砒砂巖區(qū)小流域坡溝系統(tǒng)地形及侵蝕分異規(guī)律

謝夢(mèng)瑤, 任宗萍, 張曉明, 李占斌, 馬曉妮, 李驍政

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710048;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

作為我國(guó)主要的侵蝕類型，水力侵蝕具有分布廣、面積大的特點(diǎn)，是我國(guó)水土資源流失的主要成因之一。黃河流域晉陜蒙接壤處分布著1.67萬(wàn)km的砒砂巖，該類巖層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，極易受到侵蝕外營(yíng)力作用，受區(qū)域雨熱同期及巖層遇水成泥特性影響，6—9月水土流失現(xiàn)象頻發(fā)，是黃河粗泥沙的主要來(lái)源區(qū)，與此同時(shí)，受降水量、土壤等非生物因子制約，該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，綜合治理難度高，是黃河流域高質(zhì)量發(fā)展亟需補(bǔ)強(qiáng)的主要短板之一。為防治該區(qū)水土流失，區(qū)域采取系列工程、植被、耕作等水土保持措施，其中以退耕還林還草、梯田、淤地壩建設(shè)為主要先鋒措施，在區(qū)域系統(tǒng)綜合治理下，該區(qū)整體水土流失狀況得到改善，已有研究表明，區(qū)域植被向好、水土流失面積減少、河流輸沙量銳減、流域蓄水保土能力提升。在此背景下，該區(qū)治理進(jìn)程正處于從面轉(zhuǎn)點(diǎn)、合理布局的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此細(xì)化研究該區(qū)生態(tài)薄弱區(qū)的侵蝕現(xiàn)狀對(duì)后續(xù)因地制宜、有的放矢地科學(xué)管控具有重要意義。

坡溝系統(tǒng)作為黃土高原地區(qū)小流域治理的最小整體單元，其地形、生物學(xué)、侵蝕因子具有較明顯的垂向分異性。目前，坡溝系統(tǒng)的水土流失規(guī)律研究多結(jié)合植被格局、泥沙來(lái)源、侵蝕產(chǎn)沙開(kāi)展，極大地豐富了坡溝系統(tǒng)水土流失機(jī)理及調(diào)控方式的認(rèn)知，但上述研究大多集中于小區(qū)、模擬流域尺度。以完整的流域坡溝系統(tǒng)為不同子系統(tǒng)視角分析地形、侵蝕分布差異性的研究較少，且由于該區(qū)退耕還林還草等系列政策的實(shí)施，區(qū)域生態(tài)穩(wěn)步提升，區(qū)域侵蝕近況亟待更新。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)測(cè)繪及處理技術(shù)的發(fā)展，為精細(xì)化分析流域坡溝系統(tǒng)地形、侵蝕分布提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，本文選取位于準(zhǔn)格爾旗的3個(gè)典型砒砂巖區(qū)小流域調(diào)查單元，旨在探明相同氣候條件下，典型小流域坡溝系統(tǒng)地形差異性、水力侵蝕分布及其關(guān)聯(lián)性，提升對(duì)砒砂巖區(qū)小流域地形、侵蝕特征的再認(rèn)識(shí)，促進(jìn)砒砂巖區(qū)后續(xù)治理方向的明晰化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選用了位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗的二老虎支溝(39°47′—39°49′N，110°35′—110°37′E)、什卜爾泰支溝(39°47′—39°48′N，110°35′—110°37′E)、特拉溝支溝小流域(39°34′—39°35′N，110°57′—110°58′E)作為典型砒砂巖區(qū)小流域調(diào)查單元(圖1)。小流域面積分別為42.9，5.7，2.1 hm，綜合流域基巖出露及覆蓋類型，將上述小流域作為覆土區(qū)、裸露區(qū)、覆沙區(qū)的代表性小流域。流域隸屬于溫帶大陸性氣候帶，雨熱同期，根據(jù)準(zhǔn)格爾旗氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究區(qū)多年平均氣溫、平均降水量、平均風(fēng)速分別為7.7 ℃、400.7 mm、1.9 m/s。受限于當(dāng)?shù)赝练蕷鉄釛l件，區(qū)域植被類型多以抗旱物種為主，常見(jiàn)草本為針茅(Linn.)、羊草((Trin.) Tzvel.)，常見(jiàn)灌木為沙棘(Linn.)、檸條(Kom.)，常見(jiàn)喬木為油松(Carr.)、山杏((L.) Lam.)。

