王成蘭，陳小瑜

(泉州師范學院 資源與環(huán)境科學學院，福建 泉州 362000)

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基于GIS技術(shù)的南安市水土流失成因分析

王成蘭，陳小瑜

(泉州師范學院 資源與環(huán)境科學學院，福建 泉州 362000)

以福建省南安市為例，利用GIS技術(shù)，建立水土流失數(shù)據(jù)庫.在ArcGIS軟件中利用空間疊加分析等相關(guān)方法，通過數(shù)據(jù)集成與信息提取，系統(tǒng)地分析了高程、坡度、地貌、土地利用、居民點和道路等因子與南安市水土流失程度的關(guān)系，總結(jié)得出影響南安市水土流失的主要因素，并提出了新形勢下的水土流失防治措施.

GIS；水土流失；南安市

0 引 言

水土流失引發(fā)生態(tài)環(huán)境惡化已成為當今世界各國面臨的艱巨而急待解決的問題之一[1].水土流失過程極其復雜，涉及的影響因子眾多，主要包括地形、地貌、植被等因子，而且與人為活動的關(guān)系十分密切.由于歷史的原因，南安市的水土流失十分嚴重，是福建省7個嚴重流失地之一.因此，研究本區(qū)域的水土流失狀況、分析其形成原因，對于南安市的水土保持生態(tài)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義[2].

水土流失是指在水力、重力、風力等外營力作用下，水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失，包括土地表層侵蝕和水土損失，亦稱水土損失.特別是宏觀尺度的區(qū)域水土流失的研究，因涉及大量的數(shù)據(jù)，往往需要一個簡短的評估期和有效的數(shù)據(jù)更新和處理方法，根據(jù)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理方法將非常受限.GIS技術(shù)自上個世紀60年代產(chǎn)生以來，發(fā)展迅速，利用GIS技術(shù)，不僅節(jié)省大量的人力、物力和財力，而且能及時掌握流域水土流失狀況，進行合理的水土保持規(guī)劃，采取切實有效、針對性強的治理措施.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省東南沿海，晉江中游的南安市，北緯24°34′30″-25°19′25″，東經(jīng)118°08′30″-118°36′20″，總面積2011 km2，轄23個鄉(xiāng)鎮(zhèn).南安地勢西北高、東南低，由中山、低山漸次過渡到丘陵臺地、平原、坡麓、海灘，明顯階狀傾斜，海拔1000 m以下的丘陵山地占全縣總面積的73%，素有“七山一水二分田之稱”.晉江上源西溪由西向東橫貫中部，東溪斜貫北東，于雙溪口匯合為晉江干流.全市地處南亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫20.9℃，雨量充沛，年降雨量介于1000-2000 mm，多集中在春、夏，無霜期330 d.2010年，南安市常住人口141萬多人,GDP總量480.21億元，人均GDP3.2萬元.南安為極具實力的縣市，其綜合競爭力位居福建省縣域第3位.

2 數(shù)據(jù)源

根據(jù)研究的需要，收集了2000年南安市1∶100 000水土流失圖、1∶100 000地形圖、1∶100 000地貌圖、1∶100 000行政界線圖、1∶100 000土地利用類型圖、1∶100 000居民點圖、1∶100 000道路圖等相關(guān)圖件資料.本研究收集到的數(shù)據(jù)均為Shapfile格式，為了便于各要素圖層間的運算,后續(xù)的數(shù)據(jù)處理均轉(zhuǎn)化為基于柵格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，柵格單元統(tǒng)一為30 m*30 m.

3 研究方法

3.1 技術(shù)路線

本研究采用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS，利用GIS空間分析的功能，以南安市行政區(qū)劃范圍為研究區(qū)域，對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理.首先利用等高線生成Grid格式的數(shù)字高程模型，并進一步派生出坡度圖；接著對居民點、道路等數(shù)據(jù)進行歐氏距離分析，得到直線距離數(shù)據(jù)集；再將地貌圖、土地利用圖、高程圖、坡度圖、路直線距離數(shù)據(jù)集、居民點直線距離數(shù)據(jù)集等6個因子數(shù)據(jù)進行重分類，并分別與水土流失程度圖進行基于柵格計算的空間疊加分析.最后將所需的屬性數(shù)據(jù)導入Excel中進行計算，算出各類型區(qū)中各級別水土流失率、流失面積、土地面積和該類型區(qū)的水土流失率，分析各個因子與水土流失的關(guān)系.計算公式如公式(1)和(2)：

nij=sij/Si

(1)

