（地图学与地理信息系统专业论文）基于usle的图们江流域土壤侵蚀定量评价.pdf

_ 鼍，一：； - 。 t 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：童馥甄 日期： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东：t l n 范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：激 指导教师签名： 日 期：3 盈纽4 刁 e l 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： a ， ， 一 摘要 土壤侵蚀已经成为一个全球性的环境问题，我国也面临着严重的土壤侵蚀。 土壤侵蚀是造成土地退化、河道淤积堵塞和土壤中大量营养元素流失的根本原 因。土壤侵蚀的频繁发生，使得土地逐渐呈现出荒漠化和沙漠化，耕地面积减少， 粮食产量下降，使人类的生存环境面临着巨大威胁。国外很早就开始进行土壤侵 蚀的研究，我国对土壤侵蚀的研究开展的要稍晚一些，但最近数十年发展较快。 要实现对土壤侵蚀的治理，最根本的是实现对它的研究从定性描述上升到定量评 价，土壤侵蚀模型是实现这一转变的最有效工具。 美国通用土壤流失方程是目前应用最广泛的侵蚀模型，是用来评价土壤侵蚀 的有利工具。随着地理信息系统技术( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 的发展，g i s 被越来越多地用于土壤侵蚀研究。g i s 与通用土壤流失方程的结合， 使得流域尺度内的土壤侵蚀定量评价得以实现。利用g i s 强大的空间分析及对 栅格数据的计算能力，我们能较快地计算出流域的土壤侵蚀量，对流域内不同土 壤侵蚀强度进行可视化，从而查清哪些区域需要加强治理，为水土保持措施提供 合理依据。 本文以我国吉林省东部的图们江流域( 中国一侧) 为研究区域，运用地理信 息系统技术并结合通用土壤流失方程，根据研究区现状合理选择方程中土壤侵蚀 各因子的计算方法，求算出图们江流域2 0 0 7 年的土壤侵蚀量，分析流域的土壤侵 蚀现状以及不同坡度下土壤侵蚀特征、不同土地利用类型土壤侵蚀状况，以期为 图们江流域土壤侵蚀的预防和治理提供科学的依据。 关键词：土壤侵蚀；地理信息系统；通用土壤流失方程；图们江流域 a b s t r a c t 一 a tp r e s e n t c h i n as t i l lf a c e s s e r i o u ss o i le r o s i o nw h i c hh a sb e c o m eag l o b a l e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m t h er o o tc a u s eo fl a n dd e g r a d a t i o n ，c h o c k e dr i v e ra n dt h e l o s so fal a r g en u m b e ro fn u t r i e n te l e m e n t si n s o i li ss o i le r o s i o n t h ef r e q u e n t o c c u r r e n c eo fs o i le r o s i o nm a k e st h el a n ds h o wg r a d u a ld e s e r t i f i c a t i o n t h ea r e ao f c u l t i v a t e dl a n db e c o m el e s sa n dg r a i np r o d u c t i o nf l a l l a sar e s u l t , t h es u r v i v a l e n v i r o n m e n to fh u m a nf a c e sah u g et h r e a t t h o u g ht h er e s e a r c ho ns o i le r o s i o nc a r r i e s o u tl a t e rt h a ni ti ns o m eo t h e rc o u n t r i e s i td e v e l o p sr a p i d l yi nr e c e n td e c a d e s s o i l e r o s i o nm o d e lc a nm a k et h es t u d yo fs o i le r o s i o nt r a n s f o r mf r o mt h eq u a l i t a t i v e d e s c r i p t i o n si n t oq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o ni no r d e rt og o v e r ns o i le r o s i o n u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o nw h i c hi sau s e f u lt o o lf o re v a l u a t i n gs o i le r o s i o ni s 。 