土壤侵蝕的估算方法

土壤侵蝕的估算方法數(shù)

據(jù)

處

理

流

程作者：牛健平

時間：2011年10月11日

北京天合數(shù)維科技有限公司目錄（CONTENT）TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、所需數(shù)據(jù)與參數(shù) 3\o"CurrentDocument"1、所需數(shù)據(jù) 3\o"CurrentDocument"2、所需中間參數(shù) 32.1、 水土保持因子P 32.2、 地標(biāo)覆蓋因子C 32.3、 地形因子LS 42.4、 土壤可視性因子K 42.5、 降水侵蝕因子R 4\o"CurrentDocument"3、 所需參數(shù) 53.1、 潛在土壤侵蝕量Ap 53.2、 現(xiàn)實土壤侵蝕量Ar 53.3、 土壤保持量Ac 5\o"CurrentDocument"4、 指標(biāo)結(jié)果參數(shù) 54.1、 保護(hù)土壤肥力的經(jīng)濟(jì)效益Ef 64.2、 減少土地廢棄的經(jīng)濟(jì)效益Es 64.3、 減輕泥沙淤積的經(jīng)濟(jì)效益En 6\o"CurrentDocument"二、處理流程 7\o"CurrentDocument"1、 DEM數(shù)據(jù)的處理 81.1、 坡長L 81.2、 百分比坡度a 81.3、 地形因子LS 9\o"CurrentDocument"2、 氣象數(shù)據(jù) 92.1、 月降雨量Pi的計算 92.2、 土壤侵蝕力指標(biāo)R 10\o"CurrentDocument"3、 土壤類型數(shù)據(jù) 10\o"CurrentDocument"4、 遙感影像數(shù)據(jù) 105、 土壤理性化數(shù)據(jù) 11\o"CurrentDocument"三、 所需參數(shù)的計算 11\o"CurrentDocument"四、 指標(biāo)結(jié)果參數(shù)計算 11一、所需數(shù)據(jù)與參數(shù)在計算的過程中，總共涉及到的數(shù)據(jù)有地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、土壤理性化數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，涉及到的中間參數(shù)有水土保持因子P,地標(biāo)覆蓋因子C,地形因子LS,土壤可視性因子K,降水侵蝕因子R,所需要的參數(shù)有潛在土壤侵蝕量Ap，現(xiàn)實土壤侵蝕量Ar,土壤保持量Ac,指標(biāo)結(jié)果參數(shù)有保護(hù)土壤肥力的經(jīng)濟(jì)效益Ef,減少土地廢棄的經(jīng)濟(jì)效益Es，減輕泥沙淤積的經(jīng)濟(jì)效益En。1、 所需數(shù)據(jù)在進(jìn)行土壤侵蝕的估算過程中,需要以下數(shù)據(jù)：A、 地形數(shù)據(jù)；B、 遙感影像數(shù)據(jù)；C、 氣象數(shù)據(jù)，主要是降雨量數(shù)據(jù)；D、 土壤類型數(shù)據(jù)；E、 土壤理性化數(shù)據(jù)；F、 統(tǒng)計數(shù)據(jù)。2、 所需中間參數(shù)在數(shù)據(jù)處理的過程中,所涉及到的中間參數(shù)與計算公式如下。2.1、 水土保持因子P按照游松財?shù)姆椒?水田的P值取0.15,其他土地利用方式基本沒有采取水土保持措施,因此取值為1.00。2.2、 地標(biāo)覆蓋因子C地表覆蓋因子是根據(jù)地面植被覆蓋狀況不同而反映植被對土壤侵蝕影響的因素，與土地利用類型、覆蓋度密切相關(guān)。C值的估算采用如下公式：'c二1,fC=0c=\c二0.6508-0.34361gfC,0<fC<78.3%c二0,fC>78.3%式中，fC表示植被覆蓋度，由遙感影像通過NDVI計算。2.3、 地形因子LS通過數(shù)字高程模型（DEM）,計算獲得坡長和坡度，然后根據(jù)黃炎和等建立的方程式，獲得LS的空間分布特征。LS二0.08L0.35a0.6式中，L,坡長（m）；a,百分比坡度。2.4、 土壤可視性因子K采用陳明華等人建立的土壤可蝕性K值的計算公式：K= 10-3 （160.80-2. 