圖1 小流域位置示意

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

氣象數(shù)據(jù)：準(zhǔn)格爾旗2013-2017年日降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于當(dāng)?shù)貧庀缶郑坏匦螖?shù)據(jù)：基于Phantom 4 Pro獲取研究區(qū)數(shù)字圖像，結(jié)合Agisoft PhotoScan對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行攝影測(cè)量處理，生成流域正射影像及高精度DEM(分辨率1 m)；土地利用數(shù)據(jù)：根據(jù)小流域正射影像，通過(guò)目視解譯小流域的溝沿線及土地利用分布(圖2)；NDVI數(shù)據(jù)：使用ENVI處理Landsat 8數(shù)據(jù)獲取2017年數(shù)據(jù)(分辨率30 m)；土壤屬性數(shù)據(jù)：顆分采用Mastersizer 2000測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。

圖2 小流域數(shù)字影像

1.3 研究方法

1.3.1 小流域高分辨率地形因子提取與分析 研究使用ArcGis 10.2對(duì)小流域數(shù)字高程進(jìn)行地形特征參數(shù)(坡度、地表粗糙度、地表切割深度、坡向)提取，結(jié)合溝沿線這一特殊的地貌結(jié)構(gòu)線劃分流域坡、溝系統(tǒng)，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論對(duì)小流域地形屬性的分布規(guī)律、統(tǒng)計(jì)特征開(kāi)展相應(yīng)分析。

1.3.2 CSLE 采用中國(guó)土壤流失方程(CSLE)計(jì)算小流域水力侵蝕模數(shù)，計(jì)算公式為：

=······

(1)

式中：為土壤水蝕模數(shù)[t/(hm·a)]；為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm·h·a)]；為土壤可蝕性因子[(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)]；和分別為坡長(zhǎng)和坡度因子(無(wú)量綱)；為植被覆蓋與生物措施因子(無(wú)量綱)；為工程措施因子(無(wú)量綱)；為耕作措施因子(無(wú)量綱)。

(1)降雨侵蝕力因子()

采用章文波等公式計(jì)算準(zhǔn)格爾旗的半月降雨侵蝕力()，計(jì)算公式為：

(2)

式中：為第年第個(gè)半月的侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]；為模型參數(shù)，反映區(qū)域降雨特征；為再優(yōu)化參數(shù)；為第個(gè)半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù)；為第年第個(gè)半月時(shí)段內(nèi)第天的侵蝕性日雨量(侵蝕性日降雨量標(biāo)準(zhǔn)為日降雨量≥12 mm，否則以0計(jì)算)。

(3)

(4)

多年平均半月降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的比例為：

(5)

式中：為第個(gè)半月的多年平均半月降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的比例。

(2)土壤可蝕性因子()

結(jié)合實(shí)測(cè)土壤理化性質(zhì)，采用Williams模型計(jì)算土壤可蝕性()：

(6)

式中：為土壤可蝕性因子[(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)]；=1-/100；為砂粒含量(%)；為粉粒含量(%)；為黏粒含量(%)；為有機(jī)碳含量(%)；0.131 7為值由美國(guó)制轉(zhuǎn)國(guó)際制系數(shù)。

(3)坡長(zhǎng)和坡度因子(、)

坡長(zhǎng)和坡度因子基于LS_Tool提取，計(jì)算方法為：

(7)

