吳 可,李 鎮(zhèn),齊志國,李 煒,馮 甜,秦占飛

1.河北地質(zhì)大學(xué) 土地科學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)院,河北 石家莊 050031;2.河北地質(zhì)大學(xué) 河北省農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測國際聯(lián)合研究中心,河北 石家莊 050031

0 引言

生態(tài)環(huán)境問題是全世界關(guān)注的重點問題,其中水土流失在近年來被廣泛關(guān)注,水土流失現(xiàn)象在黃土丘陵區(qū)十分常見,它會導(dǎo)致大范圍的土壤侵蝕,外在表現(xiàn)為侵蝕溝,其嚴(yán)重危害不僅體現(xiàn)在會切割地表、破碎耕地,還體現(xiàn)在對農(nóng)業(yè)經(jīng)營規(guī)模的影響[1]。在我國冀西北黃土丘陵區(qū)的土壤侵蝕表現(xiàn)極為突出侵蝕溝不斷的發(fā)育發(fā)展,形成了溝谷特有的形態(tài)特征。研究者從黃土地貌侵蝕土壤的發(fā)育規(guī)律切入,探究黃土地貌侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律和溝谷的演化過程等信息[2-4],為進一步了解侵蝕溝發(fā)展進程和預(yù)測其發(fā)展趨勢提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐,更有利于黃土丘陵區(qū)水土流失的維護和治理,亦為改善生態(tài)環(huán)境做出貢獻。按照發(fā)育過程,研究者將侵蝕溝被分為6 種類型:細溝、淺溝、切溝、沖溝、干溝、河溝[5],它們存在著繼承性和延續(xù)性,如淺溝由主細溝演變而來,而切溝是由淺溝發(fā)展變化而來[6],切溝侵蝕作為淺溝侵蝕的延續(xù)往往侵蝕程度比淺溝強烈,最終導(dǎo)致水土流失愈加嚴(yán)重化。獲取切溝斷面形態(tài)特征是預(yù)測切溝體積的重要前提,國內(nèi)外學(xué)者也將切溝侵蝕監(jiān)測研究作為主要的研究內(nèi)容之一。近年來,對于切溝機理,切溝侵蝕預(yù)報模型以及測量切溝的方法上取得了一系列研究成果[7-9],有學(xué)者針對黃土高原地區(qū),驗證了國外淺溝侵蝕和切溝侵蝕的判定式,并結(jié)合具體數(shù)據(jù)使用GIS 空間分析和統(tǒng)計分析等方法[10],建立了適合黃土高原地區(qū)的淺溝侵蝕和切溝侵蝕判定式[11]。冀西北黃土丘陵區(qū)主要以農(nóng)業(yè)為主,土壤肥力日益下降,最終土地退化降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力,影響生態(tài)環(huán)境和人民的收益。此外,長期大量的水土流失,致使當(dāng)?shù)氐挠蓝ê由嫌未罅磕嗌秤偃こ淘O(shè)施,對官廳水庫形成了嚴(yán)重威脅,影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動,進而導(dǎo)致經(jīng)濟損失。由于監(jiān)測技術(shù)手段的限制,對切溝形態(tài)特征的研究較為薄弱。已有研究顯示,國內(nèi)外學(xué)者主要針對不同的研究區(qū)域,不同的剖面位置分析溝谷溝谷橫剖面的典型量化指標(biāo)規(guī)律特征,比如國外學(xué)者通過實地測量和計算,統(tǒng)計分析了埃塞俄比亞高原溝谷的形態(tài)特征[12];李鎮(zhèn)等利用QuickBird影像以晉西黃土區(qū)切溝為研究研究對象分析了切溝的溝頭后退速率和面積變化比例[13]。李鎮(zhèn)、吳紅艷等分析了黃土高原不同區(qū)域侵蝕溝的斷面特征,主要的斷面參數(shù)包括切溝寬深比、切溝底寬頂寬比和斷面面積等[14]。

