GIS在土壤侵蚀模型中的应用及展望分析

G ! S 在土壤侵蚀模型中的应用及展望分析 刘星才 ，李嘉峻 ，许有鹏 ，唐郑亮 ( 南京大学城市与资源学系，南京， 2 1 0 0 9 3 ) 摘 要随着土壤侵蚀问 题的日 益严重， 土壤侵蚀模型的研究也越来越受到人们的重视。 土壤侵蚀模型通常可分为经 验统计模型和物理模型。 本文简单回顾了国内外土壤侵蚀模型的 研究现状， 分析了G I S 在经验统计模型U S L E / R U S L E 和物理模型W E P P , A N S W E R S , S W A T , L I S E M等土壤侵蚀模型 研究中的 应用现状， 并以 浙江省横溪流域为例， 对 U S L E结合G I S 的应用做了进一步的探讨。 最后展望了土壤侵蚀研究的发展趋势。 关键词G I S :土壤侵蚀模型:U S L E 土壤侵蚀是指地表的土粒在外力( 主要是降雨和地表径流) 的作用下， 土壤中的土粒发生分离和 迁移的现象。目 前， 水土流失已 经造成大量的资源流失和灾害问 题， 每年都给我国带来了极大的经济 损失。土壤侵蚀模型是预报、评价水土流失，指导水土保持措施配置及优化水土资源利用的有效工 具， 长期以来备受国内外学者的广泛关注。迄今为止， 各国学者己为土壤侵蚀模型的建立做出了大量 卓有成效的工作， 随着相关学科和计算机技术的发展和土壤侵蚀机理研究的不断深入， 土壤侵蚀模型 研究和模拟技术越来越受到人们的重视。G I S有着强大的空间信息处理能力，可大大方便和加强土 壤侵蚀的研究及模型的建立，因此，G I S 在土壤侵蚀中的应用日益突出。 1 国内外土壤侵蚀模型 1 . 1 经验统计模型 土壤侵蚀经验模型主要从侵蚀因子角度， 研究侵蚀量与降雨、 植被、 土壤、地形、 水土保持措施 等因子之间的关系式。一般来说， 经验模型关系式较物理模型简单， 计算更方便。国外的经验模型以 U S L E 口 和R U S L E 2 为 典 型 代 表。 U S L E 用于 预 测 长 期的 年 均土 壤 侵 蚀量， 可以 用来 计 算 在降 雨 条 件 下 ， 由于面蚀和细沟侵蚀造成的土壤流失; 模型没有考虑沟蚀、 风蚀和耕作侵蚀。 R U S L E 是修正的U S L E , 基本原理与U S L E的相同，但其内部算法的细化和预测的精度以及外部技术的改进，都比U S L E 有很 大的提高。 R U S L E 的改进主要表现在: 所用的数据量比U S L E 大的多， 数据源也更广; 纠正了U S L E 分析中的错误， 填补了原始数据的空白;增加了其灵活性， 能模拟不同的系统和替代方法。 我国的土壤侵蚀经验模型研究始于2 0 世纪7 0 年代末， 主要集中于U S L E 在我国的应用和我国土 壤侵蚀经验模型的建立。 对U S L E 在我国的适用性研究主要是修改模型参数的计算方法， 使之适合我 国 土壤状况及环境条件。 这方 面已 取得了 不少 进展， 如蒋定生3 、 王万忠4 、 刘宝元等5 、 陈克 平6 等人关于U S L E 中各参数因子计算的研究。我国学者提出的经验模型主要有C L S E( 刘宝元，2 0 0 1 ) , 卜 兆宏模型7 1 和我国的 黄土高 原模型9 等。 章文波等1 01 提出 了中 国土 壤水蚀预报信息系统( C S L E I S ) o 1 . 2 物理模型 在国外，土壤侵蚀机理方面的研究不断的在发展，同时试验水槽得到广泛的应用，这些研究和 应用为土壤侵蚀物理模型的建立提供了必要的理论依据。自2 0 世纪8 0 年代初到2 0 世纪末， 众多基 于土壤侵蚀过程的物理模型相继问 世，其中以美国的W E P P , S W A T ，欧洲的E U R O S E M 及荷兰的L 工 S E M 最具代表性。 其他的模型还有澳大利亚的G U E S T 和一些基于地理信息系统( G I S ) 的模型如新研发的区 域土壤侵蚀模型 ( S E M M E D ) 、细沟侵蚀模型 ( R I L L G R O W ) 、浅沟侵蚀模型 ( E G E M) 和切沟侵蚀模型。 