式中：為第段坡長(zhǎng)因子；和-1分別為匯流起點(diǎn)到第和第-1個(gè)柵格的累計(jì)坡長(zhǎng)(m)；坡長(zhǎng)指數(shù)，=0.2(≤1°)、=0.3(1°<≤3°)、=0.4(3°<≤5°)、=0.5(>5°)。

(8)

式中：為坡度因子；為坡度(°)。

(4)植被覆蓋與生物措施因子()

園地、林地、草地因子采用計(jì)算公式為：

(9)

式中：為植被覆蓋與生物措施因子；SLR為第個(gè)半月的土壤流失比率；為第個(gè)半月的多年平均半月降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力的比例。

灌木林地SLR計(jì)算公式為：

(10)

果園、有林地、其他林地SLR計(jì)算公式為：

SLR=044468×exp(-3.20096×)-

0.04099×exp(FVC-FVC×)+0025

(11)

草地SLR計(jì)算公式為：

(12)

式中：SLR為第個(gè)半月的土壤流失比率；FVC為植被覆蓋度；為喬木林林下蓋度。

(5)區(qū)域內(nèi)主要水土保持工程為魚(yú)鱗坑，故對(duì)應(yīng)的水土保持工程措施因子()取值為0.249。

(6)小流域無(wú)耕地，因此耕作措施因子()取值為1。

2 結(jié)果與分析

2.1 砒砂巖區(qū)典型小流域地形差異性分析

選取的典型小流域的坡度、地表粗糙度、地表切割深度、坡向特征見(jiàn)圖3。從小流域、坡面、溝道3種范圍對(duì)上述地形因子進(jìn)行多視角分析，結(jié)果顯示，坡度、地表粗糙度、地表切割深度在3種范圍內(nèi)排序相一致，小流域上來(lái)看各統(tǒng)計(jì)值大小依次為特拉溝支溝(覆沙)、什卜爾泰支溝(裸露)、二老虎支溝(覆土)，受流域坡面、溝道面積比影響，當(dāng)統(tǒng)計(jì)范圍變換至坡面、溝道時(shí)，地形因子統(tǒng)計(jì)值的大小排序在什卜爾泰支溝、二老虎支溝發(fā)生變化(表1)。與此同時(shí)，綜合對(duì)比各地形因子在3種范圍內(nèi)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分布，溝道上述統(tǒng)計(jì)值均大于坡面，說(shuō)明該區(qū)坡面地形較平緩，溝道地形破碎且較坡面地形差異較大。以坡度為例，小流域范圍內(nèi)，均值為21.8°～27.3°；坡面范圍內(nèi)，均值為6.0°～13.2°；溝道范圍內(nèi)，均值上升至34.5°～41.6°。根據(jù)小流域坡度分級(jí)占比(圖4)，二老虎支溝、什卜爾泰支溝在小流域及坡面范圍內(nèi)以0～5°為主要坡度區(qū)間，溝道范圍內(nèi)則以35°～40°為主要坡度區(qū)間；特拉溝支溝在坡面范圍內(nèi)的主要坡度區(qū)間為5°～10°，小流域及溝道范圍內(nèi)>45°的坡度占比大于其他分級(jí)下的占比，上述結(jié)果主要受區(qū)域侵蝕溝發(fā)育過(guò)程影響，在一定程度上輔證了覆沙小流域的溯源侵蝕較其他覆蓋(覆土、裸露)小流域劇烈。根據(jù)小流域坡向占比(表2)，二老虎支溝、什卜爾泰支溝以陽(yáng)坡(東南坡、南坡、西南坡、西坡)為主，占比為55.6%～70.6%；特拉溝支溝以陰坡(北坡、東北坡、東坡、西北坡)為主，占比為54.2%～55.4%。

