（环境科学专业论文）基于RS和GIS的敖江中下游流域土壤侵蚀研究.pdf

中文文摘 中文文摘 土壤侵蚀是当前主要环境问题之一，是导致人类耐以生存且日趋紧缺的土地资 源退化和损失的主要原因，己成为全球性的环境问题，严重威胁着人类的生存与发 展。土壤侵蚀是一个多因素、多层次、多尺度的地学问题。区域土壤侵蚀状况及其 变化与区域社会经济发展、治理措施的投入力度和生态环境的整体变化有着密切的 联系。敖江流域作为福州市的重要水源地，今年来，由于无序开发采矿等人为因素 和其他自然囚素，造成敖江流域范围内大量水土流失，并且引起越来越严重的水质 污染，极大地危机全市用水安全，及时了解宏观地域土壤侵蚀的发展态势是生态建 设和环境保护政策制定与实施的基本前提。本次研究在大量的数据的支持下，借助 地理信息系统、遥感技术，进行敖江中下游流域土壤侵蚀研究，定量计算了敖江中 下游流域的土壤侵蚀模数。本次研究促进了敖江中下游流域经济社会的稳定发展， 为流域的水土保持规划和治理提供科学依据，同时还为流域的非点源污染问题研究 提供数据支持，有利于对土壤侵蚀引起的泥沙堆积进行研究。 论文在国内外土壤侵蚀模型研究的基础上，以敖江中下游流域为研究区，采用 美国通用土壤流失方程u s l e 作为土壤侵蚀量定量计算的基础模型，使用e s r i 公司 的g i s 软件：a r c v i e w 、a r c i n f 0 9 0 ，遥感软件：e n v l 4 0 ，建立敖江中下游流域的空 间数据库，同时使用办公软件m i c r o s o f t a c c e s s 管理流域的属性数据库。使用u s l e 为研究区土壤侵蚀模型，根据敖江中下游流域的水文、地质地貌、土壤、气候、植 被等具体情况，在查阅大量研究资料的基础上，参考全国范围内相似区域的研究成 果，确定模型中各个因子的具体算法公式。本次研究中主要利用a r c g i s 软件对降雨 因子的空间分布情况进行克里格空间插值模拟；在d e m 基础上提取坡度、坡长，计 算研究区的地形因子；根据福建省土壤二次普查数据和修正的k 值公式，计算土壤可 蚀性因子；使用e n v l 软件，从遥感影像图上提取均一化植被指数( n d v i ) ，采取线性 像元分解中的像元二分模型，结合土壤数据、土地利用数据、植被指数，进行流域 植被覆盖度、覆盖因子的定量计算；参照其目前国内外的研究成果根据其文献资料， 根据土地利用类型确定研究区内各地类的措施因子p 值。认为本文所采用的土壤侵蚀 研究方法和所使用的数据合理，计算结果能满足土壤侵蚀定量计算、水土流失治理 数据精度需要。文中将分级得出的成果图与其它影响因子叠加，分析不同行政区， v 福建师范大学硕士学位论文 不同土地利用类型，不同海拔条件下，不同坡度条件下土壤侵蚀空间分布特征。同 时，提出论文中存在的不足，为以后的研究工作提供方向。 论文采用的研究方法和得到的结论如下： ( 1 ) 基于r s 和g i s 的土壤侵蚀模型研究方法如下： 采用美国e s r i 提供的a r c i n f og r i d 模块、a r c v i e w 扩展模块，在建立流域数 字高程模型( d e m ) 的基础上，对敖江中下游流域的地表水文进行分析，模拟了水流 方向、提取了水网，对流域界线进行划定。 利用r s 和g i s 技术，通过实地考察和原始纸质图的基础上，采用监督分类的方法 解译出1 9 8 9 年和2 0 0 2 年两期的土地利用类型，建立土地利用变化数据库，得出转移 矩阵，讨论1 3 年间土地利用变化的程度和动态度，为后面的计算提供数据基础。 通过e n v i 软件提取流域的n d v i ，将n d v i 代入像元二分模型当中，结合土地利用 类型图，土壤类型图，进行植被覆盖度，覆盖因子的计算，经过讨论，分析，采用 像元二分模型进行植被覆盖计算的精度较高，能够较好地表现敖江中下游流域范围 内的植被覆盖状况。 最后在g i s 、r s 技术的支持下，利用u s e l 模型可以方便快捷的进行土壤侵蚀模数、 土壤侵蚀量的定量计算。 ( 2 ) 敖江中下游流域土壤侵蚀量变化规律如下： 随着土壤侵蚀强度的上升，研究区流域范围内的侵蚀面积迅速减少。敖江中下 游的土壤侵蚀类型以微度和轻度侵蚀为主，二者占侵蚀总面积的8 9 ，居所有侵蚀类 型中之最；其次为中度侵蚀类型，强度与极强度侵蚀较少发生，侵蚀面积均很小。 敖江中下游土壤侵蚀空间分布特征：土壤侵蚀区主要集中在闽侯延坪乡西北部 和连江白塔乡、丹阳镇的东部，这些区域由于坡度大、土质等自然因素存在，土壤 侵蚀强度相对较大，若不重视，水土流失灾害的损失会很大。而南北区域和靠近河 流水域的地方坡度较缓，侵蚀较轻微。 侵蚀强度与土地覆盖的关系：在所有侵蚀强度中，林地所占侵蚀强度最大，但 其侵蚀强度多是微度和轻度。其他土地利用类型在各侵蚀强度中所占比例都在5 以 下。 土壤侵蚀与海拔和坡度关系：侵蚀严重地区在平原、丘陵和中低山都有分布， 在中低山的分布面积为5 4 5 ，在平原和丘陵所占比例为4 5 5 。高强度侵蚀地区集 中在1 5 。3 5 。坡度地区，低级别侵蚀地区集中在1 5 。以下坡度地区，3 5 度以上 v l 中文摘要 坡度地区分布很少，其原因与影响土壤侵蚀的径流冲刷力有关。 