由于黃土區(qū)域地形的復(fù)雜性和切溝侵蝕的多樣性,對于切溝斷面參數(shù)的統(tǒng)計分析還不夠完善,關(guān)于冀西北間山盆地區(qū)切溝斷面特征的研究還未見報道。本文以河北省張家口市陽泉縣新堡鄉(xiāng)的17 條典型切溝為研究對象,使用三維激光掃描儀獲取切溝地理坐標(biāo)和高程的點云數(shù)據(jù),構(gòu)建高分辨率DEM,結(jié)合土壤學(xué)和測量學(xué)等基礎(chǔ)理論[15],利用GIS斷面分析功能提取并計算出切溝形態(tài)特征的參數(shù)指標(biāo),包括溝長、溝寬、溝深和切溝斷面面積等,并對這些參數(shù)指標(biāo)進行相關(guān)性分析,不僅在數(shù)據(jù)的獲取上更加精確,而且全面的反映出切溝斷面的形態(tài)特征,并進一步通過計算和統(tǒng)計對切溝斷面表征進行分析,本研究為深入冀西北黃土丘陵區(qū)切溝侵蝕特征研究和預(yù)報提供科學(xué)的方法和手段,為侵蝕溝防治提供重要的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

辛堡鄉(xiāng)位于張家口市陽原縣的東南部,全鄉(xiāng)總面積116.4 km2,地理位置為40.22°-40.09°N,114.50°-114.69°E。地勢西高東低、南高北低,海拔在813～1 397 m 范圍,南臨蔚縣陳家洼鄉(xiāng),西臨馬圈堡鄉(xiāng),東部壺流河穿域流過,北部緊臨桑干河,所以區(qū)域內(nèi)洪水流域較多,且辛堡鄉(xiāng)氣候?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)季候,四季分明,夏季雨熱同期,冬季寒冷干燥,全年降水量為300～400 mm,夏季降水量約為全年的62%～67%。另外辛堡鄉(xiāng)為農(nóng)業(yè)鄉(xiāng),以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主,其中耕地的總面積約為38.26 km2,包括水澆地面積、沙地和山旱地等。圖1 為辛堡鄉(xiāng)的地理位置和高程圖。

2 材料與方法

2.1 切溝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取與處理

本研究中切溝的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取主要分為外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)處理兩部分,其中外業(yè)測量選用Riegl 三維激光掃描儀,來完成非接觸高速激光測量,以點云形式獲取目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。為了避免植被對切溝溝緣線的影響,盡量選擇植被差(或無植被) 的切溝作為研究對象,共選取17 條典型切溝進行實地測量,獲取了對應(yīng)的高程和地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)[16]。經(jīng)過地理配準(zhǔn)和點云 “去噪” 等基礎(chǔ)的內(nèi)業(yè)預(yù)處理后,使用Arcgis10.8 軟件將帶有地理坐標(biāo)和高程的地形點數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角網(wǎng) (TIN),再基于TIN 插值構(gòu)建0.15 m 分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)。

2.2 切溝斷面形態(tài)參數(shù)提取與計算

2.2.1 切溝斷面基礎(chǔ)參數(shù)提取

切溝的長度、寬度和深度是切溝形態(tài)的基本特征,在一定程度上可反映出切溝對應(yīng)各個階段的發(fā)育程度[17]。由于切溝形狀不規(guī)則,不同部位形狀有差別,所以本文選擇每條切溝溝頭、溝中、溝口三個位置綜合描述該切溝形態(tài)特征。實際測量的所有斷面中,選擇最靠近溝頭位置即沿切溝發(fā)育方向測量的第一個斷面位置代表切溝溝頭形態(tài);靠近溝中位置即最靠近切溝總長度一半位置的斷面表征溝中形態(tài);靠近溝口位置即測量的最后一個斷面表征溝口形態(tài)。為對整條切溝有更準(zhǔn)確的解析,分別獲取了從溝頭到溝口五個重要位置的溝谷橫坡面,提取了一系列切溝斷面形態(tài)特征參數(shù),包括頂寬 (TW,m)、底寬 (BW,m)、溝深(D,m),具體的參數(shù)獲取方法如圖2 所示。在此基礎(chǔ)上計算切溝每個斷面面積 (CSA,m2)[18],每個斷面我們近似看為梯形,溝深近似于梯形的高,是由多個位置取高計算平均值而來,斷面面積的計算公式為:

式中:CSA 為斷面面積,單位m2;TW 為切溝斷面頂寬,單位m;BW 為切溝斷面底寬,單位m。

圖2 切溝基本形態(tài)特征圖Fig.2 Basic morphological characteristics of gullies

2.2.2 衍生參數(shù)的計算與統(tǒng)計

(1) 切溝變異系數(shù)

