云南小江流域泥石流堆积扇土地利用模式分析

张雄浩 甘淑 袁希平 王利华 杨敏 陈轩

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云南小江流域泥石流堆积扇土地利用模式分析

    作者简介: 张雄浩(1994−),男,云南人,硕士生,主要研究方向:摄影测量与遥感. E-mail:441866385@qq.com;
    通讯作者: 甘淑, N1480@qq.com
  • 中图分类号: TP79

Analysis of land use patterns of debris flow fans in Xiaojiang River Basin of Yunnan Province

    Corresponding author: GAN Shu, N1480@qq.com ;
  • CLC number: TP79

  • 摘要: 在土地资源匮乏的山区,泥石流堆积扇作为一种宝贵的土地资源,是人们进行生产生活的主要场所. 但泥石流堆积扇具有不稳定性,使得泥石流堆积扇的土地利用具有高风险性. 因此,对泥石流堆积扇的土地利用模型进行分析很有必要. 随着遥感技术的不断发展,以及中国对地高分辨率观测系统的不断完善,使利用高分辨率遥感影像对特定区域的土地利用方式进行小尺度研究成为可能. 文章采用高分二号遥感影像、数字高程模型、GIS技术并结合外业调查验证的方式,对小江流域内196个泥石流堆积扇的土地利用模式及其高程关联特性、百分比坡度关联特性进行了分析. 此外,利用泥石流扇土地利用开发分层模式对泥石流扇的开发进行初步风险分析得出,研究区内泥石流扇的土地利用方式主要以风险较小的初级开发模式为主.
  • 图 1  小江流域示意图

    Figure 1.  Sketch map of Xiaojiang River Basin

    图 2  大湾沟−过水路沟堆积扇

    Figure 2.  Dawan Gully and Guoshuiluo Gully debris flow fan

    图 3  花沟小河堆积扇

    Figure 3.  Huajia River debris flow fan

    图 4  小河堆积扇

    Figure 4.  Small River debris flow fan

    图 5  黄水箐泥石流堆积扇

    Figure 5.  Huangshuiqing Gully debris flow fan

    图 6  小江流域4种类型泥石流堆积扇分布

    Figure 6.  Distribution of four types of debris flow fans of Xiaojiang River Basin

    表 1  研究区泥石流堆积扇面积分级

    Table 1.  Classification of debris flow fan area in study area

    类型堆积扇面积/km2堆积扇个数占比/%
    小型泥石流堆积扇<0.012412.2
    中型泥石流堆积扇0.01~0.19749.5
    大型泥石流堆积扇>0.17538.3
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    表 2  小江流域泥石流堆积扇开发面积统计

    Table 2.  Statistics of development area of debris flow fans of Xiaojiang River Basin

    开发利用模式总面积/km2占比/%
    农业用地 18.4 28.0
    林木业用地 9.7 14.7
    居民地 11.9 18.0
    未开发利用土地 25.8 39.3
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    表 3  小江流域4种类型泥石流堆积扇的高程分级

    Table 3.  Classification of elevation for four types of debris flow fans of Xiaojiang River Basin

    高程/m植被 农用地 未开发 居民地
    个数占比/%个数占比/%个数占比/%个数占比/%
    500~1 0001718.7 1013.5 520.8 0 0.0
    1 000~1 5005257.1 3851.4 1145.8 457.1
    1 500~2 0001920.9 2331.1 625.0 342.9
    >2 000 3 3.3 3 4.0 2 8.4 0 0.0
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    表 4  小江流域4种类型泥石流堆积扇的百分比坡度分级

    Table 4.  Classification of percentage slope for four types of debris flow fans of Xiaojiang River Basin

    百分比坡度/%植被农用地未开发居民地
    个数占比/%个数占比/%个数占比/%个数占比/%
    0~15 11 12.1 36 48.6 3 12.5 2 28.6
    15~30 41 45.0 27 36.5 8 33.3 2 28.6
    30~45 27 29.7 6 8.1 10 41.7 3 42.8
    >45 12 13.2 5 6.8 3 12.5 0 0.0
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    表 5  小江流域泥石流堆积扇土地利用开发分层模式

    Table 5.  Debris flow fan land use development pattern of Xiaojiang River Basin

    开发层次面积/km2占比/%
    初级开发 28.0 71.0
    中级开发 1.8 3.6
    高级开发 10.1 25.4
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-23
  • 录用日期:  2019-11-19
  • 网络出版日期:  2020-04-11
  • 刊出日期:  2020-05-01

