李智廣，鄒學勇，程宏

(1.水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京;2.北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，100875，北京)

我國風力侵蝕抽樣調(diào)查方法

李智廣1，鄒學勇2，程宏2

(1.水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京;2.北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，100875，北京)

摘要：風力侵蝕普查是第一次全國水利普查水土保持情況普查的重要內(nèi)容之一。抽樣調(diào)查方法是風力侵蝕普查的重要方法。在介紹我國風力侵蝕野外調(diào)查單元布設(shè)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，詳細介紹風力侵蝕模型、侵蝕因子計算方法，并結(jié)合實際調(diào)查情況，對包括資料準備、野外調(diào)查、匯總上報和成果評價等普查過程的各個階段及其質(zhì)量控制措施進行詳細總結(jié)。普查技術(shù)方法的正確把握對于保證普查結(jié)果的可靠性、科學性和權(quán)威性具有重要意義，普查結(jié)果可為國家水土保持規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：水利普查;風力侵蝕;抽樣調(diào)查;方法

風力侵蝕是導致土地荒漠化的重要原因。風力侵蝕強度、分布和面積受風力大小、地表狀況、地表裸露物質(zhì)物理特性等綜合因素的影響。為全面了解和掌握我國風力侵蝕強度及空間分布，在前2次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查中，風力侵蝕是重要的組成部分［1］：第1次是在20世紀80年代，利用遙感技術(shù)、結(jié)合地面調(diào)查，對我國風力侵蝕區(qū)土壤風蝕狀況進行了普查，為全國水土保持規(guī)劃、全國生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃以及京津風沙源治理工程等提供了基本依據(jù);第2次是在1999年，利用更高分辨率的遙感影像調(diào)查了風力侵蝕區(qū)的風力侵蝕狀況，并劃分出水蝕風蝕交錯區(qū)。前2次都是基于遙感調(diào)查的方法，采用影像識別和野外調(diào)查驗證的方法得到土壤侵蝕的空間分布，考慮的土壤侵蝕影響因子不夠全面，如沒有考慮風向風速、表土濕度和地表粗糙度等對風力侵蝕的影響，也沒有進行土壤侵蝕模數(shù)的定量計算。為全面調(diào)查影響風力侵蝕的因素，定量評價土壤風蝕量，在2010—2012年第1次全國水利普查水土保持情況普查中，采用抽樣調(diào)查法獲得了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用以量化地表粗糙度因子，并結(jié)合遙感影像解譯獲得的表土濕度因子和植被蓋度以及風蝕區(qū)主要氣象站獲得的長期風向風速觀測數(shù)據(jù)，利用土壤風力侵蝕模型計算出風力侵蝕模數(shù)，進而評價了土壤風力侵蝕的分布、面積與強度［2］，其目的是查清我國風力侵蝕的空間分布、面積和強度，分析風力侵蝕的動態(tài)變化，為今后的水土保持規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境建設(shè)項目實施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 野外調(diào)查單元布設(shè)

根據(jù)土壤侵蝕的主導外營力，依據(jù)第2次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查成果，并考慮縣界完整性，將全國分為水力侵蝕區(qū)、風力侵蝕區(qū)、凍融侵蝕區(qū)、水力風力侵蝕交錯區(qū)、水力凍融侵蝕交錯區(qū)、風力凍融侵蝕交錯區(qū)。在風力侵蝕區(qū)和水力風力侵蝕交錯區(qū)，按0.25%密度布設(shè)風蝕野外調(diào)查單元，在風力凍融侵蝕交錯區(qū)，按0.062 5%密度布設(shè)風蝕野外調(diào)查單元。同時考慮到第1次水利普查時間和任務(wù)要求，在面積較大的縣內(nèi)，適當降低布設(shè)密度，布設(shè)的野外調(diào)查單元總數(shù)原則上不超過50個。

