一种确定可遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值的方法

摘要

本发明公开了一种确定可遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值的方法，利用遥感影像对黄土高原的易侵蚀区进行完全覆盖的数据采集，并结合历年数据分析林草植被变化对流域产沙的影响规律并获得产沙量阈值，来得到不同地区、不同雨强下的林草有效覆盖率阈值，进而在流域尺度上提出可有效遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值。该方法不仅可以定量描述植被覆盖率的减沙效益，而且可有效避免尺度上的局限性，基于该思想甚至可以将流域尺度的研究逐步向景观尺度、全球与区域尺度进行研究推广运用。

权利要求

1.一种确定可遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值的方法，其特征是利用遥感影像对黄土高原的易侵蚀区进行完全覆盖的数据采集，并结合历年数据分析林草植被变化对流域产沙的影响规律并获得产沙量阈值，来得到不同地区、不同雨强下的林草有效覆盖率阈值，进而在流域尺度上提出可有效遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值；

具体包括以下步骤：

(1)确定易侵蚀区

指除去地面坡度小于3°的河川地、平原区、建设用地和石山区后的山丘区土地的其他区域,也是研究流域产沙最值得关注的区域；

(2)计算林草植被覆盖率

2

其中,Ve—林草植被覆盖率；Av—林草地面积，单位Km ；Vc—林草地的植被盖度，林草叶2

茎的正投影面积Als占林草地面积Av的比例；Ais—林草叶茎的正投影面积，单位为Km ；Ae—2

易侵蚀区面积，单位km；

(3)计算产沙指数

其中，Si—产沙指数，指流域易侵蚀内单位降雨在单位面积上的产沙量；Ws—流域产沙3

量，单位为m ，本公式中指口断面实测输沙量、淤地坝和水库拦沙量、灌溉引沙量的总和；

P25—日降雨大于25mm的年降雨总量，在流域尺度上该年降雨总量对流域产沙更敏感；

(4)确定可遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值按照0.075、0.15和0.3三种雨强情况，分别构建植被与产沙的关系，将雨强＝0.15和雨2

强＝0.3作为确定Ve阈值的雨强基准，将Si≤7t/km·mm作为基本遏制流域产沙的标志，相应的林草有效覆盖率Ve即为可基本遏制流域产沙的Ve阈值。

说明书

一种确定可遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值的方法

技术领域

[0001] 本发明属数据采集、分析领域，具体涉及黄土高原易侵蚀区的降雨、水沙、植被和梯田数据的采集、处理与分析。

背景技术

[0002] 黄土高原是我国水土流失最为严重的地区之一，也是黄河泥沙的主要来源地。降雨、土壤、地形和植被是决定流域产沙的关键要素，其中任何因素的变化均可能加剧或减缓水土流失现象。目前很难改变降雨、宏观地形和土壤成分等自然因子，但可以通过改变植被的贴地覆盖程度和微地形，进而影响流域产沙。近年来，黄土高原植被覆盖得到大幅度改善，入黄泥沙也大幅减少。但是，总体而言，目前研究主要对两者之间的关系做简单的定性分析，关于黄土高原植被变化与流域产沙之间的定量关系以及阈值的研究相对较少；并且目前可遏制产沙的植被林草覆盖率阈值的确定方法，主要基于径流小区的观测数据提炼而成，对于面积较大的流域或区域尺度研究相对较少，加上当前研究技术均延续传统研究方法，无法量化黄土高原植被变化与流域产沙之间的关系，进而限制对可遏制产沙的植被林草覆盖率阈值的研究。

[0003] 因此，急需寻求新方法获取黄土高原易侵蚀区的植被林草覆盖率以及产沙指数等相关数据，进而了解黄土高原植被变化对流域产沙的影响规律，揭示两者之间定量关系以及阈值。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供了一种确定可遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值的方法，适用于在较大的流域尺度上计算林草植被覆盖率与产沙指数，计算方法简单，计算精度高。

