李智廣，劉淑珍，張建國，張立新

(1.水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京;2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都;3.南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，226007，江蘇南通;4.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，100875，北京;5.北京師范大學(xué)遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100875，北京)

我國凍融侵蝕的調(diào)查方法

李智廣1，劉淑珍2，張建國3，張立新4，5

(1.水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京;2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都;3.南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，226007，江蘇南通;4.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，100875，北京;5.北京師范大學(xué)遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100875，北京)

凍融侵蝕是我國僅次于水蝕和風(fēng)蝕的第3大土壤侵蝕類型，也是第1次全國水利普查水土保持情況普查的土壤侵蝕類型之一，其普查方法的制定和正確運(yùn)用對(duì)普查結(jié)果有重要影響。通過介紹凍融侵蝕范圍的確定方法和凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法，闡述凍融侵蝕分級(jí)評(píng)價(jià)中涉及到的年凍融日循環(huán)時(shí)間、日均凍融相變水量、年均降水量、坡度、坡向和植被蓋度等6個(gè)因子的計(jì)算流程、賦值標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重，以及普查過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制措施。研究結(jié)果對(duì)于完善我國凍融侵蝕的調(diào)查方法以及科學(xué)評(píng)價(jià)凍融侵蝕的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和預(yù)測預(yù)報(bào)等具有重要意義。

凍融侵蝕;普查;方法

我國幅員遼闊，土壤侵蝕類型多樣，其主要類型有水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕等。凍融侵蝕在我國高寒地區(qū)廣泛分布，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生了一定的影響，需要引起足夠的重視。在已開展的3次全國性土壤侵蝕調(diào)查［1］中，均無全國統(tǒng)一的凍融侵蝕調(diào)查和評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)，僅限于各省、區(qū)根據(jù)本區(qū)域的實(shí)際及對(duì)凍融侵蝕的理解進(jìn)行調(diào)查和評(píng)價(jià)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著高寒區(qū)域生態(tài)環(huán)境的日趨惡化，凍融侵蝕引起了廣泛重視。10多年來，有些研究提出了凍融侵蝕范圍界定和評(píng)價(jià)方法，并通過示范和應(yīng)用，證明了此套方法符合我國實(shí)際［2－9］;因此，在2010—2012年全國水利普查水土保持情況普查中，采用以下方法調(diào)查了凍融侵蝕的空間分布、面積與強(qiáng)度，掌握了凍融侵蝕的現(xiàn)狀，為國家土壤侵蝕防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)提供了決策依據(jù)。筆者重點(diǎn)介紹凍融侵蝕的范圍界定及強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法。

1 凍融侵蝕范圍的界定

凍融侵蝕是指土壤及其母質(zhì)空隙中或巖石裂縫中的水分凍結(jié)時(shí)，體積膨脹，裂隙隨之加大、增多，整塊土體或巖石發(fā)生碎裂，消融后其抗蝕穩(wěn)定性大為降低，在重力作用下巖土順坡向下方產(chǎn)生位移的現(xiàn)象［3］。凍融侵蝕區(qū)是指具有強(qiáng)烈凍融作用為特征的寒冷氣候條件，且凍融作用是最普遍、最主要的外營力，同時(shí)有凍融侵蝕地貌形態(tài)分布的區(qū)域。第1次全國水利普查水土流失情況普查采用下列公式確定凍融侵蝕區(qū)海拔的下界:

式中:H為凍融侵蝕區(qū)下界的海拔，m;X1為緯度，(°);X2為經(jīng)度，(°)。

在此界限之上的區(qū)域，年平均氣溫在0℃以下，即一年中有6個(gè)月以上的時(shí)間地表處于凍結(jié)或凍融交替的狀態(tài)，凍融侵蝕是該區(qū)域主要的土壤侵蝕類型。

2 凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)因子

根據(jù)研究，選擇對(duì)凍融侵蝕影響比較強(qiáng)烈的6個(gè)主要影響因子作為評(píng)價(jià)因子，以揭示凍融侵蝕的分布規(guī)律。這6個(gè)因子為年凍融日循環(huán)時(shí)間、日均凍融相變水量、年均降水量、坡度、坡向和植被蓋度。根據(jù)各因子值在凍融侵蝕過程中的影響情況，確定各因子對(duì)凍融侵蝕影響的賦值標(biāo)準(zhǔn)，具體賦值結(jié)果見表1。