m o s tw i d e l yu s e de r o s i o nm o d e l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg i s g i sa r ei n c r e a s i n g l y u s e di nt h es t u d yo fs o i le r o s i o n t h ec o m b i n a t i o no fg i sa n du n i v e r s a ls o i ll o s s e q u a t i o nm a k e st h eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no fs o i le r o s i o na c h i e v ei nt h ew a t e r s h e d s c a l e m a k i n gu s eo fs p a t i a la n a l y s i sa n dg r i dd a t ac o m p u t i n gc a p a b i l i t yo fg i s ，w e c a nc a l c u l a t et h ea m o u n to fs o i le r o s i o ni nw a t e r s h e d w 色c a nf i n do u ts o m er e g i o n s n e e d e dt o g o v e r nt h r o u g ht h ev i s u a l i z a t i o no fd i f f e r e n te r o s i o ni n t e n s i t yi nt h e w a t e r s h e d a l lo ft h e s ec a np r o v i d ear e a s o n a b l eb a s i st oc a r r yo u tw a t e ra n ds o i l c o n s e r v a t i o nm e a s u r e s b a s e do ng i sa n du s l e a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls t a t ei nt u r e e nr i v e rb a s i n c h o o s i n gt h er e a s o n a b l em e t h o d st oc a l c u l a t er ，k ，l s c pf a c t o r si nt h eu s l e t h e s o i le r o s i o no ft u m e nr i v e rb a s i ni n2 0 0 7w a se v a l u a t e d t h es t a t u so fs o i le r o s i o n w i t h i nt h ew a t e r s h e dw a sa n a l y z e d a n da n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fs o i le r o s i o no f d i f f e r e n tg r a d e t h es t a t u so fs o i le r o s i o no fd i f f e r e n tl a n du s e t h e s ea n a l y s i sc o u l d p r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i st oc o n t r o la n dg o v e r ns o i le r o s i o ni nt u m e nr i v e rb a s i n k e yw o r d s ：s o i le r o s i o n ；g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ；u n i v e r s a ls o i ll o s s e q u a t i o n ；t u m e nr i v e rb a s i n i l 1 卉 0 目录 摘要i a b s t r a c t 】：i 第一章绪论l 1 1 选题背景与意义1 1 2 