ArcGIS在水土保持规划中的应用_以风峪沟流域为例

囗学术天地杨华峰（太原市水土保持科学研究所）摘要：ArcGIS是地理信息系统的应用软件，具有对地理分布数据进行储存、管理、运算、、显示等功能，可广泛应用于水土保持综合调查、水土保持工程规划、水土流失动态监测和水土保持工程竣工验收等方面。随着GIS集成技术的发展，ArcGIS在水土保持中的应用将更加广泛和深入。以风峪沟小流域为例，介绍了ArcGIS在水土保持规划中的具体应用。关键词：ArcGIS水土保持规划土地利用现状土地坡度风峪沟小流域晋源区中图分类号：S157文献标识码：A文章编号：1008-0120（2016）01-0018-03ArcGIS在水土保持规划中的应用收稿日期：2015-12-29风峪沟小流域位于太原市晋源区晋源镇，属汾河一级支流风峪河水系，搞好风峪沟流域的水土保持工作对减少输入汾河的泥沙，提高农村土地利用率，改善农村生产条件和边山生态环境具有重要意义。ArcGIS是地理信息系统（GeographicInformationSystem，GIS）的应用软件，可分别从地形地貌、土壤、地质、土地利用、植被、降雨等多个方面分析土壤侵蚀的影响因素，能够快速、准确地反映出区域水土流失现状的时空分布和变化规律，为水土保持规划工作建立坚实的应用平台[1]。目前，随着对GIS技术的发展，ArcGIS在水土保持工作中的应用越来越广泛，将ArcGIS应用于小流域水土保持规划，可节约经济成本，大大提高规划设计的准确性[2]。本文以风峪沟小流域水土保持规划中ArcGIS的应用实例，对ArcGIS与水土保持规划的相互关系进行探讨，以期为ArcGIS在水土保持中的应用提供借鉴。1ArcGIS的特点ArcGIS是美国环境系统研究所（EnvironmentSystemResearchInstitute，ESRI）在全面整合GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多方面的计算机主流技术之后，推出的代表GIS最高技术水平的全系列产品。ArcGIS是一个可伸缩的GIS平台，可以运行在桌面端、服务器端和移动设备上。它包含了一套建设完整GIS系统的应用软件，在计算机软件和硬件的支持下，可对地理分布数据进行储存、管理、运算、分析、显示和描述，获得大量的分析结果。ArcGIS由数据、数据服务器ArcSDE以及4个应用基础框架（桌面软件Desktop、服务器GIS、嵌入式GIS和移动GIS）组成。ArcGIS软件特色如下：1.1制图编辑高度一体化在ArcGIS中，ArcMap提供了一体化的完整地图绘制、显示、编辑和输出的集成环境。ArcMap不仅可以按照要素属性编辑和表现图形，也可直接绘制和生成要素数据；可以在数据视图按照特定的符号浏览地理要素，同时也可在版面视图生成打印输出地图；有全面的地图符号、线形、填充和字体库，支持多种输出格式；可自动生成坐标格网或经纬网，能够进行多种方式的地图标注，具有强大的制图编辑功能。1.2便捷的元数据管理ArcGIS可以管理其支持的所有数据类型的元数据，建立自身支持的数据类型和元数据，也可以建立用户定义数据的元数据（如文本、CAD、脚本），并对元数据进行编辑和浏览。ArcGIS可建立的元数据类型包括ArcInfoCoverage、ESRIShapefile、CAD图、影像、GRID、TIN、PCARC\INFOCoverage、ArcSDE、PersonalArcSDE、工作空间、文件夹、Maps、Layers、INFO表、DBASE表、工程和文本等。1.3灵活的定制与开发ArcGIS的Desktop部分通过一系列可视的GIS——以风峪沟流域为例第1期2016年3月山西水土保持科技SoilandWaterConservationScienceandTechnologyinShanxiNo.1Mar.2016·18·应用操作界面，满足了大多数终端用户的需求，同时，也可为更高级的用户和开发人员提供全面的客户化定制功能。ArcGIS还提供了工业的VBA（VisualBasicforApplication），用于所有的脚本编程和定制工作。