2.2 各因子權(quán)重確定方法

采用層次分析法與專家調(diào)查重要性標(biāo)度法確定6個(gè)因子在凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)中的權(quán)重，具體權(quán)重值見表2。

表1 凍融侵蝕強(qiáng)度分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)Tab．1 Index standard for evaluating freeze－thaw erosion intensity

表2 凍融侵蝕強(qiáng)度分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab．2 Weight of six indicators for evaluating freeze－thaw erosion intensity

2.3 侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法

全國水利普查水土保持情況普查中，凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)采用凍融侵蝕影響因子綜合評(píng)價(jià)的方法，即將影響凍融侵蝕強(qiáng)度的主要因子，采用加權(quán)加和的方法獲得綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，其計(jì)算公式為

式中:I為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)值;Wi是第i個(gè)因子評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重;Ii是第i個(gè)因子的賦值;n為評(píng)價(jià)因子數(shù)。

為了與水蝕、風(fēng)蝕的侵蝕強(qiáng)度對(duì)應(yīng)，將綜合評(píng)價(jià)指數(shù)I值分為6個(gè)等級(jí)(表3)。

表3 凍融侵蝕強(qiáng)度分級(jí)參數(shù)表Tab．3 Composite index for evaluating freeze－thaw erosion intensity

3 評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)獲取方法

3.1 年凍融日循環(huán)時(shí)間

年凍融日循環(huán)時(shí)間是指一年內(nèi)凍融日循環(huán)發(fā)生的時(shí)間，反映了溫度(凍融)對(duì)凍融侵蝕強(qiáng)度的影響作用。獲取方法是通過星載多波段微波輻射計(jì)AMSR－E(AdvancedMicrowaveScanningRadiometer－Earth Observing System)測得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出凍融判別指數(shù)，統(tǒng)計(jì)一年內(nèi)凍融日循環(huán)發(fā)生的時(shí)間(d)。AMSR－E搭載在2002年5月發(fā)射的Aqua衛(wèi)星上，具有高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢。計(jì)算中用到了AMSR－E的18.7 GHz水平極化亮溫(Tb18.7H)和36.5 GHz垂直極化亮溫(Tb36.5V)觀測數(shù)據(jù)。其中Tb36.5V對(duì)地表溫度響應(yīng)較為敏感，而比值Tb18.7H/Tb36.5V定義為凍融地表的18.7 GHz水平極化準(zhǔn)發(fā)射率，即Qe18.7H，其對(duì)土壤水分的變化響應(yīng)敏感［10］。

年凍融日循環(huán)時(shí)間的計(jì)算步驟如下。

1)選擇并拼接AMSR－E亮溫?cái)?shù)據(jù)第三級(jí)產(chǎn)品(L3)。在低緯度地區(qū)，1 d的數(shù)據(jù)不能達(dá)到全國覆蓋，故需將連續(xù)2 d的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。

2)提取通道Tb36.5V和Tb18.7H亮溫用以衡量地表溫度的變化，并計(jì)算Tb18.7H同Tb36.5V的比值用以衡量地表發(fā)射率的變化。

3)將提取得到的數(shù)據(jù)代入下式進(jìn)行計(jì)算，并比較計(jì)算結(jié)果的大小，若F＞T，則為凍土，反之為融土:

4)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)識(shí)，獲取年凍融日循環(huán)發(fā)生區(qū)域和累計(jì)年凍融日循環(huán)時(shí)間。

3.2 日均凍融相變水量

日均凍融相變水量是土體中凍融循環(huán)過程中發(fā)生相變的水量，相變水量增加，凍結(jié)時(shí)由于水體結(jié)冰體積增大而對(duì)土(巖)體的破壞作用增大。該因子的獲取方法亦是通過星載多波段微波輻射計(jì)AMSR－E測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算獲取。計(jì)算中采用了10.65 GHz垂直極化升軌亮溫(Tba18.7V)和降軌亮溫(Tbd18.7V)，以及 36.5 GHz垂直極化升軌亮溫(Tba36.5V)和降軌亮溫(Tbd36.5V)數(shù)據(jù)。研究［11］表明，10.5 GHz垂直極化降軌準(zhǔn)發(fā)射率與升軌準(zhǔn)發(fā)射率的差值，在有凍融交替的情況下，與相變水量成顯著的線性關(guān)系。