国内外土壤侵蚀模型研究进展2 1 2 1 国外土壤侵蚀模型研究进展2 1 2 2 国内土壤侵蚀模型研究进展4 1 3 研究方案j 6 1 3 i 研究目标6 1 3 2 研究内容6 1 3 3 技术路线6 第二章研究区概况j9 2 1 自然环境概况9 2 1 1 地理位置9 2 1 2 地质地貌1 0 2 1 3 气候1 0 2 i 4 植被与土壤l o 2 1 5 水土流失1 1 2 2 社会经济概况1 1 2 3 历史沿革1 1 第三章模型选择与研究区基础数据处理1 3 3 1 模型选择1 3 3 2 基础数据处理1 4 3 2 id e m 数据1 4 3 2 2 影像数据1 5 3 2 3 土壤数据1 9 3 2 4 降雨数据2 0 第四章图们江流域土壤侵蚀量计算与分析2 l 4 i u s l e 模型各因子值的计算2 1 4 1 1 降雨侵蚀力因子r 值2 1 4 1 2 地形因子l s 2 2 i i i 4 1 3 土壤可蚀性因子k 值2 4 4 1 4 植被覆盖与经营管理因子c 值2 7 4 1 5 水土保持措施因子p 值2 9 4 2 模型运算3 0 4 3 结果与分析3 2 4 3 1 土壤侵蚀现状分析3 2 4 3 2 不同坡度下土壤侵蚀特征分析、3 4 4 3 3 不同土地利用类型土壤侵蚀状况分析3 6 第五章结论与讨论3 9 5 1 结论3 9 5 2 讨论3 9 参考文献：4 1 后记4 1 东北师范大学硕士学位论文 1 1 选题背景与意义 第一章绪论 土壤侵蚀已成为全球性的环境问题之一，引起了世界各国的广泛关注。我国 是世界上土壤侵蚀问题最严重的国家之一，其范围遍及全国各地，主要发生在黄 河中上游黄土高原地区、东北黑土地区和长江中上游丘陵地区。土壤侵蚀造成大 量水土资源流失，导致土地退化、生态环境恶化，严重威胁着人类的生存和发展。 根据1 9 9 0 年国家水利部遥感中心的调查统计，全国土壤侵蚀面积达4 9 2 万k m 2 ， 约占国土面积的5 1 。面对严重的水土流失情况，我国投入大量的人力物力进行 土壤侵蚀的综合防治，取得了很大成效。但随着地球上自然环境的继续恶化以及 很多人为因素的干扰，我国土壤侵蚀情况依然严重。 长期以来，位于吉林省东部延边朝鲜族自治州的图们江流域由于森林、植被 覆盖率较高，一直以生态环境完整而著称。但是该地区地貌特征复杂，山峦起伏， 沟壑纵横，侵蚀作用强烈，再加上森林、植被覆盖的空间分布不均，具备水土流 失形成的自然条件。随着历史上图们江地区的开发，人类活动增强，垦殖指数不 断增高，它己成为延边州水土流失比较严重的地区。水土流失导致泥沙进入河道， 使土壤中大量营养元素发生迁移，造成水质污染，河流含沙量普遍升高。严重的 水土流失还会造成土质下降，土地生产力降低，农作物减产，这些都给图们江流 域的生态安全带来威胁。 2 0 0 9 年1 1 月1 6 日，中国图们江区域合作开发规划纲要以长吉图为开 发开放先导区正式公布，纲要中确定吉林省长春市、吉林市部分区域和延边朝 鲜族自治州作为中国图们江区域的核心地区，未来十年里各个核心区域将立足图 们江，面向东北亚，全面推进图们江区域的合作开发。纲要中目标之一就是加强 生态建设和环境保护。在图们江地区的开发中，加强水土保持、防治土壤侵蚀是 急需解决的生态环境问题之一。 目前，图们江地区的水土流失面积仍大于已治理面积。水土流失破坏农业生 产，造成土壤生态系统、植被生存环境恶化。将图们江流域作为典型区域进行研 究，弄清土壤侵蚀现状及其侵蚀强度的空间分布，及时采取有效措施进行综合防 摹 东北师范大学硕士学位论文 治，减少土壤侵蚀面积、降低土壤侵蚀强度，这一工作的开展不仅可以改善图们 江流域水资源及周围自然环境状况，对该地区土壤侵蚀预报及生态环境的可持续 发展也有一定意义。现在对图们江流域土壤侵蚀的研究还比较少，利用传统的土 壤侵蚀调查方法耗时耗力且周期长，几乎无法确定中等尺度或大尺度流域的土壤 侵蚀量。本文利用g i s 结合土壤侵蚀模型开展图们江流域土壤侵蚀定量评价，根 据流域现状合理选择模型中各个因子的计算方法，求算流域的土壤侵蚀量。 1 2 国内外土壤侵蚀模型研究进展 土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融、重力等外营力作用下，被 破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程，属于土壤学的二级学科。土壤侵蚀在国际上 是一个通用的科学术语，水土流失一词在我国普遍使用，最早是用于黄土高原地 区，一般把它作为土壤侵蚀的同义词。根据土壤侵蚀的侵蚀营力，可把它划分为 水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀、冰川侵蚀、海岸线侵蚀等n 1 。从概 念上严格来说，水土流失与土壤侵蚀是有区别的，它是从水力侵蚀的角度去描述 土壤侵蚀，但水土流失程度直接反映了土壤侵蚀程度。 