CN101216481A - 一种反映区域土壤自然侵蚀程度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反映区域土壤自然侵蚀程度的方法，在通用地理信息系统(GIS)中，通过输入各个土壤侵蚀因子参数，基于通用土壤流失(USLE)模型，获得侵蚀模数；将所得侵蚀模数数值作为样点数值，在winsurfer软件界面下采用krige方法进行插值，获得区域土壤侵蚀模数等值线图。该方法能够直观地反映区域土壤侵蚀强度在空间上的变化，为区域水土保持规划与水土保持提供快速可靠的侵蚀模数，使得该参数的获取与更新效率成倍提高，降低野外工作成本。

Description

一种反映区域土壤自然侵蚀程度的方法

技术领域

本发明涉及一种反映土壤侵蚀程度的方法，特别涉及一种反映区域土壤自然侵蚀程度的方法。

背景技术

土壤侵蚀强度是指地壳表层在自然营力(水力、风力、重力及冻融等)和人类活动综合作用下，单位面积和单位时段内被剥蚀并发生位移的土壤侵蚀量，以土壤侵蚀模数表示。土壤侵蚀模数表示单位面积和单位时段内的土壤侵蚀量。其单位名称为吨每平方公里年[t/(km²·a)]。侵蚀模数是定量表达区域土壤侵蚀强度的一个重要指标，也是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的重要的科学依据。年土壤侵蚀模数是一个动态变量指标，常用于反映水土流失的动态变化及发展趋势；而年平均(多年平均，有起止年限)侵蚀模数则是一个相对恒定的常数，常作为侵蚀区土壤侵蚀状况的背景值用于反映区域水土流失的严重程度，常用于水土流失调查和水土保持规划。

国内外目前研究土壤侵蚀模数的具体方法主要有：

1.资料分析法：根据水土保持试验研究站(所)所代表的土壤侵蚀类型区取得的实测径流泥沙资料进行统计计算及分析。这类资料包括；①标准径流场的资料，但它只反映坡面上的溅蚀量及细沟侵蚀量，不能反映浅沟(集流槽)侵蚀，故通常偏小；②全坡面大型径流场资料，它能反映浅沟侵蚀，故比较接近实际；③各类实验小流域的径流、输沙资料。上述资料为建立坡面或流域产沙数学模型提供最宝贵的基础数据。

2.野外及室内人工模拟降雨：在国外，这是取得坡面侵蚀产沙的主要手段，我国在80年代也比较广泛采用，主要形式有以下几种。①室内人工模拟降雨设施。这类设施比较现代化，以中科院地理所及水保所在80年代所建为代表。②室外人工模拟降雨设施。它可以分为大、中、小型及微型，大型以黄河水利委员会西峰水保实验站1984年在南小河沟试验场所建为代表，中小型以山西省离石水保所80年代在王家沟试验场所建为代表。上述大型固定及小型便携式人工模拟降雨装置，系用来测量不同坡度、植被、土壤、土地利用在设定暴雨频率下的侵蚀量。

3.野外土壤侵蚀调查：①坡面细沟及浅沟侵蚀量的量算、沟道断面(纵、横)冲淤变化的量算、用地面立体摄影仪测量并监测滑坡及崩塌形式的重力侵蚀。中科院西北水保所1978年在天水龙王沟建立控制网及固定摄影站，根据外业所取得的立体像，在室内用Topocart-D仪器跟踪等高线，绘成1/200比例尺的地形图，等高线间距20cm，精度可达7cm。②用竹竿等量测泻溜形式的重力侵蚀。③80年代在云南省小江河谷的将家沟，建立了现代化的观测及数据采集系统，如雷达流速仪测速装置，超声波泥位计测深装置，遥测冲击力仪、动态摄影仪等，进行泥石流冲淤过程观测。

