中国土壤侵蚀预报模型研究进展
摘要：土壤侵蚀模型作为了解土壤侵蚀过程与强度,掌握土地资源发展动态,指导人们合理利用土地资源的重要工具，受到世界各国的普遍重视。本文总结了中国土壤侵蚀预报模型的主要研究成果，在总结和评价这些模型的基础上，提出今后我国的主要研究方向：（1）注重土壤侵蚀模型的理论研究；（2）加强对重力侵蚀、洞穴侵蚀机制的研究；（3）充分利用先进的RS、GIS技术,为侵蚀模型的研究提供大量的数据源,以利于对土壤侵蚀模型的检验。
关键词：土壤侵蚀模型、研究方向、问题
Review of Research Progress in Soil Erosion Prediction Model in China Soil erosion model which is regarded as the tool to understand the soil erosion processes and intensity, to master the dynamic of land resources development, to guide the rational use of land resources, having attracted the widespread attention of the world.This paper summarizes the main findings of Chinese Soil Erosion Prediction Model and on the basis of summarying and evaluating these models it indicates the directions of the future research : (1) focus on soil erosion model theoretical research; (2) focus on the research of gravity erosion, cave erosion mechanism,; (3) take full advantage of the advanced RS and GIS technology for the study of erosion models which provide a large number of data sources to facilitate the inspection of soil erosion model.
近年来，土壤侵蚀成为人们关注的生态环境热点之一。土壤侵蚀预报是有效监测水土流失和评估水保措施效益的手段,侵蚀模型则是进行土壤流失监测和预报的重要工具。土壤侵蚀预报模型的研究是世界土壤侵蚀学科的前沿领域和土壤侵蚀过程定量研究的有效手段。根据土壤侵蚀模型的建模手段和方法,一般可以将其分为经验统计模型和物理成因模型。经验统计模型是利用大量的试验观测资料,借助于统计方法,定量表述影响土壤侵蚀因子的指标,进而得出计算土壤流失量的方程式。物理成因模型以土壤侵蚀的物理过程为基础,利用水文学、水力学、土壤学、河流泥沙动力学以及其他相关学科的基本原理,根据已知降雨、径流条件来描述土壤侵蚀产沙过程,从而预报在给定时段内的土壤侵蚀量。根据土壤侵蚀模型预报对象的不同,又可将土壤侵蚀模型分为坡面土壤侵蚀模型和流域或网格(区域)土壤侵蚀模型。我国学者在土壤侵蚀模型研究的各个层面上进行了大量工作,取得了很多成果。其中,区域尺度研究的应用更为广泛。在小流域土壤侵蚀模型的研究方面,以对统计模型及引进的统计模型中各因子的本地化研究较多,对基于过程的物理模型系统研究较少,特别是适合我国国情的系统的过程模型更少。本文希望对我国土壤侵蚀模型的主要研究成果进行总结,并对其中的一些问题进行了评述,以期为今后的土壤侵蚀模型研究进展提供一定的参考意见。提出了预报模型亟待解决的关键问题,以促进我国土壤侵蚀预报模型的建立,为生态环境改善提供科学依据。
1.经验统计模型
经验模型主要从侵蚀产沙因子角度入手,建立径流、产沙与降雨、植被、土壤、土地利用、耕作方式、水保措施等之间的多元回归因子关系式。经验公式结构简单,计算方便,在制定公式使用资料范围内具有可靠的精度,但是模型被移植到其它区域使用时以及向建模条件外延时,模型精度难以控制,模型的实用性受到影响。这类侵蚀产沙模型以坡面模型和小流域侵蚀产沙模型为代表,同时也包括部分区域性的侵蚀产沙预报模型,这些通常不考虑侵蚀产沙过程,称之为“黑箱”或“灰箱”模型,在模型形式上主要是采用侵蚀产沙因子的多元回归方程式。自1953年刘善建首次提出坡面土壤侵蚀量的公式来[2],不同的学者根据当地的实际情
况,建立了不同的土壤侵蚀经验模型。现介绍我国目前主要的侵蚀产沙经验模型。
1.1坡面侵蚀产沙经验模型
坡面经验模型主要参考或直接利用USLE的基本形式,结合我国当地的地貌特征,然后根据我国的观测资料,计算土壤侵蚀的各影响值。关于各侵蚀因子的定量研究,比较成熟的是降雨径流因子、地形(坡度、坡长)因子的研究,植被因子和水土保持因子的系统研究较少。在这些模型中,比较有代表性的是江忠善[2]和刘宝元[4]的经验侵蚀模型。江忠善[3](1996)以沟间地裸露地基准状态坡面土壤侵蚀模型基础,将浅沟侵蚀影响以修正系数的方式进行处理,建立了计算沟间地次降雨侵蚀产沙量的方程式:
A=aKP0.999I2.63730S0.88L0.286GVC
式中:A为次降雨侵蚀量;a为系数、无量纲;K为士壤因子系数;P为降雨量;I30为次降雨过程中30分钟最大降雨强度;S为坡度;L为坡长;G为浅沟侵蚀影响系数,当坡面无浅沟侵蚀时,G=1;V为植被影响系数;C为水土保持措施影响系数。对于裸露坡面、V和C皆为1。该模型同以往模型相比,一是模型结构符合黄土丘陵区地貌特点,考虑了黄土坡面特有的浅沟侵蚀类型。二是应用地理信息系统软件建立空间水土流失数据库,实现了侵蚀预报模型与GIS相结合。由于模型模拟面积有限,因此在模型的推广应用时,需要一系列参数体系的修正,才能保证模型在外延时的正确性。刘宝元[4](2001)建立了中国土壤流失方程(CSLE——Chinese Soil Loss Equation),可以用于计算坡面上多年平均年土壤流失量,此模型确立了一个中国土壤侵蚀预报模型的基本形式,形式简单实用。容易在不同地区推广应用,其基本形式为:
A=RKLSBET
A是坡面上多年平均年土壤流失量(吨(公顷-1·年-1);
R是降雨侵蚀力(兆焦耳(毫米(公顷-1·小时-1·年-1);
K是土壤可蚀性(吨(公顷(小时(公顷-1·兆焦耳-1·毫米-1);
L是地形的坡长因子(无量纲单位);
S是地形的坡度因子(无量纲单位);
B是水土保持的生物措施因子(无量纲单位);
E是水土保持的工程措施因子(无量纲单位);
T是水土保持的耕作措施因子(无量纲单位)。
全国性CSLE模型建立和应用的关键在于以下四个方面:资料标准的统一、修正;不同区域各因子的修正体系的确立;模型在不同区域流域内的验证;新技术RS、GIS在实际预测中的应用等。但此模型也只能适用于缓坡地,对浅沟、切沟侵蚀等一些侵蚀方式没有考虑;同时,由于一些因子的标准在不同地区的差异,模型的推广也受到一定的限制。
1.2流域侵蚀产沙经验模型
流域侵蚀产沙经验统计模型中,由于试验观测资料的差异,模型中所考虑的影响土壤侵蚀的影响因素也有所不同,但主要从水文、气象、下垫面因素考虑。水文气象因子包括降雨量、径流量等;下垫面因子包括流域几何特征、地貌特征、土壤特征、植被与土地利用、水土保持措施等。比较有代表性的流域侵蚀产沙经验模型主要有以下4个:
江忠善[5](1980)根据黄土高原羊道沟、团山沟、吕二沟等10个小流域(集水面积0.18～187km2)资料,得到次暴雨流域产沙公式,主要参数有流域坡降、土壤可蚀性因子、植被作用系数,建立了产沙与径流的非线性关系式;此模型最大的不足是在不同集水面积的流域侵蚀产沙计算中,缺乏对泥沙输移过程的考虑,同时将侵蚀产沙关系式采用从坡面到流域之间的简单外延,忽略了流域侵蚀产沙的空间尺度变异规律。
范瑞瑜[6](1985)建立了黄河中游地区小流域土壤侵蚀预报模型,此模型探讨了不同地区小流域自然及人为因素间影响流失量的有关参变数,经统计分析,选取了下列有关因子:
1)降雨影响侵蚀因子(R); 2)土壤可蚀性指标(K); 3)流域平均坡度(J); 4)植被影响侵蚀系数(C); 5)
