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斜坡單元應用於山坡地土壤 流失量之研究 - 以 南投縣竹山鎮為例

斜坡單元應用於山坡地土壤 流失量之研究 - 以 南投縣竹山鎮為例. Application of Slope Unit Methed in Soil Loss Prediction – A Case at Jhushan Township, Nantou County. 指導教授：林俐玲 教授 學生姓名：陳品岡 口試日期： 2011 年 6 月 20 日. 簡報大綱. 前言. 文獻回顧. 研究方法. 結果與討論. 結論. 前言. 前言.

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斜坡單元應用於山坡地土壤 流失量之研究 - 以 南投縣竹山鎮為例

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  1. 斜坡單元應用於山坡地土壤流失量之研究- 以南投縣竹山鎮為例 Application of Slope Unit Methed in Soil Loss Prediction – A Case at Jhushan Township, Nantou County. 指導教授：林俐玲 教授 學生姓名：陳品岡 口試日期：2011年6月20日

  2. 簡報大綱 前言 文獻回顧 研究方法 結果與討論 結論

  3. 前言

  4. 前言 • 臺灣位處於板塊交界帶，自然環境山脈陡峭、丘陵台地廣布，山坡地達總面積之三分之二，隨著人口日益增長、經濟發展之趨勢下，朝向山坡地大量開發，土壤沖蝕問題日益嚴重。 • 通用土壤流失公式(USLE)，為世界上應用最廣泛之沖蝕推估模式。民國八十五年由行政院農業委員會公告發佈之水土保持技術規範內規定：山坡地土壤流失量之估算得採用通用 土壤流失公式。顯示此模式對臺灣的 重要性。

  5. 前言 • 近年來山坡地開發所面臨之管理問題日益嚴重，一般民眾與商人在進行土地買賣交易或分割土地時，並不會受地形上的限制影響，可能造成緊鄰陡坡的緩坡區被單獨切割劃分為農牧用地，導致坡地保育的問題。 • 本研究目的在於採用科學及量化的方法，運用斜坡單元法、結合地理資訊系統(Arc gis) 及衛星影像技術，補強現有使用地籍坵塊作為查定單元的不足，供查定人員現場判定之參考。

  6. 文獻回顧 通用土壤流失公式 USLE 斜坡單元法

  7. 文獻回顧 通用土壤流失公式 USLE • 通用土壤流失公式(Universal Soil Loss Equation, USLE) 於1954年在美國農部國家逕流及土壤流失資料中心開始發展。 • Wischmeier and Smith (1978) 蒐集並分析美國21 州36個地方，超過7,500 個標準試區年及500 個集水區年的資料，發表的就是現今世界各地應用流通最廣泛的通用土壤流失公式。

  8. 文獻回顧 通用土壤流失公式 USLE • Am=每公頃之年平均土壤流失量 (公噸/公頃-年) • Rm=年平均降雨沖蝕指數 (10^6 焦耳-毫米/公頃-小時-年) • Km=土壤沖蝕指數 (公噸-公頃-小時-年/10^6 焦耳-毫米-公頃-年) • L=坡長因子 • S=坡度因子 • C=覆蓋及處理因子 • P=水土保持處理因子

  9. 文獻回顧 降雨沖蝕指數 • 黃俊德(1979)針對台灣地區之20 年日雨量資料為基礎，另以全台200 個雨量站之月雨量資料為輔，完成台灣降雨沖蝕指數圖。 • 楊明燕(2004)研究田寮地區泥岩之土壤沖蝕深度，發現該土壤沖蝕深度與累積降雨量及時間成顯著正相關，顯見降雨量足以反映土壤沖蝕程度。 • 學者吳藝昀(2004)將臺灣地區劃分為十個降雨氣候分區，採用1975至2000之降雨資料，推估出全台灣降雨沖蝕指數圖，與黃俊德(1979)所採用之資料(1956~1975)所畫之分布圖差異較大，與盧光輝 (1999)所畫之分布圖差異較小。

  10. 文獻回顧 降雨沖蝕指數

  11. 文獻回顧 土壤沖蝕指數 • 萬鑫森、黃俊義(1989)依據Whischmeier andSmith 的列線圖推算出台灣280 處土壤沖蝕指數Rm値 • 謝兆申、王明果(1991)針對台灣地區土壤綜合調查分類，並計算出各土類之值 • 林俐玲、陳錦嫣(2000)建立臺灣西部地區集水區農業土壤資料庫。

