黃土高原典型小流域侵蝕溝形態(tài)和穩(wěn)定性監(jiān)測初探

王 略, 徐 佳, 董亞維

(黃河水利委員會 黃河上中游管理局, 陜西 西安 710021)

侵蝕溝是黃土高原主要的侵蝕地貌，侵蝕溝的發(fā)育是水力和重力共同作用的結(jié)果。侵蝕溝發(fā)育的基本形式是溝頭前進(jìn)、溝壁擴(kuò)張和溝底下切。陳永宗等[1]、劉秉正等[2]、唐克麗[3]基于多期遙感數(shù)據(jù)分析認(rèn)為侵蝕溝的溝頭和溝壁是發(fā)展的，有關(guān)試驗站也在進(jìn)行侵蝕溝的觀測，但有關(guān)溝道發(fā)展的研究鮮見報道。鑒于這種情況，亟待通過侵蝕溝的監(jiān)測，對其動態(tài)變化和影響因素形成認(rèn)識，以便為侵蝕溝的利用、改造、治理提供科學(xué)依據(jù)。為此，水利部在“黃河流域全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目”開展侵蝕溝動態(tài)監(jiān)測工作，選擇黃土高原地區(qū)6條典型小流域，開展侵蝕溝形狀特征、發(fā)育程度、形態(tài)變化等監(jiān)測，對侵蝕溝穩(wěn)定性進(jìn)行分析，初步構(gòu)建侵蝕溝穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，以期為進(jìn)一步探索黃土高原地區(qū)侵蝕溝科學(xué)治理、水土流失災(zāi)害預(yù)防提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 侵蝕溝確定

本次研究在黃土高原不同侵蝕類型區(qū)選擇了6條面積適中的典型小流域分別為：甘肅省天水市的橋子溝(分橋子?xùn)|溝、橋子西溝)、甘肅省定西市的安家溝、甘肅省慶陽市的南小河溝、陜西省綏德縣的王茂溝、山西省呂梁市方山縣的沙溝和內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯的二老虎溝(表1)；在典型小流域中分別選擇2～4條長度300～500 m(控制面積約為10～20 hm2) 的典型支溝，共18條(表2)典型支溝作為研究對象。

表1 典型小流域位置及面積統(tǒng)計

表2 監(jiān)測支毛溝形狀參數(shù)

1.2 研究內(nèi)容與方法

1.2.1 侵蝕溝發(fā)育狀況監(jiān)測 在1∶1萬DEM基礎(chǔ)上，對6條典型小流域的侵蝕溝數(shù)量特征進(jìn)行提取，Ⅰ級侵蝕溝對應(yīng)于切溝，Ⅱ侵蝕溝對應(yīng)于較大切溝(或沖溝)，Ⅲ侵蝕溝對應(yīng)于沖溝，Ⅳ侵蝕溝和Ⅴ侵蝕溝則對應(yīng)于坳溝(干溝)。具體方法為：侵蝕溝數(shù)量特征提取基于水文學(xué)基本原理，利用現(xiàn)有1∶1萬DEM數(shù)據(jù)，提取各個流域的河網(wǎng)，并手工對不合理的水系進(jìn)行修改(如平行河網(wǎng)問題)，再采用A.N.Strahler水系分級方法對各流域的侵蝕溝進(jìn)行分級。

1.2.2 侵蝕溝形態(tài)變化測量 典型小流域主溝道選取12個代表性斷面，支毛溝選取36個代表性斷面及支毛溝的溝頭，在雨季前后進(jìn)行測量，測量精度為亞米級。具體方法為：每個測量斷面至少埋設(shè)2個標(biāo)志樁，支毛溝溝頭最少布設(shè)2～3個圖根控制點(diǎn)，對斷面控制樁和溝頭控制點(diǎn)進(jìn)行編號。以WGS-84橢球為基準(zhǔn)，按國家3度分帶規(guī)則當(dāng)?shù)厮谥醒胱游缇€建立的高斯投影坐標(biāo)系，采用動態(tài)RTK方式GNSS測量，極坐標(biāo)方法、棱鏡與免棱鏡相結(jié)合的全站儀測量和RTK控制、全溝頭地形Reigl三維激光掃描等3種方法對所有斷面標(biāo)志樁及圖根控制點(diǎn)平面與高程位置進(jìn)行測量。用南方Cass軟件繪制地形特征線、地形線、等高線和斷面圖等。