工程措施影响侵蚀系数(P)。模型结构简单明了,实用性强。但此模型在以下几个方面存在不足:在针对黄河中游地区小流域土壤侵蚀预报计算中,采用平均雨强及降雨年侵蚀力的方法概化了黄河中游地区高强度短历时暴雨在年侵蚀产沙中的重要作用,在实际预测中精度会受到影响。采用流域平均坡度作为地形因子的测算依据,在黄土高原复杂的地貌条件下仍存在较多问题,不能很好反映流域的沟壑密度,这一点将直接影响模型的预测效果。
金争平[7](1991)通过对影响小流域侵蚀产沙的17个因子进行统计分析,找出影响皇甫川区小流域土壤侵蚀的主导因子,以主导因子建立适用于不同条件的若干泥沙预报方程。此预报方程综合考虑了影响小流域侵蚀产沙的各个因子,但其适用范围只能在皇甫川流域,对泥沙侵蚀规律和定量预报方面还不够理想。模型对于近年来在黄土高原地区进行的大规模水土流失治理的工程措施缺少考虑,使得模型较难实际推广应用。
李钜章[8](1999)利用黄河中游不同区域具有大量淤地坝的条件,再通过侵蚀影响因素机理的分析、在侵蚀形态类型区的划分等基础上探讨侵蚀变权模型。首先选择了155个“闷葫芦”淤地坝,采集每个坝的平均淤积量,以及相应流域的侵蚀产沙影响因素:植被盖度、降雨量、沟谷密度、切割深度、地表组成物质、>15°的坡耕地面积比等资料,采用变权形式,建立侵蚀强度宏观估算模型。最后用年降水量与年输沙量的关系对模型进行改进,得到了适用于多沙区粗沙区的侵蚀量计算模型。此模型采用的是淤地坝资料,仅能反映多年平均状态,不能反映年际侵蚀与降雨的变化对侵蚀的影响,更不能反映单次暴雨对侵蚀的影响。
除了上述经验模型外,孙立达[9],杨艳生[10],周伏建[11],陈法扬[12],周佩华[13]等人也提出了相应的经验侵蚀产沙模型。这些模型都是对分析影响侵蚀产沙的因素,结合当地的条件,采用数理统计的方法分析得到的。如在江忠善的侵蚀模型里,将浅沟侵蚀影响以修正系数的方式代到USLE方程中;而刘宝元则将USLE中的作物和水土保持措施两大因子变为三大措施因子,即生物、工程和水土保持耕作措施三大因子。可以说,所有这些经验土壤侵蚀模型,都是借鉴美国的通用土壤流失方程,再结合中国的实际,对其中的一些因子进行重新量化和统计分析。这些经验模型只预测侵蚀结果,不涉及侵蚀过程,不能对侵蚀作出理论性解释。这些土壤侵蚀模型在一定意义上对我国的土壤侵蚀模型研究起到了很好的推动作用。
2.物理成因模型
物理成因模型,也称为过程模型,即根据已知的或假设的降雨、径流、侵蚀和产沙理论,模拟侵蚀产沙过程。由于缺乏足够的资料进行参数率定和模型验证,国内这方面的主要集中在黄土丘陵沟壑区。
1989年,史景汉等建立了黄丘一副区小流域暴雨洪水输沙过程预报模型,分别考虑了产流和汇流过程,包括坡面汇流和沟道汇流。产流模型应用Horton下渗理论,汇流模型用滞后演算法建立,河道汇流模型用马斯京根分段连续演算法建立。但输沙盘的计算最终仍然使用经验公式,认为是流量、流域主沟道比降和流域坡面平均坡度的函数。
谢树楠(1993)从泥沙运动力学基本理论出发,基于9个基本假定:暴雨产生的径流按坡面一维流动考虑,压强按静水压强分布,流动中的动量系数按常量考虑,坡面角度不变,坡面土层的组成是均匀的,泥沙不考虑粘性,在计算时段内降雨强度和渗透率不变,沟道泥沙的输移比为1,不考虑前期含水量的影响。模型中主要考虑了地表裸露率、流域地表的泥沙中数粒径、径流系数、降雨强度、流域坡面的平均长度、流域坡面的平均比降、流域总面积等。在计算时将流域划分为一个或若干个由典型雨量站控制的小流域,采用逐次暴雨的方法计算产流过程,再得到累积的年产沙量及产流量。对模型在黄河中游3个流域的验证表明,偏关河流域计算误差较大,这主要与雨量站点过少、裸露地面积参数、流域坡面坡长参数等估算误差较大有关。此外,模型在大流域计算时没有考虑泥沙的输移过程。
包为民(1994)根据黄河中游北方干旱地区流域的超渗产流水文特征和冬季积雪的累积及融化机制,提出了大流域水沙藕合模拟物理概念模型,分为产流、汇流、产沙和汇沙四个部
分。该模型较好地处理了北方干早半干旱地区中大流域用下渗曲线计算地面径流中存在的观测资料缺乏、数据处理量太大两大难题,考虑了大流域气候、下垫面因素空间的不均匀性和雨洪径流产沙与融雪径流产沙间的差异,实测资料的模拟表明模型计算结果较好。
汤立群等(1996)考虑了黄土地区地形地貌和侵蚀产沙的垂直分带性特征,将沟道或小流域概化为梁那上部、梁筛下部和沟谷坡三段,从分水线至沟边线进行水沙演算。在泥沙量计算中,仅对坡面侵蚀进行了研究。在沟道的泥沙计算中,认为沟道的泥沙输移比近似为1。该模型的局限性在于:模型中的雨滴溅蚀公式仅为初步研究成果,需要进一步率定,方能更好地应用于其他流域。另外,模型建立过程中也结合了黄土地区的特点,使得模型在黄土地貌以外的地区难以应用。
王星宇将流域侵蚀分为面蚀区和重力侵蚀区。在面蚀区,侵蚀产沙主要为推移质运动产沙,用E飞elund推移质输沙率公式进行坡面单宽单位时间的推移质输沙率。在沟道上发生重力侵蚀,侵蚀产沙主要为悬移质产沙。并假定河网中从源头到干流各个链级内潜在侵蚀输沙能力相等,并且可以用沟蚀单宽输沙率来表示,用B吧刃ld悬移质输沙率公式进行沟蚀单宽输沙率计算。模型中认为重力侵蚀物质为悬移质,这与实际情况不符。另外,模型中的侵蚀分类也不太准确。
蔡强国等(1996)在晋西羊道沟小流域建立了一个次降雨侵蚀产沙过程模型,包括坡面、沟坡和沟道三个子模型。在坡面子模型中,考虑了降雨、人渗、植被截留、坡面溅蚀、细沟侵蚀等过程;在沟坡子模型中考虑了水流侵蚀、重力侵蚀、洞穴侵蚀和泻流侵蚀,其中的每一种侵蚀量都是用经验公式计算的。沟道侵蚀只考虑了一个主要参数,即泥沙输移比,也是根据经验公式计算得到的。
段建南(1998)借鉴国内外土壤侵蚀建模的经验与技术,针对我国干旱半千旱地区的实际情况,建立了坡耕地土壤侵蚀过程数学模型SLEMSEp,并在晋西北砖窑沟试验区得到了验证。模拟过程以天为步长,可预报不同耕作措施条件下,基于日降水量的坡面土壤侵蚀量。但该模型没有考虑降雨与径流的相互作用,难以描述复杂的坡面降雨径流侵蚀过程。
总之,目前我国物理成因模型仅仅处于起步阶段,它的完善和应用还需要大量的工作和相对漫长的路程。物理成因模型比统计模型功能强大,特别是能连续模拟土壤侵蚀过程,对于理解土壤侵蚀机理有重要意义。目前我国机理模型研究存在一些共同问题:l)对侵蚀过程的描述有待改进。土壤侵蚀过程的定量表征是建立在大量实验基础之上的,目前我国侵蚀动力学实验研究比较薄弱,在很大程度上限制了侵蚀过程的定量描述。一方面需要大量参数的率定,以确保模型的准确,另一方面要考虑参数的可获得性,以及率定过程中资料的可获得性,如何解决二者之间的矛盾,一直是过程模型面临的难题。目前我国的过程模型仍需要大量的参数,资料可获得性较差,同时由于资料限于一定区域,也使模型通用性较差,难以推广。2)系统性地表述流域内产流、产沙、汇流、输沙等过程的机理模型少。3)在已建立的土壤侵蚀模型中,关于重力侵蚀产沙的模拟很少见,但重力侵蚀却是侵蚀产沙中重要的一部分,如何将重力侵蚀考虑到模型中去,是当前土壤侵蚀模型中急待解决的问题。4)现今的土壤侵蚀模型主要集中在坡面及小流域,对大中流域的研究较少,加大对中大流域的模型研究是今后土壤侵蚀模型研究的重点。在将国外过程模型引进时,应注意其适用性问题,尤其需要进行大量的参数率定。3. RS和GIS在土壤侵蚀模型中的应用
土壤侵蚀是在一定的空间范围内发生,建立土壤侵蚀模型的目的是对水土保持和管理提供支持,因此应在流域尺度而不仅仅是坡面尺度上研究和分析土壤侵蚀和水文过程及其空间变异。正是这一需求,极大地促进了土壤侵蚀模型与地理信息系统GIS技术的结合。此外,由于土壤侵蚀模型中尤其是过程模型涉及到的许多因子难以直接观测,或是空间变异特性不够,或是时间动态性不够,给模型的应用带来了很大的数据问题,而遥感技术则解决了这两大难题,因此近年来,土壤侵蚀模型与遥感RS技术的结合也得以迅速发展。我国学者在将RS和GIS应用
与土壤侵蚀建模中做了大量工作。基本方法是用RS和GIS提取出所需因子,应用于土壤侵蚀模型,再根据C巧空间分析功能计算径流和泥沙在流域内的输移、人渗或沉积,最后利用GIS的图形运算表现径流和侵蚀的空间分异。
马志尊(1989)将USLE应用于海河流域太行山区时,针对一些因子值无法获得,利用MSS影像图给出土壤可蚀性、覆盖因子和水土保持措施因子。
卜兆宏等(1989,1993a,1993b,1992,1994,1999)先后多次,将RS技术应用于USLE各因子
的估算中,在建立不同因子的定量遥感模型、编制因子图、建立遥感与非遥感像元因子图、遥感定量运算与统计法结合等方面取得了成果,建立了一套定量遥感监测模型,比较直观、形象,但模型对于各侵蚀影响因子的估计精度较差。