[0005] 本发明的技术方案是：一种确定可遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值的方法，其特征是利用遥感影像对黄土高原的易侵蚀区进行完全覆盖的数据采集，并结合历年数据分析林草植被变化对流域产沙的影响规律并获得产沙量阈值，来得到不同地区、不同雨强下的林草有效覆盖率阈值，进而在流域尺度上提出可有效遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值。具体包括以下步骤：

[0006] (1)确定易侵蚀区

[0007] 虽然降雨、土壤、地形和植被是决定流域产沙的关键要素，但是人类很难改变黄土高原的宏观地形和土壤成分等自然因子，因此可以通过改变植被的贴地覆盖程度和微地形(如修建梯田或水平阶等)，进而影响流域产沙。

[0008] 大量的研究表明，在黄土高原的城镇用地、土石山区以及坡度小于3°的河川地和平原区(塬面)，通过改变植被覆盖度和微地形等人为因素，发现对流域产沙影响甚微。因此应剔除地面坡度小于3°的河川地、平原区、建设用地和石山区后的山丘区土地，其他区域才是研究流域产沙最值得关注的区域，本文称其为“易侵蚀区”。

[0009] 对照《土地利用现状分类》(GB/T21010‑2007)，黄土高原的易侵蚀区主要包括四种土地利用类型：耕地、林地、草地和未利用土地，其水土流失程度取决于林草植被覆盖状况和坡耕地的梯田化程度。

[0010] (2)计算林草植被覆盖率

[0011]

[0012] 其中，Vc—林草地的植被盖度；Ais—林草叶茎的正投影面积，单位为Km2；Ae—易侵2
蚀区面积，单位km。

[0013]

[0014] 其中,Ve—林草植被覆盖率；Av—林草地面积，单位Km2；Vc—林草地的植被盖度，林草叶茎的正投影面积Als占林草地面积Av的比例。

[0015] (3)计算产沙指数

[0016]

[0017] 其中，Si—产沙指数，指流域易侵蚀内单位降雨在单位面积上的产沙量；Ws—流域3
产沙量，单位为m ，本公式中指口断面实测输沙量、淤地坝和水库拦沙量、灌溉引沙量的总和；P25—日降雨大于25mm的年降雨总量，在流域尺度上该年降雨总量对流域产沙更敏感。

[0018] (4)确定可遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值

[0019] 按照0.075、0.15和0.3三种雨强情况，分别构建植被与产沙的关系，将雨强＝0.152
和雨强＝0.3作为确定Ve阈值的雨强基准，将Si≤7t/km·mm作为基本遏制流域产沙的标志，相应的林草有效覆盖率Ve即为可基本遏制流域产沙的Ve阈值。

[0020] 本发明针对人工采集数据无法广泛覆盖且耗时长的缺点，通过遥感影像对黄土高原的易侵蚀区进行完全覆盖的数据采集，并结合历年数据分析林草植被变化对流域产沙的影响规律并获得产沙量阈值，来得到不同地区、不同雨强下的林草有效覆盖率阈值，对于水土流失植被治理措施建设、控制产沙模数并最终控制入黄沙量均具有重大意义。与现有技术相比，本发明具有以下优点

[0021] (1)遥感影像的空间分辨率较高、获取数据时间短，能够弥补人为调查的不足。与现有研究技术相比具有覆盖面积大，范围广，信息全面，真实度高，易于操作，能够全面覆盖研究区域—黄土高原的易侵蚀区，较好的反映当地林草植被的实际覆盖状况。

[0022] (2)研究尺度不拘泥于坡面尺度，可以从流域尺度推广于景观尺度、全球、区域尺度。从更大的尺度上对林草植被变化对流域产沙的影响规律以及可遏制流域产沙的植被阈值进行定量的分析，为后期减少入黄泥沙研究、水土流失治理、评价、预测和控制流域产沙提供坚实理论基础和现实指导意义。