i a b s t r a c t a b s t r a c t t h em i d d l e l o w e rr e a c h e so fa o j i a n gi st h ei m p o r t a n td r i n k i n gw a t e rs o u r c ef o r f u z h o uc i t y , s o i le r o s i o no ft h er e a c h e st h r e a t st h ee c o l o g i c a ls a f e t yo fw a t e re r n i r o n m c n t i t i sn o to n l yt h em a i nc a u s eo fn o n - p o i n tn u t r i e n t sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，b u ta l s o m a yc a r r yt h eh e a v ym e t a l sa n do r g a n i cp o l l u t i o n si n t ow a t e r m o r e o v e r , i tm a ym a k es o i l d e g r a d a t i o na n dw a s ht h er e m a i n i n gf e r t i l i z e ra n dp e s t i c i d e sf r o ms l o p ea g r i c u l t u r a ll a n d i n t ow a t e rb o d y , a n dp o l l u t et h ed r i n k i n gw a t e rs o u r c e b a s e do nr s g i s ，t h ep a p e r u s e su s l em o d e lt oc a l c u l a t et h es o i le r o s i o n , r e s u r sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) f o rt h em i d d l e l o w e rr e a c h e so fa o j i a n g ，s o i le r o s i o nd e g r e ei sn o ts e r i o u s ，t h e l i g h te r o s i o na r e ao c c u p i e s8 9 w i t has m a l lm i l de r o s i o na r e aa n dv e r yl i t t l ep r o p o r t i o n o ft h ei n t e n s ee r o s i o na r e a ( 2 ) s p a c i a ld i s t r i b u t i o no fs o i le r o s i o ni nt h em i d d l e l o w e rr e a c h e so fa o ji a n gi st h a t t h es o i le r o s i o na r e ai s m a i n l yl o c a t e do nt h en o r t hw e s t e r na r e ao fy a np i n gt o w n ， m i n h o uc o u n t y , b a i t at o w n ，a n de a s t e r na r e ao fd a n y a n g t o w n ，l i a 坷i a n gc o u n t yw i t h s t e e ps l o p e ，w h i l eo t h e rp l a c e ss u c ha st h en o r t h e r na n ds o u t h e r na r e a s ，r i v e r s i d ew i 也 s m a l ls l o p ea r eo fl o ws o i le r o s i o n ( 3 ) r e l a t i o n s h i po fs o i le r o s i o na n dl a n dc o v e r ：t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee r o s i o n a m o u n to ff o r e s tl a n di sh i g h e s t 、析t hl i g h te r o s i o ni n t e n s i t y , a n dt h ee r o s i o na m o u n to f o t h e rl a n dc o v e r t y p e si sl o w e rt h a n5 ( 4 ) r e l a t i o n s h i po fs o i le r o s i o na n de l e v a t i o no rs l o p e ：t h er e s u l t ss h o wt h a t5 4 5 o ft h ee r o s i o na m o u n ti sf r o mm o u n t a i na r e a sa n d4 5 5 f r o mp l a i no rh i l l ，a n di n t e n s e e r o s i o na r e ai so nt h em o u n t a i na r e a sw i t hs l o p eo v e r1 5 。 