為了分析17 條切溝形態(tài)參數(shù)差異,考慮到平均頂寬與平均斷面面積的度量單位不同,選擇變異系數(shù)(變差系數(shù)) 統(tǒng)計量。變異系數(shù)是指標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值(相對值),記為C·V,以消除單位和(或)平均數(shù)不同對兩個或多個資料變異程度比較的影響。具體計算公式為:

(2) 底寬與頂寬比值

將頂寬的侵蝕程度作為分析地表層切溝寬度的侵蝕程度,底寬用來表示切溝底部侵蝕程度。根據(jù)底寬與頂寬比值判定切溝斷面給形狀,將研究區(qū)切溝斷面形狀分為V 型、V-U 型及U 型[19]。計算公式如下:

式中:TW 為切溝頂寬,單位m;BW 為切溝底寬,單位m。本文通過文獻數(shù)據(jù)參考,結(jié)合研究區(qū)切溝受侵蝕情況,將α≥0.6屬于U 型溝,0.4 ≤α ≤0.6 屬于U-V 型溝,α ≤0.4 屬于V 型溝[20]。

(3) 寬深比

隨溝谷發(fā)育階段的深化,切溝斷面形態(tài)也會隨之改變,為定量表征切溝斷面形態(tài),研究者將寬深比(切溝斷面位置寬度與深度組合變化) 作為區(qū)分切溝侵蝕程度的定量指標(biāo)[21],以表征斷面的寬淺和窄深程度。計算公式如下:

式中:ζ 為寬深比,TW 為頂寬,D 為溝深

3 結(jié)果與分析

3.1 切溝斷面形態(tài)特征分析

3.1.1 切溝斷面形態(tài)參數(shù)特征分析

切溝形態(tài)特征反映其侵蝕發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件,探究侵蝕溝形態(tài)參數(shù)特征及空間分異規(guī)律對深入理解侵蝕溝的侵蝕進程具有重要意義?；谌S激光點云數(shù)據(jù)構(gòu)建的高精度DEM (0.15 m),確定各斷面頂寬(TW)、底寬(BW)、溝深(D)、斷面面積(CSA)和變異系數(shù)等形態(tài)參數(shù),進而統(tǒng)計了每條切溝的平均頂寬、平均底寬、平均溝深以及平均斷面面積,結(jié)果如圖3 所示。

圖3 切溝形態(tài)參數(shù)數(shù)值圖Fig.3 Numerical diagram of gully shape parameters

研究結(jié)果顯示:切溝平均頂寬較長,且每條溝道波動較大,最長達到13.04 m,最短平均頂寬僅2.7 m,最大值與最小值的差值大10.34 m。平均底寬的變化幅度相比平均頂寬變化幅度小,且80%都在2 m 以內(nèi)。結(jié)合平均斷面面積的折線圖可以看出,斷面面積最大值為30.55 m2,最小值為1.89 m2,平均值為13.03 m2,平均頂寬和平均底寬與平均斷面面積整體上的變化趨勢是相似的。另外,平均溝深的變化幅度也較小,從整體來看,17 條侵蝕溝的溝深均在4 m 以內(nèi),且平均溝深的發(fā)育變化與平均斷面面積是相對應(yīng)的,根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以說明侵蝕溝的發(fā)育在寬度和深度上是均勻的,也就是說在侵蝕溝發(fā)育變化的過程中,寬度和溝深以及斷面面積都在發(fā)生變化。

對侵蝕溝的頂寬,底寬、溝深和斷面面積四項參數(shù),分別對應(yīng)溝頭、溝中和溝口三個斷面位置進行了統(tǒng)計分析,求取每個參數(shù)對應(yīng)斷面位置的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,并計算了變異系數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。

表1 不同位置切溝斷面主要參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of main parameters of gully sections at different locations

