土壤流失模型(RUSLE)土壤流失評(píng)價(jià)

1、9.4土壤流失模型(RUSLE:土壤流失評(píng)價(jià)水土流失(waterLossandSoilErosion)是當(dāng)今世界面臨的一個(gè)重大環(huán)境問題，是指在水力、重力、風(fēng)力等外力的作用下，水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失，包括了土壤侵蝕(SoilErosion)及水的流失兩個(gè)方面。水土流失是一個(gè)受多種因素驅(qū)動(dòng)作用的自然過程，由降雨作為主要侵蝕動(dòng)力的即為水力侵蝕，其作用多體現(xiàn)于具有一定坡度的山地、丘陵地區(qū)，以降水直接沖走表層土壤為主要表現(xiàn)形式。當(dāng)表層土壤受侵蝕的程度超過一定的安全閾值時(shí)，就會(huì)形成或引發(fā)滑坡、泥石流等劇烈的土壤流失過程，降低區(qū)域土壤生產(chǎn)力，嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)的平衡。由于這一過程表現(xiàn)出明顯的斑塊性和

2、異質(zhì)性，難以用定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行追蹤監(jiān)測(cè)，故多以預(yù)測(cè)估算的方式對(duì)之進(jìn)行研究。9.4.1 RUSL哦型RUSLEH型(TheRevisedUniversalSoilLossEquation)是美國(guó)農(nóng)業(yè)部于1997年在通用土壤流失模型USLE(TheuniversalSoilLossEquation)的基礎(chǔ)上修訂建立并正式實(shí)施的一種適用范圍更廣的修正模型。自頒布之后即在美國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，目前美國(guó)各州都己有成功應(yīng)用的案例。該模型也被世界各國(guó)的研究者借鑒，于20世紀(jì)90年代被引入中國(guó)。RUSLE莫型目前己在國(guó)內(nèi)外的土壤侵蝕預(yù)測(cè)研究中得到了非常廣泛的應(yīng)用。其計(jì)算表達(dá)式為：A=RKLSCP(1)圖1RUSL

3、E模型的技術(shù)流程圖A為預(yù)測(cè)土壤侵蝕量(estimatedaveragesoillossintonsperacreperyear),主要指由降雨和徑流引起的坡面細(xì)溝或細(xì)溝間侵蝕的年均土壤流失量。R為降雨侵蝕力因子(rainfall-runofferosivityfactor)(MJmmhm-2,h-1a-1)，它反映降雨引起土壤流失的潛在能力。在USLE中，它被定義為降雨動(dòng)能和最大30分鐘降雨強(qiáng)度的乘積。K為土壤可蝕性因子(soilerodibilityfactor)(t-hm2,hMJ-1mm-1hm-2),它是衡量土壤抗蝕性的指標(biāo)，用于反映土壤對(duì)侵蝕的敏感性。K表示標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)單位降雨侵蝕力引起

4、的單位面積上的土壤侵蝕量。LS為坡長(zhǎng)坡度因子（L=slopelengthfactor,s=slopesteepnessfactor）（無量綱），其中L為坡長(zhǎng)因子，被定義為坡長(zhǎng)的哥函數(shù)。S為坡度因子，LS表示在其他條件不變的情況下，某給定坡長(zhǎng)和坡度的坡面上土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)典型坡面上土壤流失量的比值，它對(duì)土壤侵蝕起加速作用。C為覆蓋與管理因子（cover-managementfactor）（無量綱）,它指在其他因子相同的條件下，在某一特定作物或植被覆蓋下的土壤流失量與耕種后的連續(xù)休閑地的流失量的比值。該因子衡量植被覆蓋和經(jīng)營(yíng)管理對(duì)土壤侵蝕的抑制作用。P為水土保持措施因子（supportpr

5、acticefactor）（無量綱），它指采取水土保持措施后的土壤流失量與順坡種植的土壤流失量的比值。9.4.2 RUSLE莫型所需數(shù)據(jù)搜集進(jìn)彳TRUSLE模型的計(jì)算需要不同的數(shù)據(jù)，對(duì)所需數(shù)據(jù)的描述如下：1）研究區(qū)大比例尺地形圖地形圖；2）研究區(qū)降雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；3）研究區(qū)土壤類型圖；4）研究區(qū)土壤普查資料（包括土壤機(jī)械組成、粒級(jí)含量、有機(jī)質(zhì)含量等數(shù)據(jù)）；5）研究區(qū)數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）;6）研究區(qū)不同時(shí)段歸一化植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)；7）研究區(qū)不同時(shí)段土地利用柵格數(shù)據(jù)9.4.3RUSLE莫型中因子的計(jì)算3.2 R因子的計(jì)算R因子的計(jì)算一般通過基于月平均降雨量和年平均降雨量的Wischmeier公