N=s/Si

(2)

其中，nij為i類型區(qū)j級別流失率，sij為i類型區(qū)j級別水土流失面積，N為水土流失率，s為i類型區(qū)輕度以上水土流失面積，Si為i類型區(qū)面積.具體技術(shù)路線如圖1：

圖1 技術(shù)路線圖

3.2 專題圖層制作

(1)高程分級圖

高程對水土流失有著重要的影響.氣候控制著降雨和植被分布的情況，因此水土流失的分布特征與海拔高度的變化呈現(xiàn)垂直分異的特征.本研究采用等高線生成TIN再生成DEM.結(jié)合南安市的實際情況，利用重分類將高程分為0-250m、250-500m、500-800m、800m以上等4個級別，得到高程分級圖如圖2.

(2)坡度分級圖

坡度是地表單元陡緩的程度，通常把坡面的垂直高度和水平距離的比值稱為坡度.坡度的大小直接影響地表物質(zhì)能量的再分配，影響土壤的發(fā)育、植被的種類，制約土地利用類型與方式[3].本研究利用生成的DEM進一步派生成坡度圖.根據(jù)國家有關(guān)標準和實際情況將坡度分為0°-7°、7°-15°、15°-25°、25°以上等4個級別，得到坡度分級圖如圖3.

(3)道路距離分級圖

在道路建設(shè)過程中，對路基的開挖和開辟一定規(guī)模的采石場、隧道等各類場地與臨時場地，缺乏合理的規(guī)劃和水土保持措施，使得在原來的地表植被、降雨、人為作用的影響下，產(chǎn)生嚴重的水土流失.利用道路數(shù)據(jù)進行基于歐式距離的距離分析，并結(jié)合南安市的實際情況，進一步重分類為0～1000m、1000～2000m、2000～3000m、3000m以上4個級別，得到道路距離分級圖如圖4.

圖2 高程分級圖 圖3 坡度分級圖 圖4 道路距離分級圖

(4)居民點距離分級圖

距離居民點越近，受人類活動的影響越強，水土流失發(fā)生的可能性越大，水土流失的強度也會越大.本研究利用居民點數(shù)據(jù)進行基于歐式距離的距離分析，并結(jié)合南安市的實際情況，進一步重分類為0～1000m、1000～2000m、2000～3000m、3000m以上4個級別，得到居民點距離分級圖如圖5.

(5)土地利用類型圖

土地利用是人類活動影響的集中體現(xiàn)，土地利用類型是根據(jù)土地利用的地域差異劃分的，反映了土地的用途和性質(zhì)，代表著人類改造利用土地的結(jié)果.因此土地利用方式的不同很大程度上影響著區(qū)域水土流失的發(fā)生面積和強度特征[4].研究區(qū)的土地利用類型包括耕地、林地、草地、居民用地、水域和未利用土地.本研究的土地利用類型圖由研究區(qū)1∶100 000土地利用類型圖柵格化得到如圖6.

圖5 居民點距離分級圖 圖6 土地利用類型圖 圖7 地貌類型圖

(6)地貌類型圖

南安市地貌類型自沿海向內(nèi)陸地區(qū)由平原——臺地——丘陵——山地逐級過渡，以丘陵和山地為主，且主要分布在西北地區(qū)，地形較為破碎，這為水土流失提供了客觀條件[5].研究區(qū)的地貌類型包括平原、臺地、低丘、高丘、低山、中山、高山和山間盆地.該研究區(qū)的地貌類型圖由1∶100 000地貌圖柵格化后得到如圖7.

(7)水土流失強度圖與行政區(qū)劃圖

利用研究區(qū)1∶100000水土流失強度圖柵格化后，根據(jù)國家相關(guān)標準分為微度、輕度、中度、強度、極強等5個級別[6]，得到水土流失強度圖如圖8.利用研究區(qū)1∶100 000行政區(qū)劃圖柵格化后獲得行政區(qū)劃圖如圖9.