3 5 。w h i l el i g h te r o s i o na r e a w i t hs l o p el o w e rt h a n15 0 k e y w o r d s ：a o j i a n gm i d d l e - l o w e rr e a c h ，s o i le r o s i o n ，l a n d u s e ，n d v i h i 福建师范大学硕士学位论文独刨性和使用授权声明 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名) 旌匦麴学号_ 2 0 0 5 7 一6 2 - # 业 巫缝型堂一所呈 交的学位论文( 论文题目：基王坠塑鱼! 墨的趁江虫王迸流域壤僮丝 硒窒) 是本人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究工作 做出贡献的个人或集体，均已在论文中作了明确说明并表示谢意，由此 产生的一切法律结果均由本人承担a 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 月9 日 ，0 f 名 签 ： 币 锔 师 期 教 日 导 字 乜日 奎 指 签 叠 确阳抱珀 辄产 墼川f 利 y 作 文 期 论 日 位 字 学 签 绪论 绪论 一、选题背景 水是生命的源泉，是生态系统不可缺少的要素，同土地、能源等构成人类社会 与经济发展的基本条件。饮用水源的清洁达标和安全事关千家万户，是民生的首要 问题，也是最基本的人权保障。然而，目前福州第二水源敖江上游，受到沿岸 众多石材厂废水的严重污染，原本清澈见底的江水，成了牛奶溪。而敖江中下 游的连江、罗源、晋安的矿区生态环境也日渐遭到破坏。为加快敖江流域水环境综 合整治，确保福州第二水源安全，加大流域生态环境建设力度，福州市委、市政府 把敖江流域污染的综合治理列入为民办实事的重点项目。2 0 0 8 年敖江流域水环境综 合整治工作任务与要求第三条中提出“加大敖江流域生态保护与建设力度，扎实推 进环境优美乡镇、生态村创建工作。各地要把创建环境优美乡镇和生态村列入敖江 流域综合整治重要内容 。因此本文利用遥感和g i s 技术研究敖江中下游流域的土壤 侵蚀，其目标是为改善敖江流域生态环境、进一步为进行植被恢复与水土流失治理 提供科学依据。 二、选题意义 土壤侵蚀( s o i le r o s i o n ) 是土壤及其母质在水力、风力、冻融、重力等外营力 作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程n 3 。土壤侵蚀是导致人类赖以生存且日 趋紧缺的土地资源退化和损失的主要原因，已经成为一个全球性的环境问题乜1 。严 重的水土流失不仅破坏土地资源、淤塞江河，而且还会污染水质，破坏水资源，对 自然环境和人类的生产生活均会造成严重的危害。我国是世界上水土流失最严重的 国家之一，水土流失分布范围广、面积大，每年流失的土壤总量大约5 0 亿吨，水土 流失类型复杂多样。据最近公布的中国第二次土壤侵蚀遥感调查结果显示，中国目 前受水蚀影响的面积达3 6 7 万平方公里，占国土总面积的i 3 以上，成为我国的头号 环境问题1 。 土壤侵蚀是规模最大、危害程度最严重的一种非点源污染m 。不但由水土流失 带来的泥沙本身就是一种非点源污染物，而且泥沙( 特别是细颗粒沙) 是营养盐氮、 磷，金属及其他毒性物质的主要携带者。由于农业活动的广泛性和普遍性，农业非 福建师范大学硕士学位论文 点源污染成为构成目前水质环境恶化的一大威胁，并因此受到广泛重视帅1 ，农业非 点源污染近年来逐渐成为国内非点源污染研究的热点n 加。 目前，国内对于水土流失的研究越来越多，但敖江流域的土壤侵蚀研究还不够 深入。一些专家，水土保持工作者大多从山仔水库流域的水土流失成因、水质污染 的来源等几方面论述土壤侵蚀带来的危害，对山仔水库的土壤侵蚀状况做定性描述， 并针对土壤侵蚀与水质污染提出了一些防治对策n 4 。埔1 ，而对于在g i s 、r s 技术支持 下进行的敖江流域土壤侵蚀定量计算方面的研究则少有涉及。最近，曾有学者研究 与土壤侵蚀相关的敖江流域的非点源污染问题，也使用了g i s 技术，进行各种因子 的提取、计算，运用了s w a t 模型较全面地对流域的面源污染问题进行了讨论n 。黄 金良对九龙江流域的非点源污染研究也使用了3 s 技术。 