一種改進的K‑RUSLE模型與成土速率計算土壤侵蝕的方法與流程

2023-06-11 02:26:51

本發明涉及一種改進的k-rusle模型與成土速率計算土壤侵蝕的方法，屬於水土保持和生態環境監測領域。

背景技術：

準確的定量土壤侵蝕的時間和空間分異規律，明確其發生強度，區域類型，對有效地實施水土保持工作和預防水土流失具有重要科學價值。特別是在喀斯特生態敏感脆弱區，對土壤侵蝕進行準確量化是非常缺乏的。

首先，基於rulse土壤侵蝕模型和gis、rs技術，獲取土壤侵蝕各因子，研究土壤侵蝕模數、侵蝕量、侵蝕強度的時間和空間演變特徵是土壤侵蝕常用的研究方法。但是在傳統的rulse模型算法中，降雨侵蝕力的計算有著很大的局限性。因為在實際的降雨過程中並不是每一場的降雨都會產生土壤侵蝕，只有在降雨達到一定的閾值時土壤侵蝕才會發生，而閾值的大小由下墊面的地質背景特徵所決定。因此，針對不通的地質背景對傳統的rulse模型進行改進是非常必要的。

其次，就喀斯特地區而言，由於其巖石的可溶性，使得喀斯特地區比非喀斯特地區具有更多的空隙，在降雨產流的過程中，消耗在填窪上的雨量遠遠大於非喀斯特區域，因而在喀斯特地區產生有效侵蝕的降水閾值要遠大於非喀斯特地區。在現有的涉及到喀斯特區域的土壤侵蝕研究中，前人研究雖然認識到喀斯特有別的非喀斯特的特殊地質背景，但在實際的土壤侵蝕研究過程中仍然未能提出有效的解決措施，仍是借用非喀斯特土壤侵蝕的研究方法進行喀斯特土壤侵蝕研究，這種計算方法會造成研究結果的錯判和誤判，針對上述的問題，本發明首先對降雨侵蝕力因子進行了改進。

再次，在對土壤侵蝕結果分析時，大部分的研究並未考慮研究區土壤侵蝕可承受閾值即成土速率的大小，並未對研究結果進行檢驗與校正，研究結果的可靠性難以確定，因而不能充分表徵土壤侵蝕對生態環境的脅迫性，特別是不能精準地對土壤侵蝕的風險進行有效評估。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提供了一種改進的k-rusle模型與成土速率計算土壤侵蝕的方法，該方法通過將喀斯特與非喀斯特日降水量分別以不同閾值進行初步篩選，對降雨侵蝕力因子進行不同的地質差異化處理，能夠有效地剔除未產生侵蝕的降雨量，使降雨侵蝕力的結果更加精確。

本發明通過以下技術方案得以實現。

本發明提供的一種改進的k-rusle模型與成土速率計算土壤侵蝕的方法，包括如下步驟：

①獲取數據：從資料庫中提取日降水量數據、土壤質地與有機質含量、數字高程模型、歸一化植被指數、土地利用類型以及巖性矢量數據、碳酸鹽巖溶蝕速率、酸不溶物含量百分比、碳酸鹽巖含量百分比、碳酸鹽巖密度、非碳酸鹽巖成土速率，並將上述數據投影到統一坐標系中；

②降雨侵蝕力改進計算：對獲取的日降水量數據以預定閥值篩選並計算，通過插值得到不同地質背景區域的降雨侵蝕力圖層；

③理論侵蝕模數計算：將不同地質背景區域的降雨侵蝕力圖層帶入rulse模型之中，計算出不同地質背景區域的理論侵蝕模數；

④巖性裁剪：利用巖性矢量數據對土壤侵蝕模數圖層進行裁剪，分別得到喀斯特區域的土壤侵蝕模數圖層和非喀斯特區域的土壤侵蝕模數圖層；

⑤喀斯特成土速率計算：針對喀斯特區域的土壤侵蝕模數圖層對應的數據，利用碳酸鹽巖溶蝕速率，酸不溶物含量百分比，碳酸鹽巖含量百分比，碳酸鹽巖密度，非碳酸鹽巖成土速率，計算巖石風化成土速率圖層；