ArcMap和ArcCatalog这两个模块的VBA编辑器，可以让用户编写定制的脚本，并作为宏来运行和保存、添加到界面上的命令按钮里。2研究区概况2.1基本概况风峪沟小流域总面积39.87km2，分布有9个行政村，总人口2060人。流域属暖温带半干旱大陆性气候，春季干旱少雨，夏季雨量充沛，冬季严寒干燥。年均气温9.5℃，≥10℃的积温为2662℃，无霜期167d；年均降水量502mm，70％集中在7-9月，多以暴雨形式出现。流域地形起伏变化较大，总体呈西高东低态势，最高海拔庙前山1965.6m，最低海拔流域沟口856m。流域土壤以山地褐土为主，耕地为黄土质耕种褐土，坡面中上部为黄土质褐土，下部为红黄土质褐土性土。阴坡植被有油松、沙棘、黄刺梅、酸枣等灌木，阳坡以侧柏、披碱草、针茅、蒿草为主。流域上游植被生长良好，覆盖率60%以上；中下游由于煤炭及石料开采等人为活动，植被破坏严重。2.2水土流失状况风峪沟小流域的水土流失形式以水蚀为主，个别区域有重力侵蚀相伴。流域主沟长12.45km，平均宽度3.2km，地形较破碎。由于植被覆盖率较高，现状水土流失区域主要为点状黄土分布区，坡度多在10°-15°之间。据测算，水土流失面积635.42hm2，其中轻度侵蚀88.79hm2，中度侵蚀422.83hm2，强烈侵蚀123.80hm2，年均土壤侵蚀模数约4000t/km2。由于流域内存在大面积因采矿、采石造成的裸露地表及乱堆弃渣，如遇强降雨将会使河道洪水位迅速升高，大量泥沙进入风峪河。近年来，流域内村庄陆续迁移使人口大幅度减少，造成土地利用结构不合理，农林业收入所占比重小，生态环境状况不容乐观。2.3资料来源通过现场勘查与查阅统计资料获取研究区资料，其中文字数据资料包括：基本情况表、气象特征表、土地利用现状调查表、社会经济情况调查表、水土流失现状表、水土保持措施现状表与工程施工总进度表等。图件资料主要包括：土地利用现状图、行政区划图、1∶10000地形图、SPOT卫星影像等。3ArcGIS在水土保持规划中的应用通过ArcGIS对现有卫星影像与地图图像的分析，建立小流域水土保持图形和空间属性数据库，用数值定量反映水土保持状态及空间分布。以数据库作为信息源，对风峪沟小流域影响水土流失的各类因子信息进行提取；利用空间分析功能重新整合土地资源数据，为水土保持规划提供科学依据。3.1流域土地利用现状调查结合风峪沟小流域1∶10000地形图、SPOT卫星影像、现场勘查所绘制的土地利用现状图及原有土地利用现状图件等，利用ArcGIS软件对地形图、原有土地利用现状图进行矢量化，对照调查结果修正地块信息，获得最新的土地利用现状表（详见表1）。3.2流域土地坡度核查利用ArcGIS所提供的表面分析和空间分析功能，对地形图、土地利用现状图等进行空间叠合分析，可得出流域的土地坡度信息。据分析：流域＜5°面积1.11km2，占2.79%；5°-10°面积2.00km2，占5.02%；10°-15°面积1.10km2，占2.76%；15°-20°面积4.33km2，占10.86%；20°-25°面积3.76km2，占9.42%；＞25°面积27.57km2，占69.15%。流域耕地的坡度状况：＜5°面积7.52hm2，占4.02%；5°-10°面积89.30hm2，占47.75%；10°-15°面积48.26hm2，占25.80%；15°-20°面积39.27hm2，占21.00%；20°-25°面积2.67hm2，占1.43%。耕地水浇地1.480.04旱地185.544.65园地果园54.471.37林地有林地1424.9235.74灌木林地1839.8046.14其他林地169.994.26草地其他草地9.900.25工矿仓储用地工业用地15.020.38采矿用地34.020.85住宅用地农村宅基地20.220.51交通运输用地公路用地33.190.83农村道路7.730.19水域及水利设施用地内陆滩涂67.301.69坑塘水面0.170.00河流水面25.550.64其他土地空闲地1.790.04设施农用地7.920.20裸地87.992.21土地利用类型面积/hm2比例/%表1风峪沟小流域土地利用现状表2016年3月杨华峰ArcGIS在水土保持规划中的应用·19·山西水土保持科技2016年第1期设溢流堰底坎高程（即除险加固后的拦泥高程或溢洪道起调水位高程）进行调洪计算，直到假定的溢流堰底坎高程加上溢流堰堰上最大过水深度和安全超高，与原有坝顶高程相吻合为止。