本文应用3 s 技术完成了对敖江中下游流域的土壤侵蚀影响因子的调查和研究， 利用r s 和g i s 技术进行分析得到敖江中下游流域土壤侵蚀空间分布规律，特别是地 形、地貌和人为活动因子的相关性，定量计算流域内的土壤侵蚀量。有利于确定采 取水土保持措施的区域，寻求更合理的土地利用结构，也为水土流失灾害进行有效 防治、开展区域水土保持规划、开发建设项目水土保持方案设计及生态环境建设规 划提供重要的科学依据。为敖江中下游流域的生态环境建设和生态功能区划奠定了 基础。 三、土壤侵蚀的研究 ( 1 ) 人类活动与土壤侵蚀 影响土壤侵蚀的因素大致可分为自然因素和人为因素两个方面。土壤侵蚀的发 生是在地形、土壤、植被、降雨等自然因素下，当处于不利状态( 坡陡、暴雨、土松、 无植被) 时发生，人类不合理的社会经济活动加剧了土壤侵蚀，集中表现在对土地资 源的不合理利用上n 引。在欧洲，农业用地是形成历史地理景观的重要因素之m 2 1 1 。 农业景观开发的加速伴随着土地利用的变化常常导致土壤质量下降和水土流失。保 护土壤这种不可更新的重要自然资源在欧洲已经成为优先保护对象。对于区域而言， 当土壤侵蚀数据缺乏时，由人类活动引起的土地利用格局变化的信息可以被用来诠 释土壤侵蚀趋势船钉。王飞，李锐和杨勤科采用土地利用变化法对黄土高原土壤侵蚀 的人为影响程度进行研究，结果认为人类活动是引起黄土高原土壤浸蚀加剧的主导 因素1 。土地利用覆盖格局是人类在一定的自然和社会经济条件下对土地利用覆 盖的结果，因此土地利用覆盖格局的变化反映了自然、社会经济以及人为影响程度 绪论 的变化。在对l u c c 研究中，“热点地区 和“脆弱区 土地利用覆盖变化与生态环 境问题是其主要的研究问题乜4 。衢1 。l u c c 对土壤侵蚀过程的影响己成为国际上的研究 热点。但是目前土地利用覆盖变化研究大多集中在定性的研究方法和对单个环境因 素的分析，比如区域气候分析陋2 7 1 ，水文和水资源分析，土壤侵蚀分析以及生物多 样性分析等乜8 侧。很少有人尝试综合多种方法来分析和估测土地利用覆盖变化的生 态效果，尤其是对重要生态过程的影响机制研究。 研究不同土地利用方式下的土壤侵蚀强度的时空过程，可以更好把握土地利用 与土壤侵蚀的关系。土壤侵蚀是一个复杂的时间和空间过程，若气象条件相同，土 地利用的空间配置，及其类型组成等土地利用格局就成为土壤侵蚀其中的一个主控 因子。目前对土地利用覆盖与土壤侵蚀关系的研究较多在不同土地利用对流域土壤 侵蚀和氮、磷等养分流失的影响。对单一土地利用类型与土壤侵蚀的简单关系已经 有较为深入的研究，比如植被与土壤侵蚀的研究，森林覆盖与水土保持的关系以及 过度放牧对草原土壤侵蚀的影响等等。但是当统一考虑多种土地利用类型( 或土地利 用结构) 对土壤侵蚀的影响时，可以借鉴的研究成果十分少见。倪晋仁，李英奎引入 一个反映土地利用结构对区域土壤侵蚀影响的综合指标一土地利用结构特征指标， 通过层次分析方法给出不同土地利用类型对土壤侵蚀影响的权重，从而确定土地利 用结构特征指标的数值，定量表述多种土地利用类型( 或土地利用结构) 对土壤侵蚀 的综合影响口。吴运军，张树文，侯伟在此基础上，结合实际研究需要，确立了一 个基于乌苏里江流域土地结构对水土流失影响的改进型特征指标殂铂。此方法最重要 的思想之一是给出不同土地利用类型对土壤侵蚀影响的权重，这就需要对土地利用 与土壤侵蚀的关系有实际的研究；在此方面，李辉霞，刘淑珍，何晓蓉对遂宁市市 中区1 9 9 5 2 0 0 0 年的土地利用变化和土壤侵蚀变化的关系进行了分析口引。王思远，王 光谦，陈志祥在遥感技术与g i s 技术的支持下，建立了反映该流域土地利用与土壤侵 蚀的数字环境模型，而后对黄河流域近5 年的土地利用与土壤侵蚀的耦合关系进行了 研究m 1 。张海林采用主成分分析方法和逐步回归分析对舒城县土地利用变化进行探 讨，然后通过长周期水文模型和通用土壤侵蚀方程估算流域侵蚀量，进而提出初步 对策3 射。 ( 2 ) 土壤侵蚀研究手段 自1 9 世纪后期以来，人们就试图建立土壤流失量与其各相关影响因子的关系。 迄今为止，土壤侵蚀研究者们为土壤侵蚀模型的建立做出了卓越的贡献。汪东川， 福建师范大学硕士学位论文 卢玉东根据土壤侵蚀模型发展过程的特征，从时间上划分了土壤侵蚀模型发展的3 个阶段，即通用土壤流失方程( u s l e ) 建立以前的时期、u s l e 的建立及发展的时期和 土壤侵蚀模型百家争鸣时期啪1 。周正朝、上官周平针对不同研究对象与目的建立的 土壤侵蚀模型分为经验预报模型、物理过程模型和分布式模型口7 1 。但是没有任何一 个模型是通用的，所以，在建立和修正土壤侵蚀模型时，要使参数的获得更容易、 更准确，就必须注意模型的适应范围和可塑性，建立参数和研究区域之间的定量的 关系。同时，在采用模型时，应该因地制宜，灵活选用，而不能生搬硬套。 ( 3 ) g i s 、r s 在土壤侵蚀模型中的应用 g i s 和r s 在水土流失中的应用可以提高计算的速度汹1 ，g i s 的优势主要体现在空 间分析和图形显示上，使计算结果图形化，结果直观简洁。r s 的应用优势体现在数 据上，r s 的应用使大范围的水土流失计算成为可能，而且由于遥感图像的时效性， 还可以实现动态监测水土流失，从而进行有目的的防治。 