⑥土壤侵蝕模數檢驗：將喀斯特土壤侵蝕模數圖層減去喀斯特成土速率圖層做減法運算，得到一個包含0及正負值的圖層，大於0的部分表示，該區域理論土壤侵蝕量大於其實際成土量；小於等於0的部分表示，該區域理論土壤侵蝕量小於實際成土量。

⑦土壤侵蝕模數校正：利用巖石風化成土速率圖層對喀斯特區域差值大於0的部分進行土壤侵蝕模數校正。

所述步驟②中，預定閥值非喀斯特區域為12mm，喀斯特區域為30mm，分別對應計算得到兩個降雨侵蝕力圖層。

所述步驟③中，採用a＝r·k·l·s·c·p進行計算，其中a為土壤侵蝕模數、r為降雨侵蝕力因子、k為土壤可蝕性因子、l為坡長因子、s為坡度因子、c為地表植被覆蓋與管理因子、p為水土保持措施因子。

所述步驟④中，通過喀斯特圖層對閥值30mm對應的土壤侵蝕模數圖層進行裁剪，得到喀斯特區域的土壤侵蝕模數圖層；通過非喀斯特圖層對閥值12mm對應的土壤侵蝕模數圖層進行裁剪，得到非喀斯特區域的土壤侵蝕模數圖層。

所述步驟⑤中，計算巖石風化成土速率圖層通過

wi＝v·q·ρ·m+n·(1-m)

進行計算，其中wi為巖石風化成土速率，單位t·km-2·yr-1；v為碳酸鹽巖溶蝕速率，單位mm/a，換算為m3·km-2·yr-1；q為酸不溶物含量，單位％；m為碳酸鹽巖含量，單位％；ρ為碳酸鹽巖密度，單位t/m3；n為非碳酸鹽巖成土速率，單位t·km-2·yr-1。

所述步驟⑥⑦採取如下方式進行校正：

(5.1)計差值圖層：用喀斯特區域的土壤侵蝕模數圖層減去巖石風化成土速率圖層，得到差值圖層；

(5.2)區分賦值：將差值圖層裡值大於0的部分提取出來作為待校正圖層，將差值圖層裡值小於等於0的部分提取出來作為無需校正圖層；

(5.3)提取賦值：用待校正圖層對巖石風化成土速率圖層進行掩膜提取，然後對待校正圖層進行賦值，得到校正賦值圖層；

(5.4)拼接校正：將校正賦值圖層與無需校正圖層拼接融合，得到校正後的喀斯特區域土壤侵蝕模數圖層。

所述步驟⑦之後，將經校正的喀斯特區域土壤侵蝕模數圖層與步驟④中得到的非喀斯特區域的土壤侵蝕模數圖層進行拼接融合，得到完整土壤侵蝕模數圖層。

其特徵在於：在計算前侵蝕模數前，經過預定閥值先對全年的日降水量數據進行篩選，再通過空間插值得到不同地質背景區降雨侵蝕力柵格圖層。

其特徵在於：在計算總侵蝕量前，利用喀斯特區域成土速率對理論侵蝕模數進行檢驗並加於校正。

本發明的有益效果在於：①將喀斯特與非喀斯特土壤侵蝕量分別進行處理，對降雨侵蝕力因子進行喀斯特化，能夠有效地剔除未產生侵蝕的降雨量，使降雨侵蝕力的結果更加精確；②基於成土速率的閾值，對理論土壤侵蝕模數進行有效性檢驗同時，亦進行了錯誤校正，顯著的提升了土壤侵蝕結果的準確率.