云南小江流域泥石流堆积扇土地利用模式分析

    作者简介:张雄浩(1994−),男,云南人,硕士生,主要研究方向:摄影测量与遥感. E-mail:441866385@qq.com
    通讯作者: 甘淑, N1480@qq.com
  • 1. 昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 650093
  • 2. 云南省高校高原山区空间信息测绘技术应用工程研究中心,云南 昆明 650093
  • 3. 云南省测绘工程院,云南 昆明 650033

摘要: 在土地资源匮乏的山区,泥石流堆积扇作为一种宝贵的土地资源,是人们进行生产生活的主要场所. 但泥石流堆积扇具有不稳定性,使得泥石流堆积扇的土地利用具有高风险性. 因此,对泥石流堆积扇的土地利用模型进行分析很有必要. 随着遥感技术的不断发展,以及中国对地高分辨率观测系统的不断完善,使利用高分辨率遥感影像对特定区域的土地利用方式进行小尺度研究成为可能. 文章采用高分二号遥感影像、数字高程模型、GIS技术并结合外业调查验证的方式,对小江流域内196个泥石流堆积扇的土地利用模式及其高程关联特性、百分比坡度关联特性进行了分析. 此外,利用泥石流扇土地利用开发分层模式对泥石流扇的开发进行初步风险分析得出,研究区内泥石流扇的土地利用方式主要以风险较小的初级开发模式为主.

English Abstract

  • 土地资源作为一种宝贵的自然资源,是人们进行生产生活的主要场所[1]. 在土地资源匮乏的山区,土地资源的重要性更是不言而喻[2]. 小江流域地处云南高原山区,流域内土地资源本就匮乏,加之历史长期人类乱砍乱伐对生态的破坏,导致流域内人与土地的矛盾进一步突出[3]. 小江流域是我国著名的泥石流频发区,由于泥石流的频发,流域内形成了许多特色鲜明的堆积扇[4]. 小江流域内的泥石流堆积扇,因为地势平坦、水源充足,通常具有较高的生产能力,是山区人民进行生产生活的主要场所[5]. 因此,对研究区内泥石流堆积扇的土地利用模式进行研究具有重要意义. 虽然学者们对小江流域内泥石流堆积扇进行了诸多方面的研究,如唐川等[6]对小江河谷自吊嘎河至金沙江口的78个泥石流堆积扇的区域展布特征以及堆积形态进行了分析研究;刘希林等[7]对小江泥石流堆积扇扩展与河床平面形态的关系进行了探讨;陈杰等[8]利用TM影像以及1︰50 000地形图选取了小江流域内86个泥石流堆积扇,分析了流域面积、沟床比降对泥石流堆积扇的影响,但并未对其土地利用方式展开详细讨论. 究其原因,主要是传统的泥石流堆积扇的土地利用研究方式主要是采用外业实地调查,该方法不仅费时费力,而且得到的数据比较单一且不完整,难于进行多维度的分析.

    遥感技术作为一种新兴的对地观测技术,在地学方面应用广泛[9]. 并且,此前也有学者利用遥感技术对泥石流堆积扇进行过识别研究,并取得有益的成效[10-12],为利用遥感技术进行泥石流堆积扇的研究奠定了基础. 但此前受限于遥感影像空间分辨率的影响,无法对泥石流堆积扇的土地利用进行小尺度的深化研究. 当前,随着遥感影像空间分辨率的不断提高,尤其是中国高分辨率对地观测系统的不断完善,可用的高分辨率遥感影像也越来越多[13]. 基于遥感影像的土地利用研究也从最初的低空间分辨率的大尺度大范围研究上升到高空间分辨率的小尺度小范围研究[14-16],这也使得利用高分辨率遥感影像对泥石流堆积扇的土地利用方式进行研究成为可能. 因此,本文利用1 m高分二号遥感影像、30 m数字高程模型结合实地调查验证的方式,对小江流域内泥石流堆积扇土地利用的类型、面积、空间分布等进行了多维度的特征调查与分析,并对泥石流堆积扇土地利用方式的风险进行了评估探讨.