与国外相比，我国土壤侵蚀理论模型的研究仍处在初期阶段，模型结构比较简单，模型思路基 本都是借鉴国外经验。2 0 世纪8 0 年代以来，流域土壤侵蚀模型的研究也取得了较大进展。牟金泽、 孟庆枚等的研究为流域土壤侵蚀模型的研究做了创造性的贡献。黄秉维先生以及后来的蔡强国等人 都 进行了 大量研究， 并 取得一定成果川 。 2 G I S 技术在土壤侵蚀模型中的应用 计算机和 G I S技术的发展使土壤侵蚀模型由 传统的坡面模型实现了向流域模型的转变。G I S是 一种非常有效的空间数据分析和统计系统，具有极强的空间信息处理能力，可以反映与土壤侵蚀有 关的诸因素的空间的分异规律，提供模型所需的参数。 G I S 与土壤侵蚀模型的结合方式主要有三种: 松散藕合、部分祸合和紧密祸合。在松散祸合阶段 G I S 只是起辅助计算作用， 相对模型是独立的; 在G I S 和侵蚀模型部分祸合方式中， G I S 成为模型的 一部分，为模型提供反映地表状况的参数;与 G I S紧密祸合中，G I S作为模型运行的平台，使得计 算流域侵蚀产沙过程和数量可最充分的利用计算机和模拟技术。研究人员对如何将 G I S 和各个模型 藕合进行土壤侵蚀研究己做出了大量努力，并取得一定成果。 2 . 1 G I S 在经验模型中的应用 U S L E / R U S L E是世界上使用最广泛的经验土壤侵蚀模型。国内外学者都对 U S L E / R U S L E和 G I S的 结合 进行了 尝 试。卜 兆宏 等12 1 应用G I S 地形因 子 算法计算了U S L E 中的L S 因 子。 陈志伟等详细 探讨 了G I S 技术 在U S L E 中的 应用13 。 黄金良 等均探讨了G I S 和U S L E 相结 合预测南方中 等尺度流域土壤 侵蚀量、 标识流域土壤侵蚀严重区域， 并 运用G I S 建立了 九龙江流域基础地理数据库。 徐天蜀等15 7 采用U S L E 为评价模型， 以地理信息系统软件A R C V I E W 为分析平台， 并在A R C / I N F O 及V i s u a l F o x P r o 支持下， 对珠江上游九 溪河小 流域 进行了 土壤侵蚀评价。 陈 永宝等18 以U S L E 为 监测 模型， 应用G I S , R S 技术， 完成了 福建省南安市1 9 8 8 年和1 9 9 6 年的 水土流失定 量遥感 监测。 游松财等171 应用U L S E , 结合G I S 技术估算了 江西省泰和县灌溪乡的土壤侵蚀量。 M e l l e r o w i c z 等 ( 1 9 9 4 ) e ， 以B l a c k B r o o k 流域为例，结合G I S 和微机技术， 根据U S L E 原理， 整合所用可用的土壤、 气候和土地利用资料， 进 行了 流域尺 度上的 土壤侵蚀预测， 并提出 了 水土保持规划的 方案。 J a i n 和K o t h y a r i ( 2 0 0 0 ) 19 3 在F e r r o 等( 2 0 0 0 ) a 0 7 建立的 侵蚀和沉积物 传输空间 分布模型基础上， 集成G I S 技术， 将该 模型应用于 水土侵 蚀和泥沙产 量估算。 C . F e r n a n d e z 2 1 结 合R U S L E 和S E D D( 泥沙传输分布模型) ， 运用G I S 技术进行了 水蚀和产沙量的估算。 2 . 2 G I S 在物理模型中的应用 W E P P 模型，是美国农业部农业研究局、自 然资源保护局等部门联合十几所大学以R U S L E 模型为 基础，共同研发的新一代土壤侵蚀模型。该模型计算能力强且结果较精确，但因模型参数和子模型 较多，使其实用性受到限制。目 前研究人员正在寻求 W E P P模型与 G I S技术之间的联系，以求整合 W E P P 和G 工 S ， 减少工作量， 使W E P P 模型的参数在不同地区和项目 应用中更容易确定， 以便推广W E P P 的 使用。 