g i s 在土壤侵蚀模型中的应用按照应用方法可分3 类：一是以g i s 为工具，利用g i s 提取模型所需因子，然后按照模型要求利用g i s 的图形运算和地图代数运算，最后得 到计算结果啪1 ；二是将g i s 与土壤侵蚀模型作为两个不同的系统，考虑结合方法的问 题州羽；三是利用g i s 开发新的模型或改善己有模型，一些分布式模型的开发就属于 该类应用h 。 随着互联网技术的发展，基于w e b g i s 的土壤侵蚀模型已经出现。互联网技术对 于较大地域范围的土壤侵蚀模拟计算和水土保持管理，以及向公众发布有关土壤侵 蚀信息是非常有用的。 张登荣等综合考虑影响土壤侵蚀的降雨量、土壤可蚀性、坡度、植被覆盖率、 土壤流失容许量和保护因子等，建立了基于g i s 和遥感技术的土壤侵蚀反演分析模 型，实现了土壤侵蚀的动态和快速监测预报。赵晓丽则阐述了在遥感和g i s 技术支 持下采用人机交互判读分析进行全国土壤侵蚀动态监测的方法和工作程序，并完成 了1 9 9 5 - - , 2 0 0 0 年l ：i 0 万比例尺的全国土壤侵蚀动态遥感监测与数据库更新“盯。在g i s 的支持下，潘剑君等利用间隔近1 0 年的3 个年代的卫星遥感图像，对江西省兴国县和 余江县的土壤侵蚀时空变化进行了详尽的分析m 1 。史德明等应用遥感技术进行土壤 侵蚀动态监测研究的机理对建国以来南方山地丘陵区土壤侵蚀的动态变化进行了详 细的分析h 刀。还有分别对陕西黄土高原沟壑区的淳化县和福建省的土壤侵蚀动态进 行了的相关研究m 1 。 绪论 四、研究内容 本文根据地理学、土壤学及相关学科的基本理论，依靠数学、遥感和地理信息 系统为分析手段，探索影响土地利用变化的自然、社会、经济因素驱动因子，并对 土地利用变化引起的典型环境问题面源污染、土壤侵蚀等问题进行探讨。 利用遥感和g i s 研究敖江中下游流域范围内土壤侵蚀的各种影响要素，包括研 究区的降雨分布状况、土壤类型、地形地貌、植被覆盖度以及土地利用现状等：采用 r s 和g i s 技术，从基础数据上提取、计算土壤侵蚀的影响因子，实现敖江中下游土 壤侵蚀定量计算，研究其在空间上的分布情况。主要研究内容如下： ( 1 ) 以遥感t m 影像、纸质土地利用现状图、地形图、流域水系图及调查资料为基 础，制作土地利用图、d e m 图，确定研究区界线，进行图层的叠加、拓扑计算，建立 包括土地利用变化、坡度、坡长、植被盖度图； ( 2 ) 利用遥感数据，获取水土流失的土地利用类型和植被指数信息，提取模型所 需的植被和人为措施因子，收集研究区多年降雨资料和土壤数据，计算降雨侵蚀力 因子和土壤可蚀性因子，建立土壤侵蚀因子属性数据库； ( 3 ) 在通用土壤流失方程u s l e 的框架基础上建立土壤侵蚀模型，计算研究区土壤 侵蚀量，根据侵蚀强度分级标准进行土壤侵蚀强度分级； ( 4 ) 在g i s 软件平台上，采用叠加分析方法，比较不同地区、不同土地利用类型、 不同海拔、不同坡度下的土壤侵蚀差异，分析土壤侵蚀的空间分布规律，为流域的 生态环境建设提供判定依据。 五、研究技术路线 根据敖江中下游流域情况，选择通用土壤流失方程( u s l e u n i v e r s a ls o i ll o s s e q u a t i o n ) ，作为敖江中下游流域的土壤侵蚀模型。在查阅大量文献资料的基础上， 采用r s 和g i s 技术，进行敖江中下游流域土壤侵蚀研究。主要技术路线如下： 福建师范大学硕士学位论文 图0 1 课题研究技术路线框架 f i g 0 - 1f r a m e w o r ko f t h et e c h n i c a lr o u t eo f t h i sr e s e a r c h 6 第一章基于r s 和g i s 的敖江中下游流域的地表水文模拟及土地利用变化分析 第一章基于r s 和g i s 的敖江中下游流域的地表水文 模拟及土地利用变化分析 第一节研究区自然概况 一、水文 敖江流域为福建省第六大河流，干流1 3 7 k m ，多年平均径流量3 0 4 1 0 9 m 3 ，河 道坡度0 2 6 ，流域面积约26 5 5 k m 2 ，占全省国土面积的2 1 6 ，是继闽江之后福州 市的第二条大江。自西向东流经福建省一个市、六个县，流域涉及的行政区域主要 有古田、罗源、连江、晋安、闽侯等县( 区) 的2 6 个乡( 镇) ，发源于古田县，于连江 的浦口附近入海。受潮汐影响，潮水项托可到连江大桥。 上游以鹤塘溪、霍口溪为主流，中游汇入日溪等支流，下游有桃源溪、贵溪、 牛溪、桂湖溪、宦溪等汇入。 干流分为五级开发。第一级为双口渡电站( 拟建) ，控制流域面积4 2 6 k m 2 ，年平 均流量1 5 2 m s ，装机容量1 2 6 k w ，年发电量o 5 5 亿度。第二级为霍口水库( 拟 建) ，控制流域面积1 3 0 2k m 2 ，年平均流量4 6 2 m s s ，总库容4 3 3 亿m 3 ，装机容量 1 0 万k w ，年发电量2 9 亿度。第三级为山仔水利枢纽，控制流域面积1 6 4 6k m 2 ，年 平均流量5 7 8 m 3 s ，总库容1 6 6 8 亿m 3 ，装机容量4 5 万k w ，年发电量1 7 3 亿度。 