流域是一个复杂系统 ,物能流频繁 ,流域内土壤性质、
土地利用、地形等地理条件差异较大 <1,2 >。传统的土壤侵蚀量调查方法耗时多、周期长 ,往往不能完全确定特定小流域及其不同地理单元的侵蚀量 ,给水土保持规划带来不便 ,更无法适时定量监测水土保持效果。 80年代以来 ,随着计算机技术的迅速发展和广泛渗透 ,应用地理信息系统 ( GIS)管理自然资源不均匀空间分布问题越来越多 <3> ,在流域管理中的应用较为广泛 ,涉及到流域土壤流失量预测及水土保持规划等方面。土壤侵蚀研究者一般使用的地理信息系统与模型的耦合方式为部分结合或分离式结合。本研究以长江三峡库区典型小流域为研究区域 ,通过对设置径流小区的天然降雨水沙观测 ,辅助人工降雨试验研究 ,定量确定土壤侵蚀因子指标。在 IDRISI支持下 ,建立流域数据库 ,根据土壤侵蚀预测模型对数据库实施运算操作 ,进行流域土壤侵蚀量的预测 ,为三峡库区及长江上游地区水土资源利用与保护提供理论依据和实践范例。1 研究区域概况及 GIS运行平台1.1 研究区小流域的基本概况研究区选在三峡库区库首湖北省秭归县王家桥小流域 ,为长江的二级支流。属中亚热带大陆性季风气候 ,温暖湿润 ,雨热同季。年平均温度 14 .5～ 18.0℃ ,降水量 10 0 0～ 12 5 0 mm,年内分布不均 ,集中性暴雨易造成山洪灾害。农作物以小麦、玉米、水稻、甘薯、黄豆、马铃薯为主 ,柑、桔是本区的主产果品。1.2 地理信息系统运行的硬件和软件配置根据选择的地理信息系统软件和本研究的数据库大小 ,选用的硬件为 P5 86微型计算机 ,配置彩色喷墨打印机 ,HIPAD- Plus TM数字化仪。选择 IDRISI系统 ,其支撑软件为Windows98。IDRISI系统与专业结合性强 ,尤其是具有良好的人机界面。该系统是基于栅格数据结构进行地理分析的地理信息系统。其功能包括矢量数据转换 ,遥感数据的图像分析 ,数据库管理查询 ,空间数据分析等。2 小流域资源数据库的建立图形数据库 :包括土壤分布图 ,土地利用现状图 ,地形图 ,水系图 ,水土保持现状图。土地利用现状图、水土保持现状图由彩红外航空照片解译 ,并调绘获得。土壤图以土种或变种作为成图单元。等高线、水系图直接从地形图上获得。地形图和野外完成的图件 ,通过数字化仪输入计算机 ,经编辑后成为数字化图。图形库中所有地图和图象按 1∶ 10 0 0 0比例尺 ,拥有统一固定的控制点 ,以矢量和栅格图层建库。
属性数据库 :主要包括土壤属性、土地利用属性、水土保持治理记录、属性的分类判断标准等。土壤属性数据是养分含量及土壤机械组成、有效土层厚度等项。图形数据库与属性数据库的连接 :由于图形数据库和属性数据库的记录项编码统一 ,因此编码成为联结系统图形数据库和属性数据库的标识码 ,通过标识码可按分析和决策模型的需要 ,方便地进行互相调用、转换和提取。3 土壤侵蚀量预测3.1 USL E模型与运算基本流程Wischmeier W H6 0年代提出的通用土壤流失方程 ( USLE) ,由于因子的解释具有物理意义 ,仍是目前预测土壤侵蚀最为广泛使用的方法 <4>。该方程是将影响水土流失的 6个因子用连乘的形式组成 ,其定型模式为 :A =R .K .L .S.C .P,其中 A为年土壤流失量 ,R为降雨和径流因子 ,K为土壤可蚀性因子 ,L S为坡度坡长因子 ,C为植被与经营管理因子 ,P为水土保持措施因子。方程的优点是形式非常简单 ,所需的参数较易获得。应用 USLE的关键是确定方程各因子指标值 ,应用 GIS和 USL E模式预测土壤侵蚀的关键也是各因子图的生成充分应用 IDRISI中数据库管理功能和空间分析功能 ,根据小区试验结果 ,选定 USLE模型中各因子的确定方法 ,打开数据库 ,读取数据库文件 ,分析运算 ,求得各因子值图 ,再根据USL E的形式 ,将因子图相乘 ,得土壤侵蚀量象元图 ,最后对侵蚀像元图进行像元分类 ,获得土壤侵蚀等级图。工作流程如图 1。图 1 土壤侵蚀预测工作流程3.2 USL E各因子值的确定和因子图的生成3.2 .1 K值 直接测定 K值要求的条件较高 ,一般用土壤性质推算土壤 K值 ,最常用的方法是 Wischmeier提出的可蚀性诺谟图 <4>。可蚀性诺谟图要求有土壤结构系数和渗透级别资料 ,而我国现有的土壤背景资料来自于全国第二次土壤普查成果资料 ,这些资料很少 ,因此不宜直接应用 Wischmeier经验法。 Williams等在 EPIC模型中 ,发展了土壤可蚀性因子 K的估算方法 ,使其使用更简便 <5> ,只要有土壤有机碳和土壤颗粒组成资料 ,即可估算 K值。K ={0 .2 + 0 .3exp<- 0 .0 2 5 6 Sd( 1- Si/10 0 ) >}×
