基于GIS和RUSLE的三峡库区小流域侵蚀规律研究

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水土流失是三峡库区的一个重要生态环境问题,三峡库区水土流失面积为28042.10km2,占整个三峡库区面积的48.8%,其中中度和强烈水土流失面积占水土流失总面积的64.55%,年平均土壤侵蚀总量达到了1.67亿t。虽然对三峡库区土壤侵蚀规律研究较多,但是利用GIS和RUSLE模型进行研究的较少。本研究利用ENVI软件对万州区2011年的ETM+遥感影像进行处理,以万州区行政区划图为底图,裁切出油房沟小流域的遥感影像。在准确选取RUSLE模型各因子的基础上,参照国家土壤侵蚀分类分级标准以及第二次土地调查数据、地形数据等,利用GIS空间分析软件提取模型所需各种数据,并获取油房沟小流域1:1万土壤侵蚀空间和属性数据库。结合油房沟小流域1:1万土地利用数据,在ArcGIS中对数据进行归一化处理(统一数据标准、地图参数等),对所得数据图层进行叠加分析,获得整个小流域土壤侵蚀强度状况以及土壤侵蚀主要的影响因子情况。再结合流域卡口站的数据,对流域侵蚀演变机制和水沙汇流输移特征进行研究。主要结论如下:(1)根据2006-2012年的降雨数据,油房沟小流域多年平均降雨量为1183.3mm,峰值出现在2009年为1303.7mm,谷值发生在2010年为1042.4mm,振幅为261.3mm。流域降雨量年内分布呈双峰式分,最大降雨主要集中在6月和9月。油房沟小流域年降雨侵蚀力最大为2735.04MJ·mm·hm-2·h-1·a-1,最小为2002.53MJ·mm·hm-2·h-1·a-1。年降雨侵蚀力与年降雨量进行相关性分析,相关性为0.602,呈显著性相关。降雨侵蚀力呈现规律基本与月均降雨量一致,均呈现双峰型。在6月份达到第一次峰值,为426.08MJ·mm·m-2,min-1,在9月份达到第二次峰值,为480.90MJ·mm·m-2,min-1。总体上,流域内的降雨侵蚀力年内分布不均匀,降雨侵蚀力主要分布在5至9月份。(2)通过对流域内不同土地利用类型的土壤可蚀性K值之间存在明显的差异。马尾松林K值为0.025,柏树林地K值为0.042。人工林地土壤可蚀性K值相差不大。在坡耕地中不同种植方式,土壤可蚀性K值依次为红薯地(0.037)>菜地(0.034)>玉米地(0.029)>玉米地+红薯地(0.027)。总体上可蚀性大小表现为:人工林地>荒草地>坡耕地>天然林地。油房沟小流域土壤可蚀性K值在0.025-0.042之间。通过实测的植被覆盖度数据与利用公式在遥感解译上的植被覆盖度进行比较分析,相关性系数达到0.9681,说明解译结果可信。(3)油房沟小流域无明显流失面积为24.28hm2,占流域总面积的14.76%,水土流失面积为139.69hrn2,占流域总面积的85.24%。水土流失面积中,轻度侵蚀面积为35.20hm2(占流失面积的25.20);中度侵蚀面积为85.43hm2(占流失面积的61.16%);强烈侵蚀面积为15.35hm2(占流失面积的10.99%);极强烈侵蚀面积为3.71hm2(占流失面积的2.66%)。小流域平均土壤侵蚀模数为3524.57t/km2·a,根据万州区2011年度上报监测中心数据2011年油房沟小流域土壤侵蚀模数为2107.49t/km2·a,两者结果存在一定差异。(4)不同土地利用类型的平均土壤侵蚀模数存在明显差异。在6种土地利用类型中平均土壤侵蚀模数大小依次为荒草地(8955t/km2·a)>园地(4483t/km2·a)>坡耕地(4255t/km2·a)>林地(2332t/km2·a)>居民用地(850t/km2·a)>水田(358t/km2·a)。在坡度大于25°以上,坡耕地土壤侵蚀模数在8000t/km2·a以上,因此在耕地大于25°以上的坡耕地应该尽快退耕还林。(5)坡耕地土壤侵蚀模数随坡度的增加,侵蚀模数相应增大。在坡度为0°-10°时平均土壤侵蚀模数为2177t/km2·a,在坡度为10°-15°时平均土壤侵蚀模数为3990t/km2·a,在坡度为15°-20°时平均土壤侵蚀模数为4890t/km2·a,在坡度为20°-25°时平均土壤侵蚀模数为7540t/km2·a,在坡度为25°-30°时平均土壤侵蚀模数为9879t/km2·a。园地的种植坡度15°-30°,土壤侵蚀模数也随坡度的增加而增加,两者相关性系数达到0.9898,相关性明显。通过点绘坡度与流失量关系,经回归分析后得到坡度与流失量间的二次关系为:A=-3.571θ2+176.43θ-758.99(R2=0.9999)。流域内土壤侵蚀的临界值坡度应该在24.7°,这与黄土区计算的结果有—定差距。(6)流域内月均径流量之间相差值较大,最大值为17.31万m3,最小为0.13万m3。月降雨量与月径流量进行曲线拟合,方程决定系数R2=0.7144,拟合结果一般。利用平均月降雨量与平均月径流量绘制散点图,并进行方程拟合,关系式为:y=8E-05x2+0.0316x+0.4517(R2=0.9707),拟合效果较好,因此利用多年平均数据能够更好的反应流域产流量的真实情况。月降雨量与月输沙量进行曲线拟合,方程决定系数R2=0.8114,拟合结果一般。平均月降雨量与平均月输沙量进行方程拟合,关系式为:y=0.0002x2+0.063x+0.7418(R2=0.9743),拟合效果较好。(7)流域内年径流量最大为77.83万m3,年径流量最小为36.16万m3,年平均径流量为53.4万m3。年径流量与年径流系数变化规律一致,年径流系数最大值达到36.40%,最小值为21.15%。年径流量和年降雨量进行相关分析,二者相关系数为0.884,为显著相关。年输沙量达到最大为124.98t,最小仅为81.47t。推移质最大为44.89t,最小为19.78t。悬移质的变化规律与输沙量基本一致,最大为80.09t,最小为59.03。用年降雨量和年输沙量进行方程拟合,关系式为:y=4E-05x2.0858(R2=0.8356),拟合结果一般。
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