根據(jù)上述布設(shè)原則和方法，全國實際布設(shè)風力侵蝕野外調(diào)查單元3 108個，其中風力侵蝕區(qū)野外調(diào)查單元共972個，風力水力侵蝕交錯區(qū)野外調(diào)查單元共1 757個，風力凍融侵蝕交錯區(qū)野外調(diào)查單元共379個。按省(自治區(qū)、直轄市)行政區(qū)計算，河北省92個、山西省38個、內(nèi)蒙古自治區(qū)806個、遼寧省49個、吉林省157個、黑龍江省92個、四川省18個、西藏自治區(qū)6個、陜西省56個、甘肅省281個、青海省179個、寧夏回族自治區(qū)96個、新疆維吾爾自治區(qū)1 238個。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集

2.1 風向風速數(shù)據(jù)

為計算土壤風力因子，收集我國北方風蝕區(qū)229個氣象站的1991—2010年每年1—5月和10—12月的大于或等于5m/s的風速和風向數(shù)據(jù)。如果該氣象站有逐日24次10min的風向風速數(shù)據(jù)，抄錄逐日24次10min大于或等于5m/s的風速和風向數(shù)據(jù)，否則抄錄逐日4次大于或等于5m/s的風速和風向數(shù)據(jù)。

2.2 野外調(diào)查單元的調(diào)查數(shù)據(jù)

通過風蝕野外調(diào)查單元調(diào)查，獲得土地利用類型、植被類型、植被高度與蓋度、地形起伏和微地貌等調(diào)查數(shù)據(jù)。野外調(diào)查數(shù)據(jù)用于量化地表粗糙度。

2.3 遙感影像和土地利用數(shù)據(jù)

表土濕度(土壤表層0～10 cm深度范圍內(nèi))因子是利用美國Aqua衛(wèi)星AMSR-E數(shù)據(jù)計算獲得的。AMSR-E數(shù)據(jù)來自美國2002年5月4日發(fā)射的Aqua衛(wèi)星，由美國冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC，National Snow and Ice Data Center，http：∥nsidc.org/data/amsre/)提供的L2A全球軌道亮溫數(shù)據(jù)。

計算植被蓋度所用到的遙感數(shù)據(jù)來自3方面：高空間分辨率(30m左右)HJ--1多光譜反射率數(shù)據(jù);2010年1∶10萬全國土地利用圖數(shù)據(jù)，用于分土地利用類型計算1∶10萬分辨率的NDVI和植被蓋度;收集的MODIS傳感器數(shù)據(jù)。

3 風力侵蝕模數(shù)計算方法

3.1 風力侵蝕模型

風力侵蝕模數(shù)分別用耕地、草(灌)地和沙地風力侵蝕模型計算［3］。

1)耕地侵蝕模型。模型為

式中：Qfa為耕地風力侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a);Uj為風力因子，量綱為1，j為風力等級;W為表土濕度因子，%;tj為一年內(nèi)有風力侵蝕發(fā)生期間風速為Uj的累積時間，min;Z0為地表粗糙度，cm，在第1次全國水利普查水土保持情況普查工作中，專門制定了各類地表粗糙度值表格，通過查表獲得;A為與下墊面(耕作技術(shù)措施)有關(guān)的風速修訂系數(shù)，量綱為1;a1、b1、c1為與耕地有關(guān)的量綱為1的常數(shù)，分別取值-9.208、0.018 和1.955。

2)草灌地侵蝕模型。模型為

式中：Qfg為草灌地風力侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a);V為植被蓋度，%;a2、b2、c2為與草灌地有關(guān)的量綱為1的常數(shù)，分別取值2.486 9、-0.001 4和-54.947 2。

3)沙地(漠)侵蝕模型。模型為

式中：Qfs為沙地(漠)風力侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a);a3、b3、c3為與沙地(漠)有關(guān)的量綱為1的常數(shù)，分別取值6.168 9、-0.074 3和 -27.961 3。

