本發(fā)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，屬于水土保持和生態(tài)環(huán)境監(jiān)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(guī)律，明確其發(fā)生強度，區(qū)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(tài)敏感脆弱區(qū)，對土壤侵蝕進行準確量化是非常缺乏的。
首先，基于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(shù)、侵蝕量、侵蝕強度的時間和空間演變特征是土壤侵蝕常用的研究方法。但是在傳統(tǒng)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并不是每一場的降雨都會產(chǎn)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(fā)生，而閾值的大小由下墊面的地質(zhì)背景特征所決定。因此，針對不通的地質(zhì)背景對傳統(tǒng)的rulse模型進行改進是非常必要的。
其次，就喀斯特地區(qū)而言，由于其巖石的可溶性，使得喀斯特地區(qū)比非喀斯特地區(qū)具有更多的空隙，在降雨產(chǎn)流的過程中，消耗在填洼上的雨量遠遠大于非喀斯特區(qū)域，因而在喀斯特地區(qū)產(chǎn)生有效侵蝕的降水閾值要遠大于非喀斯特地區(qū)。在現(xiàn)有的涉及到喀斯特區(qū)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(zhì)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(jié)果的錯判和誤判，針對上述的問題，本發(fā)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(jié)果分析時，大部分的研究并未考慮研究區(qū)土壤侵蝕可承受閾值即成土速率的大小，并未對研究結(jié)果進行檢驗與校正，研究結(jié)果的可靠性難以確定，因而不能充分表征土壤侵蝕對生態(tài)環(huán)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(xiàn)要素：
為解決上述技術問題，本發(fā)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(zhì)差異化處理，能夠有效地剔除未產(chǎn)生侵蝕的降雨量，使降雨侵蝕力的結(jié)果更加精確。
本發(fā)明通過以下技術方案得以實現(xiàn)。
本發(fā)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(shù)據(jù)：從數(shù)據(jù)庫中提取日降水量數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地與有機質(zhì)含量、數(shù)字高程模型、歸一化植被指數(shù)、土地利用類型以及巖性矢量數(shù)據(jù)、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，并將上述數(shù)據(jù)投影到統(tǒng)一坐標系中；
②降雨侵蝕力改進計算：對獲取的日降水量數(shù)據(jù)以預定閥值篩選并計算，通過插值得到不同地質(zhì)背景區(qū)域的降雨侵蝕力圖層；
③理論侵蝕模數(shù)計算：將不同地質(zhì)背景區(qū)域的降雨侵蝕力圖層帶入rulse模型之中，計算出不同地質(zhì)背景區(qū)域的理論侵蝕模數(shù)；
④巖性裁剪：利用巖性矢量數(shù)據(jù)對土壤侵蝕模數(shù)圖層進行裁剪，分別得到喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)圖層和非喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)圖層；
⑤喀斯特成土速率計算：針對喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)圖層對應的數(shù)據(jù)，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(shù)檢驗：將喀斯特土壤侵蝕模數(shù)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，大于0的部分表示，該區(qū)域理論土壤侵蝕量大于其實際成土量；小于等于0的部分表示，該區(qū)域理論土壤侵蝕量小于實際成土量。
⑦土壤侵蝕模數(shù)校正：利用巖石風化成土速率圖層對喀斯特區(qū)域差值大于0的部分進行土壤侵蝕模數(shù)校正。
所述步驟②中，預定閥值非喀斯特區(qū)域為12mm，喀斯特區(qū)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，采用a＝r·k·l·s·c·p進行計算，其中a為土壤侵蝕模數(shù)、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(shù)圖層進行裁剪，得到喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)圖層；通過非喀斯特圖層對閥值12mm對應的土壤侵蝕模數(shù)圖層進行裁剪，得到非喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)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采取如下方式進行校正：
(5.1)計差值圖層：用喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)圖層減去巖石風化成土速率圖層，得到差值圖層；
(5.2)區(qū)分賦值：將差值圖層里值大于0的部分提取出來作為待校正圖層，將差值圖層里值小于等于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，然后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，得到校正后的喀斯特區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)圖層。
所述步驟⑦之后，將經(jīng)校正的喀斯特區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)圖層與步驟④中得到的非喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)圖層進行拼接融合，得到完整土壤侵蝕模數(shù)圖層。
其特征在于：在計算前侵蝕模數(shù)前，經(jīng)過預定閥值先對全年的日降水量數(shù)據(jù)進行篩選，再通過空間插值得到不同地質(zhì)背景區(qū)降雨侵蝕力柵格圖層。
其特征在于：在計算總侵蝕量前，利用喀斯特區(qū)域成土速率對理論侵蝕模數(shù)進行檢驗并加于校正。
本發(fā)明的有益效果在于：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(chǎn)生侵蝕的降雨量，使降雨侵蝕力的結(jié)果更加精確；②基于成土速率的閾值，對理論土壤侵蝕模數(shù)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(jié)果的準確率.
具體實施方式
下面進一步描述本發(fā)明的技術方案，但要求保護的范圍并不局限于所述。
本發(fā)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(shù)據(jù)與預處理。計算土壤侵蝕模數(shù)所需要的數(shù)據(jù)分別為：日降水量數(shù)據(jù)，土壤質(zhì)地與有機質(zhì)含量，數(shù)字高程模型(dem)，歸一化植被指數(shù)(ndvi)，土地利用類型以及巖性矢量數(shù)據(jù)。計算碳酸鹽巖成土速率要準備的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行重投影，使其具有統(tǒng)一的投影系統(tǒng)與坐標；對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分別以12mm和30mm為閾值進行篩選，剔除日降水量小于12mm或30mm的日降水量。選擇適合于研究區(qū)的降雨侵蝕力日雨量模型計算研究區(qū)降雨侵蝕力，利用arcgis對計算結(jié)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(shù)。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(qū)土壤侵蝕模數(shù)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(shù)(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(shù)圖層。利用巖性圖層對計算后的土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)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(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)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(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)圖層。
第五，計算喀斯特地區(qū)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(qū)域理論土壤侵蝕模數(shù)的檢驗。用喀斯特土壤侵蝕模數(shù)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。差值大于0的部分表示，該區(qū)域理論土壤侵蝕量大于其實際成土量。在喀斯特區(qū)域最大的侵蝕量應等于其成土量，因此，需要對差值大于0的部分進行校正處理。差值小于等于0的部分表示，該區(qū)域理論土壤侵蝕量小于實際成土量，不需要進行校正處理。
第七，理論土壤侵蝕的校正處理。按屬性對計算后的圖層進行提取，將差值大于0的部分提取作為一個圖層，將差值小于等于0的部分提取作為另外一個圖層。利用差值大于0的圖層對成土速率圖層進行掩膜提取，對差值大于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于等于0的圖層進行拼接融合得到校正后喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)圖層。將校正后的喀斯特侵蝕模數(shù)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(qū)完整的土壤侵蝕模數(shù)圖層。對土壤侵蝕模數(shù)進行統(tǒng)計，乘以相應的面積得到研究區(qū)實際的土壤侵蝕量。