郭紅麗，代夢夢，童 建，梁 音，李 盟

（1.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；3.中國科學(xué)院大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

江蘇省水土流失主要分布在丘陵山區(qū)和平原沙土區(qū)［1］，以往研究多集中于低山、丘陵、崗地等區(qū)域，平原區(qū)水土流失問題尚未得到足夠的重視。但江蘇平原地區(qū)不僅存在水土流失現(xiàn)象，而且在降水量大、植被覆蓋度低，人為活動(dòng)干擾強(qiáng)烈的區(qū)域也有發(fā)生［2-3］。平原區(qū)河道邊坡是水土流失的主要場所，河道邊坡坡度大，土壤質(zhì)地多為粉砂土，且由于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)習(xí)慣常受到人類活動(dòng)的干擾，容易導(dǎo)致河道邊坡土壤侵蝕的發(fā)生［4-5］。坡面侵蝕產(chǎn)生的泥沙直接進(jìn)入河道并淤積下來，引起河道堵塞，影響河道正常的引排水功能和防洪安全，給當(dāng)?shù)厝藗兩a(chǎn)生活帶來巨大危害。

目前河道邊坡水土流失的研究大多是以點(diǎn)狀形式開展的機(jī)理研究［6-7］，缺少區(qū)域范圍內(nèi)河道邊坡水土流失整體情況的調(diào)查研究。由于河道邊坡寬度較窄，基于水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測目前使用地形圖的空間分辨率，無法準(zhǔn)確獲取河道邊坡的坡度因子，因此監(jiān)測結(jié)果也難以反映出平原區(qū)河道邊坡水土流失的真實(shí)情況。坡度、坡長［8］和土地利用方式［9］是影響邊坡水土流失的主要因素。邊坡利用方式可以通過改變土壤理化性質(zhì)［10-12］，影響坡面侵蝕的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程［13-14］，研究表明受人為干擾頻繁的耕地和缺少植被覆蓋的裸地更容易發(fā)生嚴(yán)重的水土流失［15］。因此，邊坡利用調(diào)查是了解區(qū)域范圍內(nèi)河道邊坡水土流失整體情況的有效手段。遙感技術(shù)是目前土地利用調(diào)查研究中常用的技術(shù)手段［16-17］，但傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星影像無法滿足河道邊坡利用類型解譯要求。無人機(jī)遙感具有空間分辨率高，操作靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能快速、準(zhǔn)確獲取地面信息，是目前最先進(jìn)的地面反演技術(shù)之一［18-19］。本研究結(jié)合野外實(shí)地考察，采用無人機(jī)對江蘇省典型河道邊坡寬度和坡度特征以及邊坡利用情況進(jìn)行調(diào)查，以期為全省河道邊坡水土流失治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省位于我國東部沿海，總面積為10.72萬km2，地形以平原為主，主要由黃淮平原、江淮平原、濱海平原及長江三角洲平原組成，地面高程大部分在5～10 m，占全區(qū)總面積的69%。境內(nèi)河網(wǎng)密布，水系發(fā)達(dá)，現(xiàn)有各類河道2萬條之多，總長度高達(dá)11.11萬km。研究區(qū)地處亞熱帶向暖溫帶的過渡區(qū)，氣候溫和，多年平均氣溫在13～16°C之間，多年平均降水量為800～1100 mm，但季節(jié)分布不均，其中70%的降水量集中在5—9月份。平原區(qū)土壤質(zhì)地多為粉壤土，粉粒和砂粒含量高，黏塑性差。因此，在具有一定坡度條件的地方，尤其是裸露的河道邊坡容易引發(fā)較嚴(yán)重的水土流失。

1.2 調(diào)查方法

本研究進(jìn)行河道邊坡調(diào)查的路線為：根據(jù)江蘇省河流水系特征（級別、長度等）選擇代表性河道，對選擇的河道進(jìn)行實(shí)地考察，記錄實(shí)地調(diào)查河道的邊坡特征（寬度、坡度），同時(shí)利用無人機(jī)航拍河段，根據(jù)實(shí)地考察資料解譯航拍影像，提取河道邊坡特征（面積、平均寬度）并進(jìn)行邊坡利用分類，計(jì)算邊坡利用類型占比，基于江蘇省河道資料上推全省河道邊坡面積和各利用類型面積，獲得全省河道邊坡特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。具體路線見圖1。