  12. 文獻回顧 坡長、坡度因子 • Wischmeier and Smith(1978)所推導出的公式： • λ 的界定是：「地表逕流開始發生的地點量起，直至地面坡度減緩至沖蝕的土壤發生明顯淤積獲致排放進流水渠道為止之距離」

  13. 文獻回顧 坡長、坡度因子 • 經研究整理，坡度因子的公式可寫成如下Wischmeier and Smith(1978) 由於台灣地區多屬陡坡地，若在國內應用該學者所訂 定之坡度因子，計算上常有高估現象。 • McCool et al.(1987) 所建議較適用於陡坡地形之計算公式如下： S = 10.8sinθ + 0.03, θ＜9% S = (sinθ / 0.0896)0.6, θ≧9%

  14. 文獻回顧 坡長、坡度因子 • 吳嘉俊(1995)認為土壤沖蝕量並非全然隨著坡度增加而遞增，可能為階梯狀之增加， • Fan and Lovell(1988)在研究中發現，在達到某坡度後將隨著坡度而遞減。

  15. 文獻回顧 覆蓋及管理因子 • 吳嘉俊等(1996)針對臺灣不同地表及植被狀況下，訂定合適的作物與管理因子，並於水土保持手冊坡地保育篇內規定，若現地之地表及植被狀況與表相同，則可由表中直接求得C值。

  16. 文獻回顧 土壤可容許流失量 • 盧光輝(1995)在不考慮土壤沖蝕對不同作物生產量及水質影響的條件下，依據1.年降雨量、2.表土與根系生長深度、3.排水、4.底土黏盤層、5.表層土壤堆積作用、6.母岩質地等條件，訂定了台灣的可容許土壤流失量。 • 南投區的最高土壤可容許流失量為25ton/ha

  17. 前人研究 斜坡單元法 • Xie et al.(2004) 、Guzzeti et al.(1999)在研究中將一個集水區的水系兩側斜坡各被視為一個斜坡單元，並指在斜坡縱斷面上可由變坡點(slope break)分割為最小的單元， • Carrara et al.(1991, 1999)使用斜坡單元的觀念，並利用判別分析法對義大利Umbria地區進行山崩潛勢分析與山崩潛勢圖繪製，得到含泥岩地層、植生覆蓋率、含水及不含水之地層為當地最為顯著之因子。 • Guzzeti et al.(1999)利用判別分析法針對五種製圖單元作為比較，發現斜坡單元最適用於山崩潛勢分析研究。

  18. 前人研究 斜坡單元產製原理 • 本研究參考「地質敏感區資害潛勢評估與監測 -都會區周緣坡地山崩潛勢評估」(中央地質調查所, 2009)，將數值地形轉換成斜坡單元。 運算原理如下 • (一)、製作反轉地形 • 將原始地形與反轉地形同時進行 (二)~(六)步驟。 • (二)、地形填補 • 原始地形圖需要低窪處填補(fill)，以免運算流向產生錯誤。 • (三)、建立流向 • (四)、累積流量計算

  19. 前人研究 斜坡單元產製原理 • (五)、河川網絡計算 • 當門檻值愈小，則水系線愈密，適合小區域研究。 • (六)、集水區繪製 • (七)、正反集水區相互切割 • 上述步驟可得到由正反地形產製之集水區，正集水區可得山脊線，反集水區可得山谷、河道線。

  20. 研究方法

  21. 研究方法 研究區位介紹 • 本研究區域位於南投縣竹山鎮大坑段、大鞍段及筍子林段，屬濁水溪流域內清水溪集水區。 • 區域內之地形多屬山岳地帶，最高海拔約為1300公尺，最低約為200公尺，年平均降雨量約為2200公釐 (竹山氣象站)。

  22. 研究方法 圖資收集 • (一)、數位高程模型 (DEM) 農委會林務局農林航空測量所 • (二)、斜坡單元圖 財團法人中興顧問社 • (三)、地籍圖 農委會林務局農林航空測量所 • (四)、土地利用圖 內政部 - 95年第二次全國性土地使用 分類調查

  23. 研究方法 圖資收集 • (五)、降雨沖蝕指數圖 (Rm) 參考吳藝昀 (2004) 「台灣地區年等降雨沖蝕指 數圖之修訂」 • (六)、土壤沖蝕指數圖 (Km) 參考林俐玲、陳錦嫣 (2000) 「台灣西部地區集 水區農業土壤資料庫之建立與應用」