朱启疆等(19男))将信息论中耗散结构的思想运用于土壤侵蚀中,建立了土壤侵蚀信息嫡模型,并以陕西省米脂县高西沟乡作为试验小区,用G巧提取了坡度、坡向因子。从遥感图象上提取植被盖度、土地利用等因子,建立了高西沟土壤侵蚀信息摘图。
王明堂等(19卯)也用类似的图层生成法进行了土壤侵蚀的定量研究。如前文所述,付炜(1992,1996)再建立黄土丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀产沙模型时,结合G巧技术,提取流域地形特征,以及泥沙在网格单元上的淤积,最终汇总流域出口总的土壤侵蚀产沙量。
吴礼福(1996)以DEM上的最小沟谷单元为侵蚀的基本单元,并把坡面侵蚀和沟谷侵蚀分别处理,建立了坡面侵蚀量的经验公式,其中的坡度、沟谷密度、坡耕地、植被覆盖度等参数利用GIS技术获得,求取每一单元格上的侵蚀模数,即坡面侵蚀模数与沟谷侵蚀模数之和,最后生成土壤侵蚀图。
江忠善等(1996)建立了黄土丘陵区沟间地土壤侵蚀模型后,在G巧支持下,以网格为单元计算土壤侵蚀量,并显示出不同地貌部位、不同土地利用方式下侵蚀t的差异。
曾琪明等(1996)在密云水库上游地区,利用大比例尺航空像片目视判读与野外调查相结合的方法,建立了水土流失地理信息系统,其中水土流失模式是在回归分析的基础上,通过因子筛选得出的:
E=2.6932(Rd/Rr)0.065948exp（-0.025421p）H
式中,E是土壤侵蚀模数(口肠产a),RD是平均最大日降雨量(~),凡是平均雨季降雨量(rrun),
P是植被覆盖率,H是流域平均年径流量(仙n/a)
陈一兵〔川等(l997)在引人美国AN卿花Rs过程模型时,采用ARC/D份。软件建立流域数据库,并根据模型要求确定所需参数,建立两者的连结,预报次降雨流失量的土壤侵蚀方程。
游松财〔刻(1999)在利用us比估算江西省泰和县灌溪乡土壤侵蚀量时,对其中的一些因子的估算则是在GIS技术支持下。通过提取土壤图中的土壤质地,估算土壤可蚀性。利用DEM提取坡度和坡长,进一步利用统计关系式估算地形因子综合影响值。利用RS技术确定不同土地利用和地表覆盖率,用于估算视盖因子值和水土保持措施因子值。
蔡崇法等(20(刃)在三峡库区的王家桥小流域依据实地调查资料,建立了典型小流域地理数据库。应用径流小区观测结果,确定定量计算USLE各因子值的方法。在地理信息系统roRISI 支持下首先计算像元土壤流失量,然后根据土壤侵蚀强度分级标准,对像元侵蚀量进行分类,汇总同一侵蚀等级的像元土壤流失量,得到小流域土壤流失强度图。
以上分析不难看出,RS和GIS技术为土壤侵蚀模型的建立和应用提供了更为广阔的前景,尤其是在估算资料可获得性较差、空间差异大、时间动态性强的因子方面,具有很大的潜力。但从目前研究看,使用RS和GIS技术获取侵蚀影响因子的方法有待改进,精度有待提高。
4. 我国土壤侵蚀模型研究中存在的问题
我国土壤侵蚀统计模型的开发,虽然已经取得一定的进展,但还存在一些需要进一步深化研究的问题,主要有: (1)现有的研究大多是地方性的,不能用于较大的区域,也很难用于全国其它地区; (2)对于各侵蚀影响因子尚无系统全面的研究,缺乏足够的试验观测资料,影响了所建
立模型的实用性; (3)大多数模型尚不能很好用于流域的土地利用和水土保持规划; (4)对USLE 的应用,还存在一些不尽合理的地方,包括将USLE简单推广应用于流域侵蚀产沙预报和较大区域。
现今的土壤侵蚀物理模型也还存在以下问题:一是模型输入的空间分散性和不均匀性未得到很好体现;二是需考虑不同单元流域的水沙形成机制及模拟参数上的差别;三是单元流域对全流域出口断面的贡献是否满足迭加原理。这些需要在模型中进一步考虑。物理过程模型由于能反映侵蚀机制及水沙输移过程而受到众多学者的偏爱,也成为未来流域土壤侵蚀预报研究的主要方向。其作为研究流域土壤侵蚀和产沙的重要手段,正处在日益完善和由传统集总式模型向流域单元划分的分布式模型过渡的发展过程之中。分布式模型成为今后发展的趋势,与传统侵蚀产沙模型相比,它具有以下显著的优点: (1)能够描述流域内侵蚀产沙的时空变化过程; (2)由于建立在DEM基础之上,能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对侵蚀产沙过程的影响;(3)分布式侵蚀产沙模型的结构较严谨,参数的物理意义明确,可以利用常规理论来描述侵蚀产沙的变化过程。
我国的土壤侵蚀模型研究应注重以下几个方面的研究:(1)注重土壤侵蚀模型的理论研究,将从以侵蚀因子为基础的侵蚀预报向侵蚀过程的量化研究和理论完善,研究各侵蚀因子及其交互作用对侵蚀过程的影响,泥沙在复杂坡面以及不同流域尺度间的分散、输移和沉积作用。
(2)加强对重力侵蚀、洞穴侵蚀机制的研究,加强对大中流域侵蚀模型的研究。(3)充分利用先进的RS、GIS技术,为侵蚀模型的研究提供大量的数据源,以利于对土壤侵蚀模型的检验。(4)注重对土壤侵蚀模型外延的拓展,具体体现在:产沙模型逐步与非点源污染、土壤侵蚀对土地生产力影响、全球气候变化及碳循环结合起来考虑。
5.结语
我国土壤侵蚀预报模型的研究和开发已经走过了近50年的发展历程,成功地研制和开发了一批适应中国具体情况的坡面和流域侵蚀预报模型。但由于土壤侵蚀过程本身的复杂性,影响因素间的相互作用以及进行理论分析,实际观测和室内试验存在诸多困难,土壤侵蚀模型研究滞后于生产实践的需要。因此,迫切需要开发研制我国的土壤侵蚀预报模型。我国的土壤侵蚀模型研究应注重以下几个方面的研究:l)土壤侵蚀模型的理论研究和应用研究并重。一方面,将从以侵蚀因子为基础的侵蚀预报向侵蚀过程的量化研究和理论完善,研究各侵蚀因子及其交互作用对侵蚀过程的影响,泥沙在复杂坡面以及不同流域尺度间的分散.输移和沉积作用;另一方面,不能忽视经验模型在我国范围内的推广应用,尽快为我国水土保持和土地利用规划提供可靠依据。2)加强对重力侵蚀.洞穴侵蚀机制的研究,加强对大中流域侵蚀模型的研究。3)充分利用先进的RS,GIS技术,为侵蚀模型的研究提供大量的数据源,以利于对土壤侵蚀模型的检验。
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基于 USLE、GIS、RS 的流域土壤侵蚀研究进展 摘要：本文系统地介绍了 ULSE 模型中各侵蚀因子及其相应的算法，总结了国内外研究中获取各因子的新方法，并简要介绍了土壤侵蚀分析研究的新模型及其进展。当前 GIS 和 RS 作为新兴技术在土壤侵蚀分析研究中发挥了重要的作用，文章针对当前 GIS、RS 和 ULSE 在土壤侵蚀评价中的应用，指出了目前 GIS 和RS 在侵蚀研究中存在的问题，并提出了自己的观点和建议。 关键词：通用土壤流失方程( USLE)；土壤侵蚀; RS； GIS This paper systematically introduces ULSE erosion factors of each model and the corresponding algorithm, summed up the researches of a new method for each factor, and briefly describes the analytical study of soil erosion and its progress in the new model. Current GIS and RS as an emerging technology in the analysis of soil erosion has played an important role, articles for the current GIS, RS and ULSE soil erosion assessment in the application of GIS and RS are pointed out in the erosion problems, and put forward their views and suggestions. Keywords: Universal Soil Loss Equation (USLE)； soil erosion; RS；GIS 土壤是地球上生物赖以生存的基本要素之一，土地以及不同质量的土壤生产了超过90%的人类和牲畜所需要的食物。土地退化的日益严重成为制约人类发展的重要因素，土壤侵蚀是其中一个重要原因。土壤侵蚀使土壤肥力下降，理化性质变劣，土壤利用率降低，生态环境恶化。目前全球土地退化日益严重，我国是世界上土壤侵蚀最为严重的国家之一，土壤侵蚀面积占国土面积的比例高达38。2%，研究土壤侵蚀的机理，有效地对其进行监控、治理已经成为全球关注的焦点。传统的土壤侵蚀量调查方法耗时、周期长，而且很难确定中等尺度流域的土壤侵蚀量。随着侵蚀过程和机理研究的不断深入以及土壤侵蚀影响因素和侵蚀空间分布规律探讨的不断加强，土壤侵蚀的研究也逐渐走上了多途径、多学科协同研究的道路。但许多定量研究方法长期以来都在坡面和小流域尺度上进行，很难在区域尺度上推广，而美国农业部颁布的在区域土壤侵蚀调查方面富有特色的通用水土流失方程( USLE) 正好弥补了这一方面的空缺。20 世纪 80 年代 USLE 开始引入中国，而且研究人员在探讨坡面和流域土壤流失量的同时，还开始注重应用
