土壤侵蝕的估算方法

1、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）一、所需數(shù)據(jù)與參數(shù)31、所需數(shù)據(jù)32、所需中間參數(shù)32.1、水土保持因子P32.2、地標覆蓋因子C32.3、地形因子LS42.4、土壤可視性因子K42.5、降水侵蝕因子R43、所需參數(shù)53.1、潛在土壤侵蝕量Ap53.2、現(xiàn)實土壤侵蝕量Ar53.3、土壤保持量Ac54、指標結(jié)果參數(shù)54.1、保護土壤肥力的經(jīng)濟效益Ef64.2、減少土地廢棄的經(jīng)濟效益Es64.3、減輕泥沙淤積的經(jīng)濟效益En6二、處理流程71、DEM數(shù)據(jù)的處理81.1、坡長L81.2、百分比坡度

2、a81.3、地形因子LS92、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R103、土壤類型數(shù)據(jù)104、遙感影像數(shù)據(jù)105、土壤理性化數(shù)據(jù)11三、所需參數(shù)的計算11四、指標結(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，指標結(jié)果參數(shù)有保護土壤肥力的經(jīng)濟效益Ef，減少土地廢棄的經(jīng)濟效益Es，減輕泥沙淤積的經(jīng)濟效益En。1

3、、所需數(shù)據(jù)在進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：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

4、（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。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. 67X 5)式中: K 可蝕性K 值(美國習用單位) ; X 1、X 2、X 3、X 4、X 5 分別表示細礫(1 3mm )%、細砂(0. 05 0. 25mm )%、粗粉粒(0. 01 0. 05 mm )%、細粉粒(0. 005 0. 01mm )%、有機質(zhì)(

5、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。式中，R為降雨侵蝕力指標（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=1，p=1，此時，USLE的形式為：式中，Ap為潛在土壤侵蝕量（噸/平方千米），R為降雨

6、侵蝕力指標，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：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，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：Ac=ApAr式中，Ap為潛在土壤侵蝕量（噸/平方千米），Ar為現(xiàn)實土壤侵蝕量 （噸/平方千米），Ac為土壤保持量（噸/平方千米）。4、指標結(jié)果參數(shù)指標結(jié)果參數(shù)總共涉及到的數(shù)據(jù)有保護土壤肥力的經(jīng)濟效益Ef、減少土地廢棄的經(jīng)濟效益Es和減輕泥沙淤積的經(jīng)濟效益En三個參

7、數(shù)，其計算公式與所需參數(shù)值見下。4.1、保護土壤肥力的經(jīng)濟效益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。式中，Ef為保護土壤肥力的經(jīng)濟效益（元/ a）；Ac，土壤保持量（t/hm2a）；De，土壤密度（t/m3）；Co , 土壤有機質(zhì)含量（kg/t）；R，薪柴轉(zhuǎn)化為土壤有機質(zhì)的比例，一般為2；C，薪柴的平均價格（元/kg）；Ci，土壤中N、P、K的純含量；Pi，N、P、K的價格。 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)標準森林生態(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

8、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)機會成本法計算因土地廢棄而失去的年經(jīng)濟價值。Es=AcP0.6B10000式中，Es，減少土地廢棄的經(jīng)濟效益（元/a）；Ac，土壤保持量（t/a）；P，土壤的容重（t/m3）；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

9、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)生的機會，因此可根據(jù)蓄水成本計算損失價值。En=Acp24%C式中，En，減輕泥沙淤積的經(jīng)濟效益（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：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

10、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十一章中的水文分析來完成，Arcmap中建立模型如下圖所示：圖2、無洼地DEM生成模型圖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。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R。2.1、月降雨量Pi的計算2.2、土壤侵蝕力指標R土壤侵蝕力指標P是在Arcmap下Spatial Analy

11、st|Raster Caculator中計算而來。圖6、柵格計算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transformndvi，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)公式來計算C值，在Arcmap中Spatial Analyst|Raster Caculator實現(xiàn)。5、土壤理性化數(shù)據(jù)按照游松財?shù)姆椒ǎ锏腜值取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，在進行了上述的計算以后，其計算比較簡單，