3.2 侵蝕因子計算

3.2.1 風力因子 風力因子是指不同等級風速和風向?qū)︼L力侵蝕的潛在能力，與臨界侵蝕風速和各等級風速的累積時間有關(guān)。臨界侵蝕風速是指風力作用于地表，產(chǎn)生風力侵蝕的最小風速(m/s)，大于和等于臨界侵蝕風速的各等級風速均為侵蝕風速。各等級風速累積時間是指全年大于和等于臨界侵蝕風速的各等級風速的累積時間(min)。風力因子計算采用風力侵蝕區(qū)域各縣份收集的逐日24 h整點風速和風向資料，按1m/s間隔統(tǒng)計全年大于等于臨界侵蝕風速(U0)的各等級風速的累積時間，耕地、沙地的臨界侵蝕風速取值為5m/s，草地臨界侵蝕風速按表1取值，沙地(漠)臨界侵蝕風速按表2取值。

表1 草灌地不同植被蓋度下的臨界侵蝕風速Tab．1 Critical erosion wind speed at different vegetation coverage of grass and shrub land

風力因子計算方法如下。

1)對于逐日24次10min平均風向風速數(shù)據(jù)，按1m/s間隔直接統(tǒng)計全年不小于5m/s的各等級風速的發(fā)生頻次。每頻次代表1 h，按下式換算為該等級風速的累計時間：

式中：ti為第i等級風速的累計時間，min;qi為第i等級風速的發(fā)生頻次，次;t為頻次持續(xù)的時間，h/次;60為時、分換算量。

依次獲得5.0～5.9、6.0～6.9、7.0 ～7.9m/s、……各等級風速的累積時間，最高風速統(tǒng)計到該氣象臺站記錄到的最大風速。

2)對于逐日4次風向風速數(shù)據(jù)，首先按線性插值方法，計算相鄰2個整點時刻的風速，獲得逐日24次風向風速估算數(shù)據(jù)，計算公式為

式中：t1、t2為逐日4次風向風速統(tǒng)計表中相鄰2個風速記錄的時刻(02：00、08：00、14：00和20：00);ti為t1～t2之間的整點時間，h;Uti為與ti對應(yīng)的整點風速，m/s;Ut1為與t1對應(yīng)的風速，m/s;Ut2為與 t2對應(yīng)的風速，m/s。

表2 沙地(漠)不同植被蓋度下的臨界侵蝕風速Tab．2 Critical erosion wind speed at different vegetation coverage of sandy land

其次，按照逐日24次10min平均風向風速數(shù)據(jù)的計算方法，依次獲得 5.0～5.9、6.0～6.9、7.0～7.9m/s、……各等級風速的累積時間，最高風速統(tǒng)計到該氣象臺站記錄到的最大風速。

3)在GIS軟件和自主開發(fā)軟件的支撐下，獲得各等級風速的累積時間分布柵格圖。

3.2.2 地表粗糙度 地表粗糙度因子是指因植被、微地形和農(nóng)田耕作導致的零風速位置的高度(cm)。

在風力侵蝕區(qū)、風力侵蝕與水力侵蝕交錯侵蝕區(qū)，除耕地呈斑塊狀分布，并且地表粗糙度在邊界發(fā)生突變外，其他諸如草地和灌草地(沙漠)等的邊界都呈逐漸過渡特征;因此，在地表粗糙度計算時，需將耕地、草地與灌草地(沙漠)區(qū)別對待。對比大量野外觀測數(shù)據(jù)，在表3的基礎(chǔ)上，分別制定了翻耕耙平無壟(平整)耕地的地表粗糙度、翻耕耙平有壟(不平整)耕地的地表粗糙度、翻耕未耙平耕地的地表粗糙度、留茬耕地的地表粗糙度、沙地地表粗糙度、灌草地和草原草地地表粗糙度、已割草草地地表粗糙度等的細化表格。根據(jù)不同土地利用類型賦值后，按照逐漸過渡的關(guān)系，在GIS軟件和自主開發(fā)軟件的支撐下，獲得柵格為30m×30m的地表粗糙度空間柵格圖。3.2.3表土濕度因子 表土濕度因子表征了土壤表層0～2.5 cm深度范圍內(nèi)含水率抗拒土壤風力侵蝕的潛在能力(%)?；谶b感數(shù)據(jù)源計算表土濕度因子，最終生成表土濕度空間等值線，等高距為0.50。計算方法是利用土壤介電模型、參數(shù)化的地表輻射模型以及輻射傳輸方程模擬各種地表條件下的微波輻射，構(gòu)建地表輻射模擬數(shù)據(jù)集。

