三岔河流域基于RUSLE模型与GIS的土壤侵蚀模数

刘雪枚 刘爽

摘 要：对于喀斯特地区进行土壤侵蚀定量研究，可以为水土流失防护与治理工作提供科学理论指导。目前，在GIS技术的支持下，结合日降雨量数据、土壤类型、土地利用、DEM、MODIS-NDVI等数据，利用RUSLE模型可以快速地估算研究区域内的土壤侵蚀量。经计算，三岔河流域内的土壤侵蚀在0-5493.48t/（km2·a）之间，其中，70%以上地区属于轻度侵蚀，但问题仍然严峻。

关键词：土壤侵蚀;三岔河;RUSLE;GIS

中图分类号：S157 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0014-03

水土流失作为一个常见的现象，已经广泛引起各国政府及专家学者的注意。一个国家的水土流失现象的加剧与缓解，不仅直接关系到农林牧生产，而且影响到资源利用与环境保护、防灾减灾，乃至社会的发展和进步。深入研究不同自然和社会条件下水土流失的区域分布规律，能为水土流失防治宏观决策的制定提供理论依据和信息基础资料。

1 研究区概况

三岔河为乌江南源一级支流，位于东经104°54'～106°24'、北纬26°06'～27°00'之间，流域面积为5968km2，流域地势呈现西高东低的空间格局，海拔在911～2330m范围波动。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究采用的基础数据包括：研究区30×30m的数字高程模型（DEM），3个县级气象站点2007-2017年的日降雨数据，2015年研究区土地利用数据，2015年月合成NDVI数据，空间分辨率为500m，1：5万土壤类型图，以及联合国粮农组织和维也纳国际应用系统研究所构建的世界土壤特征数据库。

2.2 土壤侵蚀模型

RULSE（Revised Universal Soil Loss Equation）是1997年由Renard K G和Foster G R俩人在修正USLE土壤流失方程的基础上建立的，通过结合GIS与RS技术，在实用性和综合能力方面相比较原有的ULSE得到了更大的提升。它的计算公式为：

公式中，A表示年均土壤侵蚀模数（t/km2·a）;R表示降雨力侵蚀因子（MJ·mm/km2·h·a）;K表示土壤可蚀性因子（t·km2·h/km2·MJ·mm）;LS表示坡长坡度因子，无量纲;C则表示地表植被覆盖和管理因子，无量纲。

一般来说，是通过GIS技术与RS技术等，利用地区的降雨量、土壤、遥感影像以及土壤侵蚀普查数据，计算出各因子的量，之后再逐一相乘得到地区的土壤侵蚀模数[1]。

2.2.1 降雨侵蚀力R因子及其计算

降雨侵蚀力反映了降雨潜在的对土壤侵蚀的能力大小，进而表明某地区土壤受到侵蚀的潜在可能性大小。据研究区流域的降雨具体情况考虑，以研究区附近的赫章、威宁、水城三个气象站的2007年-2107年日降雨量数据为基础，利用Yu等在澳大利亚建立的月降雨侵蚀力计算公式（Yu B.，1996;Yu B.，1998）进行月降雨侵蚀力值的估算，公式如下：

式中，Ej表示j月的降雨侵蚀力（MJ·mm·hm-2·h-1）;Rd表示日降雨量（mm）;R0表示产生侵蚀的日降雨强度阈值，本文在前期研究的基础上（彭韬，2009），采用临界值12mm作为日降雨强度阈值;f表示频率，取值1/12;j表示月份值;ω取值5π/6;N表示j月中日降雨量超过R0的天数;S表示下半年5-8月份的总降雨量（mm）;P表示年均降雨量（mm）;η是一个由年均降雨量计算得来的模型参数（3），α与β在年降雨量不同的地方具有不同的关系计算表达式，年降雨量大于1050mm时，采用公式（1），年降雨量大于500mm而小于1050mm时，采用公式（2）具体如下;

利用上述公式计算三个气象站2007-2017年的逐月降雨侵蚀力后，汇总得到个各气象站点的多年平均降雨侵蚀力R。导入Arcgis中后，采用反距离权重（IDW）插值方法内插点降雨侵蚀力数据，形成流域内的多年平均降雨侵蚀力图层：