0 .3× {1.0- 0 .2 5 C/}× <1.0 - 0 .7( 1- Sd/10 0 ) >/{1- Sd/10 0 + exp<- 5 .5 1+ 2 2 .9( 1- Sd/10 0 ) >}( 1)式中 :Sd为砂粒含量 ( %) ;Si为粉粒含量 ( %) ;Cl为粘粒含量 ( %) ;C为有机碳含量 ( %)。本研究使用 ( 1)式估算 K值。具体是调用数据库中土壤机械组成和有机碳含量 ,应用IDRISI的分析模块功能 ,对图象进行运算 ,获得 K值图。图斑分析统计结果表明 ,本流域土壤可蚀性 K值为 0 .2 71± 0 .0 0 45 ( n =93) ,最低为 0 .10 5 ,最高为 0 .394。统计我国现有的对紫色土可蚀性 K值研究结果 ,范围在 0 .2 5 3± 0 .0 6 4 ,其大小受研究者所选定区域中土壤性质的影响。用人工降雨方法 ,在径流小区对本区紫色土土壤可蚀性 K值的实测结果也显示 ,K值变幅较大 ,其平均值为 0 .2 5 0± 0 .14 1。将测定 K值、其它学者研究的 K值和用 ( 1)式计算的 K值两两比较统计发现无显著差异3.2 .2 R值 降雨侵蚀力难以直接测定 ,大多用降雨参数 ,如雨强、雨量等来估算降雨侵蚀力。这一指标的估算方法可归纳为以下 3种 :1) EI模式 ,称为 Wischmeier经典法 <4> ,其估算基本形式为 EI,即 R =ΣEI30 / 10 0 ;2 ) EI的临界雨强法 ,设计者认为产生侵蚀的降雨强度有一个阀值 ,只有大于这一阀值的降雨强度才作为计算侵蚀力指标 ;3) Pi2 / P简易法。本研究根据试验小流域 4年的实测资料采用方法 1和方法 3计算 R值。 从 4年实测产生侵蚀的降雨中 ,选取降雨过程记录详细的 41场特征降雨 ,将不同时段降雨强度及降雨量的数据转换量与流域产沙模数进行相关分析 ,结果列于表 1。分析结果表明 ,I30 与降雨量的乘积都与产沙量具有明显的相关性 ,因此选用 EI30 的模式估算 R值。同时根据月降水量 ,采用 Pi2 / P简易方法对 R值进行了估算。 2种方法进行单位换算后结果列于表 2。2种方法估算的年 R值与年降雨量的大小相一致 ,4年的平均值相差不大。Pi2 / P简易法纯为经验性 ,其估算值与降雨月分配值关系较大 ;而 EI30 法与流域产沙模数相关性很好 ,与年降雨量和暴雨频率及分布相一致。如有较为详细的气象记录资料 ,采用 EI30 法估算年 R值较好。R因子图一般采用代表性站点求算 R值 ,用内插外延法和表面等值线法 ,生成 R图。本研究的区域面积小 ,只有一个 R值 ,采用直接对图象进行运算的方法。表 1 时段最大降雨强度与流域产沙的相关系数 (r)时段最大雨强 I5min I10 min I15min I3 0 min I60 minr1:产沙量与降雨强度 I0 .4 74 7(n =9)0 .1881(n =14 )0 .2 4 86(n =4 1)0 .592 1**(n =4 1)0 .2 2 2 6(n =4 1)r2 :产沙量与降雨量 P和 I之积0 .8333**(n =9)0 .50 4 1(n =14 )0 .56 4 3**(n =4 1)0 .814 2 **(n =4 1)0 .5459**(n =4 1)r3 :产沙量与P和 lg I的积0 .8989**(n =9)0 .6 594 **(n =14 )0 .714 8**(n =4 1)0 .6 998**(n =4 1)0 .2 2 2 6(n =4 1)表 2 Pi2 / P法和 EI3 0 法计算的 R值年份 降水量(mm)Pi2 / P法 EI3 0 法估算值 (英美制 )转换值 (公制 )转换值 (英美制 )估算值 (公制 )199310 1912 7.12 19.0 130 .7 2 2 6 .11994 93312 4 .12 14 .6 16 0 .12 76 .9199579516 6 .82 88.6 10 4 .5180 .81996 13512 90 .2 50 2 .0 2 82 .2 4 88.3平均 10 2 4 176 .7 30 6 .7 16 9.4 2 93.03.2 .3 L S因子值 用 Wischmeier的 LS因子计算方法进行 L S因子估算 ,是通过 IDRISI的空间分析模块完成。首先 ,打开图形数据库 ,读取小流域地面高程等值线图 ;然后 ,将等高线图转换成栅格图象 ;再借助空间分析功能 ,用表面内标原理计算等值线
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