作品名称： 基于 USLE 模型的巢湖流域土壤侵蚀研究
作者单位： 淮阴师范学院城市与环境学院
小组成员： 陈鑫、许骞、赵星星、陈佳玮
指导老师： 李鑫川、李文慧
获奖情况： 三等奖
作品概述
土壤侵蚀作为全球最大的生态环境问题之一，不仅导致土地质量退化降低农业生产力，还会引起水系泥沙淤积、水体富营养化及区域生物多样性下降等诸多环境问题。土壤侵蚀也成为了地理学和环境科学领域研究的热点和难点问题。土壤侵蚀已经不断受到世界各国政府部门及相关研究机构的密切关注。中国作为人口与农业大国，同时也是世界上水土流失最严重的国家之一，具有水土流失分布范围广、流失总量大、土壤侵蚀强度十分剧烈等特点。
传统调查方法不具有实效性，特别是在大区域尺度下，难以确定水土流失的动态变化情况。伴随着计算机技术、信息技术、遥感及地理信息系统技术的发展，将 RS 和 GIS 技术运用到土壤侵蚀调查、评价和监测中是一种大势所趋，也是必由之路。 RS 和 GIS 的快速发展，使区域土壤侵蚀的定量评价和监测成为可能。 RS 和 GIS 与土壤侵蚀有机结合，进行区域土壤调查、评价和监测，既能加深土壤侵蚀理论的发展，提高土壤侵蚀调查、评价和监测的精度。
在土壤侵蚀的研究中，国内外学者建立了许多数学模型，其中，最为著名、应用最为广泛的是 USLE( universal soil loss equation) 土壤侵蚀模型。 USLE 模型是由 Wischmeier 等提出的通用土壤流失方程，自 1965 年在美国农业部农业手册第 282 号正式颁布至今已有 53 年的历史，并在 20 世纪 80 年代初引入我国，并在许多地区得到应用。 USLE 模型参数易获取，计算简便，成本较低等优点，且利用 3S 技术使得土壤侵蚀模型的计算结果可以以图形的形式输出，增强了可视化效果，有利于进一步分析土壤侵蚀的空间分布特征。巢湖作为中国第五大淡水湖，近年来由于水体富营养化产生的水华现象引起多方重视，对巢湖流域土壤侵蚀评估对于环境保护战略与土地规划政策具有重要的意义。为此，本作品根据 USLE 模型原理，利用 IDL 语言进行各个因子计算，并能够进行土壤侵蚀时空变化分析，编写了扩展模块，大大方便了不同地区土壤侵蚀分析，为水土保持规划制定提供科学依据，使防治措施更加具有针对性。
图 研究区示意
作品制作流程
巢湖流域位于安徽省中部， 116 ° 24 ′ 30 ″ ~118 ° 0 ′ 00 ″ E ， 30 ° 58 ′ 40 ″ ~32 ° 6 ′ 00 ″ N （图 1 ），巢湖主要支流有杭埠河、南淝河、派河、赵河、十五里河、塘西河、白石天河、双桥河、柘皋河等，湖泊蓄水后由裕溪河注入长江。巢湖闸下涵盖无为县、和县和含山县。巢湖流域属亚热带和暖温带过渡性的副热带季风气候，年平均气温 15 — 16 ，年平均降水量约 1100mm ，局部特大暴雨基本两年发生一次。土壤类型主要是水稻土、黄褐土，紫色土，棕壤，石灰土等。
图 作品制作流程
2.1 数据预处理
使用 2013-2017 年夏季（ 7 、 8 月份）的武汉市及其周边的图幅数据，因城市夏季收集了包括地形、土地利用、植被覆盖、土壤类型、降雨在内的五类数据（表 1 ）在获取所需的数据后，我们运用 IDL 语言编写的扩展模块提取各个因子，并运用 USLE 模型预测土壤侵蚀量。在得到相应的结果后，我们根据中国水利部划分的《土壤侵蚀分类分级标准》划分土壤侵蚀等级，并以柱状图的形式呈现巢湖流域不同土壤侵蚀等级的比例。最后，我们对巢湖流域土壤侵蚀时间变化进行分析，得到相应的转移矩阵及柱状图。
表 数据来源及精度信息表
| 数据 |
分辨率 |
用途 |
来源 |
| DEM |
90 m |
提取坡度坡长因子 L 、 S |
地理空间数据云 |