第四级为塘阪水库( 在建) ，控制流域面积1 7 0 1 k m ，年平均流量5 9 9 m 3 s ，总库容 9 5 3 6 万m 3 ，装机容量1 1 万k w 。第五级为潘渡水电站9 ( 拟建) 。 河水呈弱酸性，属重碳酸氯化钠钙水。洪水期含钙多一些，枯水期含镁多一些。 多年平均悬移质输沙量为8 1 6 k g s ，年输沙量2 5 7 万吨，含沙量为0 1 4 k g m 3 ，侵 蚀模数为1 5 4 t k m 2 ，推移质输沙量为7 7 万吨，年总输沙量3 3 4 万吨，最大断面含 沙量为8 1 7 k g m 1 。 1 9 9 2 年，福州市在敖江中游河段建成山仔水库，水库大坝以下8 公里为塘阪水 库；1 9 9 6 年，福州市将敖江确定为第二水源；2 0 0 0 年1 2 月3 1 日，福建省人民政府 令敖江流域水源保护管理办法将敖江流域生活饮用水地表水源一级保护区的范 围定为：山仔水库的傍尾至塘阪水库大坝的水域及其两岸1 0 0 米以内的陆域。该两 个库区在一级饮用水源保护区内。福州市的第二饮用水源的取水口，即设在塘阪水 福建师范大学硕士学位论文 库内。第一期二水源的水库、引水管道、水厂等，计划总投资为6 9 5 亿元，目前已 完成投资1 2 亿元，投运后将为福州市日供水量3 0 万吨。 二、地质地貌 本区域地质主要是侏罗系上统火山岩和少量的粉砂岩，其次是白坚系下统的石 帽山群火山岩，以火山碎屑岩为主，境内侵入体燕山期占绝对优势。 地貌属福建省东南沿海低山丘陵区，鹜峰山余脉从北部伸至延境内，区内以缺鼻峰 ( 高1 0 2 9 米) 为主，从西北往东南断续延伸，形成西部山地高丘地带，由于构造后抬 升作用和流水的强烈侵蚀、切割，从而形成复杂多样的低山、丘陵地貌，其间发育 有山间盆地。区域地震烈度为级。 三、土壤 流域的土壤主要是花岗岩发育的红壤为主，其它有少量坡积水稻土。花岗岩红 壤是经较强烈的脱硅富铝化形成的，盐基流失严重，土壤呈酸性，p h 在5 2 5 4 左 右，植被覆盖较好，土层较为深厚，有机物含量较高，在2 左右。水稻土零星分布 在山谷地和河滩边，山垄田占多数，有机质1 2 - 1 8 之间。土壤中镉、铜、铬、镍、 锌、d d t 均能达到g b1 5 6 1 8 - 1 9 9 5 土壤环境质量标准一级标准，其余指标如铝、 汞、砷等除部分点位外可达到一级标准。 四、气候 本区域属于亚热带季风气候区，气候温暖，四季分明，雨量适中。年均气温在 1 4 7 - 1 9 4 c 之间，七月份最高达2 4 5 - 2 8 8 c ，一月份最低为7 3 1 0 ，年降水量 在1 0 0 0 1 8 0 0 毫米之间，塘阪库区多年平均降水量为1 6 7 2 毫米。由于受季风影响显 著，连江主导风向冬季以北风为主，夏季以南风为主，年平均风速1 9 米秒，7 - 9 月风速较大，1 2 一- - 3 月风速较小，台风每年平均3 次，7 8 月是台风活动频繁期。 五、植被 ( 一) 植被区系 按全国植被和福建省植被分区，流域植被属闽中的戴云山一鹭峰山常绿槠类照 叶林小区，中亚热带槠拷类常绿阔叶林是这一区域的地带性植被。 ( 二) 植被的种类组成和分布特点 该区域地处南亚热带向中亚热带的过渡地带，植物种类较为丰富，南亚热带原 第一章基于r s 和g i s 的敖江中下游流域的地表水文模拟及土地利用变化分析 始植被由于人为破坏严重，绝大多数为次生植被或人工植被所代替，中亚热带植被 以被过度采伐后的次生常绿阔叶林和暖性竹林为主，暖性针叶林为辅。据林业调查 数据，区域内有7 种植被类型( 暖性针叶林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、竹林、常 绿阔叶灌丛、落叶阔叶灌丛、草丛) ，3 0 多个群体，2 0 0 个群丛。海拔1 0 0 m 以下的 除水稻、蕃薯外，大都是人工种植的亚热带果树和人工移植的丛生竹等群落，山仔 水库以上的低海拔耕地己大多被淹：海拔i o o m , - 一5 0 0 m 之间大部分为马尾松、杉林和 次生常绿林，一些陡坡地段也出现阳性灌丛：5 0 0 - 8 0 0 m 之间，除人工植造松杉群落 外，大部分种类是照叶林类型，8 0 0 m 以上大部分是草坡。 ( 三) 植被的组成结构和主要类型 近年来，因对人工造林和森林植被保护的重视，加之山仔库区以上交通较为不 便，使本区的森林植被得到一定的保护和发展，宜林荒山和疏林地得到开发和利用， 马尾松、杉林、毛竹等用材林发展迅速。各林种面积比例大致为，用材林占6 0 、 经济林占8 、薪炭林约占2 0 ，竹林占1 0 ，其它占2 。森林复盖率达7 0 以上， 植被覆盖率超过9 5 。林木分布自然群落以马尾松与阔叶树组成混交林，毛竹与马 尾松、阔叶乔木组成混交林较为常见，总体上以马尾松、枫香、木荷、闽粤栲、建 柏、毛竹等普遍渗入形成各类混交林。人工群落主要群系主要是马尾松、杉木林、 竹林和马尾松、杉木、竹林混交林，敖江中下游流域植被分布见图( 1 - 2 ) 。 