具體實施方式

下面進一步描述本發明的技術方案，但要求保護的範圍並不局限於所述。

本發明提供一種改進的k-rusle模型與成土速率計算土壤侵蝕的方法，包括如下步驟：

第一，獲取數據與預處理。計算土壤侵蝕模數所需要的數據分別為：日降水量數據，土壤質地與有機質含量，數字高程模型(dem)，歸一化植被指數(ndvi)，土地利用類型以及巖性矢量數據。計算碳酸鹽巖成土速率要準備的數據有碳酸鹽巖溶蝕速率，酸不溶物含量百分比，碳酸鹽巖含量百分比，碳酸鹽巖密度，非碳酸鹽巖成土速率。獲取相關數據後對數據進行重投影，使其具有統一的投影系統與坐標；對數據進行初運算使其符合模型運算要求。

第二，降雨侵蝕力的改進與計算。對獲取的氣象及雨量站點日降水數據分別以12mm和30mm為閾值進行篩選，剔除日降水量小於12mm或30mm的日降水量。選擇適合於研究區的降雨侵蝕力日雨量模型計算研究區降雨侵蝕力，利用arcgis對計算結果進行空間插值，分別得到兩張降雨侵蝕力柵格圖層rd12和rd30。

第三，計算理論侵蝕模數。將上一步生成的降雨侵蝕力圖層和其他因子圖層一同輸入rulse模型之中，計算得到兩張研究區土壤侵蝕模數圖層a12和a30。模型公式如下：

a＝r·k·l·s·c·p

式中a為土壤侵蝕模數(t·ha-1·yr-1)；r為降雨侵蝕力因子(mj·mm·ha-1·h-1·yr-1)；k為土壤可蝕性因子(t·h·mj-1·mm-1)；l為坡長因子；s為坡度因子；c為地表植被覆蓋與管理因子；p為水土保持措施因子。

第四，提取喀斯特和非喀斯特侵蝕模數圖層。利用巖性圖層對計算後的土壤侵蝕模數數據進行裁剪。利用喀斯特圖層對a30圖層進行裁剪，得到喀斯特區域的土壤侵蝕模數圖層；利用非喀斯特圖層對a12圖層進行裁剪，得到非喀斯特區域的土壤侵蝕模數圖層。

第五，計算喀斯特地區不同巖層組和類型的成土速率。通過模型公式計算得到喀斯特成土速率圖層，其計算公式如下：

wi＝v·q·ρ·m+n·(1-m)

式中：wi為巖石風化成土速率，t·km-2·yr-1；v為碳酸鹽巖溶蝕速率，mm/a，換算為m3·km-2·yr-1；q為酸不溶物含量，％；m為碳酸鹽巖含量，％；ρ為碳酸鹽巖密度，t/m3；n為非碳酸鹽巖成土速率，t·km-2·yr-1，以500t·km-2·yr-1計算(sl190－2007.土壤侵蝕分類分級標準[s])。

第六，喀斯特區域理論土壤侵蝕模數的檢驗。用喀斯特土壤侵蝕模數圖層減去喀斯特成土速率圖層，得到一個包含0及正負值的圖層。差值大於0的部分表示，該區域理論土壤侵蝕量大於其實際成土量。在喀斯特區域最大的侵蝕量應等於其成土量，因此，需要對差值大於0的部分進行校正處理。差值小於等於0的部分表示，該區域理論土壤侵蝕量小於實際成土量，不需要進行校正處理。

第七，理論土壤侵蝕的校正處理。按屬性對計算後的圖層進行提取，將差值大於0的部分提取作為一個圖層，將差值小於等於0的部分提取作為另外一個圖層。利用差值大於0的圖層對成土速率圖層進行掩膜提取，對差值大於0的圖層進行賦值，得到一個新的圖層。

第八，實際土壤侵蝕量的計算。將新賦值的圖層與差值小於等於0的圖層進行拼接融合得到校正後喀斯特區域的土壤侵蝕模數圖層。將校正後的喀斯特侵蝕模數圖層與第四步中得到的非喀斯特圖層進行拼接融合得到研究區完整的土壤侵蝕模數圖層。對土壤侵蝕模數進行統計，乘以相應的面積得到研究區實際的土壤侵蝕量。