| 2005/2010/2015 年 NDV |
500 m |
计算植被覆盖与作物管理因子 C |
地理空间数据云 |
| 2005/2010/2015 年土地利用 |
Shape 格式 |
提取水土保持措施因子 P |
TM 影像解译 |
| 2005/2010/2015 年降雨数据 |
年、月降雨 |
计算降雨侵蚀力因子 R |
中国气象数据网 |
| 土壤类型分布及其理化性质 |
500 m |
计算土壤可蚀性因子 K |
世界土壤数据库 |
2.2 基于 ULSE 模型的土壤侵蚀计算
土壤侵蚀的公式：
A = R · K · LS · C · P
式中： A 为预测土壤侵蚀量 [t/ （ hm 2 · a ） ] ；
R 为降水侵蚀力因子 [ （ MJ · mm ） / （ hm 2 · h · a ） ] ；
K 为土壤可蚀性因子 [ （ t · hm 2 · h ） / （ MJ · hm 2 · mm ） ] ；
LS 为坡长坡度因子（无量纲）；
C 为坡长坡度因子（无量纲）；
P 为水土保持措施因子（无量纲）。
（ 1 ）降水侵蚀力因子
式中： Pi 为月降雨量 ; P 为年降雨量。
（ 2 ） 土壤可蚀性因子
式中 : SAN 为沙粒含量 ; SIL 为粉沙含量； CLA 为黏粒含量 ; C 为土壤有机碳含量 ;
SN1 = 1 － SAN/100
（ 3 ）植被覆盖因子
式中，植被覆盖度 f c 范围为 0( 裸岩、土壤等无植被覆盖 ) 到 1( 纯植被覆盖 ) 。 C 是根据地面植被覆盖状况不同而反应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，根据蔡崇法等的方法， C 可以表达为 :
式中 :f c 为植被覆盖度。该公式表明植被覆盖度大于 78.3% ，地表的侵蚀量极其微弱，侵蚀量可以忽略不计。而植被覆盖度小于 0.1% 时，它的减蚀作用基本没有反映。其 C 因子值分布范围为 0( 纯植被覆盖区域 ) 到 1( 裸岩、土壤等无植被覆盖区域 ) 。
（ 4 ）坡长和坡度因子
LS=(Flow Accum × Cell size/22.13)0.4 × (sin slope/0.0896)1.3
式中， Flow Accum 为汇水累积量， CellSize 为栅格像元大小， slope 为坡度
（ 5 ）水土保持措施因子
P 为在有一定水土保护措施后土壤流失量与顺坡种植土壤流失量的比值 , 为无量纲数，介于 0-1 之间。无任何水士保持措施的土地类型取值 1, 不会发生土壤侵蚀的土地类型取值为 0 。其他情况在 0~1 直接取。土壤保持措施因子 P 被认为是 USLE 方程中最难确定的因子，结合国内该地区前人的研究和巢湖流域土地利用及农事活动情况来确定 P 值，如林地、草地等无人为措施的自然景观土地类型取值为 1, 水域、建设用地等无土壤侵蚀的土地类型取值为 0 ，水田取值 0. 1, 旱地为 0.3 。
表 巢湖流域土壤保持措施因子 P 值
| 土壤利用 类型 |
草地 |
林地 |
耕地 |
水域 |
裸地 |
其他 用地 |
| P |
1 |
1 |
0.3 |
0 |
0 |
0 |
2.3 结果与分析
通过参考水利部颁发的土壤侵蚀强度分类分级标准，并且结合巢湖流域的实际情况，如下表标准进行土壤侵蚀量的等级划分
图 土壤侵蚀分级分布图
2.3.1. 巢湖 流域 土壤侵蚀量计算
图 巢湖 3 期土壤侵蚀强度比例图