圖8 行政區(qū)劃圖 圖9 水土流失強度圖

3.3 因子圖層與水土流失圖的疊加

疊加分析是GIS中的一項非常重要的空間分析功能，是指在統(tǒng)一空間參考系統(tǒng)下，通過對兩個數(shù)據(jù)進行的一系列集合運算，產(chǎn)生新數(shù)據(jù)的過程.本研究采用基于柵格圖層疊加，分別將高程分級圖、坡度分級圖、地貌類型圖、道路距離分級、居民點距離分級圖、土地利用現(xiàn)狀圖與水土流失強度圖進行地圖代數(shù)操作，所有疊加結(jié)果如圖10.以高程分級圖與水土流失強度圖的柵格疊加計算為例，代數(shù)的公式為a*10+1*b，其中a為高程分級圖，b為水土流失強度圖；最后疊加結(jié)果為11、12、13、14、15、21……45.11表示海拔250m以下存在微度流失，12表示海拔250m以下存在輕度流失，13表示海拔250m以下存在中度流失，14表示海拔250m以下存在極強度流失，15表示海拔250m以下存在強度流失……

圖10 6種因子與水土流失強度圖疊置果圖

4 水土流失特征及成因分析

4.1 水土流失總體特征

對水土流失數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表1，結(jié)果表明：全市水土流失面積為478.09km2，占土地總面積的23.50%.其中輕度流失面積259.77km2，占研究區(qū)土地面積12.97%；中度流失面積164.20km2，占研究區(qū)土地面積8.20%；強度流失面積53.19km2，占研究區(qū)土地面積2.66%；極強度流失面積0.87km2，占研究區(qū)土地面積0.04%.研究區(qū)的水土流失主要以輕度和中度為主.

表1 南安市水土流失情況統(tǒng)計表

通過南安市行政區(qū)劃圖層與水土流失強度圖層的疊加統(tǒng)計如表2可以看出，侖蒼鎮(zhèn)的水土流失率最大為36.83%；水頭鎮(zhèn)的水土流失率最小為10.40%.水土流失率高的地區(qū)主要分布在山地、開發(fā)區(qū)和采石區(qū)，水土流失率低的地區(qū)主要在平原地區(qū).從總體上看，南安市水土流失嚴重的區(qū)域分布由沿海平原地區(qū)向內(nèi)陸山區(qū)發(fā)展的趨勢，局部高強度水土流失形勢嚴峻，特別是開發(fā)區(qū)、采石區(qū)、道路基建區(qū)等造成新的水土流失問題也較為嚴重.

表2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水土流失情況統(tǒng)計表

續(xù)表2

4.1.1 水土流失與高程的關(guān)系

由表3可知，本研究區(qū)海拔總體較低，水土流失主要發(fā)生在800m以下的地區(qū)，尤其在500～800m的地區(qū)水土流失最為嚴重，水土流失率最大達到了25.94%，強度流失與極強度流失最大的也分布在此地區(qū)，分別為2.01%與0.57%；在0-250m的地區(qū)的水土流失率為24.28%，流失面積最大的分布在此地區(qū)，水土流失也尤為嚴重；在250-500m的地區(qū)的水土流失率為22.76%；在幾乎不受人類活動影響的800m以上的地區(qū)的水土流失率也達到了10.94%.在海拔0-250m的地區(qū)人為活動頻繁，土地利用強度大，水土流失較重；海拔>800m的地區(qū)由于海拔高，人為活動弱，水土流失程度最輕；而500-800m的地區(qū)因人類活動較大且又缺乏合理的規(guī)劃和保護措施，導致該地區(qū)的水土流失最為嚴重.水土流失類型主要以輕度和中度為主.

表3 水土流失與高程的相關(guān)統(tǒng)計表

4.1.2 水土流失與坡度的關(guān)系

由表4可知，水土流失主要集中在坡度25°以下的地區(qū)，其中7°以下的地區(qū)的水土流失率為17.43%，該區(qū)坡度平緩，水土流失程度較輕.從整體上看，水土流失率最大的分布在7-15°的地區(qū)，為34.62%，強度流失率最大的也分布在此地區(qū)，水土流失最為嚴重；該區(qū)主要因為經(jīng)濟建設(shè)等活動加速了水土流失.15-25°的地區(qū)的水土流失率為29.04%，不合理的開墾等活動導致該區(qū)水土流失情況也不容忽視.在一般禁止開墾的>25°的地區(qū)的水土流失率達到了21.18%，人類活動加劇了水土流失.以上這些類型均以輕中度流失為主.

