通用土壤流失方程的建立

1、通用土壤流失方程的应用陈峥北京航天勘察设计研究院【摘要】土壤侵蚀是当今世界普遍关注的重大环境问题之一,它加剧淤积、干旱、洪涝等自然灾害,引起土地生产力下降,严重地威胁着人类的生存和发展。本文将地理信息系统(GIS与通用土壤流失方程(USLE相结合,进行流域土壤侵蚀量分析。以美国明尼苏达河流域为研究区域,在ArcGIS和ENVI软件的支持下,分析该区域的数字高程模型和Terra卫星MODIS 传感器所采集的数据,建立该流域的空间数据库。再根据土壤流失方程中各因子的算法,借助GIS进行图形运算,最终建立该流域的通用土壤流失方程。【关键字】通用土壤流失方程(USLE、地理信息系统(GIS、明尼苏达河

2、流域1、前言土壤侵蚀是指土壤或成土母质在外力(水、风作用下被破坏剥蚀、搬运和沉积的过程。土壤侵蚀的过程实际和水分同时流失的过程,即水土流失过程,二者基本上是一致的。它是自然和人为因素综合作用的结果。气候、植被、地形、土壤等自然条件以及人类不合理的经济活动,均会对土壤侵蚀的形态、程度、分布产生不同程度的影响,并且随着时间推移而使其发生变化。如今,土壤侵蚀已成为世界普遍关注的重大环境问题之一,它加剧淤积、干旱、洪涝等自然灾害,引起土地生产力下降,严重地威胁着人类的生存和发展。因此,土壤侵蚀预测是进行有效水土保持工作的前提。在这样的背景下,通用土壤流失方程应运而生。该方程结构简单,所需输入数据量少,

3、计算结果可满足一定精度下土壤侵蚀预测的要求。另外,改进后的模型可扩大应用范围,增强适用性,提高计算精度。总之,它可以帮助人们认识不同的自然条件、农业活动和水土保持措施下的土壤流失量平均有多大, 从而指导决策者制定可行的土地利用政策,以尽可能减少土壤流失。对于明尼苏达河流域来说,由于工厂、油轮将废物排入河中,河流周围的农田使用农药,植被稀少等原因,使该流域沉淀物增多,沟壑侵蚀严重,水土流失情况日益恶化。因此,一些环保团体将明尼苏达河定为美国污染最重的河流。本文结合地理信息系统(GIS的栅格数据分析功能与遥感(RS的图像处理功能,可预测出明尼苏达河流域的土壤流失量,能够对土壤流失的各个因子进行有效

4、的管理和综合计算,建立明尼苏达河流域的通用土壤流失方程,模拟该流域的土壤侵蚀情况,了解最大的土壤流失量是多少,为减少土壤流失情况,提供参考建议,同时也为我国的水土保持情况提供治理依据。2、流域概况明尼苏达河流域位于美国明尼苏达州,地处北纬43°13"33'-46°17"12',西经93°5"6'-97°23"51'(如图1 明尼苏达河流域图。该州西北部每年的平均降雨量是48厘米,东南部则是81厘米,年平均降水量为71.93厘米。明尼苏达河流域由12000年前冰川融化形成,源自南达科他

5、州边界的大石湖。东南流向,折向东北,于圣保罗对面的门多塔注入密西西比河,全长534米。明尼苏达流域排走了明尼苏达流域的南达科塔州、爱荷华州和北达科他州的近20%的水量。它的面积是15000平方英里,包含了明尼苏达州的近38个县。明尼苏达流域盆地划分为12个水文分水线和12个管理流域。该流域的农业土地利应用超过了92%。3、所需软件与数据3.1、所需软件使用的软件有ArcGIS和ENVI。其中,利用ArcGIS的空间分析功能计算坡度、汇水面积等地形因子,及对图像进行裁剪,统一空间参照系等操作,并利用GIS的栅格数据分析功能计算土壤流失量。利用EVNI完成从MODIS数据中剪裁出明尼苏达流域的边界

6、,监督分类等操作,以便得到植被与作物覆盖管理因子。3.2、所需数据(1明尼苏达河流域的30米数字高程模型(DEM。(如图2 明尼苏达河流域DEM影像(2明尼苏达河12个子流域的矢量图层。来自/gis/bluearth/gis30.html 网站。(3明尼苏达河流域250米分辨率的MODIS数据(Modis/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250m SIN Grid V005。来自/api/网站。该图像有四个波段,分别为蓝波段、红波段、近红外波段、中红外波

