基于GIS 的新疆阿勒泰地區(qū)水土流失研究

龐 毅

（新疆維吾爾自治區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，新疆 烏魯木齊 830000）

水土流失、土壤侵蝕在新疆維吾爾自治區(qū)都有自己的區(qū)域特殊性，這是由于土地資源質(zhì)量的退化和水土流失造成的破壞原始表面結(jié)構(gòu)的發(fā)展和人類(lèi)社會(huì)幾千年來(lái)的建設(shè)項(xiàng)目。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增長(zhǎng)和區(qū)域發(fā)展的進(jìn)一步加速，新疆土壤侵蝕和水土流失的問(wèn)題會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)重，環(huán)境質(zhì)量將進(jìn)一步減少，這將嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。新疆土壤侵蝕類(lèi)型復(fù)雜多樣，可分為風(fēng)蝕、水力侵蝕和凍融侵蝕三種類(lèi)型[1]。水土流失的產(chǎn)生，是各類(lèi)自然條件綜合作用的結(jié)果，合理的地形、植被以及水源條件才能產(chǎn)生水土流失。本文從地形地貌和植被蓋度兩方面探討了阿勒泰市土壤侵蝕的強(qiáng)度分布。

1 研究區(qū)概況

阿勒泰市位于亞洲大陸腹地，據(jù)史料記載，秦朝時(shí)候，就已經(jīng)有部落生活在阿勒泰地區(qū)，阿勒泰市總面積達(dá)10800 km2，見(jiàn)圖1。阿勒泰山脈在北部形成了自然的北方地理屏障，曾格盆地接鄰南部邊緣，因此，阿勒泰市形成了較為特別的天氣條件，南方與北方的氣候差異巨大。阿勒泰地區(qū)地區(qū)有三大水系通過(guò)境內(nèi)，水資源儲(chǔ)量非常豐富。

圖1 阿勒泰市地理位置圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的數(shù)字高程模型提取自資源三號(hào)遙感測(cè)繪衛(wèi)星，通過(guò)ENVI 和ArcGIS 軟件進(jìn)行提取、校正等工作，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，提取精度較高[2]。它的機(jī)身上主要搭載4 臺(tái)光學(xué)相機(jī)，包括1 臺(tái)2.1 m 分辨率的全彩相機(jī)、2 臺(tái)3.6 m 分辨率的正、反相機(jī)。它能夠以長(zhǎng)期、連續(xù)和穩(wěn)定的方式獲得立體全色圖像、多光譜圖像和輔助數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、圖2。

表1 技術(shù)參數(shù)

圖2 阿勒泰市DEM 數(shù)據(jù)

2.2 研究方法

（1）地形起伏度

研究區(qū)域高程的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值即是地形起伏度[6]。地形起伏度可以將地形因素進(jìn)行定量描述[3]。地形起伏計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：hx,y為領(lǐng)域內(nèi)像元的高程值；hxy,max和hxy,min分別代表目標(biāo)柵格最大和最小高程值（x,y=1,2,3，…，n）；Δh 表示高程值差；N 為柵格的個(gè)數(shù)；S 為柵格的起伏度和；M 為平均起伏度值。

（2）水土流失

原則上水土流失強(qiáng)度的分類(lèi)以允許土壤流失和最大國(guó)民損失為兩極值，并通過(guò)插值法分為六個(gè)等級(jí)（見(jiàn)表2）。由于研究區(qū)地域遼闊，自然類(lèi)型多樣，不同地區(qū)的土壤形成速率不同，不同侵蝕區(qū)的土壤容許流失量不同[4]。土壤允許流失量是指長(zhǎng)期保持土壤肥力的最大流失量和土地生產(chǎn)力的基本穩(wěn)定性。

表2 水土流失強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)

（1）提取坡度系數(shù)。在ArcGIS 10.2 軟件中，利用資源三號(hào)遙感衛(wèi)星提取出阿勒泰市數(shù)字高程模型，然后運(yùn)用“空間分析”模塊中的“地表分析”工具生成研究區(qū)的坡度分布柵格圖，并按5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°25°～35°和 ＞35°的范圍進(jìn)行重新分類(lèi)。

（2）土地利用分布類(lèi)型因子。根據(jù)2014 年研究區(qū)的遙感圖像，在ENVI 5.1 軟件中，研究區(qū)的土地利用類(lèi)型分為：草地、林地、未利用地、建筑用地、水體。

（3）植被覆蓋因子的提取。在ENVI 5.1 軟件中，利用波段數(shù)學(xué)工具，利用遙感方法估算植被覆蓋度。NDVI 二元模型是線(xiàn)性混合像元分解模型中最簡(jiǎn)單、最準(zhǔn)確的一種，用于植被覆蓋度的估計(jì)。

3 結(jié)果分析

3.1 地形分析

（1）地形起伏度

在ArcGIS 的分析窗口中，利用柵格計(jì)算器，設(shè)置statistics type 為最大值，得到最大值圖層，設(shè)置statistics type為最小值，得到最小值圖層，然后將最大值圖層減去最小值圖層得到研究區(qū)起伏度。然后依據(jù)地形起伏度劃分標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表3）對(duì)地形起伏度進(jìn)行重分類(lèi)色塊顯示。

表3 地形起伏度劃分表

均值變點(diǎn)法是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)當(dāng)中的方法。數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)應(yīng)該是非線(xiàn)性的，并且只有一個(gè)變化點(diǎn)。在地貌研究中，該方法可以快速確定平均地貌生長(zhǎng)速率的拐點(diǎn)，即最佳統(tǒng)計(jì)單元。在系統(tǒng)模型統(tǒng)計(jì)中，當(dāng)一個(gè)時(shí)間突然變化時(shí)，時(shí)間就是變化點(diǎn)[5]。計(jì)算過(guò)程大致如下：將樣本數(shù)據(jù) i=2，…，N，分為 X1，X2，…，Xi-1和Xi，Xi+1，…，Xt。

