陜北安塞坊塌小流域的溝道形態(tài)及其泥沙連通性

張意奉, 焦菊英,, 陳一先, 唐柄哲

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

黃河潼關(guān)水文站年均輸沙量已由20世紀(jì)70年代前的16億t銳減到2000—2015年的2.57億t，特別是2010—2015年平均僅為1.65億t[1]。雖然黃河泥沙從總量上來看，是有明顯的減少，但是這并不能說明黃土高原的土壤侵蝕問題得到了控制和解決，這是因?yàn)閮H在流域出口監(jiān)測(cè)的輸沙量不能說明流域內(nèi)部泥沙輸移的情況。由于土壤侵蝕過程在溝道中會(huì)有泥沙沉積現(xiàn)象出現(xiàn)，所以并不是所有的泥沙都會(huì)到達(dá)出口。

近年來提出的泥沙連通性，即流域內(nèi)泥沙通過分離和輸移從源到匯的傳輸程度[2-4]，并且受景觀中地貌的影響[2]。泥沙連通性是來衡量侵蝕泥沙在地貌單元之間的傳輸情況，用來看泥沙運(yùn)動(dòng)的潛能，同時(shí)將流域內(nèi)各部分聯(lián)系起來，可以說明流域內(nèi)部泥沙的輸移與沖淤特征，使侵蝕、輸移過程表達(dá)的更準(zhǔn)確，并且不同地貌結(jié)構(gòu)的溝道泥沙輸移潛能不同。泥沙連通性土壤侵蝕泥沙是從坡面運(yùn)輸?shù)綔系?，而溝道中泥沙的輸移與溝道的形態(tài)有關(guān)。對(duì)于溝道形態(tài)已有大量的相關(guān)研究，如北京市山區(qū)小流域主溝道分級(jí)及其水文特征[5-6]；人工溝渠對(duì)流域徑流、污染物傳輸和水文連通的影響[7]；基于ArcGIS軟件對(duì)DEM進(jìn)行處理對(duì)溝谷節(jié)點(diǎn)提取和溝道級(jí)別劃分等研究[8-12]，但對(duì)溝道形態(tài)變化與泥沙連通性的關(guān)系的研究還較為薄弱。

因此，本文主要以陜北安塞坊塌小流域主溝道及其支流小溝道為研究對(duì)象，對(duì)坊塌流域5 m×5 m分辨率的DEM影像進(jìn)行處理，通過提取獲得溝道分級(jí)、溝道比降以及溝道徑流節(jié)點(diǎn)這3個(gè)指標(biāo)來對(duì)溝道形態(tài)特征進(jìn)行描述，并且結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查泥沙連通性，旨在探明這3個(gè)指標(biāo)與泥沙連通性的關(guān)系，最終闡明溝道形態(tài)對(duì)泥沙連通性的影響。

1 研究區(qū)概況

坊塌流域地處陜西省延安市安塞縣沿河灣鎮(zhèn)坊塌村(36°47′19″—36°49′35″N，109°14′40″—109°17′09″E)，匯入延河流域的支流杏子河。流域面積為8.66 km2，流域溝壑密度3.8 km/km2，坡度以8°～25°為主，占整個(gè)流域的77.2 %(圖1)。坊塌流域內(nèi)有8座淤地壩，其中7座淤地壩在溝口構(gòu)成壩系，見圖2。第一座淤地壩(1#壩)建于1975年，淤滿后于1990年分別在上游3個(gè)支溝修建淤地壩(2—4#壩)，再次淤滿后又于2011年分別在3座淤地壩上游修建(5—7#壩)。8號(hào)壩位于左側(cè)支溝溝頭，修建于1960年左右，于1975年左右開始耕種。1—4號(hào)壩的壩地當(dāng)?shù)剞r(nóng)民仍在耕作，5、6號(hào)壩在2013年的暴雨中被沖毀。該流域?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)氣候向半干旱氣候的過渡地區(qū)，年平均氣溫為8.8℃，年平均降水量為542.5 mm，降水主要集中在7—9月且多暴雨。土壤主要以黃綿土為主，水土流失嚴(yán)重。