日均凍融相變水量的計(jì)算步驟如下。

1)選擇并拼接AMSR－E亮溫?cái)?shù)據(jù)第三級(jí)產(chǎn)品(L3)，在低緯度地區(qū)，1 d的數(shù)據(jù)不能達(dá)到全國覆蓋，故需將連續(xù)2 d的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。

3)將提取得到的數(shù)據(jù)代入下式進(jìn)行日凍融相變水量的計(jì)算:

式中:mvpt為日凍融相變水量值(volume phase translation water)，m3/m3;A、B為回歸系數(shù);Tbd10.65V和Tbd36.5V分別為10.65 GHz垂直極化和36.5 GHz垂直極化降軌亮溫，K;Tba10.65V和Tba36.5V分別為10.65 GHz垂直極化和36.5 GHz垂直極化升軌亮溫，K。參照現(xiàn)有的研究成果［11］，A的取值為3.018 5，B的取值為0.000 8。

4)累計(jì)年凍融相變水總量，并基于年凍融日循環(huán)時(shí)間進(jìn)行平均，獲取日均凍融相變水量。

3.3 年均降水量

降水(含降雨和降雪)是凍融侵蝕的重要影響因子，降水直接影響土體含水量，影響凍融侵蝕強(qiáng)度，同時(shí)降雨和冰雪融水是凍融侵蝕物質(zhì)移動(dòng)的重要?jiǎng)恿Α?shù)據(jù)獲取方法為收集凍融侵蝕區(qū)(包括西藏、四川、云南、青海、新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江等省、自治區(qū))氣象臺(tái)站1981—2010年的逐年降水?dāng)?shù)據(jù)。同時(shí)，因凍融侵蝕區(qū)氣象臺(tái)站稀少，利用降水衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，計(jì)算多年平均降水量?；贕IS軟件繪制年均降水量等值線圖，并對(duì)降水量等值線圖進(jìn)行空間插值，根據(jù)年均降水量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦值，得到年均降水量因子圖。

3.4 植被蓋度

植被對(duì)凍融侵蝕的作用表現(xiàn)在3個(gè)方面:其一是植被的地上部分對(duì)地表起到減輕侵蝕的保護(hù)作用;其二是植被地下部分可提高土體的穩(wěn)定性，降低因凍融作用對(duì)土體的破壞作用;其三是植被可減小地表溫度較差的作用，因此，將植被蓋度作為評(píng)價(jià)凍融侵蝕強(qiáng)度的重要影響因子。其數(shù)據(jù)的獲取方法是利用最新衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，并通過調(diào)查單元野外現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證、糾正，然后根據(jù)凍融侵蝕植被蓋度因子賦值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行植被蓋度分級(jí)，得到凍融侵蝕植被蓋度因子圖。

3.5 坡度與坡向

坡度直接影響凍融侵蝕物質(zhì)移動(dòng)的速度和距離，是凍融侵蝕的重要影響因子之一。坡向影響太陽輻射的總量和強(qiáng)度，不同坡向晝夜溫差變化明顯，直接影響凍融風(fēng)化作用的強(qiáng)度。數(shù)據(jù)獲取方法為，利用DEM數(shù)據(jù)，在GIS軟件中生成坡度、坡向圖，進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

4 普查成果的質(zhì)量控制

凍融侵蝕普查包括野外調(diào)查和侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)2個(gè)階段，野外調(diào)查由各省(自治區(qū))完成，侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)由國家級(jí)普查機(jī)構(gòu)組織完成。

4.1 野外調(diào)查

凍融侵蝕野外調(diào)查階段分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、野外調(diào)查和數(shù)據(jù)整理匯總等3個(gè)環(huán)節(jié)。

4.1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 該環(huán)節(jié)主要是為野外調(diào)查做好準(zhǔn)備，其質(zhì)量控制要求如下:1)建立存儲(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)的文件夾體系，應(yīng)保證文件夾目錄的完整性、正確性。需要檢查每個(gè)調(diào)查單元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件夾的位置是否正確;三級(jí)目錄要求含有各縣級(jí)調(diào)查單元的分布圖，其調(diào)查單元數(shù)量應(yīng)與普查規(guī)定的數(shù)量一致;四級(jí)目錄中應(yīng)含有調(diào)查單元的編號(hào)，高分辨率衛(wèi)星影像及其預(yù)解譯土地利用類型、圖斑界限的圖片文件及其基本信息(包括填圖人、經(jīng)緯度等)。2)空白的“凍融侵蝕野外調(diào)查表”。3)預(yù)解譯的土地利用圖，要求土地利用類型邊界準(zhǔn)確，偏差小于1 mm，屬性確定正確。