    • 小江位于云南省北部(图1),是长江上游金沙江右岸的支流,发源于云南寻甸回族彝族自治县西湖,位于102°52′~103°22′E,25°32′~26°35′N. 小江全长134 km,落差2 109 m,流域面积约3 120 km2. 小江流域是我国著名的泥石流频发区,也是我国水土流失非常严重的区域之一[17-18]. 小江流域地形陡峭、植被稀疏、岩性脆弱、暴雨集中,常年发生泥石流、滑坡等地质灾害,造成的经济损失也是数不胜数[19]. 由于土地资源的缺失,小江流域内的许多村落都依小江而建或建立在小江支流与主河道交汇处形成的泥石流堆积扇上,例如昆明市寻甸县功山镇、昆明市东川区阿旺镇、昆明市东川区城区、昆明市东川区汤丹镇以及昆明市东川区拖布卡镇等. 为了能够对小江流域内的泥石流堆积扇及土地利用模式进行详细研究,此次实验采用了经过预处理的1 m高分二号遥感影像,其数据获取日期为2017年11月以及30 m分辨率的ASTER GDEMV2数据,其数据获取日期为2011年10月. 2种数据的地理坐标系均为GCS_WGS_1984.

      图  1  小江流域示意图

      Figure 1.  Sketch map of Xiaojiang River Basin

    • 对研究区中泥石流堆积扇土地利用的遥感解译,首先利用1 m的高分二号遥感影像,对研究区内泥石流堆积扇的地表覆盖物的光谱特征、纹理特征、几何特征等进行分析;其次结合小江流域的基础地质数据以及野外调查验证,建立了泥石流堆积扇、农作物、林地草地、建筑物、裸地、水体等地物的遥感解译标志. 基于这些解译标志,以ArcGIS软件为平台,采用人机交互的方式,采用直接判读法、对比法和综合判读法等方法,对研究区内的泥石流堆积扇及其土地利用进行遥感目视解译,得到研究区中泥石流堆积扇及其土地利用的解译图层. 针对一些难以区分的泥石流堆积扇,无法直接用遥感影像解译判定其是河漫滩还是泥石流堆积扇,则进行野外实地调查验证;最终,选取了小江流域内主河道、支流块河、支流盐水河、支流尖山沟、支流黄水箐、支流小清河、支流乌龙河、支流大白河等支流内的坡面泥石流堆积扇及沟谷型泥石流堆积扇共196个. 研究区内每个泥石流堆积扇上有多种地物覆盖,土地利用模式多样. 由于当前讨论泥石流堆积扇土地利用模式的文章较少,且没有相关的泥石流堆积扇土地利用模式划分标准. 因此,本文为了方便研究不同土地利用模式下的泥石流扇的空间分布特征,对研究区内每个泥石流堆积扇的土地利用主导模式进行了划分,采用的划分方法为面积占优法,即以占各泥石流堆积扇面积最大的地物类型决定该泥石流堆积扇的土地利用主导模式,并制作相关的专题图层. 最后,辅以ASTER GDEMV2数据对其高程和坡度分布特征进行分析.

    • 基于针对研究区的泥石流堆积扇的综合遥感解译图层,进行专题空间测算与统计分析.

      依据泥石流堆积扇面积将研究区内的泥石流堆积扇划分为小型泥石流堆积扇、中型泥石流堆积扇、大型泥石流堆积扇3个等级. 由表1可知,小江流域泥石流堆积扇以中、大型堆积扇为主.

      类型堆积扇面积/km2堆积扇个数占比/%
      小型泥石流堆积扇<0.012412.2
      中型泥石流堆积扇0.01~0.19749.5
      大型泥石流堆积扇>0.17538.3

      表 1  研究区泥石流堆积扇面积分级

      Table 1.  Classification of debris flow fan area in study area

    • 对196个泥石流堆积扇进行初步分析,发现泥石流堆积扇中有182个均被进行了不同程度的开发利用,仅有14个完全未被开发利用;小江流域泥石流堆积扇总面积为65.7 km2,被开发利用的面积达39.9 km2,占总面积的60.7%,详细信息可表2. 在被开发利用的冲积扇中,最主要的开发利用方式是农业耕作,共有102个泥石流堆积扇被进行了不同程度的农业耕作,农业耕作总面积达18.4 km2,占泥石流扇堆积扇总面积的28%. 如图2所示为过水路沟和大湾沟形成的泥石流堆积扇,几乎完全被开发成耕地.