通過變異系數(shù)可以分析溝頭、溝中和溝口,分別 對應(yīng)頂寬、底寬、溝深斷面面積的變異程度,一般來說,變異系數(shù)的平均水平越高離散程度越大,反之離散程度越小。本文中各斷面位置的變異系數(shù)值平均水平較高且各值有明顯差異,由此說明侵蝕溝不同斷面位置發(fā)育情況不盡相同且變化幅度差異較大。如表1所示,底寬相比其他參數(shù)變異系數(shù)較大,發(fā)育迅速,其中在侵蝕溝溝口位置,底寬集中分布在2～8.2 m 范圍,變異系數(shù)達到1.92,其次溝頭與溝中位置底寬的變異系數(shù)分別達到0.74 和0.85;頂寬在三個斷面位置處變異系數(shù)較為均勻,其值約為0.40 左右;溝深的變異系數(shù)較小,其值約為0.35 左右;斷面面積可由溝寬和溝深計算而來,在溝斷面位置最大值和最小值之差均在20 m2以上,變異系數(shù)在溝頭、溝中和溝口分別為0.67、0.62 和0.57,變異程度僅次于切溝底寬變異程度;結(jié)果表明,切溝在不斷發(fā)育過程中,各個斷面位置都在不斷受到侵蝕而演變,變異系數(shù)大小順序為:底寬>斷面面積>頂寬>溝深,即同一斷面位置上,對于各參數(shù)本身而言,底寬變異的離散程度最大,而溝深變異的離散程度最小。此外,頂寬和底寬的最值以及標(biāo)準(zhǔn)差表明,侵蝕溝各斷面位置的發(fā)育程度呈現(xiàn)的規(guī)律是溝頭>溝中>溝口,綜上所述,冀西北間山盆地區(qū)侵蝕溝的發(fā)育速度過快,不容樂觀,且溝寬比溝深的變異程度更為惡劣。

3.1.2 切溝斷面形態(tài)表征分析

(1) 底寬與頂寬比值分析

切溝各位置斷面形狀可以反映同一條溝形狀走勢變化,進而反映切溝發(fā)育情況,依據(jù)頂寬與底寬比值,劉元保,齊菲等切溝截面形態(tài)定義為“U” 型、“V”型、“V-U 型”[22,23],當(dāng)?shù)讓挶软攲挶戎怠?.4 時,切溝斷面形狀屬于V 型;比值在0.4～0.6 之間屬于V-U型;≥0.6 屬于U 型侵蝕溝。研究數(shù)據(jù)表明,有70%以上的侵蝕溝從溝頭到溝口均為V 型溝,且α 值從溝頭到溝口皆是由大變小;近30%的侵蝕溝溝頭到溝口位置切溝形態(tài)類型發(fā)生轉(zhuǎn)變,其中有三條侵蝕溝由UV 型轉(zhuǎn)V 型,α 值仍是由大變小,僅有一條侵蝕溝由V型轉(zhuǎn)U-V 型再轉(zhuǎn)V 型,α 值則先變大再變小,一條侵蝕溝U 型轉(zhuǎn)V 型,α 值從溝頭到溝口逐漸減小。

表2 切溝斷面形態(tài)參數(shù)表Table 2 shape parameters of trench section

(2) 寬深比分析

寬深比(ζ) 是反映切溝形態(tài)特征的重要指標(biāo),其數(shù)值越大表明該位置的橫向侵蝕較垂向侵蝕越嚴(yán)重。本文根據(jù)研究區(qū)17 條切溝的頂寬和溝深計算了每條切溝對應(yīng)的寬深比,表2 數(shù)據(jù)表明寬深比數(shù)值集中在0.53～2.52 范圍,以0～1、1～2 和2～3 為組別,將寬深比分為三組,進行頻率統(tǒng)計分析(圖4),由此可知,寬深比在三個斷面位置皆是高頻集中在1～2之間,均達到50%以上,所占比例對比:溝口>溝中>溝頭;其次是0～1,三個斷面位置均達到10%以上,溝中占比最高為23.53%,則切溝在溝中位置橫向侵蝕幅度較其他位置略小;溝中和溝口位置寬深比在2～3 這一區(qū)間的僅占5.88%,而溝頭位置占有29.41%,寬深比在2～3 范圍內(nèi)溝頭的頻率明顯高于溝中和溝口,表明切溝溝頭的橫向侵蝕較垂向侵蝕嚴(yán)重,而溝中和溝口的橫向侵蝕更嚴(yán)重;由累計頻率的百分比得出,在三個斷面位置處寬深比的數(shù)值在0～2區(qū)間內(nèi)累計頻率已達70%及以上,這與趙春紅[20]在以寬深比ξ 來區(qū)分切溝類型的研究結(jié)果(切溝的 ξ 應(yīng)該在 0.4～1.8 之間) 相符合,溝頭、溝中和溝口的寬深比都可用來作為區(qū)分侵蝕溝類型的衡量指標(biāo),但在區(qū)分是否為切溝時可綜合三個斷面位置進行分析判別,以及結(jié)合實際土地利用類型、地形因素等其他人為因素綜合考慮。