1.2.3 侵蝕溝穩(wěn)定性分析 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，對主溝道斷面、支毛溝溝道斷面、支毛溝溝頭分析形態(tài)變化，并進(jìn)行侵蝕溝穩(wěn)定分析，初步提出侵蝕溝穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系。具體方法為：斷面分析的主要方法是根據(jù)兩期測量的斷面數(shù)據(jù)，繪制出斷面圖，并對2次斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，逐點(diǎn)獲取兩次斷面數(shù)據(jù)的高程差，然后初步排除測量誤差和地形綜合誤差的影響，從而分析溝道是否加深，同時結(jié)合斷面長度分析斷面寬度是否加寬。支毛溝溝頭變化分析基于兩次野外測量的地形數(shù)據(jù)(包括控制點(diǎn)，地形特征點(diǎn)、線等)，獲取2次測量的最終地形圖；將兩次地形圖的等高線，特征點(diǎn)線導(dǎo)入到ArcGIS內(nèi)，建立兩次測量的溝道的DEM數(shù)據(jù)，并得到兩次測量的差異表面數(shù)據(jù)；結(jié)合實地觀測情況，排除測量誤差與制圖綜合誤差的影響，獲取溝頭地形變化的主要區(qū)域。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型小流域侵蝕溝發(fā)育程度

橋子溝流域侵蝕侵蝕溝總數(shù)48條，侵蝕溝級別可分為3級，Ⅰ級侵蝕溝數(shù)量為36條，占總數(shù)的75.00%，Ⅱ級侵蝕溝數(shù)量為10條，占總數(shù)的20.83%，Ⅲ級侵蝕溝數(shù)量為2條，占侵蝕溝總數(shù)的4.17%；安家溝流域侵蝕溝總數(shù)161條，侵蝕溝級別可分為4級，Ⅰ級侵蝕溝數(shù)量為131條，占總數(shù)的81.37%，Ⅱ級侵蝕溝數(shù)量為23條，占總數(shù)的14.29%，Ⅲ侵蝕溝和Ⅳ侵蝕溝數(shù)量分別為5和2條，占總數(shù)的4.35%；南小河溝流域侵蝕溝總數(shù)439條，侵蝕溝級別可分為5級，Ⅰ級侵蝕溝數(shù)量為351條，占總數(shù)的79.95%，Ⅱ級侵蝕溝數(shù)量為69條，占總數(shù)的15.72%，Ⅲ級侵蝕溝數(shù)量為14條，占總數(shù)的3.19%，Ⅳ和Ⅴ級侵蝕溝數(shù)量分別為4和1條，占侵蝕溝總數(shù)的1.14%；王茂溝流域侵蝕溝總數(shù)241條，侵蝕溝級別可分為5級，Ⅰ級侵蝕溝數(shù)量為179條，占總數(shù)的74.27%，Ⅱ級侵蝕溝數(shù)量為44條，占總數(shù)的18.26%，Ⅲ級侵蝕溝數(shù)量為14條，占總數(shù)的3.19%，Ⅳ和Ⅴ級侵蝕溝數(shù)量分別為3和1條，占侵蝕溝總數(shù)的1.66%；沙溝流域侵蝕溝總數(shù)60條，侵蝕溝級別可分為4級，Ⅰ級侵蝕溝數(shù)量為49條，占總數(shù)的81.67%，Ⅱ級侵蝕溝數(shù)量為8條，占總數(shù)的13.33%，Ⅲ級侵蝕溝數(shù)量為2條，占總數(shù)的3.33%，Ⅳ級侵蝕溝數(shù)量為1條，占侵蝕溝總數(shù)1.67%。二老虎溝流域侵蝕溝總數(shù)117條，侵蝕溝級別可分為4級，Ⅰ級侵蝕溝數(shù)量為95條，占總數(shù)的81.20%，Ⅱ侵蝕溝數(shù)量為17條，占總數(shù)的14.53%，Ⅲ和Ⅳ侵蝕溝數(shù)量分別為4和1條，占總數(shù)的4.27%。6條典型小流域各等級侵蝕溝數(shù)量特征匯總情況見表3。

表3 6條典型小流域各等級侵蝕溝數(shù)量特征

2.2 各流域主溝道斷面、支毛溝溝道斷面、支毛溝溝頭變化情況

各典型小流域主溝道斷面、支毛溝溝道斷面的2期觀測數(shù)據(jù)顯示，去除個別斷面點(diǎn)因地形綜合造成高程差有較大差異外，大部分?jǐn)嗝纥c(diǎn)的高程差均在誤差范圍以內(nèi)，溝道的寬度、深度均未見明顯變化。沙溝支毛溝1、二老虎溝的3條支毛溝內(nèi)有一些發(fā)生變化的區(qū)域。