土壤侵蚀预报是有效监测土壤侵蚀和评估水土保持措施效益的手段，土壤侵 蚀模型则是进行土壤流失监测、预报以及评价水土保持措施的重要工具瞳1 ，土壤 侵蚀模型的研究是土壤侵蚀学科的前沿领域。根据模型的建模方法，一般可分为 经验统计模型和物理成因模型，这是最常用的划分方法；根据研究对象的不同又 可分为坡面土壤侵蚀模型和流域土壤侵蚀模型。土壤侵蚀模型的研究最早可以追 溯到1 9 世纪晚期，德国土壤学家e w a l dw o l i n y 在1 8 7 7 年开始了最早的土壤侵 蚀定量化研究，当时还仅限于对表面现象的观察和定性的描述聆1 。 1 2 1 国外土壤侵蚀模型研究进展 以美国通用土壤流失方程u s l e ( u n i v e r s a ls o l ll o s se q u a t i o n ) 的建立为 标志，国外土壤侵蚀模型的研究可划分为三个阶段。第一个阶段是通用土壤流失 方程建立以前的时期；第二个阶段是通用土壤流失方程建立、发展的时期；第三 个阶段是从二十世纪八十年代初期到现在，是土壤侵蚀模型百家争鸣、百花齐放 的时期。 1 9 世纪后期土壤学家e w a l dw o l i n y 开始专门研究土壤侵蚀。1 9 1 7 年，美国 密苏里大学的m i l l e rmf h 1 通过建立“侵蚀小区为以后土壤侵蚀研究提供了 大量依据和资料。1 9 3 6 年，c o o khl 提出影响土壤侵蚀的土壤可蚀性、降雨侵 2 f l 、， 东北师范大学硕士学位论文 蚀力和植被覆盖度因子哺1 。1 9 4 0 年，z i n g gaw 1 将土壤的流失速率与坡度坡长 联系起来。s m i t hdd 在z i n g gaw 的研究基础上增加了作物管理因子和水土 保持措施因子n 1 ，这些研究为通用土壤流失方程的建立奠定了坚实基础。这个阶 段属于u s l e 建立以前的阶段。 1 9 6 5 年，w i s c h m e i e rwh 和s m i t hdd 在多年研究的基础上提出著名的经 验统计模型通用土壤流失方程，方程综合考虑了降雨侵蚀力、土壤可蚀性i 地形、植被覆盖与作物管理和水土保持措施六大因子怕1 。u s l e 的设计思路清晰、 形式简单，是土壤侵蚀研究过程中的一个伟大里程碑旧1 。它考虑因素全面、涉及 区域广泛、各个因子具有物理意义，在很多地区得到了广泛推广。u s l e 是以年 侵蚀资料为基础建立的，能够计算年平均土壤侵蚀量，这对水土保持工作具有很 好的指导意义。1 9 7 8 年，模型的提出者w i s c h m e i e rwn 和s m i t hdd 针对u s l e 模型在应用中存在的问题做了适当调整，主要是对模型中个别因子的估算方法作 了调整。模型是对现实世界某些现象的模拟，模型的简洁意味着概化，u s l e 更 适用于平缓坡地，它无法进行次降雨土壤侵蚀的预报，只能预测侵蚀量，不能预 测泥沙沉积量。1 9 8 5 年美国科学家开始对u s l e 进行修正，形成r u s l e ( r e v i s e d u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) 阻引，修正后方程式的基本形式没有变化，主要 是对降雨侵蚀力、土壤可蚀性和植被覆盖因子的算法作了部分修改。r u s l e 能够 进行次降雨土壤侵蚀的预报，灵活性也得到提高，同时模型在使用时的资料需求 也更多。这一阶段是u s l e 建立和发展的时期，它占据着该时期土壤侵蚀模型的 主导地位，之后发展起来的侵蚀模型大部分受到该模型研究思路的影响。 上世纪八十年代初期，新的土壤侵蚀模型在u s l e 的基础上建立起来。为了 适应不同情境下的土壤侵蚀预测，基于侵蚀过程的物理成因模型又称理论模型慢 慢发展起来，它是基于水土流失机理的微观模型。其中代表性模型有e p i c ( t h e e r o s i o n p r o d u c t i v i t yi m p a c tc a c u l a t o r ) 模型u 、水蚀预报模型w e p p ( w a t e r e r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t ) u 引、s w a t ( s o i1a n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 模 型、荷兰土壤侵蚀模型l i s e m ( l i m b u r gs o i le r o s i o nm o d e l ) n 引、欧洲土壤侵 蚀模型e u r o s e m ( e u r o p e a ns o i le r o s i o nm o d e l ) n 钔、非点源地区流域环境反应 模型a n s w e r s ( a r e a ln o n p o i n ts o u r c ew a t e r s h e de n v i r o n m e n t a lr e s p o n s e s i m u l a t i o n ) 等。