圖1 江蘇省河道邊坡利用類型調(diào)查流程

1.2.1 調(diào)查河段布設(shè)

根據(jù)《江蘇省骨干河道名錄》［20］，江蘇省現(xiàn)有流域性河道（Ⅰ）0.35萬km，區(qū)域性骨干河道（Ⅱ）0.55萬km，其他重要河道（Ⅲ）1.25萬km，縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）8.96萬km，河道總長度11.11萬km。本研究依據(jù)全省河流水系分布情況，同時(shí)考慮南北差異，分別選取了4個(gè)等級的共14條河道進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查和無人機(jī)航拍，其中流域性河道（Ⅰ）3條、區(qū)域性骨干河道（Ⅱ）3條、其他重要河道（Ⅲ）3條、縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）5條，每條河道設(shè)置3個(gè)河段，共計(jì)42條河段。調(diào)查河段分布如圖2所示。

圖2 調(diào)查河段空間位置

1.2.2 野外調(diào)查

本研究開展野外實(shí)地調(diào)查的時(shí)間為2021年4月13—23日，調(diào)查內(nèi)容主要包括2個(gè)部分：（1）河道邊坡基本情況；（2）無人機(jī)河段航拍。

在選擇的河段利用皮尺測定邊坡寬度，即河流水位以上至邊坡頂端的長度；利用坡度儀測定邊坡坡度，同時(shí)記錄該河段邊坡利用類型。此外，利用大疆精靈4 RTK四旋翼無人機(jī)對河道及邊坡進(jìn)行航拍。起飛前觀察周圍環(huán)境狀況，選擇無遮擋的寬闊、平坦地面作為起降平臺。航拍前使用遙控器進(jìn)行航線規(guī)劃，每條河段的飛行航線一般不超過4條，大致順河流方向飛行，無人機(jī)鏡頭垂直向下，同時(shí)設(shè)置飛行高度為80 m，航向重疊度和側(cè)向重疊度分別為80%和70%，各條河段航拍長度約600 m。航拍結(jié)束后利用Pix4dmapper軟件對無人機(jī)影像進(jìn)行拼接處理，共計(jì)獲得42條河段的正射影像圖。

1.2.3 邊坡利用類型劃分

依據(jù)野外實(shí)地調(diào)查的邊坡寬度、邊坡坡度以及邊坡利用方式等基礎(chǔ)資料，在河段的正射影像圖上識別并提取河道邊坡。綜合野外調(diào)查邊坡利用特征，將河道邊坡利用類型劃分為草地、林地、耕地、裸地、護(hù)坡工程用地和其他用地6種。根據(jù)無人機(jī)影像的形狀、顏色、紋理等特征，使用ArcGIS軟件，采用目視解譯的方式對各邊坡利用類型進(jìn)行解譯和勾繪，統(tǒng)計(jì)各利用類型的邊坡面積和占比。

1.2.4 數(shù)據(jù)獲取

在ArcGIS平臺中，采用測量工具和統(tǒng)計(jì)分析工具對無人機(jī)遙感影像中各河段的水面寬度、邊坡面積（雙側(cè)）和邊坡寬度（單側(cè)）進(jìn)行提取。水面寬度利用河段上、中和下部的寬度求平均獲得，計(jì)算公式為

式中：K W為河段水面寬度，m；K1、K2、K3分別為河段正射影像圖上、中、下3個(gè)位置的水面寬度，m。

在影像處理的過程中，河道邊坡面積較好識別和勾繪，除以河段長度即可獲得該河段邊坡平均坡長，與直接在ArcGIS中測量邊坡坡長相比具有較高的準(zhǔn)確性。因此，河段邊坡平均寬度計(jì)算公式為

式中：K P為邊坡寬度（單側(cè)），m；M為該河段雙側(cè)的邊坡面積，m2，通過勾繪無人機(jī)影像圖中河道邊坡范圍獲得；L為河段長度，本文中為600 m。

對調(diào)查的4個(gè)級別河道42條河段不同邊坡利用類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得各河段邊坡各類利用類型的面積。對同級別河道下所有河段相同邊坡利用類型相加，可獲得該級別河道在調(diào)查長度內(nèi)邊坡各利用類型的總面積，根據(jù)邊坡總面積，可計(jì)算獲得該級別河道邊坡各利用類型面積占比，計(jì)算公式為