2.3 侵蝕溝穩(wěn)定性分析及初步評價指標(biāo)體系

針對典型小流域在監(jiān)測期間的地形變化與溝道斷面變化，結(jié)合流域的邊界線、溝沿線、流水線等地貌特征線以及坡度、土地利用、植被覆蓋度、水土保持措施、地表組成物質(zhì)等影響溝道發(fā)育的環(huán)境要素；以及18個支毛溝在監(jiān)測期間的地形變化與溝道斷面變化，結(jié)合支毛溝的溝沿線，土地利用，植被覆蓋，水土保持措施等進(jìn)行分析，影響溝道形態(tài)變化的因素為以下幾個方面。

(1) 降雨因素[4]。這一因素是引起溝道侵蝕變化的主要動力因素，包括降雨量與降雨強(qiáng)度2個方面。從溝道監(jiān)測的結(jié)果來看，溝道未發(fā)生顯著變化的幾個溝道降水都偏少，降雨強(qiáng)度也較弱，而地形變化較為明顯的流域，降水則偏多，且降雨強(qiáng)度較大。

(2) 水保措施。除降水以外，水保措施的完善與否也直接影響著溝道形態(tài)的變化。本次監(jiān)測的6個流域均為黃河上中游重點(diǎn)監(jiān)測流域，水保措施相對來講都比較完善，每個支毛溝溝頭附近均修筑有各種梯田，魚鱗坑、水平溝等水保措施。這些水保措施有效地防止了侵蝕的發(fā)生。

(3) 植被覆蓋因素[5]。這一因素也對侵蝕的發(fā)生有重要影響，植被覆蓋度高的溝道，侵蝕相對就較弱。同時，具體的植被覆蓋措施也會影響到植被覆蓋發(fā)揮的減弱侵蝕的作用。

(4) 匯水面積。匯水面積[6-7]對侵蝕的發(fā)生也有重要影響。二老虎溝侵蝕較強(qiáng)也與二老虎溝溝道上游匯水面積較大有直接關(guān)系，特別是二老虎溝支毛溝3，上游匯水面積較大。

(5) 坡度。支毛溝集水區(qū)和溝道內(nèi)的坡度也對匯流過程有著重要影響。二老虎溝支毛溝2相對于支毛溝1的侵蝕弱些，其中一個原因就是支毛溝2相對于支毛溝1整個溝道的地形要平緩些。

(6) 地表組成物質(zhì)。溝道內(nèi)地表組成物質(zhì)[8-10]也是影響侵蝕發(fā)生的重要因素。二老虎溝溝道內(nèi)均為砒砂巖覆蓋，抗蝕性差，在強(qiáng)降雨條件下極易發(fā)生侵蝕，所以地形變化較為明顯。而安家溝溝道內(nèi)的老黃土的抗蝕性較強(qiáng)，是安家溝地形變化不顯著的一個重要原因。

通過對溝道形態(tài)變化因素的總結(jié)，初步形成侵蝕溝穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系(表4)。

表4 侵蝕溝穩(wěn)定性評價指標(biāo)

3 討論與結(jié)論

根據(jù)監(jiān)測期內(nèi)對各典型小流域侵蝕溝的動態(tài)監(jiān)測，摸清了小流域的侵蝕溝數(shù)量情況，對比地形與溝道變化的情況，將影響侵蝕溝溝道形態(tài)變化的因素基本總結(jié)為：降水因素、水保措施、植被覆蓋因素、匯水面積、坡度、地表組成物質(zhì)等幾個主要因素，初步形成侵蝕溝穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系。結(jié)合監(jiān)測過程、結(jié)果討論得出以下建議：

(1) 根據(jù)各流域侵蝕溝動態(tài)變化的監(jiān)測結(jié)果來看，在同一小流域的支毛溝，因為其空間距離較小，各種影響侵蝕因素的情況基本類似，監(jiān)測結(jié)果也很相似。所以一個小流域內(nèi)只重點(diǎn)選擇1～2條支毛溝開展監(jiān)測工作即可。

(2) 侵蝕溝監(jiān)測的重點(diǎn)應(yīng)放在支毛溝尺度，重點(diǎn)監(jiān)測支毛溝變化情況以及支毛溝的地形、斷面、溝沿線等內(nèi)容。

(3) 后續(xù)的侵蝕溝監(jiān)測工作可增加一些治理度差的溝道進(jìn)行，并對侵蝕溝至少進(jìn)行5～10 a連續(xù)監(jiān)測，才能得出更科學(xué)、準(zhǔn)確的結(jié)論。

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