表3 不同下墊面粗糙度Z0Tab．3 Roughness Z0at different underlying surface

利用地表凍融狀態(tài)判別算法，屏蔽凍土區(qū)域，反演凍土區(qū)外的表土含水率;利用微波指數(shù)與指標透過率之間的數(shù)學關(guān)系，結(jié)合植被透過率與植被含水量的定量關(guān)系，消除植被對含水率反演的影響;利用多通道微波數(shù)據(jù)，估算地表溫度，計算10.65 GHz下的裸露土壤的水平和垂直極化發(fā)射率;利用參數(shù)化的地表輻射模型，構(gòu)建消除地表粗糙度影響的土壤濕度指數(shù)，建立土壤濕度指數(shù)與表土含水率之間的定量關(guān)系［4］：

式中：P為表土含水率，m/m;f為土壤濕度指數(shù)，%;a、b和c為擬合系數(shù)。

表土濕度因子和表土含水率的定量關(guān)系：

3.2.4 植被蓋度計算 植被蓋度計算公式［5］為

式中：INDVI為像元的NDVI值;Imax、Imin分別為像元所在地類的代表純植被和純裸土的NDVI的最大值和最小值;k為經(jīng)驗系數(shù)，在此取值為1。

4 普查成果質(zhì)量控制

4.1 資料準備階段的質(zhì)量控制

該階段的質(zhì)量控制由省級普查機構(gòu)負責，主要內(nèi)容如下。1)野外調(diào)查單元確定。根據(jù)野外調(diào)查單元中心點坐標，在1∶1萬或1∶5萬地形圖中找到其對應(yīng)位置，并以此為中心，準確確定1 km×1 km野外調(diào)查單元，要求位置與邊界準確。2)遙感影像裁切。以野外調(diào)查點坐標為中心，制作5 km×5 km的遙感影像裁切邊界，裁切遙感影像并標明其中心點以及4個角的坐標，要求位置正確、邊界準確。3)普查數(shù)據(jù)存儲目錄與文件。要求位置、命名以及數(shù)量正確無誤。

4.2 野外調(diào)查階段的質(zhì)量控制

該階段的質(zhì)量控制由各野外調(diào)查單元普查員負責，主要內(nèi)容如下。1)野外調(diào)查表。要求調(diào)查單元和風蝕野外調(diào)查表一一對應(yīng);記錄信息與實際地表狀況一致;表格數(shù)據(jù)項填寫齊全。2)地表近景照片。要求調(diào)查單元對應(yīng)照片不能有遺漏;垂直投影拍攝，照片內(nèi)無物體和人員陰影，并顯示拍照日期(年/月/日);清晰顯示25 cm×25 cm視場范圍內(nèi)的地表狀況，以及鋼卷尺的刻度;照片編號正確，存入位置無誤。