土壤侵蚀的估算方法 数 据 处 理 流 程 作者：牛健平 时间：2011年10月11日 北京天合数维科技有限公司
目录 （CONTENT） 一、所需数据与参数 (3) 1、所需数据 (3) 2、所需中间参数 (3) 2.1、水土保持因子P (3) 2.2、地标覆盖因子C (3) 2.3、地形因子LS (4) 2.4、土壤可视性因子K (4) 2.5、降水侵蚀因子R (4) 3、所需参数 (5) 3.1、潜在土壤侵蚀量Ap (5) 3.2、现实土壤侵蚀量Ar (5) 3.3、土壤保持量Ac (5) 4、指标结果参数 (5) 4.1、保护土壤肥力的经济效益Ef (6) 4.2、减少土地废弃的经济效益Es (6) 4.3、减轻泥沙淤积的经济效益En (6) 二、处理流程 (7) 1、DEM数据的处理 (8) 1.1、坡长L (8) 1.2、百分比坡度a (8) 1.3、地形因子LS (9) 2、气象数据 (9) 2.1、月降雨量Pi的计算 (9) 2.2、土壤侵蚀力指标R (10) 3、土壤类型数据 (10) 4、遥感影像数据 (10) 5、土壤理性化数据 (11) 三、所需参数的计算 (11) 四、指标结果参数计算 (11)
一、所需数据与参数 在计算的过程中，总共涉及到的数据有地形数据、遥感影像数据、气象数据、土壤类型数据、土壤理性化数据以及统计数据，涉及到的中间参数有水土保持因子P，地标覆盖因子C，地形因子LS，土壤可视性因子K，降水侵蚀因子R，所需要的参数有潜在土壤侵蚀量Ap，现实土壤侵蚀量Ar，土壤保持量Ac，指标结果参数有保护土壤肥力的经济效益Ef，减少土地废弃的经济效益Es，减轻泥沙淤积的经济效益En。 1、所需数据 在进行土壤侵蚀的估算过程中，需要以下数据： A、地形数据； B、遥感影像数据； C、气象数据，主要是降雨量数据； D、土壤类型数据； E、土壤理性化数据； F、统计数据。 2、所需中间参数 在数据处理的过程中，所涉及到的中间参数与计算公式如下。 2.1、水土保持因子P 按照游松财的方法，水田的P值取0.15，其他土地利用方式基本没有采取水土保持措施，因此取值为1.00。 2.2、地标覆盖因子C 地表覆盖因子是根据地面植被覆盖状况不同而反映植被对土壤侵蚀影响的因素，与土地利用类型、覆盖度密切相关。C值的估算采用如下公式：
第15卷第3期2001年9月 水土保持学报 Journal of So il and W ater Conservati on V o l.15N o.3 Sep.,2001 坡耕地土壤侵蚀研究进展① 傅 涛,倪九派,魏朝富,谢德体 (西南农业大学资源与环境学院,重庆400716) 摘要:论述了坡耕地土壤侵蚀的机理、研究方法及防治措施,分析了坡耕地泥沙、径流、养分流失的特征及影响 因素,认为坡耕地是水土流失的主要来源,在整个生态环境建设中具有重要地位。目前国内外研究多偏重于坡面 水土流失特征的描述和控制坡面水土流失、提高土壤肥力的效果等,研究方法以定性和统计分析为主,在坡耕地 水土流失机理、养分流失所造成的面源污染、坡面流失定量预测模型以及控制措施与坡面的相互作用等方面还需 作更深入的研究。 关键词:坡耕地; 土壤侵蚀机理; 防治措施 中图分类号:S157.1;S157.2 文献标识码:A 文章编号:100922242(2001)0320123206 Recen t D evelopm en t of Slop i ng F ield Erosion FU T ao,N I J iu2pai,W E I Chao2fu,X IE D e2ti (Colleg e of R esou rces and E nv ironm ent,S ou thw est A g ricu ltu ral U niversity,Chong qing400716) Abstract:T he p rogresses of slop ing field ero si on,study m ethods and of p reven tive m easu res are summ a2 rized.T he m echan is m and affect facto rs of sedi m en t,runoff and nu trien t lo ss on the slop eland su rface are an2 alyzed resp ectively.T he slop ing fields w ere the m ain sou rce of sedi m en t,runoff and nu trien t lo ss.M o st of the research w o rk s focu sed on the p reven ti on so il and w ater lo ss on the slopeland su rface and i m p rovem en t of so il fertility.M o st of the study m ethods w ere qualitative and statistics analysis.How ever,studies on the m echan is m of so il and w ater lo ss and nu trien t lo ss,the m odel of quan titative analysis w ere scarce yet,the fu rther studies shou ld pay m o re atten ti on to the p rocesses of runoff and sedi m en t yield,so as to study the m echan is m of slop e ero si on and bu ild the p rocess2based m odel of w ater ero si on p redicti on. Key words:slop ing field; m echan is m of so il ero si on; m easu res of p reven ti on and cu re 坡面侵蚀过程包括降雨溅击和径流冲刷引起的土壤分离、泥沙输移和沉积3大过程,研究和分析这些过程发生、发展的水力、土壤、地形条件以及各过程间相互转化、相互影响的机理,是建立土壤侵蚀物理模型的前提。我国在该领域的研究较少,同时我国山丘面积占总面积2 3,坡耕地在我国耕地面积中占有很大比例,陡坡农耕地是重要的农业资源。近年来,坡耕地水土流失受到越来越多学者的关注。大量资料表明,一方面坡耕地是大量江河泥沙的主要来源;另一方面,坡耕地严重的水土流失使山区丘陵土层变薄,养分流失,保水能力变差,使大多数坡耕地生产力低下,严重阻碍山地丘陵区农业可持续发展,使广大山区农民无法脱贫致富,更造成恶性循环,加速坡耕地的水土流失。因此,根据我国实际情况,开展坡耕地土壤侵蚀分离、输移和沉积过程及其关系的研究,对于建立具有我国特色的土壤侵蚀模型,进而指导水土保持生产实践具有十分重要的理论和生产意义。目前对坡耕地土壤侵蚀研究大多集中在3个方面,一是对坡耕地土壤侵蚀的方法研究,包括实验研究方法和土壤侵蚀评估方法,二是对坡耕地土壤侵蚀机理的研究,三是对减轻坡耕地土壤侵蚀措施的研究及评价。 1 研究方法 1.1 试验研究方法 常见的研究方法可分为室外和室内两大类[1],室外方法通常是选择比较规则、具有代表性的坡面,在坡面上根据研究目的需要,建立相应的观测小区。小区的宽度多在1～5m之间,基本要求是小区能够完整地反映地形地貌特征,小区的长度也与试验目的密切相关,有的长3～5m,有的则长达10m以上。试验时多采用模拟降雨结合放水冲刷,或者在自然降雨条件下观测。试验时测定径流量和泥沙量,同时采集径流样和泥沙样,用于 ①收稿日期:2001204209 3重庆市科委资助项目“三峡库区坡耕地水土流失机理及预测评价建模”(编号410586) 作者简介:傅涛,男,生于1972年,博士生。主要从事水土保持与土地资源等方面的研究工作,发表论文11篇。