4.模型方法：采用土壤侵蚀或产沙数学模型，如通用土壤流失方程(USLE)、多元回归方程以及WEPP(Water Erosion Prediction Project)等但必须经过验证、谨慎采用。1965年Wischmier-Smith首创了USLE，1975年Williams-Berndt加以改进，提出了修正通用土壤流失方程(MUSLE)；以后又不断进行修正，如侵蚀力方面有Onstad-Foster(1975)、土壤可蚀性方面有Elwell(1981)，土地经营措施方面Laflen(1985)等。我国在应用方面有：贾志军在晋西黄土高原降雨侵蚀力的研究；吴素业在安徽大别山区降雨侵蚀力指标的研究；马志尊在应用卫星影象估算USLE各因子值的研究；牟金泽等在黄土丘陵沟壑区估算各因子值的研究；游松财等在江西省泰和县灌溪乡的土壤侵蚀量估算研究。WEPP模型(水蚀预报模型)正在发展以取代USLE。

以上采用的主要方法中，因其普遍存在研究周期长、研究过程复杂、所需的监测仪器设备昂贵、针对性不强等原因，限制了其在实际中的广泛应用；而且缺乏反映区域土壤侵蚀强度空间变化。

发明内容

本发明目的是，针对上述技术缺点，提供一种反映区域土壤自然侵蚀程度的方法，能够直观地反映区域土壤侵蚀强度在空间上的变化，为区域水土保持规划与水土保持提供了快速可靠的侵蚀模数。

本发明采用的技术方案是，一种反映区域土壤自然侵蚀强度的方法，在通用地理信息系统(GIS)中，通过输入各个土壤侵蚀因子参数，基于通用土壤流失(USLE)模型，获得侵蚀模数；将所得侵蚀模数数值作为样点数值，在winsurfer软件界面下采用krige方法进行插值，获得区域土壤侵蚀模数等值线图。

本发明侵蚀因子，包括降雨侵蚀力因子R、土壤可蚀性因子K、地形因子LS、植被因子C和管理控制因子P。

本发明结合遥感侵蚀调查结果、地面实测资料对插值的结果进行修正。

本发明采用专业绘图软件(CorelDraw软件)对等值线图进行修饰。

本发明相对于现有技术优点在于，该方法能够直观地反映区域土壤侵蚀强度在空间上的变化，为区域水土保持规划与水土保持提供快速可靠的侵蚀模数，使得该参数的获取与更新效率成倍提高，降低野外工作成本。

附图说明

图1为一种反映区域土壤自然侵蚀强度背景值方法的实施流程图。

图2为实例中的广东省自然侵蚀模数背景值等值线图。

具体实施方式

为了更好的实施本发明，以广东省为例对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的详细步骤如下：

(1)首先以Arc/Info或ArcView32为支持通用地理信息系统GIS软件建立土壤侵蚀模数估算数据库，数据库内容主要包括：全省26个气象站点的多年日降雨数据、1∶25万DEM、遥感数据解译的2000年广东省土地利用现状，并在GIS支持下分别提取了各县的土地利用数据、全省1∶20万土壤类型基础数据库、全省含县界的行政区划空间数据(Arc/Info数据格式coverage)、全省2000年土壤侵蚀遥感调查数据和重点水土保持站监测数据和各县社会经济统计数据(如面积、人口等)；

(2)获取各侵蚀因子，包括：降雨侵蚀力因子R、土壤可蚀性因子K、地形因子LS、植被因子C和管理控制因子P。

对降雨侵蚀力因子R的计算：采用日雨量模型进行R值的计算方法，

$R_i=\mathrm{\α}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(P_j\right)}^{\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

式中R_i表示第i个半月时段的侵蚀力值单位是MJ·mm·hm^-2·h^-1，k表示该半月时段内的天数，P_j表示半月时段内第j天的日雨量，要求日雨量≥12mm，否则以0计算，12mm与侵蚀性降雨标准对应；α和β是模型参数，根据区域降雨特征进行估算：

$\mathrm{\β}=0.8363+\frac{18.144}{P_{d12}}+\frac{24.455}{P_{y12}}---\left(2\right)$