2 研究方法

2.1 溝道分級(jí)與匯流閾值的選取

溝道分級(jí)采用Strahler水系分級(jí)方法[13]，當(dāng)級(jí)別相同的溝道匯到一起時(shí)，該溝道級(jí)別才會(huì)升高，即將沒有支溝的溝道定義為起始一級(jí)溝道，然后兩個(gè)一級(jí)溝道交匯為二級(jí)溝道，依此類推。徑流節(jié)點(diǎn)是同一流域不同單元徑流的流入?yún)R合點(diǎn)。徑流節(jié)點(diǎn)同樣也是徑流動(dòng)能聚焦的關(guān)鍵點(diǎn)，同樣依據(jù)Strahler對(duì)水系分級(jí)劃分原則，節(jié)點(diǎn)級(jí)別確定為交匯于該點(diǎn)的兩條(或多條)溝道中級(jí)別最低的溝道級(jí)別。例如：兩條1級(jí)溝道交匯形成2級(jí)溝道，該節(jié)點(diǎn)的級(jí)別為1級(jí)節(jié)點(diǎn)；1級(jí)溝道和2級(jí)溝道甚至更高級(jí)別溝道的交匯點(diǎn)的級(jí)別都為1級(jí)節(jié)點(diǎn)，依此類推。

圖1 坊塌小流域溝道坡度

圖2 坊塌小流域淤地壩系

通過設(shè)定不同的匯流閾值可得到不同級(jí)別的溝道網(wǎng)絡(luò)圖，而閾值的設(shè)定一般都是根據(jù)研究的對(duì)象，不同級(jí)別的溝道對(duì)應(yīng)不同的閾值。本文通過嘗試設(shè)定閾值為1 000，500，300，200，100(圖3)，經(jīng)過細(xì)致的比較，發(fā)現(xiàn)閾值設(shè)為1 000，500時(shí)顯示的溝道大多是級(jí)別為四級(jí)和五級(jí)的溝道，其包含的一級(jí)、二級(jí)溝道極少幾乎沒有；閾值為300提取的溝道網(wǎng)可以顯示DEM圖上坊塌小流域的溝道；閾值為200，100時(shí)提取的溝道還會(huì)顯示出DEM圖上原本沒有的更小的溝道。因此，最終選定用閾值為300對(duì)坊塌流域進(jìn)行溝道分級(jí)。利用溝道分級(jí)的方法在閾值為300的結(jié)果上最終得到溝道分級(jí)圖，將坊塌流域的溝道進(jìn)行分級(jí)處理。

2.2 溝道形態(tài)特征的提取

溝網(wǎng)分級(jí)：利用ArcGIS 10.2軟件對(duì)空間分辨率為5 m×5 m的DEM進(jìn)行處理(圖4)。首先通過Hydrology工具包中的Fill命令來填洼和削峰；再以Fill工具生成的無洼地柵格數(shù)據(jù)作為輸入，應(yīng)用Flow Direction命令對(duì)DEM進(jìn)行流向分析；并將無洼地DEM流向分析作為輸入，利用Flow Accumulation進(jìn)行匯流分析，確定水流的路徑；然后，通過con(“flow_acc”>閾值，1)，采用Map Algebra中Raster Calculator生成溝網(wǎng)進(jìn)行溝網(wǎng)分析，用Stream to feature將溝網(wǎng)柵格矢量化，將偽溝道手動(dòng)剔除；最后，利用Stream Order命令，依據(jù)Strahler分級(jí)方法[12]的分級(jí)方法將溝道進(jìn)行分級(jí)，將最簡(jiǎn)單的沒有分枝的溝道定義為第一級(jí)溝道，兩個(gè)一級(jí)溝道匯合為第二級(jí)溝道，依此類推，得到溝網(wǎng)分級(jí)圖。