空间信息应用实践（中级）实验指导书 空间建模——基于RUSLE的土壤侵蚀建模分析 一．实验背景 Soil erosion and gullying in the upper Panuco basin, Sierra Madre Oriental, eastern Mexico 土壤侵蚀是地球表面物质运动的一种自然现象，全球除永冻地区外，均发生不同程度的土壤侵蚀。人类社会出现后，土壤侵蚀成为自然和人为活动共同作用下的一种动态过程，构成了特殊的侵蚀环境背景，并伴随着人类对自然改造能力的增强，逐渐成为当今世界资源和环境可持续发展所面临的重要问题之一。 土壤侵蚀被称为“蠕动的灾难”，每年因土壤侵蚀造成的经济损失较诸如滑坡、泥石流和地震等地质灾害更大, 土壤侵蚀已成为我国乃至全球的重大环境问题之一。
土壤侵蚀及其产生的泥沙使土壤养分流失、土地生产力下降、湖泊淤积、江河堵塞，并造成诸如洪水等自然灾害，泥沙携带的大量营养物和污染物质加剧了水体富营养化，水质恶化，不断严重威胁到人类的生存。 据估计全球每年因土壤侵蚀损失300万公顷土地的生产力，造成的损失以百亿美元计。我国人口众多、农耕历史悠久，加之历史上战乱频仍，以黄土高原为代表的华夏文明发源地是世界上土壤侵蚀最严重的区域之一，1990年遥感普查结果，全国水土流失面积达367万km2，占国土总面积的38.2％，其中50%为水蚀地区，土壤侵蚀以黄土高原、四川紫色土地区和华南红壤地区尤为突出，仅黄土高原地区一处，平均每年流失泥沙就达到16.3 亿t。水土流失已成为中国重要的环境问题，土壤侵蚀研究已成为目前环境保护中的一个重要课题。 土壤侵蚀预报是有效监测水土流失和评价水保措施效益的手段，侵蚀模型则是进行土壤流失监测和预报的重要工具。然而传统预测方法需要在量经费、时间和人力的投入，因此，在一定精度范围内通过有限的数据输入，得到满足要求的土壤侵蚀预测结果成为趋势。80年代以来，随着地理信息系统(Geographical Information System, GIS)的成熟，它开始与土壤侵蚀模型—通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation, USLE) 相结合进行流域土壤侵蚀量的预测和估算，业已成为土壤侵蚀动态研究的有力工具。GIS与USLE 相结合的分布式方法运用GIS的栅格数据分析功能，可预测出每个栅格的土壤侵蚀量，便于管理者识别关键源区，并通过确定引起水土流失的关键因子，针对性地提出最佳管理措施(Best Management Practices，BMPs)，为流域内土地资源的质量评价、利用规划和经营管理等提供科学依据与决策手段。 二、实验目的 模型生成器(ModelBuilder) 为设计和实现空间处理模型提供了一个图形化的建模环境。模型是以流程图的形式表示，它通过工具将数据串起来以创建高级的功能和流程。你可以将工具和数据集拖动到一个模型中，然后按照有序的步骤把它们连接起来以实现复杂的GIS 任务。通过对本次练习达到以下目的： ?掌握如何在ModelBuilder环境下通过绘制数据处理流程图的方式实现空间分析过程的自动化； ?掌握土壤侵蚀理论的基本知识；
实验三基于GIS的土壤侵蚀因子分析与信息提取 一、实验目的 1、要求学生掌握地理信息系统软件（ArcView）的基本原理和操作方法； 2、掌握使用该软件进行土壤侵蚀因子的分析和信息提取的方法。 二、实验原理 Arc/View的空间分析模块是解决地理空间问题的工具。它主要包括距离制图、计算密度、统计分析、邻域分析、数据的重分类、表面生成、等高线生成、坡度提取、坡向提取、光照模型的生成、流域的划分等功能。利用Arc/View的空间分析模块解决空间问题，首先要把问题空间化、模型化，然后利用Arc/View 提供的各种功能的组合来完成。 Arc/View的空间分析模块主要是基于栅格数据模型的。Arc/View的空间分析模块不仅支持矢量数据模型，还支持栅格数据模型。矢量数据是用点、线、面来描述地理特征及其变化的，它主要用于精确地描述地理特征，在Arc/View中，点、线、面数据分别是存放于不同的主题中来管理的。栅格数据是通过将地表分隔成不同的单元来表示地理特征及其变化的，对栅格数据的存储只是通过存储栅格的原点、栅格单元的尺寸、距离原点的单元数和每个栅格单元的值。对栅格数据影响最大的是栅格单元的尺寸。单元尺寸越大，则对地理特征的描述越粗糟，越不精确，但产生的数据量会越小，处理速度会越快。相反，单元尺寸越小，则描述越精确，但数据量会越大，运算速度越慢。 三、操作步骤 地形指标是最基本的自然地理要素，也是对人类的生产和生活影响最大的自然要素。地形特征制约着地表物质和能量的再分配，影响着土壤与植被的形成和发育过程，影响着土地利用的方式和水土流失的强度。地形指标的提取对水土流失、土地利用、土地资源评价等方面的研究起着重要的作用。 1 坡向Aspect 坡向定义为坡面法线在水平面上的投影与正北方向的夹角。在Arcview中Aspect表示每个栅格与它相邻的栅格之间沿坡面向下最陡的方向。在输出的坡向数据中，坡向值有如下规定：正北方向为0度，正东方向为90度，以次类推。 坡向可在数字高程模型Dem或TIN数据的基础上提取。在Dem基础上提取坡向的步骤如下： 在视图目录表中添加dem并激活它。
. 精品 土壤侵蚀量计算模型 关于土壤侵蚀量的计算，目前国内外主要采用的是美国的通用土壤流失方程USLE(Universal Soil- Loss Equation)，作为一个经验统计模型，它是土壤侵蚀研究过程中的一个伟大的里程碑，在土壤侵蚀研究领域一度占据主导地位，并深刻地影响了世界各地土壤侵蚀模型研究的方向和思路。由于USLE 模型形式简单、所用资料广泛、考虑因素全面、因子具有物理意义，因此不仅在美国而且在全世界得到了广泛应用。“通用土壤流失方程式”的形式如下： P C S L K R A ?????= 1-1 式中：A ——土壤流失量（吨∕公顷·年） R ——降雨侵蚀力指标； K ——土壤可蚀性因子。它是反映土壤吝易遭受侵蚀程度的一个数字。其单位是， 在标准条件下，单位侵蚀力所产生的土壤流失量； L ——坡长因子。当其它条件相同时，实际坡长与标准小区坡长（22.1米）土壤 流失量的比值； S ——坡度因子。当其它条件相同时，实际坡度与标准小区坡度（9%）上土壤流 失量的比值； C ——作物经营因子。为土壤流失量与标准处理地块（经过犁翻而没有遮蔽的休 闲地）上土壤流失量之比值； P ——土壤保持措施因子，有土壤保持措施地块上的土壤流失量与没有土壤保持 措施小区（顺坡梨耕最陡的坡地）上土壤流失量之比值。 通用土壤流失方程的计算结果只适用于多年平均土壤流失量，而不能够代表当地某一年或某一次降雨所产生的土壤流失量。当方程式右边每个因子值都是已知数时，即地块内的土壤种类、坡长、坡度、作物管理情况、地块内的土壤保持措施以及降雨侵蚀力都已知，且都被分别赋于一个适当的数值时，它们相乘后，就得出在此特定条件下所预报的年平均土壤流失量。 如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！