  24. 研究方法 斜坡單元人工編修 • 電腦自動化系統運算完成之斜坡單元，能準確地將山脊線、山谷線及河道給分割完成，但於坡向、坡度變化等部分稍嫌不足，必須仰賴人工編修，才能將其運用於數化圖資的套疊。本研究之人工編修過程如下： • (一)、坡向圖(aspect)及陰影圖(hillshade) • 陰影圖(hillshade)製作須設定方位角與仰角，其方位角之概念與坡向圖類似，其優點在於可清楚描繪出山脊線、山谷線及河道 • 坡向圖則可明顯分辨斜坡之方向。

  25. 研究方法 斜坡單元人工編修 • (二)、坡度圖(slope) • 檢查斜坡單元內有無明顯坡度改變，使其再進行土壤流失量估算時，可將其視為一均勻斜坡。 • (三)、水系圖(river) • 斜坡單元在河流的兩側，屬不同坡度與坡向，故斜坡單元的邊界不可超過河流中心線劃分。

  26. 研究方法 斜坡單元人工編修 • (四)、面積校正 • 運用ArcGIS軟體內建之計算功能，可將每個斜坡單元面積求出，將面積異常小之斜坡單元挑出，將其刪除、修正於周邊斜坡單元內。 • (五)、坵塊間未銜接處補正 • 運用ArcGIS軟體，將鮮豔之底色至於斜坡單元圖之下，檢驗其坵塊間是否有未接合處。此部分將也可將向量檔(vector)轉為網格檔(racter)，若該網格無法擷取出數值，則會顯現”NONE”值，即代表斜坡單元間上未密合或仍有缺漏。

  27. 研究方法 圖資建置與應用 • 本研究使用之降雨沖蝕指數為參考學者吳藝昀(2004) 「降雨沖蝕指數之修訂」之降雨沖蝕指數資料。 • 將其匯入、製成ArcGIS點資料，並運用程式內建之地理統計克利金法，完成全台灣降雨沖蝕指數數化圖。

  28. 研究方法 圖資建置與應用 • 本研究使用林俐玲、陳錦嫣 (2000) 「台灣西部地區集水區農業土壤資料庫之建立與應用」內之土壤沖蝕指數資料，將其匯入ArcGIS，製成土壤沖蝕指數圖。

  29. 研究方法 圖資建置與應用 • 坡度：運用農委會林務局農林航空測量所建置之5m × 5m DEM，surface。 • 坡長：運用高程圖與坡向圖，取得每個斜坡單元的最高點與最低點之連線長度，概念與USLE界定之坡長(λ)相同。 • 本研究假設研究區域中，皆沒有水土保持設施，故水土保持管理因子P值全區均設為1。

  30. 研究方法 圖資建置與應用 • 本研究之覆蓋及管理因子(C值)，採用內政部國土測繪中心於民國95年度全省土地利用現況調查圖，將土地利用現況直接對照地表及植坡C值表。 • 未使用地、廢耕地運用遙測判視法，將莫拉克風災後衛星影像(2010)與未使用地及廢耕地比對，發現未使用地及廢耕地綠覆蓋性良好，故將此二種地表狀況視同草生地(C值0.05)處理。 • 而旱作定義：「在土壤含水量有限(年降雨量低於50公分)的地區不灌​溉而進行耕作。」，作物種類有大豆、玉米、田菁、地瓜（蕃薯）菜頭（蘿蔔）、高梁、花生，芝麻、甘蔗、西瓜、小麥等，作物類型與雜作類似，故將旱作之C值視同雜作(C值0.25)處理。

  31. 研究方法 斜坡單元完成 • (一)、資料匯入 • 運用面積加權法平均計算每個斜坡單元的降雨、土壤沖蝕指數、覆蓋與管理因子、坡度及坡長，將資料匯入GIS圖資中。 • (二)、LS因子計算 • 坡長及坡度用EXCEL做運算，求出正確的坡度與坡長因子(LS)，再重新匯入至斜坡單元內。 • (三)、斜坡單元完成 • 將五個因子相乘，即求得各個斜坡單元之年平均土壤流失量 (ton/ha)，並將其除與土壤容積密度1.4g/cm³(140 ton/ha-cm)，求得年平均土壤流失深度。