4.1.2 野外調(diào)查 該階段要求對(duì)預(yù)解譯的土地利用圖進(jìn)行驗(yàn)證及糾正，填寫“凍融侵蝕野外調(diào)查表”，拍攝照片。質(zhì)量控制要求如下:1)對(duì)預(yù)解譯的土地利用類型及圖斑界限進(jìn)行驗(yàn)證及糾正，類型界限要求偏離小于1 mm，屬性確定要求誤差小于10%，凍融侵蝕形態(tài)的照片在圖上標(biāo)注位置正確，圖件要求界限清繪清晰，編碼符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、清楚。2)要求“凍融侵蝕野外調(diào)查表”中每個(gè)選項(xiàng)填寫準(zhǔn)確，整個(gè)表格共10大項(xiàng)25個(gè)數(shù)據(jù)，要求填寫差錯(cuò)率小于4%。3)要求拍攝近景(中心位置)、遠(yuǎn)景(四周景觀)及凍融侵蝕形態(tài)照片。4)要求GPS航跡圖以縣(區(qū)、市、旗)為單位，路線連續(xù)，調(diào)查單元齊全。

4.1.3 數(shù)據(jù)整理匯總 數(shù)據(jù)整理匯總階段質(zhì)量控制要求如下:1)文件夾完整，3級(jí)目錄要求縣級(jí)調(diào)查單元分布圖與GPS航跡圖的調(diào)查單元一一對(duì)應(yīng)(如果發(fā)生變化，應(yīng)該寫出說明);4級(jí)目錄下含有經(jīng)糾正重新數(shù)字化后的土地利用類型圖及凍融侵蝕形態(tài)照片標(biāo)注的圖片文件，土地利用類型界限精度要求偏差小于1 mm，屬性偏差小于10%，凍融侵蝕形態(tài)照片位置標(biāo)注要正確。2)要求“凍融侵蝕野外調(diào)查表”錄入準(zhǔn)確，差錯(cuò)率小于4%。3)照片近、遠(yuǎn)景及凍融侵蝕形態(tài)齊全。4)文件夾中圖、表、照片統(tǒng)一、完整。

4.2 侵蝕強(qiáng)度計(jì)算分析

4.2.1 質(zhì)量控制內(nèi)容 侵蝕強(qiáng)度計(jì)算分析階段質(zhì)量控制的核心內(nèi)容是對(duì)計(jì)算評(píng)價(jià)出的凍融侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行審查，采用野外調(diào)查獲取的調(diào)查資料(照片、表格、圖等)判斷的凍融侵蝕強(qiáng)度對(duì)全國凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2.2 質(zhì)量控制要求 1)利用野外調(diào)查單元的數(shù)據(jù)修正和驗(yàn)證植被、坡度、坡向等的等級(jí)判斷結(jié)果，準(zhǔn)確率達(dá)到≥75%。2)使用野外調(diào)查單元資料判斷所得的凍融侵蝕強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)位置全國凍融侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，準(zhǔn)確率≥75%。3)利用野外調(diào)查單元所拍攝景觀照片判斷的凍融侵蝕強(qiáng)度與計(jì)算所得的凍融侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行比較，準(zhǔn)確率≥75%。

