朱智元

（青河縣水利局，新疆 青河 836200）

在我國(guó)大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，越來(lái)越多的生態(tài)環(huán)境被破壞，水土流失與土壤侵蝕目前已成為我國(guó)影響最大的問(wèn)題之一，主要表現(xiàn)為其產(chǎn)生較為持久，產(chǎn)生條件較低，不斷侵害地區(qū)的土地資源，制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。新疆地區(qū)處于我國(guó)大陸深處，氣候干旱，有多種水土流失方式共同影響著生態(tài)環(huán)境發(fā)展，因此，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕研究是具有現(xiàn)實(shí)意義的[2]。

1 研究區(qū)概況

清河縣位于阿勒泰山系南部，是阿勒泰地區(qū)最東端的縣城。地勢(shì)呈現(xiàn)出北部高南部低的趨勢(shì)，全縣海拔平均海拔1218 m，最高海拔點(diǎn)3659 m，最低點(diǎn)僅為900 m，落差達(dá)到2750 m。地形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了極為優(yōu)良的環(huán)境。清河縣的氣候特點(diǎn)為溫帶干旱氣候。冬天的空氣干燥、寒冷、漫長(zhǎng)，夏天又有風(fēng)又涼爽。清河縣總徑流量9.97 億m3，地下水總儲(chǔ)量8 億m3，總水能23 萬(wàn)kW。清河縣地理位置見圖1。

圖1 青河縣地理位置圖

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用MOD13Q1 數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)的采集時(shí)間間隔為15 d，遙感數(shù)據(jù)精度為30 m。通用墨卡托投影坐標(biāo)系，進(jìn)行相應(yīng)的前期處理，使得圖像達(dá)到使用要求。

遙感影像數(shù)據(jù)集主要采集自Landsa 遙感衛(wèi)星，它的分辨率為30 m。利用ENVI 軟件的人機(jī)監(jiān)督分類功能，目視解譯出土地利用數(shù)據(jù)。采用ARCGIS 軟件計(jì)算出植被覆蓋度數(shù)據(jù)。此外，青河縣降水量數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)采集獲得，并在GIS 中進(jìn)行插值處理分析。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤侵蝕分級(jí)

根據(jù)國(guó)家水利部頒布的《土壤侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190-2007），按照平均流失厚度，使用GIS 軟件對(duì)青河縣土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分類。

利用前期所得的遙感影像與高程模型數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)加載至ENVI 軟件中，提取出裸露表面與植被覆蓋表面的元像素，并利用以下公式分別計(jì)算NDVI 值。并將得到的NDVIsoil和NDVIve值代入以下公式中，以提高植被覆蓋率的精度。

式中：NIR 為近紅外波段，R 為紅波段。

式中：c 為植被覆蓋密度因子，%；NDVIsoil為裸露表面的NDVI值；NDVIveg為有植被覆蓋的NDVI 值。

根據(jù)《土壤侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190-2007），利用ARC-GIS 的網(wǎng)格計(jì)算工具對(duì)三個(gè)土壤侵蝕因子進(jìn)行計(jì)算，按照微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)和重度六個(gè)類別進(jìn)行重分類，將分類結(jié)果成圖顯示，并統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)的侵蝕范圍面積以及其所占比例。

2.2.2 侵蝕量計(jì)算

目前，我國(guó)進(jìn)行土壤侵蝕模擬最常用的是RUSLE 模型，RUSLE 模型在對(duì)土壤侵蝕的研究中起到極大的方便，減少外業(yè)工作的工作量，此外，它可以較好地規(guī)避尺度效應(yīng)對(duì)研究結(jié)果帶來(lái)的影響。計(jì)算公式如下：

式中：A 為土壤侵蝕量，t/（km2·a）；R 為降雨侵蝕力度因子，MJ·mm/（hm2·a）；L、S 分別為坡長(zhǎng)和坡度因子；C 為植被覆蓋度因子；P 為水土保持因子。

降雨對(duì)土壤的侵蝕程度可以用降雨量標(biāo)準(zhǔn)算法來(lái)表示，日降雨量大于12 mm 將會(huì)發(fā)生侵蝕作用，此時(shí)可稱為侵蝕性降雨。計(jì)算公式為：

式中：Rn為第n 個(gè)半月的時(shí)段降雨侵蝕力值，MJ·mm/（hm2·h·a）；k 為時(shí)段天數(shù)；Pj為研究時(shí)間內(nèi)第j 天的降雨量，mm。

通過(guò)收集青河縣砂粒（SAN）、粉粒（SIL）、粘粒（CLA）和有機(jī)碳（C）含量，采用以下計(jì)算公式來(lái)計(jì)算土壤可蝕性因子的值。

式中：SAN、SIL、CLA 和 C 分別為砂粒、粉粒、粘粒和有機(jī)碳含量，%。

地形地貌條件是土壤侵蝕產(chǎn)生的溫床。坡度因子和坡長(zhǎng)因子是土壤侵蝕發(fā)生過(guò)程中控制侵蝕物質(zhì)縱向下切力的分量。在土壤侵蝕研究中，坡度和坡面長(zhǎng)度是土壤侵蝕計(jì)算中的關(guān)鍵因素。

以空間分辨率為30 m×30 m 的landsat 中的DEM 為根本，操作ARCGIS 軟件舉行坡度和坡長(zhǎng)的提取。坡長(zhǎng)系數(shù)計(jì)算公式如下：