圖3 不同閾值下溝道分級(jí)對(duì)比

溝道比降：通過在溝網(wǎng)分級(jí)圖的屬性表Add fields中添加每一級(jí)溝道線段起止坐標(biāo)進(jìn)行幾何計(jì)算操作Calculate Geometry，利用Data Management Tools中的Feature Vertices to Points命令將溝道線段轉(zhuǎn)為折點(diǎn)，再利用Spatial Analyst Tools命令中Extract Values to Points工具來提取DEM上溝道折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高程值，根據(jù)約翰斯通—克羅斯法，即高程差/溝道水平距離來計(jì)算其比降，得到各溝道級(jí)別的比降。徑流節(jié)點(diǎn)：基于溝網(wǎng)分級(jí)的結(jié)果，利用Data Management Tools中Feature to point命令進(jìn)行溝道節(jié)點(diǎn)提取，采用與溝網(wǎng)分級(jí)類似的方法，對(duì)徑流節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)，最后利用手動(dòng)修正得到溝道節(jié)點(diǎn)圖。

2.3 野外調(diào)查

通過實(shí)地觀測(cè)，對(duì)溝道的主溝道、支溝道的溝道底部泥沙和溝道形狀進(jìn)行調(diào)查與記錄，選取典型溝道并且觀察溝道侵蝕程度以及泥沙沉積情況，利用拍照記錄所觀察的溝道。同時(shí)，依據(jù)泥沙連通性的定義，將泥沙連通性強(qiáng)弱與溝道內(nèi)泥沙淤積情況相聯(lián)系，即溝道內(nèi)泥沙殘留量肉眼可見則為弱連通性；溝道內(nèi)倘若泥沙大多被沖刷，露出基巖表層，則為強(qiáng)連通性；基于兩者之間的，沒有泥沙存留也沒有泥沙沖刷的其連通性就為中等連通性。

圖4 坊塌小流域溝道DEM

3 結(jié)果與分析

3.1 溝道級(jí)別與泥沙連通性

通過圖5和表1可知，坊塌流域1級(jí)小支溝數(shù)量最多，幾乎是2～5級(jí)溝道總數(shù)的2.25倍，并且通過野外試驗(yàn)調(diào)查得知，在大多數(shù)小支溝中泥沙沖刷現(xiàn)象比較嚴(yán)重，溝道底部泥沙幾乎被沖刷所剩無幾，露出基巖，因此溝道級(jí)別較低的溝道為強(qiáng)連通性(圖6A)，同時(shí)說明在溝頭處很可能出現(xiàn)泥沙連通的源，會(huì)發(fā)生溯源侵蝕。此外，經(jīng)過實(shí)地調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，在溝道級(jí)別較低的溝道，溝道內(nèi)部雖然淤積量較多(圖6C)，但是溝道中由于侵蝕嚴(yán)重，溝道里有陷穴、跌坎出現(xiàn)，因此該處在未來會(huì)成為潛在的泥沙連通性的路徑，具有強(qiáng)泥沙連通性。相反，對(duì)于溝道級(jí)別較高的主溝來說，由于溝道寬度較大，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，上游來水的動(dòng)力減弱，沒有較大的沖刷現(xiàn)象，而且有些位置的植被相對(duì)茂密，阻礙泥沙的輸移，溝道內(nèi)部泥沙淤積可見并且有一定的厚度，為弱連通性(圖6D)，并且會(huì)成為泥沙匯。除此之外，級(jí)別高的溝道有時(shí)會(huì)因?yàn)槿藶榉拍恋挠绊?，其連通性會(huì)增加，成為中等連通性(圖6B)。溝道級(jí)別升高并加之淤地壩的建設(shè)，使得上游來沙淤積，攜帶的泥沙沉積形成壩地，對(duì)溝道泥沙連通性起到阻礙作用。

圖5 坊塌小流域溝道和徑流節(jié)點(diǎn)

圖6 坊塌小流域溝道泥沙連通性局部情況

溝道等級(jí)溝道數(shù)量/條數(shù)量占比/%長(zhǎng)度范圍/m溝道比降范圍/%1級(jí)29669.327.50～451.147.6～79.52級(jí)9021.0814.14～786.413.3～40.83級(jí)235.395.00～677.013.0～18.04級(jí)153.515.00～1328.281.3～5.35級(jí)30.714.14～1991.31.9～5.7

3.2 溝道比降與泥沙連通性

通過溝道比降統(tǒng)計(jì)(表1)可清晰的看出，溝道比降與溝道級(jí)別有著明顯的關(guān)系，即溝道比降隨著溝道級(jí)別的增加逐級(jí)遞減。