式中：Pij為調(diào)查的i級河道中j類邊坡利用類型面積占比；Mij為調(diào)查的i級河道中j類邊坡利用類型的面積；Mi為調(diào)查的i級河道邊坡總面積，m2。其中i為河道級別，本研究中為Ⅰ～Ⅳ級，j為邊坡利用類型數(shù)量，本研究中共有6種。

由于調(diào)查的河道涵蓋了省內(nèi)所有的河道級別，同時(shí)考慮了空間分布的差異，所以可認(rèn)為所選擇調(diào)查的河道情況可代表全省河道邊坡特征。根據(jù)全省各級別河道長度結(jié)合公式（3）中確定的各級別河道中各類邊坡利用類型占比，即可獲得全省各級河道邊坡各利用類型的面積，計(jì)算公式為

式中：S ij為全省第i等級河道j種邊坡利用類型的面積，km2；L i為第i等級河道航拍總長度，m；B i為全省第i等級河道的總長度，km。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel軟件統(tǒng)計(jì)各等級河道邊坡寬度、坡度的均值、最大值、最小值及變異系數(shù)等，利用SPSS軟件對變量平均值進(jìn)行方差分析（ANOVA）及相關(guān)性分析（Pearson），利用Origin軟件對邊坡寬度、邊坡坡度隨河流寬度的變化趨勢進(jìn)行擬合和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型河道邊坡特征

表1展示了42個(gè)調(diào)查河段河道的基本特征。4類河道水面平均寬度分別為141.51 m、66.35 m、30.61 m和16.01 m，在p＜0.01的水平上流域性河道（Ⅰ）與其余3個(gè)等級河道存在顯著差異，區(qū)域性骨干河道（Ⅱ）與其他重要河道（Ⅲ）和縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）存在顯著差異。流域性河道（Ⅰ）、區(qū)域性骨干河道（Ⅱ）和其他重要河道（Ⅲ）的水面平均寬度分別是縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）的8.8、4.1和1.9倍。

表1 各等級河道水面寬度、邊坡寬度及坡度統(tǒng)計(jì)特征

調(diào)查河段中邊坡寬度在0～47.75 m之間，河段邊坡寬度最小值為0 m，這是由于原有的邊坡結(jié)構(gòu)被垂直護(hù)岸工程影響導(dǎo)致，其次是3.15 m，出現(xiàn)在縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ），最大值47.75 m，出現(xiàn)在流域性河道（Ⅰ）。4類河道邊坡寬度均值分別為23.29 m、9.64 m、8.53 m和6.10 m，其中流域性河道（Ⅰ）與其余3個(gè)等級河道具有顯著性差異（p＜0.01）。總體上，隨著河道級別的降低，邊坡寬度均值逐漸降低，二者關(guān)系用線性函數(shù)擬合具有較高的精度（圖4a）。4類河道變異系數(shù)在0.37～0.95之間，表現(xiàn)為中等程度空間變異性，其中其他重要河道（Ⅲ）和縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）邊坡寬度變異系數(shù)為0.41和0.37，為較弱的中等程度變異性，而流域性河道（Ⅰ）和區(qū)域性骨干河道（Ⅱ）邊坡寬度變異系數(shù)為0.75和0.95，為較強(qiáng)的中等變異性，這是因?yàn)椴糠症?、Ⅱ級河道受工程措施影響，使得邊坡的形態(tài)與自然條件下相差較大，導(dǎo)致變異系數(shù)變大。

對邊坡寬度大于0 m的調(diào)查河段的邊坡坡度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示邊坡坡度在10°～38.03°之間，河段邊坡坡度最小值為10°，出現(xiàn)在流域性河道（Ⅰ），最大值38.03°，出現(xiàn)在縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）。4類河道邊坡坡度均值分別為19.11°、18.02°、23.07°和25.97°，縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）與流域性河道（Ⅰ）（p＜0.05）和區(qū)域性骨干河道（Ⅱ）（p＜0.01）具有顯著性差異?？傮w上，隨著河道級別的降低，邊坡坡度均值逐漸增大，二者關(guān)系用線性函數(shù)擬合γ2為0.53（圖4b）。4類河道變異系數(shù)在0.14～0.35之間，表現(xiàn)為較弱的中等程度空間變異性。