通过统计分析得到巢湖流域研究区 2005 、 2010 、 2015 年 3 期各等级土壤侵蚀强度比例图 ( 表 2) 。 2005 、 2010 、 2015 年微弱侵蚀所占面积比例较大，分别占巢湖流域研究区面积的比例分别为 96.767% 、 97.253% 、 98.151% ，说明巢湖流域大部分土壤侵蚀较轻。 2005 年微弱、轻度面积占巢湖流域总面积的 96.767% 、 2.735% ， 2010 年为 97.253% ， 2.376%,2015 年为 98.151% ， 1.762% 。可以发现，巢湖流域土壤侵蚀正形成以微弱、轻度为主的局面。
2.3.2. 巢湖流域土壤侵蚀量空间变化分析
图 2005-2010 年转移矩阵图
图 2010-2015 年转移矩阵图
图 2005-2015 年转移矩阵图
通过分析，我们可以发现：
（ 1 ） 2005-2010 年，共有 123km2 地区土壤侵蚀强度增加， 202.25km2 地区侵蚀强度减少 ;
（ 2 ） 2010-2015 年，共有 53.75km2 地区土壤侵蚀强度增加， 200km2 地区侵蚀强度减少 ;
（ 3 ） 2005-2015 年，共有 51.25km2 地区土壤侵蚀强度增加， 269.5km2 地区侵蚀强度减少。
这主要是由于 2005 ～ 2015 年植被覆盖度总体呈现波动性增加趋势，也正说明了植被覆盖度对于土壤侵蚀的影响较大。由此反映 2005 年— 2015 年巢湖流域的土壤侵蚀治理取得了一定的成效，生态环境正在逐步改善。
在 USLE 模型参数因子中，由于坡度坡长因子 LS 、土壤可蚀性因子 K 在一定的时间范围内属于固定值，短期内不会发生太大变化，而降雨侵蚀因子 R 、土壤水土保持措施因子 P 以及植被覆盖与作物管理因子 C 是决定土壤侵蚀的关键因子，土壤水土保持措施因子 P 以及植被覆盖与作物管理因子 C 也是较其他因素更为容易控制的因子，通过 USLE 土壤侵蚀模型模拟分析巢湖流域 2005 年到 2015 土壤侵蚀的时空分布及其变化特征，可为该区域的水土保持规划和土地整治措施提供科学的参考。由以上述结果分析可知，土壤侵蚀分级发生变化基本位于巢湖区域的丘陵地区，此区域地形复杂，坡度坡长较大，也为土壤侵蚀的严重区域。
2.3.3. 结论
本实验基于 GIS 和 USLE 的土壤侵蚀模型估算了巢湖流域 2005 年到 2015 年土壤侵蚀模数，并分析其时空变化分异特征，通过分析我们发现：
（ 1 ）微度与轻度侵蚀占巢湖流域总面积 95% 以上，说明巢湖流域大部分地区土壤侵蚀较轻，原因在于巢湖流域以平原为主，山区地形起伏较小，同时流域内植被覆盖度较高 ;
（ 2 ）从时间上来看，总体上，重度与中度土壤侵蚀区域减少，向微弱、轻度土壤侵蚀区域转移，由于 2005 ～ 2015 年植被覆盖度总体呈现波动性增加趋势，使得土壤侵蚀分级总体上也呈现波动性变好的趋势。
（ 3 ）巢湖流域土地类型结构调整、退耕还林、退耕还湖等措施形成了土壤侵蚀以微度、轻度为主，使生态环境有了改善。
2.4 工具开发
作品亮点
（ 1 ）定量计算流域土壤侵蚀程度，评价土壤侵蚀变化趋势，为区域水土保持规划和土地整治措施提供科学有效的参考；
（ 2 ）通过利用 IDL 语言进行程序编译，使得用户只需输入相应的数据和参数，就能够得到土壤侵蚀结果。大大方便了用户自己进行土壤侵蚀变化分析的效率。
（ 3 ）最后形成的用户界面，具有简洁、操作简单方便、人机界面友好。
以上所述就是小编给大家介绍的《2018Esri开发竞赛ENVI-IDL组作品欣赏-基于USLE模型的巢湖流域土壤侵蚀研究》，希望对大家有所帮助，如果大家有任何疑问请给我留言，小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对 码农网 的支持！
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