C o c h r a n e 等2 21 结合G I S 和D E M ， 运用W E P P 对小 流域的 水蚀作了 评价。 美国 科学家除了 对 W E P P 坡面和小流域版的用户界面进行不断改进之外，还进一步将 W E P P模型与 G I S相结合，开发研 制了G e o W E P P ( G e o - s p a t i a l i n t e r f a c e f o r W E P P ) 模型。 A N S W E R S 模型 是B e a s l e y 等2 3 在8 0 年代 研 究出 的 用以 模 拟荷 兰 水 土流 失的 模型， 随 后 又 进 行了 模型的改 进和完善。 我国学者陈一兵( 1 9 9 7 ) 2 A 对于该模型移植到中国的 可能性进行了 研究， 采用 A R C / 工 N F O建立流域数据库，通过数字高程模型( D E M ) 、土地利用图以及实地观测的土壤数据确定了 A N S W E R S 所需的部分参数，其他的参数通过直接应用B e a s l e y 和H u g g i n s 估算表格， 预测了大、中、 小三场降雨的土壤侵蚀量。 S W A T 是美国农业部( U S D A ) 开发的流域尺度的分布式模型， 用于模拟预测长期土地管理措施对于 具有多种土壤类型、 土地利用和管理条件的大面积复杂流域的径流、 泥沙负荷和营养物流失的影响。 胡 远安 等2 5 以S W A T 模型在芦溪小 流域的 应用为 例，阐 述了 遥感与G I S 技术在非点 源研究中的 应用。 张雪松等2 8 以G I S 技术为支持， 应用S W A T 模型 进行了 流域 产流和产沙 模拟的 研究， 并分析了 亚 流域 划分对分布式 水文 模型模 拟结果的 影响。 陈军锋等2 7) 通过S W A T 模型水量平衡模块在梭磨河流域的 应 一1 6 7一 用，揭示了梭磨河流域的气候波动和土地覆被变化对流域径流的影响。 L I S E M 是根据A N S W E R S 模型和D e R o o 等1 9 8 9 年提出的对土壤侵蚀过程的描述，结合遥感和G I S 技术， 基于荷兰南部黄土区实 验观测资 料， 于1 9 9 6 年开发的 模型。 R u d i H e s s e l 等(28 ,29 1 对L I S E M 模 型 在我国 黄土高原地区的 应用做了 研究。 马 修军 等30 用P C R a s t e r 系统和L I S E M 模型 对黄土高原小 流 域次降雨过程进行了 动态模拟研究。 傅伯杰 3 0 和R u d i H e s s e l 等对L I S E M 校正的 基础上， 模拟了 陕 北黄土丘陵沟壑区大南沟小流域不同土地利用方案的水土流失效应，就土地利用变化对流域出口水 土流失的影响进行了研究。 此外， P R I S M , G E M , S H E S E D 及S W R R B 模型等都是近年来国际上开发出来的基于G I S 的侵蚀产沙 模型。 这些模型从不同的角度对所研究区域的侵蚀产沙过程进行了描述， 对侵蚀产沙结果进行预报， 并将G I S 与模型的结合逐步推向紧密结合。 3 G I S 在土壤侵蚀模型中的应用的实例研究 G I S在各类土壤侵蚀模型中的应用，提高了模型的数据操作能力，也使得模型的参数计算更为 精确，大大加强其预测和估算能力。为了进一步探讨 G I S 在土壤侵蚀模型中的应用，我们以浙江省 横溪小流域为例，根据 U S L E ，以G I S软件为支持，对该流域 1 9 9 0 -2 0 0 3 年土壤侵蚀动态变化进行 模拟。 该研究区域流域面积3 9 . 9 k m ，境内以 高程 1 0 - - - 5 0 0 m 的丘陵为主， 该区属典型的亚热带季风 气候，气候温和湿润，气温年际变化不大，除较高的山区外，年平均气温为1 6 左右，降雨主要受 梅雨和台风影响，平均降雨量 1 5 5 0 m m 左右，流域内主要有两种土壤类型，红壤和水稻土，植被以 柳杉、马尾松为主。 