31X 1+0. 38X 2+2. 26X 3+1. 31X 4+14. 67X5）式中：K—可蝕性K值（美國習(xí)用單位）；X1、X2、X3、X4、X5分別表示細(xì)礫（1?3mm）%、細(xì)砂（0.05?0.25mm）%、粗粉粒（0.01?0.05mm）%、細(xì)粉粒（0.005?0.01mm）%、有機(jī)質(zhì)（10g/kg）。2.5、 降水侵蝕因子R采用周伏建和黃炎和等人（1997,2000,2002）根據(jù)實測數(shù)據(jù)提出的R值計算式，該值考慮了月降水量。R二蘭（-1.5527+0.1792Pi）i=1式中，R為降雨侵蝕力指標(biāo)（j.cm/m2.h）.Pi為月降雨量（mm）。月降水量Pi：根據(jù)氣象站點觀測的降水點位及數(shù)據(jù)，進(jìn)行克里金插值獲得。3、所需參數(shù)在計算的過程中主要涉及到潛在土壤侵蝕量Ap，現(xiàn)實土壤侵蝕量Ar以及土壤保持量Ac三個參數(shù)，可以通過以上5個中間參數(shù)來獲得，其計算公式如下。3.1、 潛在土壤侵蝕量Ap潛在土壤侵蝕量不考慮地表覆蓋類型和土地管理因素，即c=l,p=1，此時,USLE的形式為：A=RxKxLSp式中，Ap為潛在土壤侵蝕量（噸/平方千米），R為降雨侵蝕力指標(biāo)，K為土壤可侵蝕因子，LS為坡長坡度因子。3.2、 現(xiàn)實土壤侵蝕量Ar現(xiàn)實土壤侵蝕量主要考慮了地表覆蓋類型和土地管理因素，其計算式為：A二RxKxLSxCxPr式中，Ar為現(xiàn)實土壤侵蝕量（噸/平方千米），R為降雨侵蝕力指標(biāo)，K為土壤可侵蝕因子，LS為坡長坡度因子，C為地表覆蓋因子，P為土壤保持措施因子。3.3、 土壤保持量Ac由上兩式可得到土壤保持量：AAAc=p－r式中，A為潛在土壤侵蝕量（噸/平方千米），A為現(xiàn)實土壤侵蝕量（噸/平方千米）,prA為土壤保持量（噸/平方千米）。c4、指標(biāo)結(jié)果參數(shù)指標(biāo)結(jié)果參數(shù)總共涉及到的數(shù)據(jù)有保護(hù)土壤肥力的經(jīng)濟(jì)效益Ef、減少土地廢棄的經(jīng)濟(jì)效益Es和減輕泥沙淤積的經(jīng)濟(jì)效益En三個參數(shù)，其計算公式與所需參數(shù)值見下。4.1、保護(hù)土壤肥力的經(jīng)濟(jì)效益Ef土壤侵蝕使大量土壤營養(yǎng)物質(zhì)流失，主要表現(xiàn)在N、P、K等營養(yǎng)物質(zhì)的流失。E=（AxDxCxRxC）+丫AC.P/10000（=N,P,K）fceo ciii式中，E為保護(hù)土壤肥力的經(jīng)濟(jì)效益（元/a）；A,土壤保持量（t/hm2a）；D，fce土壤密度（t/m3）；C,土壤有機(jī)質(zhì)含量（kg/1）；R,薪柴轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)的o比例，一般為2；C,薪柴的平均價格（元/kg）；C,土壤中N、P、K的純含量；iP,N、P、K的價格。i注：N、P、K的價格：參照國家林業(yè)局2008年4月28日發(fā)布的《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》，氯化鉀價格為2200元/噸磷酸二銨價格為2400元/噸。元素名稱價格（元/噸）N509.04P563.52K1151.7表1、NPK價格表4.2、 減少土地廢棄的經(jīng)濟(jì)效益Es根據(jù)土壤保持量和土壤表土平均厚度（0.6m）來推算因土壤侵蝕而造成的廢棄土地面積，再根據(jù)機(jī)會成本法計算因土地廢棄而失去的年經(jīng)濟(jì)價值。Es二Ac—P一0.6XB—10000式中，Es,減少土地廢棄的經(jīng)濟(jì)效益（元/a）；Ac,土壤保持量（t/a）；P,土壤的容重（t/ma）；B,濕地年均收益（元/hm2）。注：土壤容量取26.5噸/立方米,濕地年均收益根據(jù)崔麗娟（2004年）研究推算,濕地年均收益為245.5元/平方米。4.3、 減輕泥沙淤積的經(jīng)濟(jì)效益En按照我國主要流域的泥沙運動規(guī)律,全國土壤侵蝕流失的泥沙有24%淤積于

