域范围涉及梅林镇、云落镇、高埔镇和马鞍山农场，面积约为296.11 km2。流域位于普宁市的西南部，为上升构造剥蚀为主的地形，属于亚热带季风气候，境内水资源、植物资源和矿产资源丰富。依据普宁市第3次全国土地调查成果为基础进行更新解译得到的数据，2021年崩坎水小流域总土地面积为296.11 km2，其中林地分布最为广泛，面积为172.94 km2，占其土地总面积的58.42%，园地面积为54.20 km2，占比为18.30%，草地、耕地、建设用地、水域及水利设施用地的占比分别为9.12%、6.85%、4.06%和2.07%，其他土地的面积最小。研究区2011年和2021年的遥感影像如图1和图2所示。

图1 2011年遥感影像示意

图2 2021年遥感影像示意

研究区在2011—2021年期间共实施各类水土保持措施120.68 km2，主要包含造林和梯田2种水土保持措施，其中营造水土保持林为94.46 km2，修建梯田为26.22 km2。造林措施主要分布在25°以下林草植被盖度较低的区域，采用人工补植抚育等方式，25°以上陡坡耕地采用退耕还林的方式，25°～35°区域采取必要的土地平整、布设截排水沟和种植水土保持林的方式；
梯田措施主要分布在坡耕地治理上，坡度在5°～15°范围内土质较好、交通方便的坡耕地建设具有规模性的集中连片梯田，并配置生产道路和坡面小型蓄排工程等以减轻水土流失，对于难以实施坡改梯的坡耕地，采用等高耕作和改变作物种植结构、增加地表植物覆盖等方式。

2.1 研究方法

水土流失受降雨、土壤、地形地貌和植被以及工程建设、人为活动等自然和人为因素的综合影响。在选取水土流失敏感性分析的评价因子时应对上述因素进行综合考虑[8]。基于通用土壤流失方程(USLE)，采用降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度及地表植被覆盖等评价因子进行崩坎水小流域的水土流失敏感性分析，评价模型公式为：

(1)

式中：

S——水土流失敏感性指数；

R——降雨侵蚀力因子；

K——土壤可蚀性因子；

LS——坡长坡度因子；

C——地表植被覆盖因子。

总体技术路线见图3。

图3 崩坎水小流域水土流失敏感性评价总体技术路线示意

2.2 数据处理

2.2.1遥感影像处理

选用2011年和2021年覆盖广东省范围的MODIS NDVI数据，空间分辨率为250 m，每16 d覆盖1次。将MODIS归一化植被指数(NDVI)产品进行预处理，主要包括投影转换、空值确认与去除等。

2.2.2评价因子计算

1) 降雨侵蚀力因子(R)：收集研究区附近2个气象观测站(惠来气象站、揭西气象站)的逐日降水量资料，按照降雨侵蚀力公式计算雨量站多年平均年降雨侵蚀力[9]，利用ArcGIS软件的普通克里金空间插值方法，生成10 m空间分辨率的R因子栅格数据(见图4)。

图4 R因子分布示意

2) 土壤可蚀性因子(K)：基于收集到的广东省土壤分布图提取崩坎水小流域的土壤类型，并结合现场调查采样，根据相关公式计算土壤可蚀性因子，经过重采样后，生成10 m空间分辨率的K因子栅格数据(见图5)

图5 K因子分布示意。

3) 坡长坡度因子(LS)：土壤侵蚀与地形坡度的关系一般表现为：坡度增大，土壤侵蚀随之加重[10]。坡长坡度因子(LS)主要通过计算坡长因子(L)和坡度因子(S)获取。收集2011年和2021年覆盖研究区的1∶50 000数字高程模型(研究区2011年和2021年的DEM如图6和图7所示)，然后根据公式(2)和公式(4)分别计算坡长因子和坡度因子，从而获取坡长坡度因子，最终生成2011年和2021年10m分辨率的LS因子栅格数据(见图8和图9)。

图6 2011年DEM示意

图7 2021年DEM示意

图8 2011年LS因子示意

图9 2021年LS因子图

坡长因子的计算公式为：

(2)

(3)

式中:

λi和λi-1——第i个和第i-1个坡段的坡长;

m——坡长指数，随坡度的变化而变化。

坡度因子的计算公式为：

(4)

4) 地表植被覆盖因子(C)：植被措施对于预防和治理水土流失具有积极作用，植被通过截留降雨，增加入渗量达到缓解降雨对地表侵蚀的效果[11]。地表植被覆盖越好，抗破坏能力增强，生态敏感性则越低[12-13]。C因子的计算公式为：

C=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(5)

式中:

NDVIveg和NDVIsoil——纯植被像元和纯裸土像元的NDVI值。

研究区2011年和2021年的NDVI如图10和图11所示。

图10 2011年NDVI示意

图11 2021年NDVI示意

由于绝大多数的植被覆盖类型在影像中均为混合像元，无法采用固定的NDVIveg和NDVIsoil，因此通过计算NDVI的频率统计表来取NDVI的累计频率，将累积频率为99%的NDVI值作为NDVIveg，将累积频率为1%的NDVI值作为NDVIsoil[14]，再运用公式(5)在ArcGIS的栅格计算器中计算植被覆盖因子，最终形成2011年和2021年分辨率为10 m的C因子栅格图(见图12和图13)。

