GIS支持下的黄土高原沟壑区典型小流域土壤侵蚀量估算
——以董庄沟小流域为例

翟 然 王鸿斌 宫春旺 郜文旺

（1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.黄委会西峰水保站，甘肃 庆阳 745000）

GIS支持下的黄土高原沟壑区典型小流域土壤侵蚀量估算
——以董庄沟小流域为例

翟 然1王鸿斌2宫春旺2郜文旺2

（1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.黄委会西峰水保站，甘肃 庆阳 745000）

应用地面观测和实测化验结果，确定了定量计算土壤侵蚀方程因子指标的方法，依据实地调查资料，建立了黄土高原沟壑区典型小流域地理数据库；利用ARCGIS的栅格数据空间分析功能，根据土壤侵蚀模型对数据库进行运算，对董庄沟小流域2013年土壤侵蚀量进行了估算。

土壤侵蚀；小流域；地理信息系统

黄土高原地区是我国水土流失最严重的地区，定量评价土壤侵蚀量、土壤侵蚀强度及时空分布特征，可以为水土流失防治措施提供依据。GIS技术已在资源管理领域获得了广泛应用，到目前为止，最为常用的经验模型是通用土壤侵蚀方程（Wisch⁃meier和Smich，1978）[1]，该模型是建立在土壤侵蚀理论及大量实地观测数据统计分析的基础上，其表达式为：

式中，E为年平均侵蚀量（t/hm2）；R为降水及径流因子；K为土壤侵蚀性因子；L及S为地形因子；P为水土保持措施因子；C为地面植被覆盖度因子。

1 研究区概况

董庄沟小流域位于甘肃省庆阳市西峰区境内，流域面积1.15 km2，最低海拔1 135m，最高海拔1 350m，平均海拔高度1 242.5m，沟道纵比降8.93%，多年平均降水量546.9mm，降水量年际变化较大，年内分布不均，6～9月降水量占年降水量的69.9%。年均日照时数2 454.1 h，最高气温39.6℃，最低气温-22.6℃，平均气温8.7℃。年均蒸发量1 474.6mm，无霜期150～180 d。主要自然灾害是干旱，属国家和《甘肃省人民政府关于水土保持预防监督“三区”划分公告》中所列的水土流失重点治理区，是黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站于1954年在黄土高原沟壑区选定的水土流失试验观测典型小流域，流域内布设了1处雨量站，出口布设了三角槽径流泥沙测站，2010年被水利部确定为全国水土流失动态监测与公告项目监测小流域。

2 研究方法

全国水土流失动态监测与公告项目中，应用改进的土壤侵蚀模型，具体为：

式中，E为年平均侵蚀量（t/hm2）；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤侵蚀性因子；L及S为坡度坡长因子；B为生物措施因子；E为工程措施因子，T为耕作措施因子。

2.1 降雨侵蚀力因子R的计算。利用董庄沟雨量站观测的降雨过程资料，用下式计算侵蚀性降雨（次雨量12mm）的次降雨侵蚀力：

式中：R是年降雨侵蚀力，MJ·mm/（ha·h·a）；E是某次降雨总动能，MJ/ha；I30是某次降雨的最大30min雨强，mm/h；ir是分钟雨量对应的瞬时雨强，mm/h；r=1，2，...，k，表示一次降雨过程按分钟分为n段；k=1，2，...，m，是一年的降雨次数。董庄沟小流域2013年降雨侵蚀力R平均为1 757.56M J·mm/（ha·h·a），见表1。

表 1 2013年董庄沟小流域降雨侵蚀力计算表

2.2 土壤侵蚀性因子K的计算。土壤可蚀性是一种十分复杂的土壤特性，反映了土壤在雨滴击溅、径流冲刷或者两者共同作用下，被分散、搬运的难易程度。如果从侵蚀发生过程的基本原理考虑，土壤可蚀性应被看做是在单位外营力作用下，土壤或其剖面发生变化的程度。对于土壤流失方程，其土壤可蚀性因子（K）定义为：标准小区上单位降雨侵蚀力引起的土壤流失率，单位是t·ha·h/（MJ·mm·ha）。本项目中土壤可蚀性因子（K）是通过对在董庄沟小流域内采集的3个土壤样本进行有机质含量和粒径组成分析，然后利用下面公式计算：