中国土壤侵蚀预报模型研究进展 摘要：土壤侵蚀模型作为了解土壤侵蚀过程与强度,掌握土地资源发展动态,指导人们合理利用土地资源的重要工具，受到世界各国的普遍重视。本文总结了中国土壤侵蚀预报模型的主要研究成果，在总结和评价这些模型的基础上，提出今后我国的主要研究方向：（1）注重土壤侵蚀模型的理论研究；（2）加强对重力侵蚀、洞穴侵蚀机制的研究；（3）充分利用先进的RS、GIS技术,为侵蚀模型的研究提供大量的数据源,以利于对土壤侵蚀模型的检验。 关键词：土壤侵蚀模型、研究方向、问题 Review of Research Progress in Soil Erosion Prediction Model in China Soil erosion model which is regarded as the tool to understand the soil erosion processes and intensity, to master the dynamic of land resources development, to guide the rational use of land resources, having attracted the widespread attention of the world.This paper summarizes the main findings of Chinese Soil Erosion Prediction Model and on the basis of summarying and evaluating these models it indicates the directions of the future research : (1) focus on soil erosion model theoretical research; (2) focus on the research of gravity erosion, cave erosion mechanism,; (3) take full advantage of the advanced RS and GIS technology for the study of erosion models which provide a large number of data sources to facilitate the inspection of soil erosion model. 近年来，土壤侵蚀成为人们关注的生态环境热点之一。土壤侵蚀预报是有效监测水土流失和评估水保措施效益的手段,侵蚀模型则是进行土壤流失监测和预报的重要工具。土壤侵蚀预报模型的研究是世界土壤侵蚀学科的前沿领域和土壤侵蚀过程定量研究的有效手段。根据土壤侵蚀模型的建模手段和方法,一般可以将其分为经验统计模型和物理成因模型。经验统计模型是利用大量的试验观测资料,借助于统计方法,定量表述影响土壤侵蚀因子的指标,进而得出计算土壤流失量的方程式。物理成因模型以土壤侵蚀的物理过程为基础,利用水文学、水力学、土壤学、河流泥沙动力学以及其他相关学科的基本原理,根据已知降雨、径流条件来描述土壤侵蚀产沙过程,从而预报在给定时段内的土壤侵蚀量。根据土壤侵蚀模型预报对象的不同,又可将土壤侵蚀模型分为坡面土壤侵蚀模型和流域或网格(区域)土壤侵蚀模型。我国学者在土壤侵蚀模型研究的各个层面上进行了大量工作,取得了很多成果。其中,区域尺度研究的应用更为广泛。在小流域土壤侵蚀模型的研究方面,以对统计模型及引进的统计模型中各因子的本地化研究较多,对基于过程的物理模型系统研究较少,特别是适合我国国情的系统的过程模型更少。本文希望对我国土壤侵蚀模型的主要研究成果进行总结,并对其中的一些问题进行了评述,以期为今后的土壤侵蚀模型研究进展提供一定的参考意见。提出了预报模型亟待解决的关键问题,以促进我国土壤侵蚀预报模型的建立,为生态环境改善提供科学依据。 1.经验统计模型 经验模型主要从侵蚀产沙因子角度入手,建立径流、产沙与降雨、植被、土壤、土地利用、耕作方式、水保措施等之间的多元回归因子关系式。经验公式结构简单,计算方便,在制定公式使用资料范围内具有可靠的精度,但是模型被移植到其它区域使用时以及向建模条件外延时,模型精度难以控制,模型的实用性受到影响。这类侵蚀产沙模型以坡面模型和小流域侵蚀产沙模型为代表,同时也包括部分区域性的侵蚀产沙预报模型,这些通常不考虑侵蚀产沙过程,称之为“黑箱”或“灰箱”模型,在模型形式上主要是采用侵蚀产沙因子的多元回归方程式。自1953年刘善建首次提出坡面土壤侵蚀量的公式来[2],不同的学者根据当地的实际情
收稿日期：2008-12-30；修订日期： 2009-04-12基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目 （KZCX1-YW-08-03）和水利部，官厅密云水库上游水土保持遥感监测二期工程（HW-STB2004-03）资助 作者简介：张喜旺（1979），男，河南辉县人，博士生，主要从事遥感与地理信息系统在水土保持方面的应用研究。E-mail:zxiwang@https://www.doczj.com/doc/319261357.html, * 通讯作者： E-mail:wubf@https://www.doczj.com/doc/319261357.html, 土壤侵蚀评价遥感研究进展 张喜旺，周月敏，李晓松，袁超，闫娜娜，吴炳方* （中国科学院遥感应用研究所，北京100101） 摘要：土壤侵蚀是世界范围内最重要的土地退化问题，对全世界范围内的农作物产量，土壤结构和水质产生负面影响，因此，对侵蚀进行适当评估，了解其空间分布以及侵蚀程度，对政策的制定、治理措施的实施都具有非常重要的指导作用。以遥感在土壤侵蚀中的应用为主线，介绍国内外多种土壤侵蚀评价方法，包括定性的判断和定量的计算。认为虽然遥感因其具有大面积重复观测能力，已经渗透到各种研究方法中，但无论是定性的方法还是定量的方法，遥感往往仅作为数据进行输入，而遥感的潜力并没有得到充分的发挥，遥感多源多时相的能力并没有得到充分的应用。目的是使今后的研究更加重视遥感的空间分析和动态监测能力，以及多源多时相的特性，使遥感真正在方法论上发挥其在土壤侵蚀监测中的重要作用。 关键词：土壤侵蚀；遥感；DEM ；GIS 中图分类号：TP 79：S157 文献标识码：A 文章编号：0564-3945（2010）04-1010-08 Vol.41,No.4Aug.,2010 土壤通报 Chinese Journal of Soil Science 第41卷第4期2010年8月土壤侵蚀是发生在特定时空条件下的土体迁移过程，受到多种自然要素和人类活动的综合影响。水 蚀是世界范围内最重要的土地退化问题，已经成为全球性的公害，通过减少表土层的有机质和养分含量而降低土壤生产力[1]，它通过对农作物产量、土壤结构以及水质[2,3]剧烈地影响着环境，并产生大量的经济损失，直接影响着人们的生活，通过沉积作用淤积江河、湖泊，损害基础设施，威胁人类安全。此外，侵蚀导致土壤以CO 2，CH 4的形式向大气中散射有机碳，从而影响全球变暖[4]。而全球变暖又反过来增强土壤侵蚀率[5]。因此，对侵蚀进行适当评估，了解其空间分布以及侵蚀程度，对政策的制定、治理措施的实施都具有非常重要的指导作用。自从研究土壤侵蚀一个多世纪以来[6]，国内外学者进行了大量的研究，提出了各种各样不同的侵蚀评价方法，包括定性的判断[7,8]以及定量的计算[9,10]。区域尺度的土壤侵蚀评价主要的困难在于数据的可获得性以及数据的质量[11]。遥感具有规则重复观测能力，可以提供了大区域的同质数据[12,13]，是进行环境和灾害动态监测的先进有效的技术手段，可以深刻地了解地表的特征及其变化。而侵蚀退化标志如地表裸露程度、地形地貌、植被覆盖度和土地利用方式的改变等是能够被遥感技术所记录和获取的，因此自20世纪70年代以来，遥感技术就被应用于土壤侵蚀调查。许多研究已经全面或部分地利用卫星遥感数据以许多不同的方式进行侵蚀评估，为方法的完善提供支 持，如光学影像对侵蚀特征[14]、植被[15]的研究，SAR 对地形[16]、 地表粗糙度[17]以及光学影像与SAR 结合对耕作方式的探测[18]等。而传统的土壤侵蚀遥感研究中主要是为了探测侵蚀特征和获取模型输入数据，遥感多源多时相的能力并没有得到发挥，空间分析和动态监测的能力并没有得到很好的应用。本文的目的是对土壤侵蚀评价中遥感的应用方法进行综述，并展望遥感在土壤侵蚀评价中发展趋势。 1 定性方法 1.1 目视判读 目视判读法(目视解译)主要是通过对遥感影像的判读，对一些主要的侵蚀控制因素进行目视解译后，根据经验对其进行综合，进而在叠加的遥感图像上直 接勾绘图斑(侵蚀范围)， 标识图斑相对应的属性(侵蚀等级和类型)来实现的。目视解译是土壤侵蚀调查中基 于专家的方法中最典型的应用。这一方法利用对区域情况了解和对水土流失规律有深刻认识的专家，使用遥感影像资料，结合其它专题信息，对区域土壤侵蚀状况进行判定或判别，从而制作相应的土壤侵蚀类型图或强度等级图，其实质是对计算机储存的遥感信息和人所掌握的关于土壤侵蚀的其它知识、经验，通过人脑和电脑的结合进行推理、判断的过程[19]。我国水土保持部门于1985年使用该方法，采用M SS 影像在全国范围内进行第一次土壤侵蚀遥感调