圖4 邊坡寬度(a)、邊坡坡度(b)隨水面寬度的變化趨勢

2.2 江蘇省河道邊坡利用分析

表2展示了42條調(diào)查河段不同利用類型下的邊坡面積及占比。4類河道的邊坡利用結(jié)構(gòu)存在差異：流域性河道（Ⅰ）以草地和林地為主，二者累計(jì)面積占比為81.62%，此外護(hù)坡工程用地面積占比高達(dá)7.72%，表明流域性河道（Ⅰ）邊坡的保護(hù)和治理程度高。其余3個(gè)等級河道邊坡利用類型均以草地、林地和耕地為主，其中區(qū)域性骨干河道（Ⅱ）的草地和林地累計(jì)面積占比較低，僅為61.03%，而耕地面積占比高達(dá)31.56%。其他重要河道（Ⅲ）和縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）的草地、林地累計(jì)面積占比相近，分別為75.63%和71.70%，耕地面積占比分別為14.77%和21.84%，此外二者裸地面積占比較高，分別為8.55%和6.43%。由于缺少植被保護(hù)，裸露的邊坡受到降雨侵蝕后容易發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。

表2 42條調(diào)查河段各邊坡利用類型面積和占比

利用42條調(diào)查河道河段邊坡面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可計(jì)算獲得全省范圍內(nèi)各等級河道不同利用類型下的邊坡面積（表3）。江蘇全省的河道邊坡總面積為1 638.54 km2，其中流域性河道（Ⅰ）的邊坡面積為163 km2，占全省邊坡面積的9.95%；區(qū)域性骨干河道（Ⅱ）的邊坡面積最小，為106.04 km2，僅占全省邊坡面積的6.47%；其他重要河道（Ⅲ）的邊坡面積為277.88 km2，占全省邊坡面積的16.96%；縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）的邊坡面積最大，為1091.63 km2，占全省邊坡面積的66.62%。以上數(shù)據(jù)表明，縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）邊坡是全省河道邊坡的主體。目前開展的農(nóng)村生態(tài)河道整治工作已將其放在邊坡水土流失治理的重要位置。江蘇全省河道邊坡各利用類型面積表現(xiàn)為草地＞林地＞耕地＞裸地＞護(hù)坡工程用地＞其他用地，其中耕地和裸地是河道邊坡水土流失高發(fā)區(qū)，且二者面積較大，分別為320.50 km2和99.82 km2，需對其進(jìn)行重點(diǎn)治理。

表3 江蘇省各等級河道不同利用類型下的邊坡面積 單位：km2

3 結(jié)論

研究基于調(diào)查的4類河流42個(gè)河段的相關(guān)資料和無人機(jī)航拍影像，提取并分析了調(diào)查河段邊坡的寬度、坡度以及邊坡利用類型，并將邊坡利用類型特征上推到全省范圍，統(tǒng)計(jì)了全省不同級別河道邊坡各利用類型的面積，主要結(jié)論如下：

（1）調(diào)查河段4類河流邊坡平均寬度分別為23.29，9.64，8.53和6.10 m，對應(yīng)的平均坡度分別為19.11°，18.02°，23.07°和25.97°。邊坡利用類型主要有草地、林地、耕地、裸地、護(hù)坡工程用地和其他6種，不同級別河道，各利用類型占比具有一定差異。

（2）江蘇省河道邊坡總面積約1 638.54 km2，其中其他重要河道（Ⅲ）和縣鄉(xiāng)河道（Ⅳ）邊坡面積占比較大，分別為16.96%和66.62%。各邊坡利用類型中，草地、林地和耕地占比較多，分別為38.16%，34.15%和19.56%。其次為裸地，總面積達(dá)到99.82 km2，在河道邊坡水土流失治理中需要重點(diǎn)關(guān)注。

（3）利用無人機(jī)遙感和代表河道上推方法可較為準(zhǔn)確地獲得全省河道邊坡特征數(shù)據(jù)。研究可為江蘇省河道邊坡土壤侵蝕管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)可為類似河溝邊坡調(diào)查研究提供方法支持。