表4 水土流失與坡度的相關(guān)特征統(tǒng)計表

4.1.3 水土流失與地貌類型的關(guān)系

由表5可知，全市地貌類型主要以山地和丘陵為主，水土流失也主要發(fā)生在丘陵和山地，其中高丘和低丘水土流失最為嚴重，平原水土流失并不明顯.低山丘陵地區(qū)由于人口稠密，且水熱條件好，造成水土流失損失嚴重.平原的水土流失率僅為3.36%；臺地的水土流失率為11.37%，極強度流失率最大的也分布在此地區(qū)；低山的水土流失率為26.53%，強度流失率最大的也分布在此地區(qū)；中山的水土流失率為18.96%；低丘的水土流失率最大為34.26%；高丘的水土流失率達29.19%；山間盆地水土流失率為16.11%.

表5 水土流失與地貌類型的相關(guān)特征統(tǒng)計表

4.1.4 水土流失與土地利用類型的關(guān)系

由表6可知，全市的土地類型主要以林地和耕地為主.水土流失主要集中表現(xiàn)在林地、耕地和未利用土地中.耕地的水土流失率為19.29%，強度流失率和極強度流失率最大的也分布在此類型區(qū)，不合理的開墾和耕作措施易造成水土流失的發(fā)生.林地的水土流失率為24.90%；草地的水土流失率為23.62%，水土流失程度較重主要原因是人類活動頻繁，造成植被減少.居民用地的水土流失率為6.71%，有合理的規(guī)劃，所以水土流失程度較輕.水域的水土流失率為10.68%；未利用土地的水土流失率最大為35.91%，該區(qū)主要是荒地等，土地利用強度低又沒有相關(guān)的改善措施，故而成為水土流失最嚴重的地區(qū).以上這些類型的水土流失主要以輕度和中度為主.

表6 水土流失與土地利用類型的相關(guān)特征統(tǒng)計表

4.1.5 水土流失與道路分布的關(guān)系

由表7可知，距離道路1km以內(nèi)的地區(qū)的水土流失率最小，為23.37%；距離道路1-2km的地區(qū)的水土流失率為24.63%，極強流失率最大的也分布在此地區(qū)；距離道路3km以外的地區(qū)水土流失率最大，達到28.53%，且強度流失率最大的也分布在此地區(qū).4個類型區(qū)的水土流失差異不大且隨著距離道路越遠，水土流失率越大.在道路建設(shè)過程中，水土保持工作未能與其同步進行，導致水土流失日益嚴重.

表7 水土流失與道路的相關(guān)特征統(tǒng)計表

4.1.6 水土流失與居民點分布的關(guān)系

由表8可知，在距離居民點1km以內(nèi)的地區(qū)水土流失率為22.92%，強度流失率最大的也分布在此；距離居民點1-2km地區(qū)的水土流失率最大，達到26.18%，可見該區(qū)人類活動最為頻繁，水土流失比較嚴重；距離居民點2-3km的地區(qū)的水土流失率為22.54%；距離居民點3km以外的地區(qū)的水土流失率最小為8.67%，主要因為該類型區(qū)居民地有限，人類活動弱，水土流失并不明顯.在距離道路3km以內(nèi)的3個類型區(qū)水土流失差異不大，主要原因是這些地區(qū)適宜人類居住，人們從事生產(chǎn)等活動過于頻繁，水土監(jiān)督與保持工作仍有不足.

表8 水土流失與居民點的相關(guān)特征統(tǒng)計表

4.2 水土流失成因分析

根據(jù)以上各影響因子與水土流失關(guān)系的分析，造成水土流失是自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果，研究區(qū)的氣候、地形、地貌、植被等自然因素是水土流失的潛在因子，人類不合理的生產(chǎn)活動是引起和加速水土流失的主導因子[7].

4.2.1 自然因素

降雨是水土流失最主要的自然因素.南安市地處南亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，兼具山地氣候的某些特征，氣候溫暖，雨量充沛.由于降雨季節(jié)分配不均，降水強度大，暴雨集中，往往造成強烈的水土流失.地形是影響水土流失的重要因素，高程與坡度影響著水熱條件與植被的分布.由表3、表4可知，水土流失主要發(fā)生在800m以下，坡度25°以下的地區(qū).全市的地貌類型主要以丘陵和山地為主，水土流失也集中在丘陵和山地，地形較為破碎，為水土流失提供了條件.植被是決定水土流失發(fā)生程度的重要條件，由表6可知，林地與草地的水土流失率分別達到24.90%和23.62%，植被遭到破壞，加劇了水土流失.

4.2.2 人為因素

(1)地表植被遭到破壞加劇水土流失

個別單位受經(jīng)濟利益驅(qū)使，過度砍伐，在開發(fā)利用水土資源的過程中，未采取任何水土保持防護設(shè)施，一經(jīng)臺風暴雨襲擊，水土流失隨之而來[8].其次是幾次大的人為破壞加上森林火災頻發(fā)，造成植被日益減少，也加劇了局部水土流失.