3 . 1 研究思路 本研究运用地理信息系统软件的数据库管理功能和栅格空间分析功能， 根据U S L E 的形式， 读取 数据库文件，生成模型的各因子专题图，经地理信息系统软件的分析运算，将各因子连乘，得到土 壤侵蚀量栅格图，对侵蚀栅格图进行分类，获得土壤侵蚀等级图，将得到的土壤侵蚀图与土地利用 图叠加，获得不同土地利用方式下的土壤侵蚀。研究的技术路线如图 1 : 图1土坡侵蚀动态评价流程图 3 . 2 结果分析 运行A R C / I N F O 的空间分析模块和M a p C a l c u l a t o r 模块，对各专题图进行叠加操作和栅格的运 算，得到栅格土壤流失量。在栅格土壤流失量的基础上，参考我国土壤侵蚀分类分级标准中的土壤 侵蚀强度面蚀( 片蚀) 分类分级指标， 运用A R C / I N F O 的分类功能对栅格土壤流失量进行分类， 将侵蚀 量在同一侵蚀等级的栅格进行合并， 得到土壤侵蚀分级结果。 根据土壤侵蚀分级统计结果我们发现， 2 0 0 3 年横溪流域土壤侵蚀面积比1 9 9 0 年略有减少;而在流失量上，2 0 0 3 年土壤侵蚀总量为比1 9 9 0 年大为减少;进一步研究表明，土壤侵蚀量变化明显的原因主要是中度侵蚀以上土壤流失面积和流 失量的减少。 本研究还将历年的土壤侵蚀图与土地利用图叠加，获得各年的分类土壤流失专题图，对不同土 地利用方式下的土壤侵蚀及其动态进行了分析。经统计分析我们发现，1 9 9 0 年林地的土壤流失总量 远大于2 0 0 3 年的流失总量，1 9 9 0 年林地的土壤流失量为2 7 4 7 2 .7 4 t ，而2 0 0 3 年仅为1 2 2 5 3 . 1 3 t 。模 拟结果还表明，耕地和园地也是横溪流域土壤侵蚀的一个主因，1 9 9 0 年园地的土壤流失量占当年土 壤总流失量的 1 9 .8 3 %, 2 0 0 3年则为 7 .0 9 。另外，居民地的增加也对土壤侵蚀量有影响。通过以 上对横溪流域土壤侵蚀总量和不同土地利用土壤侵蚀的分析可知，横溪流域水土保持工作做得较为 有效，目 前其进一步工作应着重于居民 地的土壤侵蚀防范上，同时应该加强园林技术的发展，减少 园地的土壤侵蚀。 4 土壤侵蚀模型研究展望 在过去的几十年里，土壤侵蚀模型研究取得了长足进展，但在某些方面仍然相对薄弱: 土壤侵蚀 的水动力学机理尚不明确;含沙量对土壤侵蚀的影响尚不十分明确;坡面流挟沙力的计算问题;我 国 土壤侵 蚀模型中 坡 度因 子的 研究; 侵蚀动 床的水动力 特性; 非点 源污染问 题 1 1 0 土壤侵蚀模型的建立和完善，在很大程度上依赖于研究方法的突破和创新。目 前国内土壤侵蚀 模型研究应强化以下几个方面: 室内模拟实验，尤其是水槽冲刷及人工模拟降雨实验。 实验技术 的革新，加强土壤侵蚀与其他学科的交叉和渗透，吸收其最新科研成果，完善现有土壤侵蚀模型。 宏观研究，通过区域规律的对比分析，建立适应性较为广泛的土壤侵蚀模型。新技术与土壤侵 蚀研究的结合，如G I S 、遥感技术等等。 土壤侵蚀模型结合遥感和G I S技术己是当前土壤侵蚀研究的发展趋势。遥感在水土流失中的应 用主要体现在土壤类型和植被覆盖两个因子上，水土保持措施方面需要进一步研究。G I S的应用体 现在图形显示和在地形地貌上的空间分析，对于利用多元回归模型进行水土流失计算来说，G I S可 以贯穿模型的建立、计算、空间分析和结果显示。 今后，在土壤侵蚀研究中应加强的G I S 应用领域 是土壤侵失统计建模与过程模拟、 土壤侵蚀空间分析制图、 水土流失信息系统的建立以及R S 与G I S 技术在土壤侵模型中的集成应用。 参考文献 1 Wi s c h m e i e r , W.C . , a n d D .D . S m i t h . 