土壤侵蚀模型在水土保持实践中的应用探究 摘要：水土保持，是环境保护领域非常重要的一门学科，随着工业的不断发展，我国特别重视对环境的保护。与此同时，在水土保持理论研究中也加大了力度。 而对于土壤侵蚀模型来说，则是土壤侵蚀理论研究的成果之一，该成果能够为水 土保持实践提供有效依据。本课题重点围绕“土壤侵蚀模型在水土保持实践中的应用”进行分析研究，以期提高土壤侵蚀模型的实用价值，并为水土保持工作的进步及发展提供具有价值的参考建议。 关键词：水土保持；土壤侵蚀模型；实用价值；发展 土壤侵蚀模型属于水土保持实践研究工作中的有效工具之一，通过土壤侵蚀模型 的构建，进行相关参数的分析，能够为水土保持实践工作提供客观、科学的参考 依据。值得注意的是，我国早在上世纪二十年代便实行了土壤侵蚀监测工作，在 上世纪四十年代则基于黄土高原构建了水土保持试验站，而对于土壤侵蚀经验模 型的提出，则是在1953年[1]。总之，从水土保持实践工作的进步及发展角度考虑，本课题围绕“土壤侵蚀模型在水土保持实践中的应用”进行分析研究具备一定 的价值意义。 1.土壤侵蚀模型发展历程及模型概念分析 1.1发展历程 从土壤侵蚀模型的发展历程层面分析，发展至今已有八十余年，模型的性质 基于经验发展至机理，模拟起初为空间尺度，随着不断的发展，实现了对坡面、 小流域、大刘宇以及区域性的研究；涉及侵蚀、沉积、产沙以及污染物富集及迁 移等内容的研究。与此同时，从模型的应用层面来看，可应用到水土保持措施的 选择、水土保持效益的分析以及水土资源管理等方面。显然，土壤侵蚀模型的发 展昭示着理论研究的逐渐进步，与此同时也与计算机网络技术、地理信息系统以 及遥感技术等逐步发展密不可分。 1.2模型概念 （1）土壤侵蚀数学模型。土壤侵蚀模型中的土壤侵蚀数学模型，主要通过田间试验，利用土壤侵蚀因子参数及侵蚀相关性分析构建相对应的数学方程，可广 泛应用凹土壤学、土壤侵蚀与水土保持学科领域。 （2）欧洲土壤侵蚀模型。对于欧洲土壤侵蚀模型来说，指的是以物理过程为基础的次暴雨分布式侵蚀模型，以侵蚀产沙过程当作基点，纳入植物截留、土壤 表面情况、径流形成、剥蚀以及径流搬运功能等指标参数，进一步分析这些指标 参数对土壤侵蚀过程造成的影响，将1分钟组我诶时间间隔，然后将降雨期间的 水文与泥沙曲线图生成出来，对侵蚀与沉积位置进行预报，并对侵蚀与沉积相对 应的微地形起伏变化进行模拟[2]。 总之，土壤侵蚀模型在水土保持领域的应用广泛，且价值显著。为了提高水 土保持研究工作的效率及质量，可以合理、科学地利用土壤侵蚀模型。 2.土壤侵蚀模型在水土保持实践中的具体应用分析 从如前所述的土壤侵蚀模型的发展历程来看，经历了较长时间的发展，且发 展至今具备了成熟的模型基础。下面将从国外、国内土壤侵蚀模型在水土保持实 践中的具体应用进行分析，具体内容如下： 2.1国外土壤侵蚀模型的研究
空间分析实习：基于ARCGIS软件的土壤侵蚀危险性评价 实习目的 （1）巩固多因子分析的主要流程，熟练掌握多种空间分析方法的综合 运用。 （2）进一步培养学生分析问题、解决问题的综合能力； （3）掌握SRTM DEM 数据的获取方法。 实习准备 （1）软件准备：ARCGIS10、 （2）方法准备：多因子分析原理及方法（可参考相关书籍） 实习数据 ?TM 影像：用于派生归一化植被指数（NDVI） ?土地利用类型 ?DEM 数据：用于派生坡度数据，根据研究区范围从网上获取（） ?降雨量数据：（大家在研究区均匀选择30 个离散点进行模拟） 实习主要步骤及要求 假设影响土壤侵蚀的因子有:坡度、植被覆盖率（可用NDVI 代替）、 土地利用类型、降雨量；根据多因子分析的原理和方法，在数据预处理 的基础上，运用叠加分析方法完成土壤侵蚀危险性评价，并根据相关标 准进行危险性分级。 主要步骤：
①确定评价模型：本次评价用加权平均模型，表达式为： ②数据预处理：派生所需要的数据，重分类数据到统一的等级； ③确定各因子权重：假定坡度、降雨量、植被覆盖（NDVI）；土地利用类型。 ④叠加分析：通过叠加分析完成土壤侵蚀危险性评价； ⑤制作危险性等级图。 详细操作步骤 1)多波段合成：实习数据给的2张TM影像均为3张单波段影像， 需要进行多波段合成处理
2)去除锯齿 多波段合成后的2张影像均可以看到明显的锯齿，所以要先去除锯齿1)使用特征提取工具去除锯齿：在这里我使用特征提取工具
2)输出去除锯齿后的影像
3)拼接影像 将2张影像拼接成一幅完整的影像，注意影像的位置，位于下方的的影像上方1)拼接影像
收稿日期:2005-3-16 作者简介:焦凤红(1966-),女,内蒙古自治区赤峰市人,副教授,现从事水土保持及计算机教学研究工作。分布式土壤侵蚀模型研究概述 焦凤红 于显威 (沈阳农业大学高等职业技术学院 110122) 摘 要 分布式模型是近年在经验统计模型和物理过程模型的基础上发展起来的土壤侵蚀模型。本文分析了几种分布式侵蚀模型的特征及物理过程,对其中的网格划分、网格单元侵蚀量的计算、流域出口侵蚀量的计算、模型参数的采用等主要技术环节进行了讨论,并展望了今后的研究方向。关键词 土壤侵蚀;分布式;侵蚀模型 [中图分类号]S15711 [文献标识码]C [文章编号]1002-2651(2005)02-0032-02 土壤侵蚀模型研究是世界土壤侵蚀学科的前沿领域,也是定量研究土壤侵蚀过程的有效手段。根据国内外土壤侵蚀模型的研究发展过程,有人将其划分为经验统计模型、物理过程模型与分布式模型三个阶段。这三个阶段并没有严格的时间划分。分布式模型将流域按照一定的方法划分成一个个相对均质的网格,即每个网格单元中的土壤、植被覆盖均匀分布,在每个网格上进行参数输入,然后依据一定的数学表达式来计算每个网格单元的侵蚀量,并将计算结果推演到流域出口,得到流域土壤侵蚀总量。本文结合前人的研究成果,总结了应用较为广泛的几种分布式模型,讨论了模型中的主要技术问题,并展望了今后的发展方向。 1 主要的分布式模型111 ANSWE RS 模型 20世纪80年代初期Beasly 和Huggins 研发了ANSWE RS 模型,该模型把流域细分为均等的网格单元。在网格单元内,假定土地利用、坡度、土壤特性、营养物质、作物和经营管理措施等因子均匀分布。在土壤侵蚀研究中,此模型广泛应用于评价B MPs 对流域泥沙及水文过程的影响。模型结构化程度较高,主要包括3大模块:径流和入渗、泥沙、蒸发散。径流和入渗模块中,以Green-Ampt 入渗方程代替了原模型中的Holtan 方程进行计算;泥沙模块中,产沙计算采用了WEPP 模型中的土壤可蚀性指标以及单位水流 动力理论和临界切应力原理,把Foster 和Meyer 方法引入Yalin 公式进行输沙过程计算,并以此建立了泥沙输移模块;蒸发散模块主要用于设定下次降雨开始时的土壤湿度初始条件,是连续模型得以运行的必要环节。模型运行时,需把研究流域的空间属性数据(如坡度、坡长、坡向、地表植被状况、土壤等)栅格化,同时输入流域模拟时段内的气象资料,包括降雨强度、历时、气温、地温和地表辐射等。ANSWE RS 模型可以计算径流传输条件下的土壤流失量,并与地理信息系统(GIS)相连接,建立了GIS 界面以利用遥感数据。 112 AGNPS 模型 AGNPS 模型是美国农业部农业研究局与明尼苏达污染物防治局共同研发的计算机模拟模型,是一个基于方格框架组成的流域分布式事件模型。按照栅格采集模型参数,由水文、侵蚀、沉积和化学传输4大模块组成,用于对N 、P 元素等土壤养分流失进行预测,并对农业地区的水质问题以重要性顺序为依据进行排列,同时对次暴雨径流和侵蚀产沙过程进行模拟。流域的大小从几hm 2 到大约200km 2 ,以014~26hm 2为单元对流域进行均等分室,流域内径流、污染物、泥沙沿各分室汇集于出水口。113 TOPMODEL 模型 TOPMODEL 模型(Topography based hydrological Model)是一个以地形为基础的半分布式小流域模型, 第17卷第2期亚热带水土保持 Vol 117 l 2 2005年6月Subtropical Soil And Water Conservation Jun 12005