e p i c 模型主要用于模拟土壤侵蚀对作物生产力的影响。美国农 业部组织多个部门进行水蚀预报模型w e p p 的研究，于1 9 9 5 年发布第一个官方版 本w e p p 9 5 。w e p p 模型是目前比较完整的新一代土壤侵蚀模型，由于需要参数非 常多使得模型应用受到一些限制，该模型仍处在实验检测阶段。s w a t 模型由美 国农业部农业研究中心研发，它的应用研究在国外尤其是北美地区已比较成熟， 主要是用于流域径流量、非点源扩散的模拟，模型运行需要大量的输入数据和检 东北师范大学硕士学位论文 验数据。s w a t 在我国的应用研究还较少，多数是用于非点源污染的研究。荷兰 土壤侵蚀模型是第一批与栅格g i s 相结合的物理模型之一，可直接利用遥感数 据，能够模拟土壤侵蚀发生的过程。在欧盟的资助下，英国、德国、意大利等国 也共同建立了物理成因较强的侵蚀模型e u r o s e m 。a n s w e r s 模型最开始是用于地 表水文过程的研究，改进后可输出流域水文、泥沙含量等结果。很多物理成因模 型中土壤侵蚀量的计算方法仍是沿用u s l e 的因子分析法，是在u s l e 的基础上发 展而来，如s w a t 、a n s w e r s 等模型，它们既包括经验性的内容也包括理论性的内 容，属于混合型模型。 随着计算机技术飞速发展，g i s 在处理空间数据以及空间分析、水文分析和 地形分析上的强大能力显现出来，各种土壤侵蚀模型的研究逐渐引入g i s 技术。 g i s 的引入使土壤侵蚀模型开始向分布式侵蚀模型发展，分布式模型考虑了地理 要素空间分布的异质性，更接近真实的侵蚀过程，大大提高了土壤侵蚀过程机理 方面的合理性n5 1 。土壤侵蚀经验统计模型与物理成因模型二者建立的出发点不一 样，经验模型是宏观模型，优势在于准确地抓住引起土壤侵蚀的关键性因子并能 与g i s 很好的结合应用，目前g i s 在物理模型的应用上还不深入，优势没有得到 充分发挥。 1 2 2 国内土壤侵蚀模型研究进展 与国外相比，我国土壤侵蚀模型的研究起步较晚，以应用为主，很多侵蚀模 型是借鉴国外经验发展而来的。 2 0 世纪4 0 年代初，我国开始对土壤侵蚀进行定量观测研究。1 9 5 3 年，刘善 建依据1 0 年的径流侵蚀小区资料第一次提出计算年度坡面侵蚀量的公式n6 | 。2 0 世纪8 0 年代以前，我国学者主要研究土壤侵蚀的类型及分布、土壤侵蚀与单因 子之间的关系。8 0 年代以后，我国学者以u s l e 为蓝本对方程中一些因子进行重 新量化和统计分析，根据研究区现状建立了多个地区性的坡面产沙经验模型和流 域侵蚀产沙经验模型。坡面产沙经验模型主要是参考u s l e 方程的基本形式，结 合研究区现状来计算方程的各个因子值。降雨和坡度坡长因子的研究己经比较成 熟，以江忠善n 7 3 和刘宝元n 踟的经验侵蚀模型最具代表性。流域侵蚀产沙经验统计 模型也有多个代表性模型。1 9 8 0 年，江忠善等人n 钔根据黄土高原地区的小流域 资料建立了次暴雨流域产沙公式。1 9 8 5 年，范瑞瑜堙建立了黄河中游地区小流 域土壤侵蚀预报模型并探讨在不同地区小流域的自然及人为因素影响流失量的 部分参数。1 9 9 1 年，金争平等人对影响皇甫川区流域侵蚀产沙的1 7 个因子进行 统计分析，找出主导因子并建立了适用于不同条件下的泥沙预报方程瞳。1 9 9 9 4 东北师范大学硕士学位论文 年，李钜章等人幢别在侵蚀影响因素机理分析、侵蚀形态类型划分的基础上探讨了 侵蚀变权模型。孙立达嘲、杨艳生乜钔、陈法扬瞳5 1 、周佩华陋6 1 等人也建立了相应的 经验侵蚀产沙模型。 2 0 世纪8 0 年代以后，我国学者在土壤侵蚀理论模型即物理成因模型的研究 方面也做了很多工作。1 9 8 1 年，牟金泽、孟庆枚心7 1 以黄土丘陵沟壑区为研究区 建立了黄土丘陵地区的土壤侵蚀模型。1 9 9 3 年，谢树楠等人从泥沙运动力学的 基本原理出发推导并建立了坡面产沙量与径流系数、雨强、坡度坡长的函数关系， 再在考虑植被和土壤类型对土壤侵蚀影响的基础上建立了有一定理论基础的流 域侵蚀模型心8 。1 9 9 4 年，包为民等人口蚰构建了大流域水沙耦合模拟物理概念模 型。1 9 9 6 年，蔡强国等人拍叫建立了黄土丘陵沟壑区小流域的具有一定物理基础 能表示侵蚀一输移一产沙过程的次降雨侵蚀产沙模型。1 9 9 8 年，段建南等人妇将 土壤侵蚀过程划分为水相与泥沙相并建立起坡耕地土壤侵蚀过程模型。同时我国 学者也借鉴应用国外其它侵蚀模型进行研究，牛志明等人口2 1 将a n s w e r 2 0 0 0 模型 用于三峡库区地表径流、小流侵蚀产沙的模拟。以上土壤侵蚀理论模型代表了我 国物理成因模型研究的主要成果，它们能够连续模拟土壤侵蚀的过程，但对侵蚀 过程的描述还有待改进。 在我国已建立的土壤侵蚀模型中，经验统计模型的研究起步早、数量多、计 算简单，目前仍是评价土壤侵蚀的主要工具。