[0023] (3)计算方法简单，计算精度高。

附图说明

[0024] 图1(a)(b)(c)分别是早期下垫面的黄土丘陵第1‑3副区在三种雨强下的林草有效覆盖率～产沙指数关系。

[0025] 图2(a)(b)(c)分别是丘陵第1～4副区在三种雨强下的林草梯田有效覆盖率～产沙关系验证。

[0026] 图3(a)(b)(c)分别是黄土高塬区和丘5副区在三种雨强下的林草梯田有效覆盖率～产沙指数关系。

[0027] 图4(a)(b)(c)分别是砒砂岩区、盖沙区、砾质丘陵区和黄土区林草有效覆盖率～产沙指数关系。

[0028] 图5(a)(b)是流域面积变化对林草有效覆盖率～产沙指数响应关系的影响。

具体实施方式

[0029] 下面结合实例对本发明的技术方案进行进一步的说明。本发明涉及一种可有效遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值的方法，可定量描述植被覆盖率的减沙效益，有效避免尺度上的局限性。

[0030] 本发明利用遥感影像获取林草地等数据，结合自然降雨数据获得林草覆盖率、产沙指数，分析黄土高原不同地貌、空间尺度、降雨条件下林草植被变化对流域产沙的影响规律，进而在流域尺度上提出可有效遏制流域产沙的林草植被覆盖率阈值，该方法不仅可以定量描述植被覆盖率的减沙效益，而且可有效避免尺度上的局限性，基于该思想甚至可以将流域尺度的研究逐步向景观尺度、全球与区域尺度进行研究推广运用。

[0031] 其中主要利用空间分辨率30m的卫星遥感影像，提取了各支流(区域)的易侵蚀区面积，并结合获取林草、梯田、降雨、产沙等数据对黄土高原不同地貌、空间尺度、降雨条件下林草植被变化对流域产沙的影响规律以及阈值进行分析。

[0032] 黄土高原地貌类型复杂，包括黄土丘陵沟壑区(简称黄丘区)、黄土高塬沟壑区(简称高塬区)、黄土丘陵林区、黄土阶地区、高地草原区、冲积平原区、土石山区、干旱草原区、风沙区、盖沙丘陵区、砒砂岩区、砾质丘陵区和黄土残塬区。上述分类按照是否有黄土覆盖分为黄土区和非黄土区，黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、黄土丘陵林区、黄土阶地区和高地草原区属于黄土区，高地草原区、冲积平原区、土石山区、干旱草原区、风沙区、盖沙丘陵区、砒砂岩区、砾质丘陵区和黄土残塬区。因地形、地貌和侵蚀强度存在差异，黄丘区又被分成5个副区(以下简称丘1副区、丘2副区、丘3副区、丘4副区、丘5副区)。黄河90％的泥沙来自黄丘区和高塬区，所以重点关注这两个区域。

[0033] 在研究区域中分别按照三种雨强对林草有效覆盖率和产沙指数的关系模拟一条曲线来分析林草有效覆盖率和产沙指数的关系并最终得出阈值。

[0034] 一、研究方法

[0035] 首先，在定义了林草数据的获取方法，引入了易侵蚀区面积、林草有效覆盖率和产沙指数等新概念，使不同流域面积和不同降雨条件的支流有了统一的产沙能力评判标准的基础上，采用以下方法开展研究：

[0036] 1、针对土壤类型和地形特点，选择流域面积中等、梯田极少的流域作为样本流域，将其1999年以前的实测产沙指数和同期林草有效覆盖率直接建立响应关系，分析变化规律。

[0037] 2、鉴于黄河主要产沙区目前的林草植被类型、叶茎和根系对地表的保护方式等与90年代以前有所不同，采集了样本流域近十年的实测数据，对响应关系进行验证或修正。

[0038] 3、界定“可遏制流域产沙”的科学内涵，提出可有效遏制流域产沙的林草有效覆盖率阈值。

[0039] 雨强显然是影响产沙的关键因素。根据黄土高原的实际情况，分0.075、0.15和0.3等三种雨强情况，分别构建植被与产沙的关系。

[0040] 二、可有效遏制产沙的林草有效覆盖率阈值

[0041] 由图1(a)(b)(c)和图2(a)(b)(c)可知，当林草有效覆盖率≥60％时，尽管Si平均2 2
值为4.4t/km·mm，但有少数数据的Si达到10～15t/km·mm。因此，需对“可遏制流域产沙”的内涵进行定义。