4.3 質(zhì)量控制組織實(shí)施

質(zhì)量控制組織體系由縣級(jí)—省級(jí)—國家級(jí)3級(jí)組成。

縣級(jí)普查機(jī)構(gòu)對(duì)本縣野外調(diào)查成果根據(jù)質(zhì)量控制規(guī)定組織自查，對(duì)存在的問題自行糾正，將符合質(zhì)量要求的野外調(diào)查單元數(shù)據(jù)簽字蓋章后上報(bào)省級(jí)普查機(jī)構(gòu)。省級(jí)普查機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)資料準(zhǔn)備階段的質(zhì)量控制、縣級(jí)野外調(diào)查階段的質(zhì)量抽查和數(shù)據(jù)整理上報(bào)階段的質(zhì)量控制，將符合質(zhì)量要求的野外調(diào)查單元數(shù)據(jù)整理后，簽字提交國家級(jí)普查機(jī)構(gòu)，同時(shí)編寫質(zhì)量控制報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容主要包括工作概況、存在問題及處理方法、總體質(zhì)量評(píng)價(jià)等。國家級(jí)普查機(jī)構(gòu)對(duì)資料準(zhǔn)備、野外調(diào)查、數(shù)據(jù)整理上報(bào)和侵蝕強(qiáng)度計(jì)算分析等階段實(shí)施全過程質(zhì)量管理。其中，對(duì)于縣級(jí)野外調(diào)查和省級(jí)數(shù)據(jù)整理上報(bào)的工作，分階段組織專家進(jìn)行質(zhì)量抽查，對(duì)于侵蝕強(qiáng)度計(jì)算分析工作，組織開展侵蝕強(qiáng)度計(jì)算分析階段的數(shù)據(jù)論證和平衡匯總。

5 小結(jié)

凍融侵蝕是我國僅次于水蝕和風(fēng)蝕的第3大土壤侵蝕類型，也是第1次全國水利普查水土保持情況普查的土壤侵蝕類型之一，其普查方法的制訂和正確運(yùn)用對(duì)普查結(jié)果有重要影響。為了方便廣大水土保持工作者詳細(xì)了解我國第1次水利普查水土保持情況普查中所用方法，對(duì)凍融侵蝕的普查方法，凍融侵蝕范圍的界定，以及凍融侵蝕分級(jí)評(píng)價(jià)中涉及到的年凍融日循環(huán)時(shí)間、日均凍融相變水量、年均降水量、坡度、坡向和植被蓋度等6個(gè)因子的計(jì)算流程、賦值標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重做了詳細(xì)介紹，并對(duì)普查過程各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制措施進(jìn)行了總結(jié)。筆者闡述的凍融侵蝕評(píng)價(jià)方法對(duì)于補(bǔ)充我國土壤侵蝕的調(diào)查評(píng)價(jià)方法以及科學(xué)評(píng)價(jià)我國凍融侵蝕現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和預(yù)測預(yù)報(bào)具有一定的意義。

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Survey method of freeze-thaw erosion in China

Li Zhiguang1，Liu Shuzhen2，Zhang Jianguo3，Zhang Lixin4，5

(1.Monitoring Center of Soil and Water Conservation，Ministry of Water Resource，100053，Beijing;2.Institute of Mountain Hazards and Environment，CAS，610041，Chengdu;3.School of Geography，Nantong University，226007，Nantong，Jiangsu;4.School of Geography，Beijing Normal University，100875，Beijing;5.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，Beijing Normal University and Institute of Remote Sensing Applications，CAS，100875，Beijing:China)

Freeze－thaw erosion is the third largest soil erosion type after water erosion and wind erosion，and it is also the main type of soil erosion need to be surveyed in census of water and soil conservation situation，Chinese first－ever nationwide water resources survey.The survey method formulation and correctly applying have important influence on survey results of freeze－thaw erosion.The survey method and technique process of freeze－thaw erosion were introduced clearly in this paper in order to let more workers in water and soil conservation field to know the survey method of freeze－thaw erosion.Firstly，the method for defining the freeze－thaw erosion area in China and the assessment method of freeze－thaw erosion intensity were introduced.Then，the calculation procedure，criterion and weight of six indices for assessment freeze－thaw erosion were formulated.The six indices include the annual freeze－thaw cycle days，phase transition water content in freeze－thaw process，annual precipitation，slope，aspect，vegetation coverage.Finally，the quality measures in survey process were introduced.The survey method introduced in this paper is very important for freeze－thaw erosion survey，and for scientifically evaluating present state，forecasting development trend.

freeze－thaw erosion;survey;method

2012－01－14

2012－03－21

第一次全國水利普查“國務(wù)院第一次全國水利普查”(國發(fā)［2010］4號(hào))

李智廣(1966—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。主要研究方向:水土保持監(jiān)測評(píng)價(jià)。E－mail:lizhiguang@mwr.gov.cn

(責(zé)任編輯:宋如華)