1 9 7 8 . P r e d i c t i n g r a i n f a ll e r o s i o n l o s s e s - - A g u i d e t o c o n s e r v a t i o n p l a n n i n g . A g r i c . H a n d b . N o . 5 3 7 . U S D A . , Wa s h i n g t o n , D C 2 R e n a r d K . G . , G . R . F o s t e r , G . A .We e s i e s , D .K . Mc C o o l a n d D . C .Y o d e r .P r e d i c t i n g S o i l E r o s i o n b y Wa t e r : A G u i d e t o C o n s e r v a t i o n P l a n n i n g w i t h t h e R e v i s e d U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n ( R U S L E ) .U . S .D e p a r t m e n t o f A g r i c u l t u r e - A g r i c u l t u r e H a n d b o o k , N o . 7 0 3 3 蒋定生，李新华，范兴科等.论晋陕蒙接壤地区的土壤的抗冲性与水土保持措施体系的配置.水土保持学报， 1 9 9 5 , 9 0) : 1 - 7 4 王万忠， 焦菊英.中国的 土壤侵蚀因子定量评价研究. 水土保持通报，1 9 9 6 , 1 6 ( 5 ) : 1 - 2 0 5 L i u B Y , N e a r i n g MA , S h i P J , J i a Z W. S l o p e l e n g t h e f f e c t s o n s o i l l o s s f o r s t e e p s l o p e s . S o i l S c i . S o c . o f A m . , 2 0 0 0 , 6 4 ( 5 ) : 1 7 5 9 - 1 7 6 3 6 陈克平， 宁大同. 基于G I s 非点 源污染模型地形因子分析. 北京师范大学学报( 自 然科学版) ， 1 9 9 7 , 3 3 ( 2 ) : 2 8 1 - 2 8 4 7 卜 兆宏. 应用水土流失定量遥感方法监测山 东全省山 丘的 研究. 土壤学报，1 9 9 9 , 3 6 ( 1 ) : 1 - 8 8 李壁成主编，小流域水土流失与综合治理遥感监测M，北京: 科学出版社，1 9 9 5 9 章文波， 刘宝元. 基于G I s 的中国土壤侵蚀预报信息系统.水土保持学报， 2 0 0 3 , 1 7 ( 2 ) : 8 9 - 9 2 1 0 张光辉. 土壤侵蚀模型研究现状与展望. 水科学 进展， 2 0 0 2 , 1 3 ( 3 ) : 3 8 9 - 3 9 6 1 1 卜 兆宏，唐万龙，潘贤章.土壤流失量遥感监测中 G I s像元地形因子算法的研究.土壤学报，1 9 9 4 , 3 1 ( 3 ) : 3 2 2 - 3 2 9 1 2 陈志伟. G I s技术在通用土壤流失方程中 的 应用.山 西水土保持科技， 2 0 0 1 , ( 3 ) : 1 3 , 1 4 , 2 4 1 3 1 4 1 黄金良. 徐天蜀， 4 3 - 4 6 陈永宝， 游松财 6 2 - 6 8 基于G I s 和U S L E的 九龙江流域土壤侵蚀量预测研究. 水土保持学报， 2 0 0 4 , 1 8 ( 5 ) : 7 57 9 彭世撰， 岳彩荣. 基于G I s 的小流域土壤侵蚀评价研究. 南京林业大学学报( 自 然科学版) ， 2 0 0 2 , 2 6 ( 4 ) : 1 5 1 6 1 陈志伟， 郭志民. 应用G I s 实现水土流失定量遥感监测. 水土保持 研究，1 9 9 8 , 5 ( 2 ) : 李文卿. G I s 支持下的土壤侵蚀量估算以江西省泰和县灌溪乡为例.