圖3 均值變點(diǎn)法統(tǒng)計(jì)圖

經(jīng)過(guò)均值變點(diǎn)法計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3，可以看出，當(dāng)網(wǎng)格窗口為5 m×5 m 時(shí)，提取的起伏度為最佳值，見(jiàn)圖4。

圖4 阿勒泰市地形起伏度圖

表4 阿勒泰市地形起伏度統(tǒng)計(jì)表

由圖4 和表4 可以得到阿勒泰市境內(nèi)以平原為主，占比達(dá)到54.96%，主要集中分布在南部地區(qū)。地勢(shì)總體呈現(xiàn)北高男低的趨勢(shì)。北部以山地為主，山地面積占總面積21.43%。水土流失嚴(yán)重地區(qū)也主要在北部山區(qū)。

（2）坡度分析

圖5 阿勒泰坡度分析圖

由圖5 可以看出，阿勒泰地區(qū)南部平均坡度較低，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，平均坡度僅有3.27°，而北部山區(qū)平均坡度較高，為17.3°。

（3）植被覆蓋分析

根據(jù)研究區(qū)域2018 年的遙感圖像，利用研究區(qū)域的紅外波段和近紅外波段，根據(jù)以下公式估算研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素的歸一化植被指數(shù)（NDVI）[6]：

式中：NIR 表示近紅外波段；RED 表示紅外波段。

然后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取置信區(qū)間，確定NDVIsoil和NDVIveg，依照下式估算各像元的植被覆蓋度FVC：

得到植被覆蓋度解譯圖6。

圖6 植被覆蓋解譯圖

通過(guò)圖6 可以看出，阿勒泰北部山區(qū)及南部平原地區(qū)植被覆蓋度較好，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，北部地區(qū)植被覆蓋度可達(dá)87.3%，南部地區(qū)植被覆蓋度為63.2%。中部及中東部地區(qū)植被覆蓋較差，僅為32.1%。平均植被覆蓋度為64.5%。

3.2 水土流失分布分析

對(duì)各個(gè)圖層進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。在阿勒泰市土地利用類(lèi)型中，通過(guò)調(diào)查分析，將水體劃分為無(wú)水土流失強(qiáng)度類(lèi)型，建設(shè)用地劃分為微水土流失強(qiáng)度類(lèi)型?？偨Y(jié)其他四類(lèi)土地，得到阿勒泰市2019 年水土流失強(qiáng)度空間分布圖7。

圖7 阿勒泰市水土流失強(qiáng)度分布圖

表5 阿勒泰市水土流失面積占比表

由圖7 和表5 可以看出，阿勒泰市水土流失較為分散，微度侵蝕范圍最廣，面積達(dá)到了43.2%，集中分布在地勢(shì)較為平坦的平原、臺(tái)地和丘陵地區(qū)。輕度和中度侵蝕區(qū)域主要分布在臺(tái)地地區(qū)，面積占比為23.9%、12.4%。大起伏山地區(qū)域主要以強(qiáng)度和極強(qiáng)度侵蝕為主，占比為10.3%、5.77%。劇烈侵蝕零星分布在山地地區(qū)，占比最小，僅為4.43%。北部地區(qū)主要為冰雪的凍融侵蝕。南部低洼地區(qū)主要受到水力侵蝕。

3.3 地形與水土流失相關(guān)性

水土流失綜合指數(shù)可以用來(lái)分析不同地形起伏度條件下的水土流失狀況，該指數(shù)能夠反映水土流失的嚴(yán)重程度，可以用水土流失指數(shù)來(lái)表示。值越高表示對(duì)水土流失的綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)越大，其計(jì)算如下[7]：

式中：Wij代表第i 類(lèi)第j 級(jí)的土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)值；Aij代表第i 類(lèi)第j 級(jí)的土壤侵蝕強(qiáng)度的面積比重。

利用GIS 技術(shù),對(duì)高程圖與水土流失圖進(jìn)行疊加,產(chǎn)生水土流失與地形起伏之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,見(jiàn)表6。

表6 不同區(qū)域水土流失強(qiáng)度指數(shù)

通過(guò)表6 可以得出，極大起伏山地的侵蝕強(qiáng)度最高，為3.31，丘陵的水土流失強(qiáng)度最低，為1.87，阿勒泰市水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū)都集中在中起伏山地以上的區(qū)域。地形起伏度越大，水土流失指數(shù)也越高，說(shuō)明，水土流失與地形起伏具有正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

本文基于從遙感影像中提取的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)阿勒泰市地形起伏度和水土流失的相關(guān)性分析，得出：

（1）阿勒泰市境內(nèi)以平原為主，占比為54.96%，整體地勢(shì)呈現(xiàn)北高男低的趨勢(shì)。平均坡度為9.3°，南部地區(qū)平均坡度為3.27°，而北部山區(qū)平均坡度較高，為17.3°。阿勒泰市平均值被覆蓋度為64.55%。

（2）阿勒泰市水土流失，微度侵蝕分布范圍最廣，面積占比為43.2%，劇烈侵蝕分布范圍最小4.43%。

（3）通過(guò)水土流失的綜合指數(shù)公式計(jì)算得出，隨著地形起伏度的增加，水土流失指數(shù)也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，二者的相關(guān)性為正相關(guān)。