基于GIS的小流域尺度水土流失敏感性评价——以通渭县牛谷河项目区为例

［１］
。 水土
流失敏感性是指区域生态系统水土流失生态过程发生
的潜在可能性及其程度，是评价区域生态环境质量、人
口负荷、土地利用合理程度的指标之一，也是实施区域
生态环境治理与管理的重要基础依据
［２］
。 关于水土流
失敏感性的研究成果很多，各类评价方法也较为成熟，
但对小尺度、生态治理前后对比的水土流失敏感性评
类型主要为水力侵蚀和风力侵蚀，局部地区有冻融侵
运的难易程度，主要与土壤质地、有机质含量、土体结
根据土壤侵蚀发生的动力条件，甘肃省水土流失
蚀及重力侵蚀。 本研究主要是对以水力侵蚀为主的水
土壤可蚀性 ［４］ 。 Ｋ 因子是指土壤颗粒被水力分离和搬
构、渗透性等土壤理化性质有关。 采用应用比较广泛
土流 失 敏 感 性 进 行 评 价。 采 用 通 用 土 壤 流 失 方 程
格数据后，再利用栅格计算器运算得到水土流失敏感
性指数。 水土流失敏感性指数评价模型为
ＳＳ ｉ ＝
４
Ｒ ｉ × Ｋ ｉ × ＬＳ ｉ × Ｃ ｉ
（１）
式中：ＳＳ ｉ 为第 ｉ 个空间单元的水土流失敏感性指数；Ｒ ｉ
为第 ｉ 个空间单元的降雨侵蚀力因子指数；Ｋ ｉ 为第 ｉ 个
空间单元的土壤可蚀性因子指数；ＬＳ ｉ 为第 ｉ 个空间单
２．６％，主支沟平均比降 ３．７％，干沟、主支沟多为 Ｕ 形
沟，小支毛沟多为 Ｖ 形沟；属中温带大陆性气候区，年
均气温 ６．６ ℃ ，≥１０ ℃ 年活动积温 １ ２２６ ℃ ，年均太阳
辐射总量 １２９ ｋＪ ／ （ ｃｍ ２ ·ａ） ，年均日照时数 ２ ２３９ ｈ，年
均无霜 期 １３１ ｄ， 年 均 大 风 日 数 ３２ ｄ， 人 口 密 度 １６６
度的应用具有很强的现实指导意义。 以通渭县牛谷河研究区为例，采用现场调查结合遥感影像，以通用土壤流失方程为
理论指导，选择降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形起伏度、地表植被覆盖 ４ 类因子构建评价指标体系；利用 ＡｒｃＧＩＳ 进行治理
前后水土流失敏感性评价空间分析，探索小尺度生态建设项目 ＧＩＳ 监测评价的方法，分析区域水土流失敏感性指数及其
０．０５ ～ ２ ｍｍ） 所占的百分比，％；ｏｒｇＣ 为有机碳的百分
比含量，％。
根据土地利用类型、地形、地表覆盖情况等分别进
１０４．８３°、海拔 ２ ４５０．６ ｍ） 、通渭气象站（ 纬度 ３５．２２°、经
行取样，取样深度 １０ ｃｍ，检测、计算获取 ｍ ｃ 、ｍ ｓｉｌｔ 、ｍ ｓ 、
雨量、年均最大 ６０ ｍｉｎ 降雨量、年均最大 ２４ ｈ 降雨量，
后的水土流失敏感性评价，探索水土流失敏感性监测
体系及方法，希望能为后续甘肃省水土保持生态工程
于 １０４°５４′４１″ ～ １０５°１７′２０″Ｅ、３５°１０′０８″ ～ ３５°２３′３４″Ｎ，
海拔 １ ７７４ ～ ２ ５２１ ｍ，最大相对高差 ７４７ ｍ；区内包含
马营、水岔、李家大河、朱家营滩、段家峡、万家岔和蒋
｛１ － ０．７（１ － ｍ ｓ ／ １００） ／ ［１ － ｍ ｓ ／ １００ ＋