α＝21.586β^-7.1891(3)

式中P_d12表示日雨量≥12mm的日平均雨量，P_y12表示日雨量≥12mm的年平均雨量。利用(1)～(3)式计算逐年各半月的降雨侵蚀力，经汇总可得到年降雨侵蚀力、多年平均降雨侵蚀力等。计算得到各站点的多年平均降雨侵蚀力后，采用Kriging内插方法进行空间插值，绘制降雨侵蚀力等值线图。对于缺值的县域，则在R值等值线图中进行空间插补，得到完整的广东省各县降雨侵蚀力R值数据。

对土壤可蚀性因子K的计算：该因子反映了土壤颗粒组成及有机质含量对土壤侵蚀量的影响。不同的土壤类型和不同的有机质含量表出不同的土壤可侵蚀性。Williams等在EPIC模型中发展了土壤可蚀性因子K的估算方法。只要有土壤的有机碳和有机颗粒物的资料，即可估算K的数值。本实例应用该估算方法估算K值，具体是根据广东省第二次土壤普查资料估算全省可土壤类型的K值。以广东省1∶20万土壤类型图为底图，根据计算得出的土壤类型K值数据，在ArcGIS中赋值并采用自然分界法(Natural break)分级标准绘制土壤可蚀性因子K值栅格数据图。

对地形因子LS的计算：地形参数由坡长和坡度角确定，该参数的确定是利用黄炎和的LS因子计算公式求得，

LS＝0.08λ^0.35α^0.56

利用广东省1∶25万数字高程模型(DEM)图，用ArcView软件提取对应的栅格(栅格大小为500)坡度图作为坡度值，即上式中的α。根据坡长被定义为从地表径流的起点到坡度降低到足以发生沉积的位置或径流进入一个规定渠道的入口处的距离，利用负地形中的山脊线即正地形中的沟谷线-河流的原理，先确定负地形中每个栅格的水流方向，即可以算出每个水流方向上的栅格的坡度值，再通过三角函数就可以提取出每个栅格上的坡长，累计每个栅格的坡长，能很准确地求出从正地形的山脊到河流的坡长。整个运算过程用ArcView可以完成，得出坡长值，即上式中的λ。最后把坡长λ和坡度值α代入算式LS＝0.08λ^0.35α^0.56，即可计算出地形因子值LS，并用自然分界法(Natural break)分级标准绘出地形因子L、S值栅格数据图。

对植被因子C和管理控制因子P的计算：植被因子和管理控制因子可统一为下垫面因子CP，即统一表示为地表覆盖状况的参数，其大小在一定程度上反映人为干扰程度的大小，且与土地利用类型和覆盖度密切相关，因此可以建立土地利用状况与CP因子的对应关系。根据综合考察广东省植被覆盖(田间管理)及侵蚀控制状况查USLE中C、P值表，获得与广东省不同土地利用类型相对应的CP值。以2000年广东省1∶10万土地利用现状图为底图，在ArcGIS中赋值并采用自然分界法(Natural break)分级标准绘制地表覆盖因子CP值的栅格数据图。

(3)估算土壤侵蚀模数，打开数据库，读取各侵蚀因子值的栅格数据图像，这些因子图像处于同一坐标系统下，由同样大小(500m×500m)的栅格组成，运行ARC/INFO的空间分析模块，执行图形叠加运算功能，进行基于USLE模型的地图代数运算，得到栅格土壤侵蚀量图，用栅格侵蚀量除以栅格面积即为土壤侵蚀模数图。

(4)绘制土壤侵蚀模数等值线图，在土壤侵蚀模数栅格图上，以随机和典型相结合方法进行样点采集，并以土壤侵蚀模数为样点数值，进行空间分析和空间插值。分析样点数据的空间结构特性，进行变异函数拟合，为空间插值选择插值模型，然后在winsurfer软件支持下应用Krige方法进行空间插值制图。