溝道承接坡面產(chǎn)生的徑流泥沙，隨著坡面徑流與泥沙不斷匯入溝道，在溝道源頭，也就是起始一級(jí)溝道處，由于坡度較大，在一級(jí)溝道處會(huì)造成下切侵蝕，并且溝道內(nèi)泥沙隨著攜沙能力增強(qiáng)發(fā)生泥沙輸移現(xiàn)象，使溝道泥沙連通增強(qiáng)，溝道不斷加深。隨著徑流流速的降低，泥沙輸移運(yùn)動(dòng)減弱，泥沙在溝道中不斷沉積，同時(shí)溝道的泥沙連通性也減弱。

3.3 溝道徑流節(jié)點(diǎn)與泥沙連通性

依據(jù)溝道徑流節(jié)點(diǎn)分級(jí)圖，分析溝道級(jí)別與溝道徑流節(jié)點(diǎn)數(shù)量的關(guān)系，隨著溝道級(jí)別的增加，溝道徑流節(jié)點(diǎn)數(shù)量逐漸減少(圖7)。胡最等[14]發(fā)現(xiàn)隨著溝道級(jí)別的增加徑流節(jié)點(diǎn)級(jí)別也在增加，從徑流源點(diǎn)到徑流節(jié)點(diǎn)的徑流路徑長(zhǎng)度也在增加。茍嬌嬌等[15]也得出徑流節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)侵蝕較弱。結(jié)合實(shí)地調(diào)查來看，在徑流級(jí)別較高、徑流節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的主溝道，由于匯入溝道的徑流與泥沙的渠道減少，因此地形地貌起伏變化不大；相反在徑流節(jié)點(diǎn)數(shù)目較大的小支溝來說，小單元內(nèi)的地形地貌以及土壤侵蝕等都有較明顯的變化。因此會(huì)使泥沙連通性隨著徑流節(jié)點(diǎn)數(shù)的減少而減弱。

圖7 徑流節(jié)點(diǎn)與溝道級(jí)別關(guān)系

3.4 淤地壩與泥沙連通性

淤地壩一方面可以改變溝道形狀，另一方面也對(duì)溝道中徑流泥沙輸移過程起到阻礙作用。從圖2可以看出研究區(qū)的三條溝道都為有淤地壩分布，形成壩系。通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)淤地壩在不同狀態(tài)下對(duì)泥沙連通性有著不同的影響；5號(hào)壩和6號(hào)壩雖然在暴雨中豎井被沖毀，雖然有淤地壩，但還是呈現(xiàn)弱連通性；3號(hào)壩和4號(hào)壩內(nèi)主要為旱柳幼樹，觀察發(fā)現(xiàn)壩地內(nèi)泥沙淤積量很少，同時(shí)徑流泥沙大多從人工溝渠中通過，泥沙連通性也呈現(xiàn)弱連通性。

4 結(jié) 論

(1) 溝道網(wǎng)絡(luò)提取中閾值的選定需要將各閾值進(jìn)行比較，不同閾值得到不同范圍的溝道網(wǎng)絡(luò)圖，而閾值為300的溝道網(wǎng)絡(luò)圖最適合坊塌小流域。

(2) 隨著溝道級(jí)別的遞增，溝道的泥沙連通性減弱。第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)溝道為強(qiáng)泥沙連通性，第四級(jí)和第五級(jí)溝道為弱泥沙連通性。

(3) 溝道比降隨著溝道級(jí)別呈遞減現(xiàn)象，泥沙連通性隨著溝道比降的降低也減弱。

(4) 溝道徑流節(jié)點(diǎn)數(shù)隨著溝道級(jí)別的增長(zhǎng)而減少，溝道徑流節(jié)點(diǎn)也是表征溝道形態(tài)特征的一個(gè)量化指標(biāo)。同時(shí)泥沙連通性隨著徑流節(jié)點(diǎn)數(shù)的減少而減弱。

(5) 淤地壩及人工溝渠使泥沙連通性減弱，雖然豎井被損毀的淤地壩能促使連通性增強(qiáng)，呈現(xiàn)弱連通性。