ｅｘｐ ( － ５．５１ ＋ ２２．９ － ２２．９ｍ ｓ ) ］ ｝
（３）
Ｋ ＝ （ － ０．０１３ ８３ ＋ ０．５１５ ７５ Ｋ ＥＰＩＣ ） × ０．１３１ ７ （４）
上 式 中： Ｋ 为 修 正 后 的 土 壤 可 蚀 性 因 子，
防护 ４．２４ ｋｍ。 措施布设主要是在坡度＜ １５° 且距村庄
较近的坡耕地建设水平梯田；在坡度 １５° ～ ２５° 且距村
庄较远、立地条件和水分条件较好的坡耕地退耕种植
紫花苜蓿；在坡度＞ ２５° 的陡坡耕地及 １５° ～ ２５° 植被稀
疏的荒山荒沟进行水平阶整地，种植侧柏及沙棘；在陡
坡耕地及荒坡进行鱼鳞坑整地，种植山杏、柠条、沙棘；
的 ＥＰＩＣ 模型 ［５］ 计 算 得 出 修 正 前 的 土 壤 可 蚀 性 因 子
形起伏度和地表植被覆盖等因子，将反映各因子对水
正，并乘以 ０．１３１ ７ 转化为国际单位制 ［７］ ，其计算公式
（ ＵＳＬＥ） 为理论指导，选取降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地
土流失敏感性的单因子评价数据用 ＡｒｃＧＩＳ 转化为栅
ｏｒｇＣ 数值，在 Ｅｘｃｅｌ 表 格 中 利 用 式 （ ３） 和 （ ４） 计 算 Ｋ
类型图为工作底图，在 ＡｒｃＧＩＳ 中将 Ｋ 值依据取样经纬
度插入后进行插值计算，转换形成研究区 Ｋ 因子分布
栅格图（ 图 ２） 。
图 ２ 研究区 Ｋ 因子分布
· ３９·
徐剑春等：基于 ＧＩＳ 的小流域尺度水土流失敏感性评价
因子的分布区间，以突出区域特点和评价区域治理前
后对比性为出发点，修正后确定各类影响因子的分级赋
值标准和不同评价指标对应的敏感性等级值，见表 １。
动态变化，结果表明项目区治理后水土流失敏感性指数由 ２．２８５ 减少为 ２．２２６，区内重度及中度敏感区面积均有明显减
少。
［ 中图分类号］ Ｓ１５７．１ ［ 文献标识码］ Ａ ［ 文章编号］ １０００－０９４１（２０２１）０１－００３７－０５
水土流失是当今全球共同面临的一个严峻的环境
（３） 地形起伏度因子（ ＬＳ） 。 从土壤侵蚀与地形坡
本研究采用覆盖全国的 ＭＯＤＩＳ ＮＤＶＩ 数据，来源
。 ＬＳ 因子主要利用反映地形对土壤侵蚀
于美国国家航空航天局的 ＥＯＳ ／ ＭＯＤＩＳ 数据产品（ ｈｔ⁃
ｔｐ： ／ ／ ｅ４ｆｔ１０１．ｃｒ． ｕｓｇｓ． ｇｏｖ） ， 空 间 分 辨 率 为 ２５０ ｍ × ２５０
ｍ，时间分辨率为 １６ ｄ。 由于大部分植被覆盖类型是
和 ＮＤＶＩ ｖｅｇ ，通常根据 ＮＤＶＩ 的频率统计表，计算 ＮＤＶＩ
的频率累积值，即累积频率为 ２％的 ＮＤＶＩ 值为 ＮＤＶＩ ｓｏｉｌ ，
累积频率为 ９８％ 的 ＮＤＶＩ 值为 ＮＤＶＩ ｖｅｇ ，再使用栅格计
算器依据公式（ ５） ，计算植被覆盖因子。 根据治理前
（ Ｋ ＥＰＩＣ ） ，计算结果采用张利科等 ［６］ 的研究成果进行修
分别为
Ｋ ＥＰＩＣ ＝ { ０．２ ＋ ０．３ｅｘｐ [ － ０．０２５ ６ ｍ ｓ ( １ － ｍ ｓｉｌｔ ／ １００ ) ] } ×
［ ｍ ｓｉｌｔ ／ （ ｍ ｃ ＋ ｍ ｓｉｌｔ ） ］ ０．３ ×