(2)不合理的生產(chǎn)建設(shè)活動引發(fā)水土流失

由表7、表8可知，隨著距離道路越遠，水土流失率越大；水土流失主要集中在距離居民點3km以內(nèi)的地區(qū).南安市是我國唯一的“中國建材之鄉(xiāng)”和“中國石材城”.近年來大量開采礦山，修建公路以及其他基本建設(shè)，建設(shè)過程不注意水土保持，缺乏合理的規(guī)劃和水土保持措施，經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)未能同步進行，引發(fā)水土流失.

(3)超坡度開墾是水土流失的重要因素

在坡地開發(fā)利用中，個別業(yè)主往往只注重眼前經(jīng)濟利益，急功近利，開墾的梯田前無埂后無溝，有的甚至順坡種植，甚至還出現(xiàn)40°以上坡面開墾種植的現(xiàn)象，造成土壤嚴重松散，容易造成大量水土流失[9].由表4可以看出，坡度大于25°的地區(qū)的水土流失率高達21.18%，人為的不合理地開墾造成水土流失不容忽視.

5 結(jié) 語

本研究以南安市為例，以GIS技術(shù)為支撐，并利用高程、坡度、地貌等6種主要因子對南安市2000年水土流失情況進行成因分析.得出以下結(jié)論：

(1)水土流失主要集中在海拔800m以下，25°以下的坡度帶；在地貌類型中丘陵與山地水土流失最為嚴重；在土地利用類型中，由于沒有相應(yīng)的保護措施，未利用地水土流失尤為嚴重，耕地與林地的水土流失也不容忽視；在道路分布中，隨著距離道路越遠，水土流失率越大；在居民點分布中，水土流失主要集中在距離居民點3km以內(nèi)的地區(qū).根據(jù)結(jié)果，未來南安市在水土保持工作中，應(yīng)加大對耕地和林地這2種土地類型的治理力度，將其列為重點治理對象；不僅如此，在對道路建設(shè)等方面的同時，應(yīng)與水土保持工作同時進行.

(2)研究區(qū)的水土流失主要以輕中度為主，但強度和極強度流失仍時有發(fā)生.

(3)南安市的水土流失主要是由自然因素和人為因素方面共同作用而形成的.自然條件中的不利因素為研究區(qū)水土流失提供了客觀條件，而地表植被的破壞、不合理的生產(chǎn)建設(shè)活動與超坡地開墾加劇了研究區(qū)的水土流失.

水土流失在我國的危害已達到十分嚴重的程度，它不僅造成土地資源的破壞，導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境惡化，生態(tài)平衡失調(diào)，水災旱災頻繁，而且影響各業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[10].治理水土流失應(yīng)與生態(tài)環(huán)境綜合整治結(jié)合，抓住修筑山區(qū)水土保持林，強化造林治理；以小流域為單位進行全面規(guī)劃，摸清流域內(nèi)水土流失的具體情況，分階段有重點地進行綜合治理；在坡地上實行喬灌結(jié)合，生物措施與工程措施結(jié)合，坡耕地修筑梯田與間作套種結(jié)合等措施保持水土.水土流失主要是人為因素造成的，而水土保持事關(guān)國計民生，要加強城市水土保持工作的宣傳，增強全社會的水土保持意識，樹立水土保護的觀念，加快水土流失的治理步伐.

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[責任編輯：徐明忠]

The cause of soil erosion of Nan’an city analysis based on GIS

WANG Chenglan,CHEN Xiaoyu

(College of Resources and Environmental Sciences，Quanzhou Normal University,Quanzhou 362000,China)

The article analysis the cause of soil erosion in Nan’an city of Fujian Province,which uses GIS technology to establishing database of soil erosion.Systematically analysis the relationship between factors of elevation，slope，landform，land use，settlements and roads and the degree of soil erosion in Nan’an city,then,concluded that main factors affecting the soil erosion in Nan’an city.Finally，put forward prevention and control measures.

GIS；soil erosion；Nan’an city

2016-08-15；

2016-09-30

福建省中青年教師教育科研項目計劃(JAT160407)

陳小瑜(1982—)，女，福建泉州人，泉州師范學院講師，碩士，主要從事GIS應(yīng)用研究.

Q149

A

1672-3600(2017)09-0055-08