物理模型的发展潜力大，在以后研 究中应加强这方面的工作以达到物理模型的进一步推广应用。 u s l e 作为使用最广泛的土壤侵蚀模型，已经发展成为一个相对标准化的方 法。计算机技术以及g i s 的迅速发展使该模型的应用范围从坡面尺度扩展到流域 尺度甚至是区域尺度，在我国也得到广泛的推广应用。江洪m 剐基于g i s 和改进的 u s l e 模型对福建省西部长汀县开展水土流失动态监测。洪华生等人口钔基于g i s 和u s l e 对下庄小流域开展土壤侵蚀量的预测研究，实现了土壤侵蚀量估算和土 壤侵蚀关键源区的标识。陈燕红等人m 3 以福建省吉溪流域为研究区，利用r u s l e 模型开展了该区的土壤侵蚀敏感性评价并分析土壤侵蚀敏感性与土壤侵蚀量的 关系，为该流域水土保持管理措施提供了合理建议。王文娟等人m 1 利用g i s 和 u s l e 对黑龙江省东部三江平原开展土壤侵蚀定量评价，分析土壤侵蚀的坡度、 地貌分异特征。 当u s l e 应用到流域和区域尺度的土壤侵蚀研究时，实质是以g i s 技术为支 撑，将整个区域离散化为规则的栅格单元，以单个栅格单元为研究对象分别计算 其土壤侵蚀量，最后经过统计得到区域土壤侵蚀数据引。g i s 与u s l e 的结合广 泛用于土壤侵蚀风险评价、关键侵蚀源识别和流域水土保持、管理规划等方面。 1 3 研究方案 1 3 1 研究目标 本文以图们江流域( 中国一侧) 为研究区域，利用g i s 技术和通用土壤流失 方程计算流域的土壤侵蚀量，并分析流域土壤侵蚀现状及不同坡度下土壤侵蚀特 征、不同土地利用类型土壤侵蚀状况，以期为图们江流域的土壤侵蚀治理、水土 保持规划提供合理依据。 1 3 2 研究内容 依据研究目标，研究内容主要包括以下三个方面： ( 1 ) u s l e 模型中各个因子的计算 ( 2 ) 土壤侵蚀量的计算与侵蚀现状分析 ( 3 ) 不同坡度下土壤侵蚀特征及不同土地利用类型侵蚀现状分析 1 3 3 技术路线 本次研究的技术路线图见图1 - 1 。 6 东北师范大学硕士学位论文 一一一。一一。一1 图1 - 1 研究技术路线图 f i g u r e l - 1t h et e c h n i q u ef l o wc h a r to ft h es t u d y 7 东北师范大学硕士学位论文 东北师范大学硕士学位论文 2 1 自然环境概况 2 1 1 地理位置 第二章研究区概况 图们江位于我国吉林省东部，发源于长白山主峰东麓，是中国与朝鲜民主主 义人民共和国的界河，下游为朝鲜与俄罗斯的界河。图们江流域位于东经1 2 8 。 1 7 - 1 3 1 。1 27 、北纬4 1 。1 47 - 4 4 。0 17 之间。图们江干流全长5 2 5 k m ，流域 面积是3 3 1 6 8 k m 2 ，在我国境内的面积是2 2 8 6 1k m 2 侧，约占总面积的6 8 9 2 。本 次研究选取图们江流域在中国境内的部分，在行政区域上包括吉林省延边朝鲜族 自治州的首府延吉市以及龙井市、珲春市、图们市和和龙市、汪清县、安图县的 部分地区，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 研究区位置图 f i g u r e 2 1l o c a t i o no ft h es t u d ya r e a 9 东北师范大学硕士学位论文 2 1 2 地质地貌 在地质构造上，图们江流域位于天山一阴山纬向构造带和长白山新华夏系第 二褶皱隆起带交界处的东部，流域内出露的地层有巨厚的太古界、元古界变质岩 系旧引。图们江流域属于长白山脉，多山地，东北地区最高的山峰长白山位于流域 的西部。图们江流经长白山地，河床总落差约1 2 0 0 米，平均坡降0 6 4 。流域北 部和东部多是海拔1 0 0 0 米左右的山地，山势比较平缓，大部分山区生长有稀疏 的次生林和针阔混交林；西北部有哈尔巴岭、英额岭；东部有老松岭、盘岭。西 北部和东部的山峰海拔多在1 0 0 0 米以上。流域西南部在海拔1 0 0 0 m 以上地段的 地势高峻，上游区河流两岸多“v 型山谷啪1 。流域内有分布较广的海拔均在5 0 0 m 以下的丘陵，地形起伏频繁，河谷呈“u ”型，漫滩阶地发育，低山丘陵间皆有 平地和低洼地h 0 。图们江流域内地貌类型复杂，地势陡峻多峭壁，河道坡降大造 成河流下切严重，这些都为土壤侵蚀等自然灾害的发生创造了条件。 2 1 3 气候 图们江流域位于亚洲大陆东端中纬度地带，春季干旱多风、夏季温热多雨： 秋季晴朗多风、冬季寒冷期长，复杂多样的地形结构使得流域内各地风向不一。 流域靠近日本海，受海洋影响，冬季的温度比同纬度地区略高，夏季的温度比同 纬度地区略低，年平均气温在2 6 。c 一5 5 。c 之间，流域内地势最高的长白山天 池年平均气温在一7 4 。c 左右。图们江流域年内降水量变化比较大，降水多集中 在7 、8 月份，6 9 月份的降水量占全年降水量的7 0 左右，冬季受单一极地 大陆气团控制变得干燥少雨，每年1 1 月到来年3 月的降水量约占全年降水量的 7 。 