圖4 切溝寬深比頻率統(tǒng)計Fig.4 Frequency statistics of gullies’ width depth ratio

4 討論

綜合以往學(xué)者對侵蝕溝斷面形態(tài)特征相關(guān)參數(shù)研究結(jié)果[24],本文分別選取部分切溝和淺溝兩種侵蝕溝類型,黃土和黑土兩種土壤類型分別對平均頂寬,平均溝深和寬深比的平均值進行了對比分析,結(jié)果顯示(表3),本研究區(qū)切溝的平均頂寬值和平均溝深值都最大,分別為8.62 m 和2.22 m,表明切溝的侵蝕程度較為嚴(yán)重,而平均寬深比的值最小,不同研究區(qū)域下土地利用類型、地形和切溝斷面形狀均存在差異,趙春紅[20]在系統(tǒng)整理和分析國內(nèi)外大量野外調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計出切溝 ζ 值在0.19～1.98 之間變化,本文研究得到的平均寬深比為1.32 和東北黑土漫川漫崗區(qū)切溝的寬深比為1.87[22],均屬于這一范圍。東北黑土山地丘陵區(qū)的結(jié)果超出了這一范圍,這與侵蝕溝所在地形和植被覆蓋程度等密切相關(guān)。由淺溝的寬深比數(shù)值可以看出,同種土壤類型下淺溝寬深比均比切溝的寬深比數(shù)值要大。本文研究區(qū)的冀西北山盆地間的侵蝕溝發(fā)育特征是橫向侵蝕與下切侵蝕共同發(fā)展,比其他地區(qū)的下切侵蝕都更加劇烈,對該區(qū)域侵蝕溝侵蝕發(fā)育的抑制和治理不容忽視。

表3 中國不同研究區(qū)切溝斷面主要參數(shù)值Table 3 Main parameter values of gully section in different study areas in China

5 結(jié)論

本文以張家口市陽原縣辛堡鄉(xiāng)為研究區(qū),利用三維激光掃描儀獲取了17 條侵蝕溝的地形數(shù)據(jù),生成0.15 m 分辨率的數(shù)字高程模型(DEM),提取并計算了切溝斷面頂寬、底寬、溝深、斷面面積、變異系數(shù)、底寬/底寬和寬深比等參數(shù),對切溝斷面形態(tài)參數(shù)特征和切溝斷面形態(tài)表征進行分析,并對比了以往的研究結(jié)果,得到了以下結(jié)論:

(1) 不同溝道之間切溝寬度相差較大,但溝深相近;切溝斷面位置變異系數(shù)反映了不同切溝同一位置各參數(shù)變化的離散程度:底寬>斷面面積>頂寬>溝深,由此可知該研究區(qū)切溝的橫向侵蝕比下切侵蝕更加劇烈。

(2) 通過切溝底寬/頂寬( α) 分析,統(tǒng)計得出有70%以上的侵蝕溝在斷面位置都是U 型溝,且α 值逐漸減小,有近30%的切溝由溝頭到溝口存在著U型、V 型和U-V 型溝之間的轉(zhuǎn)變,α 仍然逐漸減小;在三個斷面位置處寬深比的數(shù)值在0～2 區(qū)間內(nèi)累計頻率已達70%及以上橫向侵蝕比垂向侵蝕的嚴(yán)重程度由大到小為:溝頭>溝口>溝中。

(3) 本研究區(qū)切溝的平均頂寬值和平均溝深值較其他研究區(qū)皆最大,分別為8.62 m 和2.22 m,切溝的侵蝕程度較為嚴(yán)重,而平均寬深比的值比其他研究區(qū)對比最小,僅為1.32,同種土壤類型下淺溝寬深比均比切溝寬深比數(shù)值大,切溝以橫向侵蝕為主導(dǎo),下切侵蝕為輔。