水庫、江河、湖泊,這部分泥沙直接造成了水庫江河、湖泊蓄水量的下降,在一

定程度上增加了干旱、洪澇災(zāi)害發(fā)生的機(jī)會，因此可根據(jù)蓄水成本計算損失價值。En二Ac—pX24%XC式中，En,減輕泥沙淤積的經(jīng)濟(jì)效益（元/a）；Ac,土壤保持量（t/a）；P,土壤的容重（t/m3）；C，水庫工程費用（元/m3）。注：土壤容量取26.5噸/立方米,核算過程中采用的水庫清淤工程費用為6.94元/立方米,此數(shù)據(jù)來源于碩士論文。二、處理流程總體處理流程如下圖所示：V 1土壤侵蝕的估算方法T V!甲T ▼1地形數(shù)據(jù)地形因子；M歸一化植被指龍遙感影像數(shù)據(jù) ?- 植被覆蓋度土壤侵蝕指標(biāo) 土壤可蝕性因子潛在土壤侵蝕量*——（ApV 1土壤侵蝕的估算方法T V!甲T ▼1地形數(shù)據(jù)地形因子；M歸一化植被指龍遙感影像數(shù)據(jù) ?- 植被覆蓋度土壤侵蝕指標(biāo) 土壤可蝕性因子潛在土壤侵蝕量*——（Ap） 地表覆蓋因子 水土保持措施因子（P）P*現(xiàn)實土壤侵蝕量* （Ar） —1 土壤?（ 呆持量IC） NPK價格PiNPK純含量Ci土壤容量P土壤密度De土壤有機(jī)質(zhì)含量Co濕地年均收/B水庫工程費用Z圖1、數(shù)據(jù)處理流程圖1、DEM數(shù)據(jù)的處理運用DEM數(shù)據(jù)得到的最后結(jié)果是求出了地形因子LS，在求LS的過程中，需要坡長L和百分比坡度a，其求解主要在Arcmap中完成。1.1、坡長L坡長的求解主要參考湯國安老師的ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程中的第^一章中的水文分析來完成，Arcmap中建立模型如下圖所示:Fil1E<malFil1 st盅質(zhì)圖2、無洼地DEM生成模型filldemFlowLenuipOutputdropraster圖2、無洼地DEM生成模型filldemFlowLenuipOutputdroprasterFlaw!eridamFlawLenctti（2）FlewDireelion圖3、生成坡長L模型1.2、百分比坡度a百分比坡度a是用slope來實現(xiàn)的。

護(hù)SlopeCidterrorandearringicansformorEnftmatiixiInpu.traater護(hù)SlopeCidterrorandearringicansformorEnftmatiixiInpu.traaterdtini.電Outpirtrasteir|FUr^MensthSlopeIdontifiBGtherateofmaximumchangeinz-陽|朋fromeachcell匚Ertriirttn電laFurenejTt(optimviIjZJFTEEffTHI5EZJZfactiir(djliorial)圖4、百分比坡度的生成1.3、地形因子LS地形因子LS計算的模型為:圖5、地形因子LS的計算模型2、氣象數(shù)據(jù)根據(jù)氣象站點觀測的降水點位及數(shù)據(jù)，進(jìn)行克里金插值獲得月降雨量數(shù)據(jù)Pi,再根據(jù)Pi計算土壤侵蝕力指標(biāo)R。2.1、月降雨量Pi的計算2.2、土壤侵蝕力指標(biāo)R土壤侵蝕力指標(biāo)P是在Arcmap下SpatialAnalyst|RasterCaculator…中計算而來。SpatialAnalystTDistanceDenisity...InterpolatetoRa-sterSurfaceAnalysisCallStatisnics..?NeighboidioodStatistics...ZonalSiiEstistic^i.?Histogram■“3、土壤類型數(shù)據(jù)土壤可蝕性因子K是通過土壤類型數(shù)據(jù)直接對其進(jìn)行賦值。4、遙感影像數(shù)據(jù)通過遙感影像數(shù)據(jù)獲得地表覆蓋因子C,首先求NDVI,NDVI的求解在ENVI中實現(xiàn)，主菜單中transform—ndvi，算歸一化植被指數(shù)。接著根據(jù)NDVI數(shù)據(jù)來求解植被覆蓋度FC,其計算公式為：FC=(NDVI-NDVI_MIN)/(NDVI_MAX-NDVI_MIN)式中：NDVI_MIN為NDVI的最小值，NDVI_MAX為NDVI的最大值。由此，我們可以根據(jù)公式c=lfC二0c={c二0.650&0.3436lgG0<fC<78.3%c二0,fC>78.3%來計算C值，在Arcmap中SpatialAnalyst|RasterCaculator…實現(xiàn)。

C=con([tc.imE]==J.l._{|fc.img]>0At[fc.in.g|<0.783,0.65080.3136LoglO([fc.mg]血C=con([tc.imE]==J.l._{|fc.img]>0At[fc.in.g|<0.783,0.65080.3136LoglO([fc.mg]血{1}IH=1血1}Not15、土壤理性化數(shù)據(jù)按照游松財?shù)姆椒?，水田的P值取0.15，其他土地利用方式基本沒有采取水土保持措施，因此取值為1.00。三、所需參數(shù)的計算所需要的參數(shù)有潛在土壤侵蝕量Ap，現(xiàn)實土壤侵蝕量Ar，土壤保持量Ac,在進(jìn)行了上述的計算以后，其計算比較簡單，根據(jù)公式，在SpatialAnalyst|RasterCaculator…中輸入對應(yīng)公示即可實現(xiàn)。最后對Ac進(jìn)行匯總統(tǒng)計，在Spati