2 1 4 植被与土壤 图们江流域的植被是典型的长白山植物区系，主要森林植被景观有长白落叶 松林、针叶林、白桦林、柞树林、阔叶混交林等。该区内高程相差较大，垂直带 谱清晰。森林资源非常丰富，木材每年的生长量在1 6 9 3 0 万一左右。流域内土 壤类型主要有灰化土、暗棕壤、白浆土、草甸土、沼泽土、风沙土、水稻土等， 暗棕壤和白浆土是分布最广泛的土壤。 1 0 东北师范大学硕士学位论文 2 1 5 水土流失 图们江流域在我国境内的主要支流有嗄呀河、海兰河、布尔哈通河、珲春河、 红旗河等。流域上游有长白山原始森林和次生林，植被覆盖状况较好；中下游是 丘陵荒地和河谷平原( 大部分是农田) ，植被覆盖状况不太好，是造成水上流失的 主要地段m 1 。流域的开发年限若按1 0 0 年计算，开发后水土流失约为1 8 7 亿吨， 在布尔哈通河和海兰河中下游，平均每年冲走的泥沙量就达1 3 9 2 万吨h 。图们 江开发以来，人口密度、耕地面积逐渐增加，植被覆盖率降低，造成土壤侵蚀渐 渐严重。在布尔哈通河和海兰河流域，人口密度大、林草覆盖率低、耕地荒地面 积大，水土流失现象尤为严重。严重的水土流失导致土壤贫瘠，河道淤塞变浅， 河水含沙量升高。 目前流域内水土流失呈增长趋势，边治理边破坏的现象比较严重。重开发、 轻保护，防治措施不当，重点区域治理滞后，投入不足，是造成该区水土流失的 主要原因，存在的主要问题有土壤流失严重，土壤养分流失加剧，沟壑纵横、支 离破碎，水中悬移质增加、河槽变宽，水旱灾害频繁发生。 2 2 社会经济概况 图们江流域是我国朝鲜族的聚集地，很长时间以来朝鲜族占流域内人口的大 多数。2 0 世纪6 0 年代以后，随着经济的发展，流域内人口结构逐渐发生变化， 汉族慢慢成为流域内第一大民族h 羽。近几年来，图们江流域的经济正处于一个飞 速发展的阶段，第一、二、三产业在吉林省的比重逐渐升高。流域内形成了以延 吉市为中心的交通网络，陆路交通便利，森林工业发展快速，农业基础良好。1 9 9 2 年，中国、朝鲜、韩国、俄国和蒙古国共同商议并与联合国开发计划署制定了图 们江地区发展规划，对图们江沿岸进行积极开发。我国在珲春市设立边境经济合 作区，促进了图们江地区的经济发展。 2 3 历史沿革 图们江的名称源于满语t u m e nu l a ，汉语意思是万江之源。很长时间以来， 图们江流域都是一个人烟稀少的原始森林地区。由于海兰江河面窄、河水清，盛 产宝贵的珍珠，清政府为了独占这些珍珠和图们江地区的人参、貂皮、鹿茸等， 对流域实行严格封禁。1 8 7 0 年，朝鲜地区发生严重饥荒，不少从朝鲜逃脱的难 民纷纷过江越境以求生路，从此打破封禁。人类活动的增加以及对自然资源的破 东北9 币范大学硕士学位论文 坏使得流域内生态平衡被打破。日本侵占东北后，疯狂地掠夺图们江地区的森林 资源，流域内森林植被遭受到严重破坏。随着该地区人口增长、环境的进一步破 坏及工业发展，造成了图们江流域严重的环境问题。直到2 0 世纪八十年代后期， 随着退耕还林这一政策的实施，流域的生态环境得到恢复，森林覆盖率增加。 现在图们江流域已经发展成为延边州的政治、经济和文化中心，也是中朝俄 三国开展国际交流与合作的重要通道之一。随着中国图们江区域合作开发规划 纲要以长吉图为开发开放先导区的逐步实施，该区域成为迄今唯一的国家 批准实施的沿边开发开放区域，这将为图们江地区的发展带来新机遇，成为该地 区发展过程中的里程碑。 1 2 东北师范大学硕士学位论文 第三章模型选择与研究区基础数据处理 3 1 模型选择 通用土壤流失方程在二十世纪八十年代传入我国，该模型全面考虑了影响土 壤侵蚀的自然因素，方程中因子有较强的物理意义。u s l e 模型传入我国后，我 国学者根据研究区域现状，对u s l e 进行汉化形成很多中式u s l e ，但模型的核心 仍是方程中六个因子的连乘，重点是各个因子的合理计算。g i s 与u s l e 结合的 分布式方法能够快速地得到每个栅格的土壤侵蚀量，这样能很快找出土壤侵蚀严 重的地区，从而有针对性地治理水土流失，二者结合使得土壤侵蚀的预测效率和 侵蚀结果的可视化程度都有了很大提高。现在已经形成了u s l e 中各个因子的多 个算法，使得该模型在我国有了良好的研究及应用基础。我国在土壤侵蚀监测评 价方面已做了大量工作，但针对图们江流域的研究还不多。基于上述原因，本文 选择u s l e 模型并在对模型中各个因子做合理计算的前提下来评价研究区的土壤 侵蚀量，并以此为基础来开展其它相关研究。 u s l e 及r u s l e 等版本都有相同的模型表达式，由六个因子连乘的形式组成， 表达式h 3 1 如下： a = r x k l x s x c x p ( 3 - i ) 式中：a 为土壤侵蚀模数，t ( h m 2 a ) ，是单位时间( 年) 单位面积( h m 2 ) 的土壤侵蚀量 r 为降雨侵蚀力因子，m j m m ( h m 2 h a ) k 为土壤可蚀性因子，t h ( m j m i l l ) l 和s 分别为坡度因子和坡长因子，统称为地形因子，无量纲 c 为植被覆盖与经营管理因子，无量纲 p 水土保持措施因子，无量纲 u s l e 模型属于因子分析模型，它对引起土壤侵蚀的自然因素和人为因素考 虑比较全面，优点是形式简单明了，所需的参数相对来说容易获得，比较适合目 前我国土壤侵蚀研究资料短缺的情况。