图12 2011年C因子示意

图13 2021年C因子示意

2.2.3水土流失敏感性指数计算

1) 评价因子敏感性等级分析

采用自然断点法并结合《生态功能区划暂行规程》等相关规定和文献确定各评价因子敏感性分级标准，根据研究区4个评价因子的计算方法和空间分布，以研究区水土流失敏感性前后变化差异性对比为出发点，确定各评价因子不同等级区间和对应区间的分级值(见表1)。

表1 崩坎水小流域水土流失敏感性评价因子及分级赋值

2) 模型计算

根据式(1)，利用ArcGIS平台的栅格计算器将4类空间分辨率均为10 m的评价因子栅格数据进行计算，得到水土流失敏感性指数，并按照自然断点分级法将研究区水土流失敏感等级划分为不敏感、轻度敏感、中度敏感、重度敏感和极敏感[14-15]。研究区2011年和2021年的水土流失敏感性指数分布见图14和图15。

图14 2011年指数示意

图15 2021年指数示意

研究区在2011—2021年期间R因子和K因子变化非常微小，此处主要分析LS因子、C因子以及水土流失敏感性指数的变化。通过计算得到R、K、LS和C等4个因子的值，根据表1进行敏感性指数分级赋值，通过面积加权得到各因子的敏感性指数，再根据式(1)计算获取研究区2011年和2021年的水土流失敏感性指数(见表2所示)。结果表明，崩坎水小流域水土流失呈现局部聚集状分布，水土流失敏感区主要位于流域西北部和东部的高山丘陵，虽然这些区域的植被覆盖度相比周边区域高，但较高的地形起伏导致土体性质松软易蚀，且发生降雨时冲刷强度大，容易加剧水土流失，因此上述区域的水土流失敏感性指数高。

表2 崩坎水小流域2011年和2021年LS、C因子及水土流失敏感性变化分析

2011—2021年期间崩坎水小流域水土流失敏感性指数由2.157降至1.958，LS因子的敏感性指数由1.683降至1.510，C因子敏感性指数由1.721降至1.302，研究区内极敏感、重度敏感及中度敏感区面积均有减少，尤其是重度敏感和极敏感区面积下降最为明显。通过对2011年和2021年研究区的LS因子、C因子及水土流失敏感性指数进行转移矩阵分析(见表3)。

表3 崩坎水小流域2011年和2021年LS、C因子及水土流失敏感性转移矩阵分析

由表3可知，流域内水土流失敏感性指数受C因子和LS因子的综合作用，总体上呈现出下降的趋势，水土流失风险程度降低，水土流失敏感性由高敏感级别降为较低敏感级别的面积为63.37 km2，敏感性级别不变的面积为183.07 km2，二者合计占流域总面积的比例为83.23%。水土流失敏感性降低受C因子变化的影响最大，C因子由高敏感级别降为较低敏感级别的土地面积为84.89 km2，敏感性级别不变的面积为198.22 km2，合计占流域总面积的比例为95.61%，这表明崩坎水小流域2021年植被覆盖度相比2011年增加，尤其是位于流域西北部和东部的高山丘陵区植被覆盖度上升较为明显，C因子相应增大，因此区域中度敏感、重度敏感和极敏感面积均有所下降；
同时，水土流失敏感性指数降低一定程度上也受到LS因子变化的影响，LS因子由高敏感级别降为较低敏感级别的土地面积为68.50 km2，而由低敏感级别上升为较高敏感级别的土地面积为31.45 km2，占流域总面积的比例分别为23.13%和10.62%，流域内局部地区进行整地活动导致原地面坡度降低，同时，由于布设了有效的水土保持措施，此类区域的水土流失敏感性较之前有所下降，但也有少部分敏感性级别较低的区域由于不合理的开发利用导致敏感性指数上升，总体而言2021年LS因子相比2011年有所减小，水土流失敏感性指数随之下降。

利用GIS和RS技术结合现场调查开展了粤东地区崩坎水小流域10 a间的水土流失敏感性分析评价，2011—2021年期间崩坎水小流域水土流失敏感性指数由2.157降为1.958，流域内中度敏感、重度敏感和极敏感区的面积均有所减少，影响水土流失敏感性指数变化最大的影响因素是地表植被覆盖因子，其次是坡长坡度因子。总体而言，2021年相比2011年流域内地表植被覆盖因子增大，坡长坡度因子减小，水土流失敏感性指数随之下降，该方法具有数据获取简便、分析直观、操作性强等优势，但也存在遥感影像精度不高、现场监测数据有限以及通用土壤侵蚀模型不完全适用具体研究区域等问题，下一步将继续优化水土流失敏感性评价的监测体系和方法，旨在更好的服务于小流域水土流失综合防治实施工作。