      开发利用模式总面积/km2占比/%
      农业用地 18.4 28.0
      林木业用地 9.7 14.7
      居民地 11.9 18.0
      未开发利用土地 25.8 39.3

      表 2  小江流域泥石流堆积扇开发面积统计

      Table 2.  Statistics of development area of debris flow fans of Xiaojiang River Basin

      图  2  大湾沟−过水路沟堆积扇

      Figure 2.  Dawan Gully and Guoshuiluo Gully debris flow fan

      其次是林牧业开发,小江流域内有133个泥石流扇被进行了不同程度的林牧业开发利用,其开发总面积达9.7 km2,占所统计泥石流扇总面积的14.7%. 例如图3中花沟小河形成的泥石流堆积扇,有大量的林草覆盖.

      图  3  花沟小河堆积扇

      Figure 3.  Huajia River debris flow fan

      此外是建设用地开发利用,主要包括村寨聚落房屋修建利用和城镇、工矿区综合建设利用,虽然统计得到的196个泥石流扇仅有62个泥石流扇被进行了不同程度的建设用地开发利用,但是建设用地总面积达11.9 km2,占所统计泥石流扇总面积的18.0%. 如最具有典型代表性的东川城区就是建在石羊沟、泥拉姑沟、深沟形成的泥石流堆积扇上,其面积达8.7 km2. 如图4所示的小江沿岸的阿旺镇也是坐落于小河与小江交汇处形成的堆积扇上.

      图  4  小河堆积扇

      Figure 4.  Small River debris flow fan

      除了以上3种常见的土地利用模式之外,厂矿选址、公路铁路布线、排导槽修建,以及养殖业也是小江流域泥石流堆积扇的土地利用方式之一. 统计得到的196个泥石流扇中:63个泥石流扇上修建了公路、铁路;35个泥石流扇上修建了引水渠;6个泥石流扇被开发成养殖池塘和尾矿库. 例如,图5中黄水箐与其侧边的一条泥石流沟形成的泥石流堆积扇上建有尾矿库.

      图  5  黄水箐泥石流堆积扇

      Figure 5.  Huangshuiqing Gully debris flow fan

      利用面积占优法对研究区内的每个泥石流堆积扇的主导土地利用模式进行划分后发现,研究区内泥石流堆积扇的土地利用可以划分为4种类型模式:①以植被覆盖为主的泥石流堆积扇;②以农业用地为主的泥石流堆积扇;③以未利用为主的泥石流堆积扇;④以居民地为主的泥石流堆积扇. 其划分结果如图6所示,研究区内有91个泥石流堆积扇的土地利用模式以植被覆盖为主,74个泥石流堆积扇的土地利用模式以农业用地为主,24个泥石流堆积扇的土地利用模式以未开发利用为主,7个泥石流堆积扇的土地利用模式以居民地为主.

      图  6  小江流域4种类型泥石流堆积扇分布

      Figure 6.  Distribution of four types of debris flow fans of Xiaojiang River Basin

    • 首先,对4种土地利用模式在不同高程带的分布进行分析发现:以植被覆盖为主的泥石流堆积、以农用地为主的泥石流堆积扇以及以未利用为主的泥石流堆积扇在高程分布上均具有相似的规律,即主要分布在高程1 000~1 500 m,其次是分布在高程1 500~2 000 m,再次是分布在高程500~1 000 m,而分布在高程>2 000 m的则最少. 以居民地为主的泥石流堆积扇则主要分布在高程1 000~1 500 m和1 500~2 000 m,其它高程则无分布. 详细统计结果见表3.

      高程/m植被 农用地 未开发 居民地
      个数占比/%个数占比/%个数占比/%个数占比/%
      500~1 0001718.7 1013.5 520.8 0 0.0
      1 000~1 5005257.1 3851.4 1145.8 457.1
      1 500~2 0001920.9 2331.1 625.0 342.9
      >2 000 3 3.3 3 4.0 2 8.4 0 0.0

      表 3  小江流域4种类型泥石流堆积扇的高程分级

      Table 3.  Classification of elevation for four types of debris flow fans of Xiaojiang River Basin

    • 另外,就4种土地利用模式在不同百分比坡度带的分布状况进行分析发现:以植被覆盖为主的泥石流堆积扇,其空间分布主要在15%~30%的百分比坡度带;以农业用地为主的泥石流堆积扇,其空间分布主要在0~15%的百分比坡度带;以未开发利用为主的泥石流堆积扇,其空间分布主要在30%~45%的百分比坡度带;以居民地为主的泥石流堆积扇,其空间分布主要在30%~45%的百分比坡度带,且在百分比坡度>45%的泥石流堆积扇中无分布. 详细统计结果见表4.