榴建师范大学硕士学位论文 图卜l 敖江中下游流域地理位置 f i g1 - 1m l o c a t i o n o f t h e m i d d l e l o w e r r e a c h e s a o j i a n g 图l _ 2 敢江中下游流域植被类型图 f i 9 1 - 2 t a e v e g e m f i o t y p e s o f t h e m i d d l e d o w e rr e a c h e s a o j i a n g 第一章基于r s 和g i s 的敖江中下游流域的地表水文模拟及土地利用变化分析 第二节基于g i s 的敖江中下游流域地表水文模拟分析 采用美国e s r i 提供的a r c i n f og r i d 模块、a r c v i e w 扩展模块，在建立流域数 字高程模型( d e m ) 的基础上，对敖江中下游流域的地表水文进行分析，模拟了水流 方向、提取了水网，并对流域界线进行划定。 一、d e m 的建立和处理 栅格d e m 建立的具体方法和过程为：( 1 ) 根据矢量化的1 ：1 0 万地形图，建立空 间拓扑关系；( 2 ) 地图投影坐标系统设置，由于涉及到面积量算，采用高斯克里格投 影，坐标系为北京5 4 坐标，单位为米；( 3 ) 采用三角化不规则网( t i n ：t r i a n g u l a t e d i r r e g u l a rn e t w o r k ) 方法，将向量线图转换成t i n 数据结构，并进行空间插值；( 4 ) 将t i n 数据结构转换成格网结构( l a t t i c e ) ；( 5 ) 对格网数据进行重采样，形成栅格 d e m ( g r i d ) 。在a r c i n f o 系统中，经过流域界线切边得到敖江中下游流域数字高程 模型见图( i - 3 ) 。 二、水流方向分析 m a r k 等学者的研究结果表明，确定各个栅格单元的水流方向是采用d e m 进行地 表水文分析的基础h 们。一个栅格的水流方向就是水体从其中流出的方向。水流流向 的确定有多种算法，如d 8 、r h 0 8 、f d 8 、f r h 0 8 、d e m o n 、t a p e s - c 算法等。a r c i n f og r i d 模块、a r c v i e w 扩展模块h y d r o l o g i cf u n c t i o n s 采用d 8 算法进行水流流向的计算。 这种算法首先计算单元格与周围8 个单元格间的坡度，按最陡坡度原则确定单元格 的流向。通过栅格单元x 的8 个邻域栅格编码，水流方向便可以以其中的某一值来 确定。有效的水流方向定义为东北、东、东南、南、西南、西、西北和北，并分别 用1 2 8 、1 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 和6 4 这8 个有效特征码表示，敖江中下游流域的 水流方向见图( 1 - 4 ) 。 三、洼地填充与无洼地水流方向分析 由d e m 提取流域的数字特征，洼地填充是其中较难处理的问题之一。洼地是进 行水文分析的一障碍，在确定水流方向以前，必须将洼地填充呻1 。消除洼地的常用 方法有平滑滤波、填充抬高等方法，前者可消除孤立的、较浅的洼地，而保留较大 的洼地；后者可以消除所有洼地，但会产生大片平坦的地形。 a r c i n f og r i d 模块、a r c v i e w 扩展模块h y d r o l o g i cf u n c t i o n s 采用填充抬高的 福建师范大学硕士学位论文 图卜3 觳江中下游流域数字高程模型 圈1 - 4 敖江中f 游流域的水流方向圈 f i g 1 4 l h e f l o w d i r e c t i o n o f t h e m i d d l e - t o w e rr e a c h e i a o j i a n g 第一章基于r s 和g i s 的教江中下游流域的地表水文模拟及土地利用变化分析 方法消除洼地，通过f i l ls i n k s 函数将洼地( g r i d ) 填充，使洼地成为水流能够通 过的平坦区域，值得强调的是，生成无洼地d e m ，凹陷点的识别和去除是一个反复 的过程即当一个凹陷被去除点后，可能导致其周围又产生新的凹陷点。所生成的 无洼地的数字高程模型( f i l l e dd e m ) 见图( 卜5 ) 。在f i l l e dd e m 中由于无洼地区 圈卜5 敖江中下游流域无洼地d 跏图 p i 9 1 - 5 f i l l e dd e m o f t h e 删d d k k w 盯a c h e s ，a 蜘埘1 9 相对低平地的水流方向的确定也是d e m 提取数字流域特征时会遇到的难题。在 通过洼地填充生成无凹陷的d e m 的基础上，利用f l o wd i r e c t i o n 函数便可进行无 洼地的水流流向分析。见图( 卜6 ) 。 四、流水累积量计算与河流网络模拟分析 汇流能力强的栅格所在的区域就是集水区，集水能力特征值为零的则代表着区 内的高地。据此可划分研究区内分水岭的空间分布和集水区的边界“。根据栅括汇 流能力的分析结果将汇流能力超过某闽值( 一般大于1 0 0 ) 的栅格作为水道将小 于该阚值的栅格作为产流区，从而划分河流网络系统。