S 因子使用劉寶元的陡坡計(jì)算公式：

式中：θ 是使用ARCGIS 提取出的坡度值采用公式直接計(jì)算得出，α 為坡長(zhǎng)指數(shù)，該地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)坡長(zhǎng)為21.91 m。

3 水土流失研究結(jié)果

3.1 各個(gè)因子計(jì)算

植被覆蓋度對(duì)于地區(qū)的水土流失程度有著重要的影響，植被的枝葉可以截留雨水，減弱雨水對(duì)土壤層的沖刷，此外，植被的根部可以有效加強(qiáng)土壤固結(jié)程度，對(duì)土壤起到保護(hù)作用。本次植被覆蓋解譯利用ENVI 和ARCGIS 軟件進(jìn)行，并對(duì)提取到的植被覆蓋解譯圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出不同覆蓋度所占面積，見圖2。利用ENVI 軟件的目視解譯法，人工目視劃分出土地利用的分類情況，見圖3。

圖2 青河縣植被覆蓋圖

圖3 土地利用分級(jí)圖

圖4 土地利用占比圖

由圖4 可見，青河縣南部地區(qū)多尚未開發(fā)的荒地，北部地區(qū)為草地與林地的集中區(qū)域，地域分布較為鮮明。草地面積占比最高，達(dá)到51%，建筑用地占比僅為2.2%。南部地區(qū)由于植被覆蓋量較低，容易形成風(fēng)化侵蝕現(xiàn)象。各土地利用類型的C因子見表2。

表2 各土地利用類型下的C 因子

根據(jù)青河縣植被覆蓋圖（圖5），青河縣總體植被覆蓋較好，青河縣植被覆蓋由北向南呈現(xiàn)出逐漸稀疏的趨勢(shì)，植被覆蓋率低的地區(qū)占整個(gè)城區(qū)的比例最大，占62.4%，主要分布在南部地區(qū)，是水土流失的易發(fā)區(qū)。所占比例最小的是高覆蓋植被區(qū)，占3.3%，主要集中在縣城中部。根據(jù)植被覆蓋度和土地利用分析，青河縣南部植被覆蓋度較低，水土流失風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖5 植被覆蓋占比圖

根據(jù)國(guó)家通用標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)內(nèi)所有青河縣坡度分為6個(gè)等級(jí)，見圖6。根據(jù)青河縣的坡度分類等級(jí)圖計(jì)算等級(jí)的面積和比例。由圖6 可知，最大坡比為0～5°的面積占32%，最小坡度為5°～8°，占比僅為11%。

圖6 坡度占比圖

根據(jù)公式得出青河縣的土壤可蝕性K 值在0.023～0.064之間。可見，青河縣土壤類型分布主要分為四個(gè)區(qū)域，南部地區(qū)、中部地區(qū)、中部與北部過(guò)度地區(qū)和北部地區(qū)。

圖7 土壤分類圖

3.2 土壤侵蝕量估算

利用第二節(jié)中所列公式，與前期所得數(shù)據(jù)，使用ARCGIS 10.4 軟件疊加分析青河縣土壤侵蝕強(qiáng)度。

圖8 土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖

從土壤侵蝕分布（圖8）可以看出：研究區(qū)的地表侵蝕類型有著較大的區(qū)域差異性，北部地區(qū)地勢(shì)偏高，多為山地，降雨量較多，易產(chǎn)生水力侵蝕和凍融侵蝕。其中凍融侵蝕的面積占比為4.3%；水力侵蝕主要分布在草地和林地區(qū)域，占比為32.7%；風(fēng)力侵蝕主要分布在南部植被覆蓋較低的區(qū)域，占比最高，達(dá)到63%。

青河縣大部分地區(qū)都為微度侵蝕地區(qū)，占比為37.2%。面積占比隨侵蝕強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低，見圖9。劇烈侵蝕的面積占比最低，僅為3.3%。

圖9 侵蝕量占比圖

3.3 防治對(duì)策

在新疆水土流失嚴(yán)重區(qū)域，以及侵蝕重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃植樹造林工作。合理選擇草、灌木、喬木搭配方式，降低風(fēng)力侵蝕與水力侵蝕所帶來(lái)的水土流失。在降水量較大區(qū)域，可以選擇種植草地，草種的選擇應(yīng)該以抗逆性較高的為主，達(dá)到一次治理，長(zhǎng)期受用的效果。此外，在溝壑系統(tǒng)中，需要采取適當(dāng)?shù)乃凉こ探ㄔO(shè)，建立攔擋壩體系群。由于新疆地區(qū)水保措施實(shí)行較晚，開展的研究還處于初級(jí)階段，政府應(yīng)該加大水土保持科研項(xiàng)目的投資，并進(jìn)行大量的技術(shù)推廣。

4 結(jié)論

水土流失是新疆最大的自然災(zāi)害之一，每年都有大量的國(guó)家土地及自然資源被消耗損失。新疆地區(qū)地處于內(nèi)陸，年降雨量較少，但是積雪融化和風(fēng)力帶來(lái)的侵蝕作用卻非常強(qiáng)烈。對(duì)該地區(qū)土壤侵蝕的類型以及空間分布規(guī)律的研究是非常有必要的。青河縣的中部植被覆蓋良好，而南部植被覆蓋較少，容易形成風(fēng)力侵蝕，風(fēng)力侵蝕的面積占比也達(dá)到了63%，是水土流失的易發(fā)地。青河縣大部分地區(qū)分類標(biāo)準(zhǔn)估算結(jié)果顯示青河縣侵蝕微度和輕度占主要地位，兩者總和占比66.1%。