  32. 研究方法 斜坡單元完成 • 完成之斜坡單元圖資，會有擁十個項目， 1.斜坡單元編號(FID)2.面積(Area)3.降雨沖蝕指數(Rm) 4.土壤沖蝕指數(Km)5.坡長因子(L)6.坡度因子(S) 7.覆蓋及管理因子(C)8.水土保持處理因子(P) 9.年平均土壤流失量(Erosion) 10.年平均土壤流失深度(Depth)。

  33. 結果與討論

  34. 結果與討論 各因子分析 • 本研究劃分之斜坡單元坵塊共有1238塊，總面積為3241公頃，坵塊平均面積為2.6公頃，最大面積51公頃，最小面積0.2公頃。

  35. 結果與討論 • 斜坡單元降雨沖蝕指數圖 斜坡單元土壤沖蝕指數圖

  36. 結果與討論 坡長因子部分： 兩標示之斜坡坵塊，皆因坡度均勻、坡向單一的坵塊，依照原先之編修判定規則使其劃為一大型坵塊，以致坡長因子相當的大。

  37. 結果與討論 • USLE坡度因子計算公式，學者Wischmeier and Smith(1978)所推導的公式，在坡度3%~18%最為接近實測值，但本研究試區中，坡度超過18%的高達93% ，故本研究採用McCool et al.(1987) 所建議較適用於陡坡地形公式計算。

  38. 結果與討論 • 覆蓋與管理因子是運用平均面積加權計算出，在1238塊斜坡單元中，一共有32塊涵蓋到C值為1之裸露地或崩塌地。

  39. 結果與討論 土壤流失量估算結果 • 斜坡單元法： 網格單元法：

  40. 結果與討論 • 次數累積圖：

  41. 結果與討論

  42. 結果與討論 • 本研究所推估之年平均土壤流失量為185.4 ton/ha，年平均土壤流失深度為1.32cm，相較於吳岳霖(2007)，假設全台灣之土地覆蓋情形與石門水庫集水區相同時，推估之土壤流失深度0.75cm高出近一倍之多，也遠超過盧光輝(1995)所建議南投縣土壤可容許流失量之最大值25 ton/ha。

  43. 結果與討論 • 斜坡單元之年平均土壤流失深度，受覆蓋及管理因子(C值)影響最顯著，原因在於研究區域中C值之最大與最小值之比值高達86.7，且C值為0.01之林地佔總面積62.5%，為眾數，與C值=1or0.25 相比，差距明顯。

  44. 結果與討論 • 網格單元法與斜坡單元法，推估之年平均土壤流失量差距因素：

  45. 結果與討論 • 網格單元將其坡長(λ)設為單元邊長，並無法將坡長因子計算公式中的坡長(λ)之界定：「地表逕流之起始點到坡面減緩至沖蝕土壤淤積或進入水道為止。」給表達出來。 • 若運用網格單元計算土壤流失量，必須採用複合坡 – 分坡段的方式，計算出各分波段之土壤流失係數，但還是得知道沖蝕起點與終點，複雜度大幅提升。 • 網格單元也無法辨識水系及山脊線，造成跨越水系及山脊線的不合理現象。 跨越山脊線及水系 合理分割山脊線、水系

  46. 結果與討論 網格單元 查定資料 • 與沖蝕查定資料之比較： • 根據山坡地可利用限度分類查定，將沖蝕等級分為四類，輕微、中等、嚴重、極嚴重。 • 將斜坡單元與網格單元所估算之USLE土壤流失深度，依照沖蝕查定四類分類所佔之百分比，，調整USLE土壤流失深度之組距。 斜坡單元 土地利用C值

  47. 結果與討論 • 但查定資料之嚴重沖蝕部分比對，不甚類似，主要原因如下： • (一)、 • 水土保持專業人員在現場查定之沖蝕判定，是以其專業的經驗配合現地土壤沖蝕徵狀去訂定而成，屬於主觀判定的，此部分無法由衛星影像或是土地利用判定去分析。 • (二)、 • 沖蝕查定必須以整塊地籍單元最嚴重之沖蝕徵狀，做為整塊地籍單元的沖蝕分類。所以會常有土地利用為各式林地，沖蝕查定為嚴重之地籍坵塊。 • (三)、 • 查定資料與衛星影像、土地利用圖之年代有差異。

  48. 可能結論 • 強調斜坡單元 • 輔助沖蝕查定 • 準確性、合理性 可靠性

  49. 謝謝指教

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