(5)步骤(4)中得到的土壤侵蚀模数图并不代表区域的自然侵蚀模数背景值，而是属于区域的潜在土壤侵蚀图，因此必须进行检验校正。检验校正方法是：将广东省的遥感侵蚀调查结果、地面实测资料等对插值的结果进行检验，同时结合地质地貌条件、植被覆盖等综合因素进行分析，发现不合理的侵蚀模数分布状况后，重新检验运算过程和参数的选择是否合理，进行相应的调整后再进行空间插值。

(6)最后，根据上述过程得出的数据绘制自然侵蚀模数背景值等值线图。

通过GIS软件对估算得出的广东省土壤侵蚀模数栅格数据进行半随机的样点数据采集。半随机即随机与典型相结合，是在对整个研究区域进行随机样点数据采集的同时，根据前人的研究与经验，选定某些侵蚀典型地区进行随机样点数据采集。土壤侵蚀背景值的数据采集则是对前述随机采集的样点数据根据广东省各地区的土壤侵蚀背景值进行数值调整。

对离散的原始样点数据进行空间插值是绘制等值线的前提条件。用Surfer建立一个新的Worksheet文件，将各样点的采集数据按名称、经度、纬度、数值的顺序输入Worksheet表格中并保存。新建一个Plot Document文件，选择主菜单栏中Grid菜单下的Data命令进行离散数据的空间插值。在选项对话框中，选定上述建立的Worksheet文件，出现离散数据插值对话框，在这一对话框中有几个选项区，在数据栏(data columns)中将X选为column B(经度值)，Y选为column C(纬度值)，Z选为column D(侵蚀模数)，选好后可从对话框下部的下拉窗口了解数据的基本统计特征，包括最大值、最小值、均值、方差等。然后在General选项中的Gridding Method选择Kriging，确定后便可利用上述Krige插值方法进行空间插值，并生成后缀名是grd的插值文件。

选择Surfer主菜单栏中Map菜单下的Contour Map命令，出现对话框后选定前一步生成的插值文件，这样就可以根据插值文件绘制等值线图。由于在等值线插值过程中没有用广东省边界限制其插值的外延范围，故绘制出来的等值线超出了广东省的边界，还需用广东省的边界图去裁减边界外的多余部分。选择Map菜单下的Base Map命令，调出广东省边界图层，配准后再选择overlay maps命令将等值线与边界图叠合成一体，最后选择Grid菜单下的Blank命令将超出广东边界范围的等值线截去。添加上其他地图要素如县界、河流、城市便可绘制成广东省自然侵蚀模数背景值等值线简图。

Surfer软件毕竟不是专业的绘图工具软件，还需用专业绘图软件CorelDraw去修饰。用Surfer软件将绘制好的等值线简图输出成常用的jpg图，在CorelDraw中添加外框、标题、指北针、图例、文字说明和经纬线等地图元素，最后输出如图2所示的广东省自然侵蚀模数背景值等值线图。

Claims (4)

1.一种反映区域土壤自然侵蚀程度的方法，其特征在于：在通用地理信息系统(GIS)中，通过输入各个土壤侵蚀因子参数，基于通用土壤流失(USLE)模型，获得侵蚀模数；将所得侵蚀模数数值作为样点数值，在winsurfer软件界面下采用krige方法进行插值，获得区域土壤侵蚀模数等值线图。

2.根据权利要求1所述的反映区域土壤自然侵蚀程度的方法，其特征在于：所述侵蚀因子包括降雨侵蚀力因子R、土壤可蚀性因子K、地形因子LS、植被因子C和管理控制因子P。

3.根据权利要求1所述的反映区域土壤自然侵蚀程度的方法，其特征在于：结合遥感侵蚀调查结果、地面实测资料对插值的结果进行修正。

4.根据权利要求1所述的反映区域土壤自然侵蚀程度的方法，其特征在于：采用专业绘图软件对等值线图进行修饰。

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