      百分比坡度/%植被农用地未开发居民地
      个数占比/%个数占比/%个数占比/%个数占比/%
      0~15 11 12.1 36 48.6 3 12.5 2 28.6
      15~30 41 45.0 27 36.5 8 33.3 2 28.6
      30~45 27 29.7 6 8.1 10 41.7 3 42.8
      >45 12 13.2 5 6.8 3 12.5 0 0.0

      表 4  小江流域4种类型泥石流堆积扇的百分比坡度分级

      Table 4.  Classification of percentage slope for four types of debris flow fans of Xiaojiang River Basin

    • (1)研究区内196个泥石流堆积扇中,共182个泥石流堆积扇被进行了不同程度的开发利用,被开发利用的泥石流扇总面积达39.9 km2,占泥石流堆积扇总面积的60.7%. 并且土地开发利用模式多样,包括农业耕作、林牧业开发、池塘开发利用、村寨房屋修建利用、城镇及工矿区综合建设利用、公路铁路布线利用和引水渠道布线利用等.

      (2)利用面积占优法可将研究区内泥石流堆积扇的土地利用模式划分为4种类型模式,分别是:以植被覆盖为主的泥石流堆积扇、以农业用地为主的泥石流堆积扇、以未利用为主的泥石流堆积扇、以居民地为主的泥石流堆积扇.

      (3)从不同土地利用模式空间分布的高程关联特性来看,以植被覆盖为主的泥石流堆积扇、以农业用地为主的泥石流堆积扇、以未利用为主的泥石流堆积扇在高程分布上具有相似的特征,主要分布在高程1 000~1 500 m;以居民地为主的泥石流堆积扇仅分布在高程1 000~1 500 m和1 500~2 000 m,在其它高程无分布.

      (4)从不同土地利用模式空间分布的坡度关联特性看,以植被覆盖为主的泥石流堆积扇主要分布在百分比坡度15%~30%之间;以农业用地为主的泥石流堆积扇主要分布在百分比坡度0~15%之间;以未利用为主和以居民地为主的泥石流堆积扇主要分布在百分比坡度30%~45%之间.

    • 虽然泥石流堆积扇的开发利用对山区人民的生活生产具有重要意义,但是泥石流堆积扇具有不稳定性,其土地利用是具有灾害风险的[8]. 因此,对研究区内泥石流堆积扇开发进行潜在风险评估是十分必要的.

      围绕研究区泥石流堆积扇土地利用方式潜在风险评价问题,参照谭万杰等[20]提出的泥石流扇土地利用开发分层模式对泥石流扇开发进行风险评估. 该模式主要包括3个开发层次:初级开发、中级开发、高级开发. 其中初级开发利用模式是指林牧业、农业等开发利用,该模式灾害风险性较小;中级开发模式是指渠道、输电线路开发利用,公路、铁路布线利用,村寨利用,该模式灾害风险性较大;高级开发模式是指乡级集镇、工矿区、县城、中大城市建设利用,该模式要求中、大型泥石流扇或者基本稳定的老泥石流扇及古泥石流扇.

      根据研究区中各泥石流堆积扇的土地利用开发状况进行归类整理(表5). 初步分析得出,小江流域泥石流扇土地利用开发分层模式主要以初级开发层次为主,该模式开发利用总面积达28.0 km2;其次是高级开发,其开发总面积达10.1 km2;被进行中级开发的泥石流堆积扇面积则相对最少,其开发总面积仅有1.4 km2. 研究区内主要以风险较小的初级开发模式为主,即以林牧业、农业为主要的开发利用模式.

      开发层次面积/km2占比/%
      初级开发 28.0 71.0
      中级开发 1.8 3.6
      高级开发 10.1 25.4

      表 5  小江流域泥石流堆积扇土地利用开发分层模式

      Table 5.  Debris flow fan land use development pattern of Xiaojiang River Basin

参考文献 (20)

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