w h w i s c h m e i e r 曾经指出过：u s l e 不是 能否应用的问题，而是能否取得适当因子值的问题阳1 。因此应用u s l e 模型的关 东北师范大学硕士学位论文 键是选用适合研究区的因子计算方法以得到各个因子值，利用g i s 和u s l e 相结 合的方式来评价土壤侵蚀量的关键也是各个因子图的生成。 3 2 基础数据处理 本次研究采用的数据包括覆盖研究区的2 0 0 7 年l a n d s a t t m 影像，s r t md e m 数据，吉林省1 ：1 0 0 万土壤类型图，吉林省1 ：1 0 0 万植被类型图，研究区内及 其周围共1 1 个气象观测站点的1 9 5 7 年- 1 9 8 0 年的逐月降雨量数据以及每个气象 站点的经纬度信息。为使具有空间属性的数据在空间上实现整合以适应模型运算 的要求，需要将这些数据转换到统一的坐标系统中。本研究要进行流域土壤侵蚀 量的计算，流域的许多特征都要用面积来描述，故选用投影后面积变形最小的 a l b e r s 等积圆锥投影，具体投影参数见表3 1 。本研究所做的数据转换与处理等 工作主要是在a r c g i s 9 3 、e r d a si m a g i n g 9 1 、m a t l a b 7 0 等软件中进行。 表3 - 1 阿尔伯斯等积圆锥投影参数 t a b l e 3 - 1t h ep r o j e c t i o np a r a m e t e ro ft h ea l b e r se q u i v a l e n tc o n i c a lp r o j e c t i o n a l b e r sc o n ic a le q u a la r e a参数 p r o j e c t e dc o o r d i n a t es y s t e m p r o j e c t i o n f a l s e _ e a s t i n g f a ls e _ n o r t h i n g c e n t r a lm e r i d i a n ： s t a n d a r dp a r a l l e ll s t a n d a r dp a r a ll e l2 l a t i t u d e o f o r i g i n l i n e a ru n i t g e o g r a p h i cc o o r d i n a t es y s t e m ： d a t u m ： p r i m em e r i d i a n ： a n g u l a ru n i t ： 3 2 1d e m 数据 i 本次研究所使用的d e m 来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数 据镜像网站( h t t p ：d a t a m i r r o r c s d b c n ) 的s r t md e m 产品，它由美国太空总署 1 4 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 东北师范大学硕士学位论文 篓。j 警o 。鳓浮移攀“ 、爹“4 爹 嬉彳叠、毒鹊 警撬1 一。 3 2 2 影像数据 遥感影像来源于国家环境监测总站提供的l a n d s a t t m 影像及其控制影像， 能够进行几何纠正。选取成像时质量较高且云量低于影像面积1 0 、获取时间集 中在6 - 9 月的t m 影像。利用e r d a si m a g i n g9 1 对影像进行4 、3 、2 波段组合、 辐射纠正和几何纠正、投影转换、裁剪等处理得到研究区标准假彩色t m 影像。 东北师范大学硕士学位论文 依据地物的几何形状、颜色、纹理特征和空间分布特点建立起解译标志，结合全 国生态遥感监测土地利用覆盖分类体系( 见表3 2 ) ，进行人机交互式判读解译， 将研究区土地利用类型分为耕地，林地，草地，水域，建设用地( 城乡、工矿、 居民用地) 和未利用地共6 个一级类型和2 4 个二级类型，见图3 - 2 。 表3 - 2 全国生态遥感监测土地利用覆盖分类体系 t a b l e3 - 2r e m o t em o n i t o r i n go ft h ee c o l o g i c a ll a n du s e l a n dc o v e rc l a s s i f i c a t i o n s y s t e m 一级类型二级类型 含义 代码名称代码名称 指种植农作物的土地，包括熟耕地、新开荒地、休 闲地、轮歇地、草田轮作地；以种植