2.2.2 土壤可蚀性K因子及其计算

土壤可蚀性表示土壤抵抗降雨、径流以及径流侵蚀能力的大小，并侧面表示土壤受到侵蚀的潜在可能性大小。K因子值与土壤内部结构、坡面渗透性、土壤有机质含量密切相关。

在数据上由于缺少各土壤类型的渗透性和结构系数等参数，因此这里李用联合国粮农组织（FAO）和维也纳国际应用系统研究所（HASA）共同构建的世界土壤数据库（HWSD），结合研究区1：10万的土壤类型图，用EPIC的公式来计算子研究区内各种土壤类型的K值。公式如下：

式中，K表示土壤可蝕性（t·hm-2·h·MJ-1·mm-1·hm-2），SAN、SIL、CLA、C分别表示砂粒含量百分比、粉粒含量百分比、粘粒含量百分比、有机碳含量百分比，SN1表示：1-SAN/100。

经公式计算后获得各土壤类型的K值，流域内各种土壤类型的K值。

2.2.3 坡长与坡度LS因子及其计算

坡度因子S是指，在其它条件相同情况下，任意坡度下的单位面积土壤流失量与标准小区坡度下的单位面积土壤流失量之比;坡长因子L是指，在标准小区条件下，任意坡长的单位面积土壤流失量与标准小区条件下单位面积土壤流失量之比。

S因子采用刘宝元修正过后的陡坡分段计算公式：

其中θ值为坡度栅格图，利用Arcgis中的栅格计算器工具，使用以上分段公式计算得到流域内的S因子图层。

坡长因子采用Wischmerier和Smith的坡长因子计算公式：L=

其中m=，λ为近似坡长（m），22.1为标准小区的坡长（m），θ值为表面坡度，计算结果得到L因子图层。

最后將L因子与S因子做栅格运算后所得的LS栅格图层。

2.2.4 植被覆盖与管理因子C及其计算

植被覆盖与管理因子C，以在某一特定作物或者植被覆盖下的土壤流失量与耕种后的连续休闲地的流失量比值表示，衡量了植被覆盖与经营管理对土壤侵蚀的抑制作用。以蔡崇法等建立的C因子值与植被覆盖度fv两者之间的回归方程来计算C值，公式如下：

其中，C表示植被覆盖与管理因子，fv表示植被覆盖度，植被覆盖度以公式fv=（NDVI-NDVIsoil）/（NDVIveg-NDVIsoil）计算。其中，NDVIveg与NDVIsoil分别为纯植被覆盖与裸地的归一化植被指数值。计算所得得C值图层。

2.2.5 水土保持措施因子P及其计算

水土保持措施因子P表示采取水土保持措施后的土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值，值介于0-1之间。经充分考虑研究区的实际地形、植被等因素后，对不同的土地利用类型进行经验P因子赋值，得到P值栅格图层。

2.2.6 土壤侵蚀量的计算

在Arcgis的运算支持下，将各因子图层归一为同一坐标系下的栅格图层后，利用栅格计算器按照RUSLE模型进行乘积运算，得到三岔河流域的土壤侵蚀量的分布图。

3 结果与分析

将土壤侵蚀模数的数据导出分析表明：（1）三岔河流域的土壤侵蚀模数值范围在0至5493.48t/km2·a之间;（2）三岔河流域内土壤侵蚀模数在0-2000t/km2·a之间的占比73%以上;（3）三岔河流域内土壤侵蚀模数在5000t/km2·a以上的占比不足0.06%;

按照国家水利部颁发的《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-96）土壤侵蚀强度分级标准来看，大部分是属于轻度侵蚀，仅有极其小的面积具有重度侵蚀隐患;但考虑到喀斯特地区本身土壤量就比较少的特殊性，轻度侵蚀地区的流失量仍远高于喀斯特地区的允许流失量。

参考文献

[1] 高璐，王学凤，曲本亮，等.基于RUSLE模型的辽宁省土壤侵蚀定量研究[J]，长江科学学院院报，2015，32（12）：25-29.

[2] TERRANOVA O.Soil Erosion Risk Scenarios in the Mediterranean Environment Using RUSLE and GIS：An Application Model for Calabria （Southern Italy）[J]. Geomorphology，2009，112（3）：258-245.

[3] PRASANNAKUMAR V. Estimation  of Soil  Erosion  Risk within A Small Mountainous Sub-watershed in Kerala，India， Using Revised Universal Soil Loss Equation（RUSLE）and Geo-information Technology[J].Geoscience Frontiers，2012，3（2）：209-215.

[4] XU L F. Risk Assessment of Soil Erosion indifferent Rainfall Scenarios by RUSLE Model Coupled with Information Diffusion Model：A Case Study of Bohai Rim，China[J].Catena，2012（100）：74-82.