｛１ － ０．２５ｏｒｇＣ ／ [ ｏｒｇＣ ＋ ｅｘｐ ( ３．７２ － ２．９５ｏｒｇＣ ) ] ｝ ×
值，并根据现场调查绘制区域土壤类型图，最后以土壤
度 １０５．２３°、海拔 １ ７６８．２ ｍ） 降雨系列资料中的年均降
采用式（２） 计算 Ｒ 因子值，利用 ＡｒｃＧＩＳ 软件插值并绘
制研究区 Ｒ 因 子 分 布 栅 格 图 （ 图 １ ） 。 Ｒ 值 计 算 公
式
［ ３］
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
为
图 １ 研究区 Ｒ 因子分布
约着区域经济社会发展。 甘肃省通渭县牛谷河流域属
和灾害问题，严重的水土流失会造成生态环境急剧恶
于国家水土保持重点治理区，位于渭河一级支流牛谷
化，导致土壤表层营养成分流失、土地生产力下降等，
河流域上中游、黄土丘陵沟壑区第三副区，地理位置介
同时农业用地的化肥、农药残留物随水土流失进入河
湖水库，也是水环境恶化的主要污染源之一
元的地形起伏度因子指数；Ｃ ｉ 为第 ｉ 个空间单元的地表
植被覆盖因子指数。
２．２ 数据来源
根据上述评价模型，收集本研究水土流失敏感性
评价所需的气象、土壤、高程和遥感影像等，并对遥感数
据尺度较大的采用现场实测数据加密后进行插值计算。
（１） 降雨侵蚀力因子（ Ｒ） 。 选取研究区附近的 ２
个气象观测站———华家岭气象站 （ 纬度 ３５． ３８°、 经度
（２）
式中：Ｒ 为降雨侵蚀力因子，ＭＪ·ｍｍ ／ （ ｈｍ ２ ·ｈ） ；Ｐ 为
年均降雨量，ｍｍ；Ｉ ６０ 为年均最大 ６０ ｍｉｎ 降雨量，ｍｍ；
Ｉ １ ４４０ 为年均最大 ２４ ｈ 降雨量，ｍｍ。
２ 评价方法
（２） 土壤可蚀性因子（ Ｋ） 。 水土流失发生的主体
２．１ 评价因子及模型
是土壤甚至是其母质，所以土壤类型从根本上决定了
家川等 ７ 条完整的小流域，共涉及马营、华岭、北城、平
襄、三铺和陇阳 ６ 个乡镇 ４２ 个行政村；地貌特点以黄
土梁峁沟壑为主，沟壑密度为 １．４３ ｋｍ ／ ｋｍ ２ ，沟壑面积
占项目区总面积的 ９． ０％；干沟长 ３７． ５ ｋｍ，主支沟长
６４．６ ｋｍ， 其 他 支 毛 沟 长 ４９１． ９１ ｋｍ， 干 沟 平 均 比 降
１．１ 区域概况
甘肃省是全国水土流失最严重的省份之一，水土
流失面积大、范围广、类型多、强度高、危害重，严重制
［ 基金项目］ 重大生态工程水土保持监测技术研究（ 甘水科外〔 ２０１７〕 ７６
号，甘水水保发〔２０１６〕２０４ 号）
植水土保持林 ２ ０８５ ｈｍ ２ 、种草 １ ６６４ ｈｍ ２ 、实施封禁治
数可通过研究区 ＤＥＭ 数据获取。 本研究中利用地面
不同植被类型的混合体，所以不能采用固定的 ＮＤＶＩ ｓｏｉｌ
度的关系看，基本表现为随地形坡度增大土壤侵蚀加
剧的特征
［８］
影响的坡长因子（ Ｌ） 和坡度因子（ Ｓ） 进行计算，计算参
一定距离范围内最大地形高差，作为区域地形起伏度
因子。 利用研究区治理前原始地貌 ＤＥＭ 数据，选择高
图 ３ 治理前 ＬＳ 因子分布
图 ６ 治理后 Ｃ 因子分布
２．３ 水土流失敏感性评价
（１） 敏感性等级值。 综合采用自然分界法与相关
