以空間內插法分析土壤沖蝕性指數之研究

1. 以空間內插法分析土壤沖蝕性指數之研究 學生:李文櫻 指導教授:林俐玲 2013/12/16

2. 大綱

3. 台灣地區山勢陡峻、水流湍急，經人為開發破壞之後，土壤沖蝕之情形甚為嚴重。土壤一旦受到沖蝕，不僅地表直接受到破壞，也致使養分流失、土地生產力下降；而大量土壤經由水的攜帶，經常造成水庫、河道淤塞等許多災害。為有效瞭解土壤沖蝕產生的影響，對於土壤沖蝕之量測預估與控制便成為目前研究的重要課題。台灣地區山勢陡峻、水流湍急，經人為開發破壞之後，土壤沖蝕之情形甚為嚴重。土壤一旦受到沖蝕，不僅地表直接受到破壞，也致使養分流失、土地生產力下降；而大量土壤經由水的攜帶，經常造成水庫、河道淤塞等許多災害。為有效瞭解土壤沖蝕產生的影響，對於土壤沖蝕之量測預估與控制便成為目前研究的重要課題。 • 國內目前最常使用的沖蝕預估模式為通用土壤流失公式(USLE, Universal Soil Loss Equation) 。

4. 土壤沖蝕性指數（soil erodibility factor）Km為土壤抵抗沖蝕之分離及搬運作用能力高低的一種量化指標，在研究上，田間實驗使用自然降雨或人工降雨在標準試區下（水平投影坡長22.13m、坡度9％且連續休耕兩年或兩年以上的均勻坡地）實驗所得之單位降雨沖蝕指數的土壤流失量，稱為土壤的沖蝕性指數（吳嘉俊等，1996）。

5. 本研究以石門水庫上游集水區為試區，紀錄各樣點之GPS座標及土地利用等情形，並採取土樣攜回進行室內實驗分析，估算得土壤沖蝕性指數，並進行探討。本研究以石門水庫上游集水區為試區，紀錄各樣點之GPS座標及土地利用等情形，並採取土樣攜回進行室內實驗分析，估算得土壤沖蝕性指數，並進行探討。 • 以地理統計的方法，利用土壤性質變異於空間具有連續性，應用克利金法、反距離權重法以及平滑曲面法等推估方法，由已知點來探討石門水庫上游集水區土壤沖蝕指數K值於空間中分布趨勢，並分析比較三種推估之方法。

6. 通用土壤流失公式Universal Soil Loss Equation , USLE • Wischmeier and Smith(1978)，提出目前在世界各國應用最廣的通用土壤流失公式：Ａ＝Ｒ*Ｋ*Ｌ*Ｓ*Ｃ*Ｐ A：年平均土壤流失量 R：降雨沖蝕指數K：土壤沖蝕指數L：坡長因子S：坡度因子C：覆蓋管理因子P：水土保持措施因子

7. Wischmeier，Johnson and Cross (1971)，提出線解圖(nomograph)及簡易公式來推求K值，其運用五種參數(parameters)來評估K值，其參數如下：(1)坋粒與極細砂(ψ=0.002-0.1mm)含量百分比(2)粗砂(ψ=0.1-2.0mm)含量百分比(3)有機質含量百分比(4)土壤結構性參數(5)土壤滲透性參數 土壤沖蝕指數Km (Soil Erodibility)

8. 典型表土之土壤沖蝕指數概略值 (資料來源：SCS，1978)

9. 萬鑫森，黃俊義(1981,1983)，估算台灣西北部及南部坡地土壤沖蝕指數和土壤流失量，將K值分成三個等級：低蝕性土壤(K<0.2)、中蝕性土壤(K=0.20.4)及高蝕性土壤(K>0.4)。萬鑫森，黃俊義(1981,1983)，估算台灣西北部及南部坡地土壤沖蝕指數和土壤流失量，將K值分成三個等級：低蝕性土壤(K<0.2)、中蝕性土壤(K=0.20.4)及高蝕性土壤(K>0.4)。 • 黃俊義(1986)，研究台灣坡地土壤沖蝕及流失量之推估，亦將K值分為三級；在台灣各地137處取樣地點發現土壤流失嚴重，共有87處高於其土壤容許流失量。 • 萬鑫森，黃俊義(1989)，於台灣各地三百多個取樣點求其土壤沖蝕指數。

10. 以區域化變數理論為基礎、參數之空間變異性（或相關性）結構函數為推估依據，對未知點進行估測，除可求取最佳推估值外，亦可獲估測點之誤差變異量以反應可能的推估誤差。以區域化變數理論為基礎、參數之空間變異性（或相關性）結構函數為推估依據，對未知點進行估測，除可求取最佳推估值外，亦可獲估測點之誤差變異量以反應可能的推估誤差。 地理統計(Geostatistics)

11. 1.水文方面之應用王如意、何輔仁、謝平城(1994)，應用地理統計研究坡地及水區分佈型降雨及逕流模式之研究。1.水文方面之應用王如意、何輔仁、謝平城(1994)，應用地理統計研究坡地及水區分佈型降雨及逕流模式之研究。 • 2.礦脈探索方面之應用Muge(1992)，以地理統計方法和影像分析推估鐵錳礦藏的分布情形。 • 3.植株生長方面之應用林俐玲(1990)，應用地理統計針對夏威夷群島茂伊島的森林，研究其林木生長率並尋求空間之變異性。