7、段。还包含250米EVI、NDVI图像。这些图像自带空间参考信息,即UTM(Universal Transverse Mercator,通用横墨卡托格网系统投影及NAD83大地坐标系。由于数据来源不同,数据的空间参考系一般不同。如果未将它们统一而进行操作的话,会造成图像扭曲、变形,进而影响地图精度和空间分析的准确性。因此,在GIS操作中,为了保证同一,甚至不同统一地理信息系统间的数据能够交换、配准、共享,统一空间参照系是十分必要的。而下载MODIS数据是本文的一个难点。由于网站提供数据的拍摄时间地点不同,因此经过不断的比对,最终选取云量少,清晰的图像为研究对象。4、明尼苏达河流域通用土壤流失方

8、程的建立4.1、通用土壤流失方程介绍通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation是美国研制的用于定量预报农地或草地坡面多年平均年土壤流失量的一个经验性土壤侵蚀预报模型,其数学表达式是一系列变量相乘的方程形式。其基本形式为:A=R*K*LS*C*P,式中(1 A是单位面积坡地的土壤流失量,主要指降雨及其径流使坡面上出现细沟或细沟间侵蚀所形成的多年平均土壤流失量,单位为t·hm - 2·a- 1 。(2 R是降雨径流因子,用多年平均年降雨侵蚀力指数表示,单位为MJ·mm·hm-2·h-1·a-1(3

9、K是土壤可蚀性因子, 表示为标准小区下单位降雨侵蚀力形成的单位面积上的土壤流失量,单位为t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1。(4 LS是地形因子。(5 C是植被与作物覆盖管理因子。(6 P是水土保持措施因子。4.2、USLE中各个因子的确定4.2.1、地形因子(LS在通用土壤流失方程中,地形因子(LS综合了坡度和坡长。坡度因子S是指在其他条件相同的情况下任意坡度下的单位面积土壤流失量与标准小区坡度下单位面积土壤流失量之比。坡长因子L是指在其他条件相同的情况下,任意坡长的单位面积土壤流失量与标准坡长单位面积土壤流失量之比。本文利用文献中

10、的公式来计算地形因子LS。其中,A是上游汇水面积(FlowAcc,是坡度(slope,单位为角度(如图3 明尼苏达河流域坡度图,m=1.6, n=1.3。(如图4 明尼苏达河流域地形因子4.2.2、基于MODIS数据的植被与作物覆盖管理因子(C提取植被覆盖与作物管理因子是在相同的土壤、地形和降雨条件下,某一特定作物或植被情况下的土壤流失量与连续休闲的土地土壤流失量的比值,反映了植被对地表的保护作用,完全没有植被保护的裸露地面C值取最大值1.0,地面得到良好保护时,C值取0.001,C值介于0.001与1之间。由于下载的影响数据分辨率为250米,目视解译有些困难,因此需要借助Google Ear

11、th软件。根据Google Earth软件的显示,明尼苏达河流域主要以农田为主,林地分布在北部、东南部,居民大多分布在中部及支流交汇处。根据以上参考,在ENVI软件的帮助下,对该流域进行监督分类(根据已知训练区提供的样本,通过计算选择特征参数,建立判别函数以对各待分类影像进行的图像分类。,提取出植被覆盖与作物管理因子C。4.2.3、土壤可蚀性因子(K土壤可蚀性因子(K值,是一项评价土壤降雨侵蚀力分离、冲蚀和搬运难易程度的指标。K因子反映了土壤对侵蚀的敏感性及降水所产生的径流量与径流速率的大小。K值的大小与土壤粘粒含量、土壤砂质含量、土壤有机质含量、土壤结构和土壤渗透性有关。K值的直接测定方法是

12、:在标准小区(坡长为22.1m,宽为1.83m,坡度为9%上没有任何植被,完全休闲,无水土保持措置,降水后收集由于坡面径流而冲蚀到集流槽内的土壤,烘干、称重,由公式计算K值。而通常是在获取某一地区的土壤分布类型后,根据不同土壤的侵蚀性,为其赋予不同的K值。当土壤颗粒粗、渗透性大时,K值就低,反之则高。本文中,由于缺少土壤分布类型图,因此为了弥补数据的不足,我自己根据地形的坡度分类,来模拟K值。4.2.4、降雨侵蚀因子(R降雨侵蚀因子(R值与降雨量、降雨强度、降雨历时、雨滴大小及雨滴下降速度有关,它反映了降雨对土壤的潜在侵蚀能力。降雨侵蚀力难以直接测定,本研究采用Wischemier 等提出的直