[0042] 根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190‑2007)，从偏安全角度，将“Si≤7t/km2·mm”作为基本遏制流域产沙的标志，相应的林草有效覆盖率Ve即为可基本遏制流域产沙的Ve阈值。从偏安全角度，针对低雨强区和高雨强区，分别将“雨强＝0.15”和“雨强＝0.3”作为确定Ve阈值的雨强基准。

[0043] 严格遵照“梯田占比小于3％”的原则，从图2(a)(b)(c)和图3(a)(b)(c)的数据中分别选用85对、124对和62对数据(林草有效覆盖率Ve范围为5.7‑95％、梯田占比已等量计入Ve)，点绘了三种雨强下的Ve‑Si关系线，得到黄土丘陵第1‑4副区在三种雨强情况下林草2
有效覆盖率与产沙指数之间的定量响应关系，如下式：R 为相关系数，越大说明相关性越好。

[0044] Si＝365e‑0.078Ve           R2＝0.75         (式1)

[0045] Si＝418e‑0.076Ve           R2＝0.80         (式2)

[0046] Si＝540e‑0.074Ve           R2＝0.69         (式3)

[0047] (1)图1(a)(b)(c)分别是黄丘第1～3副区在三种雨强下的林草有效覆盖率～产沙指数响应关系，所用数据均为1966‑1999年数据。由图1(a)(b)(c)可见：尽管三个副区的地形有所不同，但相同林草覆盖状况下的产沙指数并无差异，即在相同降雨下的单位面积产沙量基本相同。

[0048] (2)以图1(a)(b)(c)的回归线为背景，区分梯田占比小于6％和大于15％两种情况，将2009‑2018年的实测数据分别点绘在图2(a)(b)(c)中(梯田占比等量计入林草有效覆盖率)，结果表明：无论雨强大小，近十年林草和梯田的有效覆盖率与流域产沙指数之间的关系仍服从之前的规律。

[0049] 基于以上三式，按“产沙指数≤7t/km2·mm”的标准，对于丘陵第1～4副区的低雨强区和高雨强区，Ve阈值分别为55％和60％。对于自然条件恶劣的黄土高原，“产沙模数≤2 2
1000t/km·a”是一个极高的标准。所以要将产沙模数控制在2500t/km·a以下(相应的产
2
沙指数≤17.5t/km·mm)。要实现此目标，对于丘陵第1～4副区的低雨强区和高雨强区，林草阈值Ve分别为42％和47％，而42～47％恰好位于关系线的拐点，见图1(a)(b)(c)和图2(a)(b)(c)。

[0050] (3)对于丘5副区和黄土高塬区，林草梯田有效覆盖率大于45～50％后，流域产沙量即趋于稳定。不过，由于产沙机制特殊，即使林草和梯田的有效覆盖率达到70％，也难以遏制产沙。

[0051] (4)以丘1～4副区的响应关系(式2)为背景，图4(a)(b)(c)分别给出砒砂岩区、盖沙区、砾质丘陵区和黄土区的林草～产沙关系。发现，在相同植被和降雨条件下，砒砂岩区产沙量最高，黄土区次之，盖沙区和砾质丘陵区产沙最少。盖沙区和砾质丘陵区的Ve阈值为45～50％；砒砂岩区为70～80％。

[0052] (5)图1(a)(b)(c)～图3(a)(b)(c)的样本流域面积变幅为500～5000km2，故需论证空间尺度变化对林草‑产沙关系的影响。在雨强为0.075和0.15的数据中，选择流域面积相差较大的两组数据重新绘图，如图5(a)(b)所示，结果表明，流域面积大小对林草有效覆盖率～产沙指数关系的影响并不明显。

[0053] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，本发明不局限于上述实施方式，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。