自 然资源学报 1 5 2 - 1 5 8 1 9 9 9 , 1 4 ( 1 ) : 1 7 Me l l e r o w i c z K T , C h o w T L , R e e s H W, G h a n e m I . S o i l c o n s e r v a t i o n p l a n n i n g a t t h e w a t e r s h e d l e v e l u s i n g t h e U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n w i t h G I s a n d m i c r o c o m p u t e r t e c h n o l o g i e s : A c a s e s t u d y .J o u rn a l o f S o i l a n d Wa t e r C o n s e r v a t i o n . 1 9 9 4 , 4 9 ( 2 ) : 1 9 4 l 8 J a i n M. K . a n d U . C . K o t h y a r i .E s t i m a t i o n o f s o i l e r o s i o n a n d s e d i m e n t y i e l d u s i n g G I S .H y d r o l o g i c a l S c i e n c e s J o u rna l .2 0 0 0 , 4 5 ( 5 ) : 7 7 1 - 7 8 6 1 9 F e r r o V . a n d P P o r t o . S e d i m e n t D e l i v e ry D i s t ri b u t e d ( S E D D ) m o d e l . J o u rn a l o f H y d r o l o g i c E n g i n e e r i n g , 5 ( 4 ) : 4 1 l - 4 2 2 2 0 1 C . F e rna n d e z , J . Q .Wu , D .K . Mc C o o l , a n d C . O . S t o c k l e . E s t i m a t i n g w a t e r e r o s i o n a n d s e d i m e n t y i e l d w i t h G I s , R U S L E , a n d S E D D . J o u rn a l o f S o i l a n d Wa t e r C o n s e r v a t i o n , 2 0 0 3 , 5 8 ( 3 ) : 1 2 8 - 1 3 6 2 1 T .A .C o e h r a n e , D .C . F I a n a g a n . A s s e s s i n g w a t e r e r o s i o n i n s m a l l w a t e r s h e d s u s i n g WE P P a n d G I s a n d d i g i t a l e l e v a t i o n m o d e l s . J o u rna l o f S o i l a n d Wa t e r C o n s e r v a t i o n , 1 9 9 9 , 5 4 ( 4 ) : 6 7 86 8 5 2 2 B e a s l e y , D .B ., a n d H u g g i n s , L . F ., 1 9 8 2 . A N S WE R S U s e r s Ma n u a l ， We s t L a y e tt e ; D e p t . I f A g ri c , E n g . , P u r d u