4.3 匯總上報階段的質(zhì)量控制

該階段的質(zhì)量控制由縣級普查機構(gòu)、省級普查機構(gòu)以及國務(wù)院普查辦公室組織專家來完成逐級審查，主要內(nèi)容如下。1)野外調(diào)查表。要求調(diào)查單元和風蝕野外調(diào)查表一一對應(yīng);記錄信息與實際地表狀況一致;表格數(shù)據(jù)項填寫齊全，表格填報人員、復核人員、審查人員簽字。2)地表近景照片。要求調(diào)查單元各土地利用類型對應(yīng)一張地表近景照片，不能有遺漏;垂直投影拍攝，照片內(nèi)無物體和人員陰影，并顯示拍照日期(年/月/日);清晰顯示25 cm×25 cm視場范圍內(nèi)的地表狀況，以及鋼卷尺的刻度;照片存儲格式和分辨率滿足要求;照片編號正確，存入位置無誤。3)遙感影像。各調(diào)查單元遙感影像位置、邊界、經(jīng)緯度坐標等信息要求準確。4)普查數(shù)據(jù)存儲目錄與文件。各野外調(diào)查單元的野外調(diào)查表、地表近景照片以及遙感影像等信息命名以及數(shù)量正確無誤，存儲位置準確。

4.4 成果評價階段的質(zhì)量控制

該階段的質(zhì)量控制由國家級普查機構(gòu)組織專家來完成，分別對農(nóng)田、林(草)地以及沙地的土壤風蝕模數(shù)計算和強度評價結(jié)果的合理性進行審核，要求農(nóng)田、林(草)地以及沙地的土壤風蝕模數(shù)計算結(jié)果與多年平均風力侵蝕強度以及野外實地測量風力侵蝕強度的誤差小于15%。

1)結(jié)合已有研究成果，在農(nóng)牧交錯帶、典型草原和荒漠草原分別選擇至少一個典型研究區(qū)，通過野外觀測或者137Cs元素示蹤方法，測定一年的風蝕模數(shù)或者近50年來多年平均風力侵蝕模數(shù)。

2)將模型計算的風力侵蝕強度與野外實測數(shù)據(jù)［6-7］和137Cs元素示蹤方法測定的多年平均風力侵蝕強度［8］進行對比，檢查二者差異。如果二者差異小于15%，則證明模型計算結(jié)果是可靠的;若二者差異大于15%，則調(diào)整模型差數(shù)，直到二者差異小于15%為止。

5 小結(jié)

風力侵蝕是我國僅次于水力侵蝕的第2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用對普查結(jié)果有重要影響。為方便廣大水土保持工作者詳細了解我國第1次水利普查水土保持普查中所用方法，對風力侵蝕的普查方法，耕地、草(灌)地和沙地等土地的風力侵蝕模數(shù)計算模型，以及模型中的相關(guān)因子的計算方法、賦值標準做了介紹，并對普查過程各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制措施進行了總結(jié)，對于完善我國土壤侵蝕的調(diào)查評價方法及科學地調(diào)查和評價我國風力侵蝕現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和預測預報具有一定的意義。正確把握普查技術(shù)方法，對于保證普查結(jié)果的可靠性、科學性和權(quán)威性具有重要意義。

6 參考文獻

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Method of wind erosion sampling survey in China

Li Zhiguang1，Zou Xueyong2，Cheng Hong2
(1.Monitoring Center of Soil and Water Conservation，Ministry of Water Resource，100053，Beijing，China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology，Beijing Normal University，100875，Beijing，China)

Abstract：Wind erosion survey is an important part of the first national water resource survey.The sampling investigation is themainmethod of wind erosion survey.Based on field sampling units layout and basic data collection，the author introduced wind erosionmodel and each erosion factor calculationmethods.In addition，combined with survey，basicmaterial collection，field investigation，gather and report，and results evaluation of each stage and those quality controls were summarized in detail.Correctly understanding the censusmethod was of great significance for assurance the reliability，scientificalness and authority of the census results.The result provided basic data for national soil and water conservation planning and ecological environment construction.

Key words：water resource survey;wind erosion;sampling survey;method

S157

A

1672-3007(2013)04-0017-05

2012-12-26

2013-04-09

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)

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

(責任編輯：宋如華)