式中：SAN、SIL、CLA和C分别代表砂粒、粉粒、粘粒和有机质含量（%），SNI=（1-SAN）×100。

由北京师范大学对董庄沟样点小流域三个土壤样品进行了化验分析（详见表2），结果如下：董庄沟小流域有机碳含量平均为1.28%，0.2—2mm平均含量为0.37%，0.1～0.2mm平均含量为0.12%，＜0.05mm平均含量为79.43%，0.02～0.05mm平均含量为27.10%，＜0.02mm平均含量为52.33%，0.002～0.02mm平均含量为33.02%，＜0.002mm平均含量为19.31%。K值平均为：0.046t·ha·h/（MJ·mm·ha）。

2.3 坡度坡长因子LS的计算。L是坡长因子，S是坡度因子。基于董庄沟小流域1:10000数字化等高线图提取坡度和坡长后，利用下式计算：

表 2 董庄沟样点小流域土壤机械组成化验分析结果

式中，L为坡长因子，λi为某一水流方向上第i个单元格的坡长值，m为坡长指数。

坡度坡长因子在数字化好的等高线或者DEM的基础上通过ARCGIS实现，计算过程主要包括计算坡度、流向、单元坡长、定义径流源点和终点、定义沉积部位、计算累计坡长、坡度坡长因子提取等步骤。董庄沟小流域最大坡度为55°，最小坡度0°，大于35°的面积33.07 hm2，占流域总面积28.76%（详见表3）。坡度≤5°区域主要位于坡顶以上塬面和沟底部位，大于35°区域主要分布在主沟两侧的坡面上，包括陡崖和难利用地，大部分均为黄土裸露，也是极易发生泄溜和滑塌的区域。

表 3 董庄沟小流域坡度分级表

2.4 水土保持措施因子B、E、T的估算。利用径流小区泥沙观测数据计算水土保持措施生物措施因子值、工程措施因子值和水土保持耕作措施因子值，一般采用多年值计算。

生物措施因子B表示实际生物措施下（其他条件与标准小区相同）的土壤流失量与标准小区土壤流失量的比值。

工程措施因子E表示实际工程措施下（其他条件与标准小区相同）的土壤流失量与标准小区土壤流失量的比值。

耕作措施因子T表示实际耕作措施下（其他条件与标准小区相同）的土壤流失量与标准小区土壤流失量的比值。

本项目中，先通过野外调查得到的董庄沟小流域地块土地利用、植被盖度及水土保持措施底图，然后在ARCGIS下对调查底图进行数字化，建立董庄沟小流域土壤侵蚀矢量数据库（见表4），通过图斑的植被盖度、水土保持措施，依据第一次全国水利普查培训教材[2]分别查得各图斑的B、E、T值（详见表5-表7）。

2.5 土壤侵蚀量的计算。在ARCGIS的支持下，依据改进的土壤侵蚀方程，将以上因子相乘，就获得了侵蚀单元的平均土壤流失量。结合研究区域的实际情况，将土壤侵蚀强度划分为4级。董庄沟小流域土壤侵蚀量详见表8。

表 4 董庄沟小流域土壤侵蚀数据库

表 5 生物措施因子B赋值表

代码201名称梯田二级代码20101 20102 20103 20104名称土坎水平梯田石坎水平梯田坡式梯田隔坡梯田202 204 205 206 207软埝水平阶（反坡梯田）水平沟鱼鳞坑大型果树坑因子值0.084 0.121 0.414 0.347 0.414 0.151 0.335 0.249 0.160

表 7 耕作措施因子T赋值表

3 结论

3.1 董庄沟是黄委会西峰水保站多年试验观测的非治理小流域，流域内大部分为荒草地，植被覆盖度较高，总体土壤侵蚀强度较低。

土壤侵蚀强度＜1000 1000-2500 2500-5000 5000-8000合计面积（hm2）99.68 6.88 7.88 0.56 115.00百分比（%）86.68 5.98 6.85 0.49 100.00

3.2 董庄沟小流域由于坡度大，坡长长，＞35°的区域多为陡崖，极易发生滑塌和泄溜，对流域土壤侵蚀量贡献较大。

3.3 植被覆盖因子B对土壤侵蚀量影响较大，人工调查时应尽可能提高林草措施覆盖度判定。

3.4 确定土壤可蚀性因子K的最好办法是在天然小区上直接测定，通过相关方程计算K值的精度较差。

[1]Wischmeier W H，D D Smith.Predicting rainfall erosion losses-a guide to conservation planning.U.S.Department of Agricu⁃tural Handbook nr.537.science and Education Administration，Unit⁃ed States Department of Agriculture，1978

[2]国务院第一次全国水利普查领导小组办公室.水土保持情况普查[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

S157.2

A

1671-0037（2014）07-72-2.5

全国水土流失动态监测与公告项目【水保监[2013]动态监测与公告第（19）号】。

翟然（1992-），本科，研究方向：测绘工程。