这一过程往往需要进行几次试算，而且完全吻合计算量也比较大。因此，在进行除险加固设计时，允许除险加固后库容与原有库容有少许误差，通常这一误差不超过0.5万m3，此时对安全超高的影响不会超过10cm。对现有淤积高程已超过设计淤积高程的淤地坝，可能存在以现有淤积高程作为溢流堰底坎高程进行调洪计算，剩余库容不满足滞洪库容要求。在此种情况下，需要对该坝进行坝体加高。加坝一般采取在上游现有淤面上加高坝体。4结语黄土高原中型以上病险淤地坝除险加固工程在全国尚属首次，由于每座淤地坝存在的问题不一样，坝址地形条件也千差万别，在坝系中所处的位置也不相同，因此，在具体设计中还有许多问题需要研究探讨。这就要求我们在设计实践中不断研究新情况、解决新问题、总结新经验、探索好办法，丰富和完善坝系工程建设理论，以指导病险淤地坝除险加固初步设计，为淤地坝安全运用提供有力的技术支撑。作者简介王志坚（1963-）：男，副主任，教授级高级工程师；通讯地址：太原市新建路45号，0300023.3流域水土保持措施规划在土地利用现状分析评价及土地坡度核查的基础上，根据流域的地貌特点、水土流失情况，按照《水土保持综合治理技术》的要求，结合土地利用类型和污染源类型配置水土流失防治措施。3.3.1工程措施在风峪沟小流域沟底比降较大、下切剧烈发展的沟段，布设谷坊55座，抬高侵蚀基点，控制沟道下切，稳定沟坡，同时拦截上游砂石；在村庄、路旁以及有足够地表径流来源的地方，修建水窖55座，蓄水池5座，蓄积地表径流；在村庄及其附近区域整治道路6.2km，布设垃圾集中处理站等措施；因流域内存在大面积采矿、采石造成的裸露地表，以及煤矸石乱堆乱弃，需采用挡墙、排水等工程措施配合植物措施进行治理。3.3.2植物措施对坡度大于25°的坡面，实施封山育林措施，严禁乱砍滥伐；在坡度20°-25°的沟坡及沟底裸地上，栽植紫穗槐灌木林；在坡度<20°的阳坡上，栽植侧柏、刺槐等乔木林；在坡度<20°阴坡、半阴坡上，栽植油松。共规划栽植乔木林74.87hm2，灌木林48.93hm2。3.4流域水土保持监测利用ArcGIS所建小流域数据库的分析和管理功能，可以对水土保持项目进行监测管理。通过定位观测法、实地调查法与ArcGIS的DEM和DTM模型运算，即可得到一系列与地形有关的空间分布特征，如高程分布、地面坡度和坡向等，还可得到土壤侵蚀强度分级分布图等专题图件。通过所得空间分布特征和专题图可以客观、准确、及时地反映出流域内水土流失发生发展动态变化情况及不同治理措施及其配置等治理成果和效益。风峪沟流域水土保持治理项目实施期为2年，在项目实施过程中通过监测判断水土保持治理是否符合标准，是否达到预期的目标，可为完善、提高水土保持管理体系，提高管理水平奠定基础。4结语ArcGIS在水土保持中的应用是水土保持工作不断深入发展的必然产物。ArcGIS在空间分析、数据管理、过程模拟预测等方面，大大提高了水土保持规划的效率和精度，使水土保持规划更具有指导性与可操作性。近年来，ArcGIS在山西省的水土保持领域应用越加深入与广泛，随着生态文明建设纳入“十三五”规划，水土保持工作也将迎来前所未有的发展机遇，ArcGIS在水土保持工作中的应用也将得到不断拓展。参考文献［1］孔德树.“3S”技术在水土保持工作中的应用及展望［J］.中国水土保持，2005（5）：40-41，51.［2］冯九梁，王贵平，贾志军，等.基于RS和GIS的小流域水土保持规划设计［J］.山西水土保持科技，2001（1）：18-20，34.作者简介杨华峰(1979-)：男，工程师；通讯地址：太原市晋祠路二段161号兰亭御湖城12号楼1402室，030021!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第8页）·20·