文献确定分级赋值标准参考值，根据研究区 ４ 个影响
图 ４ 治理后 ＬＳ 因子分布
（４） 地表植被覆盖因子（ Ｃ） 。 植被覆盖度对生态
敏感性具有重要影响，一般来说，植被覆盖度越高，植
后的植被 ＮＤＶＩ 影像数据，形成治理前 Ｃ 因子分布栅
格图（ 图 ５） 及治理后 Ｃ 因子分布栅格图（ 图 ６） 。
响较大。 通过治理后无人机测绘高程数据或实地 ＧＰＳ
调查高程数据，形成措施实施后的 ＤＥＭ 数据，并计算
得出治理后（２０１８ 年，下同） 的 ＬＳ 因子栅格图（ 图 ４） 。
图 ５ 治理前 Ｃ 因子分布
程数据集， 利用 ＡｒｃＧＩＳ 设置各像 元 的 最 大 值 和 最 小
值，即得到高程数据集的最大值和最小值，在栅格计算
器中 利 用 公 式 （ 最 大 值 － 最 小 值） 计 算 得 出 治 理 前
（２００８ 年，下同） ＬＳ 因子栅格图（ 图 ３） 。 研究区主要的
水土保持措施为梯田工程，其对于地形起伏度因子影
中国水土保持 ＳＷＣＣ ２０２１ 年第 １ 期
· ３７·
基于 ＧＩＳ 的小流域尺度水土流失敏感性评价
———以通渭县牛谷河项目区为例
徐剑春，王 博，罗进选
（ 甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 ７３００２０）
［ 关键词］ 生态工程；监测评价；水土流失敏感性；ＧＩＳ
［摘 要］ 基于甘肃省生态建设迅速发展和水土保持监测要求提升的大背景，研究基于 ＧＩＳ 的监测评价方法在小流域尺
· ３８·
中国水土保持 ＳＷＣＣ ２０２１ 年第 １ 期
× Ｉ １．１５５
Ｒ ＝ ０．００９Ｐ ０．５６４ × Ｉ １．１５５
６０
１ ４４０
在坡度＞３５°且水土流失严重的荒坡荒沟和不宜布设其
他防治措施的荒地采用封禁措施；此外，根据治理区域
具体地形条件和沟道特征选择适宜的地点，全面建设
谷坊及沟头防护措施。
ｔ·ｈｍ ２ ·ｈ ／ （ ｈｍ ２ ·ＭＪ·ｍｍ） ；Ｋ ＥＰＩＣ 为修正前的土壤可
蚀性因子，ｔ·ｈｍ ２ ·ｈ ／ （ ｈｍ ２ ·ＭＪ·ｍｍ） ；ｍ ｃ 为黏粒（ 粒
径＜ ０． ００２ ｍｍ） 所 占 的 百 分 比，％； ｍ ｓｉｌｔ 为 粉 粒 （ 粒 径
０．００２ ～ ０． ０５ ｍｍ） 所占的百分 比，％； ｍ ｓ 为 砂 粒 （ 粒 径
人 ／ ｋｍ ２ ，人均耕地面积 ０．３７ ｈｍ ２ 。
１．２ 建设概况
研究区在 ２００８—２０１３ 年治理期内共完成各类水
的监测、规划提供技术参考。
土保持措施面积 １４８ ｋｍ ２ ，其中修建梯田 ４ ００７ ｈｍ ２ 、栽
１ 研究区概况
理７ ０１７ ｈｍ ２ ，新建土谷坊 ２１０ 座、水窖 ９６ 眼，实施沟头
价的研究尚不多见。 本研究以甘肃省通渭县牛谷河流
域为研究区。 该流域在 ２００８—２０１３ 年实施了国家水
土保持重点建设工程，至 ２０１８ 年底各项治理措施均已
稳定发挥效益。 本研究采用遥感数据结合实地测量的
方法，以降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形起伏度和地表
植被覆盖等为主要影响因子，开展小流域尺度治理前