13、接利用多年各月平均降雨量推求R 值的经验公式:R =式中: Pi 为各月平均降雨量(mm;P 为年降雨量(mm。根据明尼苏达河流域的降水量,可以算出该区域的降雨径流因子R=189568.1696MJ·mm·hm-2·h-1·a-1。(如图5 明尼苏达河流域降雨侵蚀因子4.2.5、水土保持措施因子(P水土保持措施因子(P值是采用专门措施后的土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值,其范围在0-1之间,0值代表根本不发生侵蚀的地区,而1值代表了未采取任何控制措施的地区。另外,人类生产实践如耕作方式和耕作制度等直接影响到土壤侵蚀的程度。通常,自然植被和顺坡耕作

14、的水土保持措施因子值为1。5、结果与讨论在ArcGIS中利用地图叠置功能将地形因子(LS、植被与作物覆盖管理因子(C、降雨因子(R相乘,就可以得到土壤流失量。由于缺少明尼苏达河流域的土壤类型、土地利用类型,所以想通过坡度来模拟土壤侵蚀因子(K、水土保持因子(P。但因为通用土壤流失方程模型中的各个因子不相关,所以叠置分析中不把(K、(P因子计算在内,只是粗略的估计结果。(如图6 明尼苏达河流域土壤流失图通过一系列的分析,可以看出美国明尼苏达河流域每平方公里土壤流失量。而在河道的沿岸土壤流失情况最严重。欲减低明尼苏达河流域的土壤流失侵蚀,就得从减小通用土壤流失方程的5个因子值着手。R、LS、K 这

15、3个因子值分别受降雨量、地形、土壤质地等客观条件影响,人为基本无法改变。但通过前面的分析结果可知,植被与作物覆盖管理因子C、水土保持因子P的变化会对流域土壤侵蚀引起较为显著的影响。因此,应采取措施减小C、P两因子的值。可在河道两边及田块周边设置缓冲林带,这样可以保护土地,减缓地表径流对上壤表面的冲蚀,防止水土流失,拦截水中的部分泥沙、悬移质等,减少水体污染,同时可以减缓地表径流。也可在土壤流失、侵蚀严重的区域增加植被的种植量,利用植被阻挡泥沙流入流域。同时河道流域的农业化学工厂需搬迁或重新设计排水设施。本文选取的研究区域是美国明尼苏达河流域,通过建立其通用土壤流失方程,找出了治理的方法。同样也

16、可利用此方法研究我国某些流域的土壤流失情况,为我国的水土保持工程助一臂之力。参考文献1 A Rainfall Erosion Index for a Universal Soil-loss Equation1 Soil Science Society Proceedings,Wischmeier W H,1959, 23(3: 2462491.2基于GIS 和土壤侵蚀方程的农业生态系统土壤保持价值评估,高江波、周巧富等,北京大学学报(自然科学版,2009(45:151157.3基于GIS与QuickBird影像的小流域土壤侵蚀定量评价,潘竞虎、董晓峰,生态与农村环境学报,2006(2:15.4

17、基于USLE的黑河流域非点源污染定量研究,胥彦玲,李怀恩等,西北农林科技大学学报(自然科学版,2006(34:138142.5基于GIS和USLE的下庄小流域土壤侵蚀量预测研究,洪华生、杨远等,厦门大学学报(自然科学版,2005(44:675679.6 /mnbasin/fact_sheets/fastfacts.html7地理信息系统原理与方法,吴信才等编著,电子工业出版社,20098 9Terrain Analysis: Principles and Applications,John P. Wilson、John C. Gallant编著, 200010遥感导论,梅安新、彭望琭等,高等教育出版社,200811数字高程模型及地学分析的原理与方法,汤国安、刘学军等,科学出版社,200512数字地形分析技术在流域水文建模中的应用,李昌峰、刘存丽等,兰州大学学报(自然科学版,2004(40:9610113 GIS环境下