收稿日期:1998-03-24;修回日期:1998-07-06。 GIS 支持下的土壤侵蚀量估算 )))以江西省泰和县灌溪乡为例 游松财 李文卿 (中国科学院自然资源综合考察委员会 北京 100101) 提要 在地理信息技术(GIS)的支持下,应用通用土壤侵蚀方程(U niversal Soil Loss E q ua - t ion,简称US LE )估算了江西省泰和县灌溪乡的土壤侵蚀量。研究结果表明,当地表覆盖率大于15%时,计算的结果与实测的数据有良好的相关性(0187)。关键词土壤侵蚀地理信息系统U SL E 分 类 中图法 T P393 S 157 1引言 众所周知,土壤侵蚀的结果是:降低了土地的肥力及可耕性;导致沟渠塘库的淤积,进而降低了排灌能力而引起农业生产力的下降;而维持受侵蚀地块的肥力,则加大了农业的投入。土壤侵蚀是一个全球性的问题,在我国其严重性勿需在此阐述。因此,估算土壤侵蚀量是基于以下三个理由:1确认需采取水土保护的地域;o通过确定引起水土流失的关键因 子,制定相应的措施;?探讨土壤侵蚀与土地生产力之间的关系。到目前为止,最为广泛应用的经验模型是通用土壤侵蚀方程(W isch meier 和Sm ith,1978)[1] ,该模型是建立在土壤 侵蚀理论及大量实地观测数据统计分析的基础上。其表达式为: E =R #K #L #S #P #C (1) 式中,E 为年平均土壤侵蚀量(t/hm 2 );R 为降水及径流因子;K 为土壤侵蚀性因子;L 及S 为地形因子;P 为水土保护措施因子;C 为地表植被覆盖因子。 G IS 技术已在资源管理领域获得广泛的应用。本文在GI S 的支持下,应用该方程对我国红壤丘陵地区的江西省泰和县灌溪乡的土壤侵蚀量进行了定量的估算。灌溪乡,土地面积16916k m 2 ;年平均气温1816e ;平均年降水量1373m m ,多分布于3~6月,而且降水多为暴雨形式。尽管该地区植被状况较好,但一旦受到破坏,则土壤侵蚀严重,且不易恢复。 2土壤地理单元 土壤地理单元的概念是由Zinck(1988)[2]提出的。它为四级结构,分别为景观、地势、岩 性与地形。其中地形是土地利用评价的基本单元。在小范围的区域内,判读土壤地理单元最好是用航空照片。本文利用1B 20000的航空照片,遵循土壤地理单元概念的原则,制作了研究地区的土壤地理单元图。 第14卷第1期 1999年1月 Vol.14No.1 J an.,1998 自然资源学报 JOU RNA L O F NA T U RA L RESO U RCE S
土壤侵蚀量计算模型 关于土壤侵蚀量的计算，目前国内外主要采用的是美国的通用土壤流失方程USLE(Universal Soil- Loss Equation)，作为一个经验统计模型，它是土壤侵蚀研究过程中的一个伟大的里程碑，在土壤侵蚀研究领域一度占据主导地位，并深刻地影响了世界各地土壤侵蚀模型研究的方向和思路。由于USLE模型形式简单、所用资料广泛、考虑因素全面、因子具有物理意义，因此不仅在美国而且在全世界得到了广泛应用。“通用土壤流失方程式”的形式如下： ? ? A? =1-1 ? ? C R S P L K 式中：A——土壤流失量（吨∕公顷·年） R——降雨侵蚀力指标； K——土壤可蚀性因子。它是反映土壤吝易遭受侵蚀程度的一个数字。其单位是，在标准条件下，单位侵蚀力所产生的土壤流失量； L——坡长因子。当其它条件相同时，实际坡长与标准小区坡长（22.1米）土壤流失量的比值； S——坡度因子。当其它条件相同时，实际坡度与标准小区坡度（9%）上土壤流失量的比值； C——作物经营因子。为土壤流失量与标准处理地块（经过犁翻而没有遮蔽的休闲地）上土壤流失量之比值； P——土壤保持措施因子，有土壤保持措施地块上的土壤流失量与没有土壤保持措施小区（顺坡梨耕最陡的坡地）上土壤流失量之比值。 通用土壤流失方程的计算结果只适用于多年平均土壤流失量，而不能够代表当地某一年或某一次降雨所产生的土壤流失量。当方程式右边每个因子值都是已知数时，即地块内的土壤种类、坡长、坡度、作物管理情况、地块内的土壤保持措施以及降雨侵蚀力都已知，且都被分别赋于一个适当的数值时，它们相乘后，就得出在此特定条件下所预报的年平均土壤流失量。
水土流失形态 水土流失也叫土壤侵蚀，是指地球陆地表面的土壤及其母岩碎屑，在水力、风力、重力、冻融等外营力和人为活动作用下发生的各种形式的剥离、搬运和再堆积的过程。水土流失是山区、丘陵区一种渐进性灾害，被列为人类目前所面临的十大环境问题之一。治理水土流失是中国的基本国策之一。 一、侵蚀的发展 土壤侵蚀的发展，大体分为３个阶段： （一）自然侵蚀 自然侵蚀也称古代侵蚀、史前侵蚀或地质侵蚀。在人类出现以前，就有了中国黄土高原。黄土在其沉积过程中，地面虽然比较完整，但也有起伏不平，同时地面尚未形成能抑制土壤侵蚀的植被，加之黄土具有易蚀性特点，暴雨和冰川融解形成径流，即对地表产生侵蚀作用。这时侵蚀非常缓慢，土壤的侵蚀速度小于土壤形成的速度，不仅不会破坏土壤结构，还对土壤能起到一定的更新作用，这种侵蚀也叫正常侵蚀。 （二）加速侵蚀 加速侵蚀也叫现代侵蚀，是指土壤侵蚀速度大于土壤形成速度。自西汉到民国的2 000年间，黄土高原地区人口增长较快，移民戍边以及农业区逐渐由南向北、由东向西扩展，人类开垦草原，砍伐森林，开荒扩种，加上其他不合理的经营活动，造成加速侵蚀。据观测资料，森林砍伐土地垦种后，年侵蚀模数可从每平方公里几吨猛增到几千吨甚至上万吨，有不少沟道、河流，一年的输沙量相当于自然侵蚀几百年的输沙量。加速侵蚀导致林草植被破坏，土壤肥力下降，地形更加破碎，水土流失加剧。 （三）人为新增侵蚀 新中国建立以来，特别是20世纪80年代以来，资源开发和基本建设项目大大增加，开矿、建厂、修路、盖房（挖窑）等活动日益频繁，直接向沟道、河道弃土弃石弃渣。由于人口增加，需求更多农产品，在农业生产上，不少地方仍在破坏植被，开荒扩种，粗放经营，造成一边治理一边破坏，一家治理多家破坏。在遭到破坏的地方，水土流失特别严重。 二、侵蚀形态 土壤侵蚀从形态上可分为水力侵蚀、重力侵蚀和风力侵蚀３种。 （一）水力侵蚀
实验八、Model Builder 土壤侵蚀危险性建模分析(综合 实验) 模型生成器(ModelBuilder)为设计和实现空间处理模型提供了一个图形化的建模环 境。模型是以流程图的形式表示，它通过工具将数据串起来以创建高级的功能和流程。你可以将工具和数据集拖动到一个模型中，然后按照有序的步骤把它们连接起来以实现复杂的GIS任务。通过对本次练习，我们可以认识如何在ModelBuilder环境下通过绘制数据处理 流程图的方式实现空间分析过程的自动化，加深对地理建模过程的认识，对各种GIS分析工具的用途有深入的理解。 1. 认识ModelBuilder操作界面135 2. 确定目标，加载数据135 3. 创建模型136 4. 编辑模型139 5. 执行模型，查看结果153 1.认识ModelBuilder操作界面 1:添加硬盘上的数据或工具到模型中，数据也可以从ArcMap或ArcCatalog从直接拖到模型中，工具可以直接从Arctoolbox直接拖到模型中 2:显示全部模型要素，并充满ModelBuilder窗口 3:自由缩放，点击此按钮后，按住鼠标不放可，向上或向下移动鼠标可以自由缩放ModelBuilder中的流程图 4:选择，用以选择模型中的数据图框，工具图框 5:添加连接，将数据和工具连接起来
6:运行选中的处理过程或整个模型 2.确定目标，加载数据 目标：获取［土壤侵蚀危险性分布图］因子确定：坡度、土壤类型、植被覆盖 数据：矢量数据：研究区界线(Study Area)、植被(Vegetation)，栅格数据：土壤类型栅 格(Soilsgrid) (1) 在ArcMap中新建一个地图文档 (2) 添加矢量数据：StudyArea、Vegetation、栅格数据Soilsgrid (同时选中：在点击的 同时按住Shift) (3) 打开Arctoolbox，激活Spatial Analyst空间分析扩和3D分析扩展模块(执行 菜单命令［工具］＞＞［扩展］，在出现的对话框中选中“空间分析模块”和“ 3D分析”) (4) 根据Vegetaion中的属性［VegTYPE］设置植被图层的符号为［唯一值渲染］，根 据SoilsGrid图层中属性［S_Value］设置土壤类型栅格的符号为［唯一值渲染］，设置图层StudyArea的边界和填充，并调整各图层的顺序得到如下下效果: (5)保存地图文档为［Ex8.mxd］ 3■创建模型 在上一步操作的基础上进行 (1) 在ArcMap中，打 开Arctoolbox，执行菜单命令：［工具］＞＞［选项］,在［选项］设置对话框中，设置［空间处理］选项页中［我的工具箱位置］，将其指定为某个路径，比如 ［d:\arcgis］,因为以下建立的模型将会被保存到后缀为［.tbx］的文件中，而这个文件是保存在以上设定的路径下的.