6、式計(jì)算1:pi212（1.5lg-p-）-0.8188R=x1.73510p（2）i=1其中pi和p分別是月均和年均降雨量（mm）。得到R因子的柵格圖如圖2所示。Hisk；58國(guó)圖2R因子的柵格圖Low;J1OCK因子的計(jì)算K的估算公式根據(jù)不同的土壤組成與搜集數(shù)據(jù)的多少而變化。如根據(jù)美國(guó)粒徑分級(jí)制進(jìn)行計(jì)算的Whischmeier公式2：_4114_V2.110M(12-OM)3.35(S-2)2.5(p-3)K二100其中，M=（粉砂+極細(xì)砂）.（1粘粒）（據(jù)美國(guó)粒彳5分級(jí)制）；OM=土壤有機(jī)質(zhì)含量；S卦構(gòu)系數(shù)；P=#透性等級(jí)。彳#到研究區(qū)K因子的柵格圖如圖3所示。圖3K因子的柵格圖LS因子的

7、計(jì)算Distance模塊計(jì)算每個(gè)Wischmeier和Smith(4)在ARCGIS中利用流域的DEM數(shù)據(jù)提取出山脊線，然后利用柵格到山脊線的垂直距離，以此作為每個(gè)柵格的近似坡長(zhǎng)，然后采用提出的坡長(zhǎng)因子計(jì)算公式3:,九、Cf_L=()-22.13sin1/0.0896-二-（63.0（sin咪0.56以上各式中，入為水平坡長(zhǎng)，a為坡長(zhǎng)指數(shù)，22.13為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡長(zhǎng)（m）,。為利用DEM提取的坡度。得到研究區(qū)的L因子的柵格圖如圖4所示。S因子采用McCool的計(jì)算公式以及劉寶元的陡坡計(jì)算公式45:S=10.8sin-0.03,當(dāng)-:二9%S=16.8xsin90.50,當(dāng)9%E9<14%

8、(7)S=10.8sin0.03,當(dāng)u14%利用研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，在ARCGI»SpatialAnalyst模塊中的SurfaceAnalysis功能提取坡度專題圖，并轉(zhuǎn)化為弧度單位，然后在RasterCalculator模塊中利用公式7計(jì)算得到流域的S因子層如圖5所示.圖4L因子的柵格圖圖5s因子的柵格圖C因子的計(jì)算C因子的計(jì)算首先利用等密度估算模型估算植被覆蓋率cov6,其計(jì)算公式為:N-Nsoilcov二Nveg-Nsoil式中，Nsoil為裸地的NDVI值，其取值為對(duì)裸地的象元進(jìn)行隨機(jī)抽取統(tǒng)計(jì)的最低值;Nveg是高純度植被象元的NDVI值，N是對(duì)草地象元進(jìn)行隨機(jī)抽取統(tǒng)計(jì)的最低

9、值。然后利用蔡崇法等5建立的C因子值與植被覆蓋度之間的回歸方程計(jì)算C值，方程如C=0.6508-0.3436lgcov(8)式中cov為植被覆蓋度，cov>78.3%時(shí)，C=0;cov=0時(shí)，C=1。利用研究區(qū)不同時(shí)段NDVI圖像分別對(duì)裸地和植被進(jìn)行隨機(jī)抽取統(tǒng)計(jì)最低值，得到Nsoil和Nveg的值代入公式7得到cov值，把cov代入公式8計(jì)算得到流域不同時(shí)段的C因子?xùn)鸥駡D層如圖6所示。圖6c因子的柵格圖P因子的計(jì)算P因子與下墊面的土地利用類型有關(guān)，根據(jù)蔡崇法等口所提出的土地利用類型對(duì)P值的影響，確定不同土地利用類型的P值。之后在ARCGIS的RasterCalculator模塊中按照P值

10、與土地利用類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)柵格進(jìn)行重分類，得到研究區(qū)的P因子?xùn)鸥駡D層如圖7所示。圖7P因子的柵格圖9.4.2土壤侵蝕格局的分析得到上述各因子的柵格圖層后，在ARCGIS的RasterCalculator模塊中按照公式1對(duì)各個(gè)柵格的土壤侵蝕量進(jìn)行計(jì)算，便可以得到土壤侵蝕強(qiáng)度的示意圖如圖8所示。對(duì)侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分類后的土壤侵蝕格局分布圖如圖9所示。圖8土壤侵蝕量圖*叫y性4名停過f唾停才五圖9土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖參考文獻(xiàn)WischmeierWH.ManneringJV.RelationofsoilpropertiestoitserodibilityJ.SoilScienceSocietyofAmeri

11、canProceedings,1969,33(1):131137WischmeierWH,SmithDD.Predictingrainfall-erosionlossesfromcroplandeastoftheRocky29.MountainsR.USDAAgriculturalHandbookNo.282,1965.WischmeierW.H.,SmithD.D.Predictingrainfallerosionlosses.USDAAgricultureHandbook.No.537.1978.MeCoolDK,BrownLC,FosterGR,etal.RevisedslopesteepnessfactorfortheuniversalsoillossequationJ.TRANSACTIONSoftheASAE,1987,30(5):13871396.5劉寶元，張科禾1J,焦菊英