河流网络栅格文件建立之后， 可进一步确定河流的级序与河流链等特征。 福建师范大学硕士学位论文 图1 6 敲江中下游无洼地水流方向圈 圈卜7 艘江中下辨流域汇流量积量鹭 f i gl - 7 f f l l o f d a e “d d k j m w m c k a o j m g 第一章 基于r s 和g i s 的敖江中下游流域的地表水文模拟及土地利用变化分析 区域流水累积量矩阵表示区域地形每点的流水累积量，它可以用区域地形曲面 的流水模拟方法获得，流水模拟可以利用区域的数字地面高程模型的水流方向数字 矩阵来进行腩羽。流水累积量可用以提取地表水分布图，是水网提取的基础，见图 ( 1 - 7 ) 。 水网密度根据地表的水流方向数字矩阵，确定河流的最小长度，显示出区域内 水系分布的密集程度。给定的河流最短长度值越小，水系分布越密集。在a r c i n f o 的 g r i d 模块中，在水流流向分析的基础上，利用f l o w a c c u m u l a t i o n 函数计算水流累 积量，通过给定一域值，如1 0 0 ，1 0 0 0 ，1 0 0 0 0 等，其单位是栅格数，可获得基于 n o d a t a 背景的水系栅格图。本研究根据能体现敖江中下游流域主要水系，但不至于 生成太多细小河流的原则，选定了域值5 0 0 0 来模拟出水系栅格图。最后通过水流 方向数据和栅格河网数据，用s t r a h l e r 或s h r e v e 方法对水网进行分级，图( 卜8 a ) 、 图( 卜8 b ) 为模拟的河流最小长度为5 0 0 0 米的水网密度图，与由地形图勾绘的敖江 中下游流域的水系分布图吻合很好。这反映了利用d e m s 模拟的河流网络的空间分 布接近实况。 五、敖江中下游流域界线的划定 流域是指流经其中的水流和其它物质从一个公共的出水口排水从而形成的一个 集中的排水区域，是给定点的汇水区域，子流域是给定流域的一部分，表明流域内 的从属关系拍铂。 根据敖江中下游流域1 ：1 0 万d e m 和1 ：1 0 万水系，按照d e m 的山脊线( 根据 水往低处流的原理) ，勾绘流域界线使水系分布图包含在界线之内，形成敖江中下游 流域的初步界线图，利用a r c i n f o 的s e l e c t p o l y g o n 函数以此多边形图层来切割原 始d e m ，形成敖江中下游流域的d e m ，后按照上述的水文分析步骤，经洼地填充、水 流方向提取后，利用a r c i n f o 的b a s i n 命令，生成敖江中下游流域的集水区界线图， 所生成的流域界线与初步界线图基本吻合。 值得强调的是，本文模型运算涉及的敖江中下游流域界线即以生成的集水区晃 线内作为模拟计算的基础。 六、小结 本研究成功地运用a r c i n f o 和a r c v i e w 的水文分析模块，进行敖江中下游流 域数字高程模型的处理及水文模拟分析。其结果如下： 福建师范大学硕士学位论文 圈卜8 a 教江中下游流域河网分级图 f i g 1 b a t h e c l z s s f i e ds m n o f m i d d l e 1 0 w e r r e a c h e s , a o j i a n g 图1 - s b 敖江中下游流域河啊分级田 第一章基于r s 和g i s 的敖江中下游流域的地表水文模拟及土地利用变化分析 1 、流域的地表水文模拟分析结果表明，利用d e m s 模拟敖江中下游流域水系的 空间分布与实际分布情况相接近，数字流域界线的确定与水文部门基本相符； 2 、成功地运用a r c g i s 软件进行敖江中下游流域的界限划分，并为敖江中下游 流域土地利用现状图解译和流域土壤侵蚀的探讨提供了基础数据平台。 第三节遥感解译土地利用图的处理与分析 一、土地利用现状图解译 本研究的土地利用图是利用遥感图像处理软件e n v i4 0 对2 0 0 2 年3 月7 号和 1 9 8 9 年4 月9 日两期的l a n d s a tt m e t m 影像图进行解译获得。具体解译过程如下： 对遥感数据进行预处理。预处理分以下步骤： ( 1 ) 进行投影转换。由于需要进行面积的计算，因此将影像图和背景图的投影 转换成同一种投影。本文采用高斯一克吕格投影，坐标系为北京5 4 ，单位为米； ( 2 ) 对遥感影像图纠正。根据1 ：5 0 00 0 0 地形图按1 3 个地面控制点对2 个时 相的卫星影像个波段分别进行了几何校正，方均根误差( r m se r r o r ) 在0 5 个像元 之内： ( 3 ) 选取2 6 个控制点进行多时段影像之间的校正( 影像对影像校正) ，精确度 保持在亚像元水平上； ( 4 ) 进行a o i ( 感兴趣区域) 的裁剪。由于本文研究区只是整景t m 资料的一 部分，故须在e n v i 的支持下，藉以福州市县界图作为掩膜将之叠加在影像图上，提 取研究区范围的影像数据； ( 5 ) 进行纹理处理： ( 6 ) 进行缨帽变换和自然色变换： ( 7 ) 对敖江流域遥感影像图进行监督分类并进行聚类统计； ( 8 ) 过滤分析和去除分析