12. 4.土壤理化性質方面之應用Yost R.S(1982)利用地理統計分析美國夏威夷表土及底土共八十個樣本之土壤化學性質，其結果顯示底土Ca，Mg，K交換量有較大變化量，建議土壤化學性質之半變異圖可做為土壤管理及土壤分類之參考。 • 5.土壤污染方面之應用(1)Jeffery(1993)等人利用多變量指標克利金法評估土壤品質，整合多變量土壤成單一指標並成做土壤品質圖。(2)張南昌(1998)以大樣區的調查資料對全省做克利金推估，繪製等值線分佈圖。

13. 6.Kriging法推求土壤沖蝕指數K(1)周天穎、葉美玲(1997)，利用Kriging法來推估未知土壤沖蝕指數(K值)分佈圖。(2)洪怡美(1998) ，利用地理統計及Kriging法推估土壤沖蝕指數K值，而推估K值和實測K值比較有偏小的趨勢，在K值難求的情況下，應用地理統計加以推估應不失為一可行方式。(3)杜怡德(2000) ，應用Kriging法，由已知點來探討台中縣東勢區塊及南投縣國姓區塊內土壤沖蝕指數K值於空間中分布趨勢、土壤質地及坡度之變化。(4)張舒婷(2008) ，利用地理統計系統進行分析與推估石門地區上游K值之分佈，選用USDA公式以及Torri公式作為主要探討公式，並以現行台灣所使用之 Wischmeier公式作為驗證值，進行比較與探討。

14. 研究地區 • 本研究以石門水庫上游集水區為試區。石門水庫位於桃園縣境淡水河最大支流大漢溪上，而其行政區跨桃園縣大溪鎮、龍潭鄉、復興鄉，新竹縣關西鎮、尖石鄉、五峰鄉及宜蘭縣大同鄉。石門水庫上游集水區由石門水庫庫區、三光溪集水區、玉峰集水區、白石集水區及泰崗集水區五大子集水區組成。

15. 氣候方面屬亞熱帶海洋季風型氣候，冬夏溫差大。集水區內之氣溫受海拔高差影響，溫差約在12℃-26℃之間，年平均氣溫約為20℃；年平均降雨量約在2,200mm-2,800mm之間，因颱風的關係，雨量多集中於五至九月之間。氣候方面屬亞熱帶海洋季風型氣候，冬夏溫差大。集水區內之氣溫受海拔高差影響，溫差約在12℃-26℃之間，年平均氣溫約為20℃；年平均降雨量約在2,200mm-2,800mm之間，因颱風的關係，雨量多集中於五至九月之間。 • 地勢方面石門水庫上游集水區除西北端為較低緩的丘陵外，大多為山岳地形，地勢起伏自海拔135公尺（石門水庫壩址）至3,529公尺之間，其中以南端之品田山最高，全區地勢自東南向西北傾降。

16. 研究流程 • 現地採集之土樣(50點)帶回室內後，進行總體密度、飽和水力傳導度、有機質含量、顆粒密度、粒徑分佈及水分特性曲線等基本性質與土壤沖蝕性指數估算公式參數實驗。 • 依據各項實驗結果，採其中40點資料進行克利金法、反距離權重法及平滑曲面法之土壤沖蝕性指數分布推估，並以剩下10點之資料作為驗證，將各推估值進行分析比較。

17. 樣點選定 現地採樣(50點) 擾動土壤 未擾動土壤 土壤結構參數 風乾過篩 總體密度實驗 飽和水力傳導度實驗 水分係數 水分特性曲線實驗 粒徑分佈實驗 顆粒密度實驗 有機質含量實驗 土壤沖蝕性指數估算 採其中40點資料，利用克利金法、反距離權重法及平滑曲面法做全區土壤沖蝕性指數之推估 以剩下10點位資料作為驗證，比較三種推估方法之準確性

18. 土壤基本性質及沖蝕性指數

19. 實驗方法 • 克利金法(Kriging) • 假設說屬性的空間變異不是完全的隨機性(stochastic)或是完全的決定性(deterministic)，而空間的變異包含了三個要素(1)空間相關要素，表示了區域變數的變異性。(2)偏移值(dift)或結構(structure)，表示了一個趨勢。(3)隨機誤差。

20. 半變異數型式分為指數、高斯、球面、線性函數半變異數型式分為指數、高斯、球面、線性函數

24. 目前普遍是以克利金法做內插推估，本實驗除以克利金法推估外，還會以反距離權重法以及平滑曲面法做推估模擬土壤沖蝕性指數分布，並分析比較三者之便利性、準確性，未來可應用於推估其他地區之沖蝕性指數分布。目前普遍是以克利金法做內插推估，本實驗除以克利金法推估外，還會以反距離權重法以及平滑曲面法做推估模擬土壤沖蝕性指數分布，並分析比較三者之便利性、準確性，未來可應用於推估其他地區之沖蝕性指數分布。

25. THE END Thanks for your listening