表1 小流域地形因子統(tǒng)計(jì)值

表2 小流域坡向分級(jí)占比 單位：%

圖3 小流域高分辨率地形因子數(shù)據(jù)庫(kù)

圖4 小流域坡度分級(jí)占比

2.2 砒砂巖區(qū)典型小流域水力侵蝕評(píng)價(jià)

水蝕因子圖層經(jīng)疊置分析得到砒砂巖區(qū)典型流域水力侵蝕空間分布(圖5)，典型小流域的水力侵蝕模數(shù)在小流域、坡面、溝道3種范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表3)顯示，區(qū)域水力侵蝕模數(shù)統(tǒng)計(jì)值在小流域、溝道范圍內(nèi)排序一致，呈什卜爾泰支溝(裸露)>特拉溝支溝(覆沙)>二老虎支溝(覆土)；坡面范圍內(nèi)水力侵蝕模數(shù)統(tǒng)計(jì)值排序發(fā)生變化，大小依次為特拉溝支溝、二老虎支溝、什卜爾泰支溝。總體上，區(qū)域典型小流域的水力侵蝕模數(shù)高值位于溝道，坡面水力侵蝕模數(shù)差異較小，小流域范圍內(nèi)，均值為24.5～58.5 t/(hm·a)；坡面范圍內(nèi)，均值為1.5～3.9 t/(hm·a)；溝道范圍內(nèi)，均值上升至49.3～97.5 t/(hm·a)。由小流域水力侵蝕分級(jí)占比(表4)可以得出，小流域及坡面范圍內(nèi)，微度侵蝕為小流域的主要侵蝕分級(jí)，占比分別超過(guò)54.7%，87.2%，溝道范圍內(nèi)，流域各侵蝕分級(jí)的比重發(fā)生變化，微度侵蝕以上的占比增加，達(dá)67.2%。上述研究結(jié)果顯示，典型流域的水力侵蝕空間分布與地形因子在格局上存在差異，這是由于區(qū)域水力侵蝕除了受地形因子影響，亦與巖層上方覆被狀況相關(guān)。

表3 小流域水力侵蝕模數(shù)統(tǒng)計(jì)值 單位：t/(hm2·a)

表4 小流域水力侵蝕分級(jí)占比 單位：%

圖5 小流域水力侵蝕模數(shù)分布

2.3 砒砂巖區(qū)典型小流域水力侵蝕及其與地形因子關(guān)聯(lián)分析

以坡度、地表粗糙度、地表切割深度為自變量，侵蝕模數(shù)為因變量進(jìn)行兩變量相關(guān)分析(表5)，分析結(jié)果顯示，上述3類地形指標(biāo)與水力侵蝕模數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.001)，水力侵蝕模數(shù)與各地形因子相關(guān)性為>>，與此同時(shí)，小流域尺度上各因子的相關(guān)性排序一致，大小依次為什卜爾泰支溝(裸露)、二老虎支溝(覆土)、特拉溝支溝(覆沙)，說(shuō)明相比于其他覆蓋(覆土、裸露)，覆沙小流域的地形除了受水力侵蝕這一重要的地形重塑作用影響，仍存在其余較顯著因素共同作用。

表5 小流域水力侵蝕模數(shù)及其與地形因子的相關(guān)性分析

提取了不同侵蝕分級(jí)背景下的坡度、地表粗糙度、地表切割深度均值及坡向占比(圖6)，結(jié)果顯示，不同侵蝕分級(jí)下，3個(gè)典型小流域坡度、地表粗糙度、地表切割深度均值的分布較一致，總體隨侵蝕分級(jí)增長(zhǎng)而增加；各侵蝕分級(jí)在坡向的分布結(jié)果顯示，當(dāng)砒砂巖區(qū)典型小流域侵蝕達(dá)強(qiáng)度侵蝕以上，陽(yáng)坡成為主要分布坡向，占比達(dá)56.8%～75.8%，其中特拉溝支溝小流域在劇烈及極強(qiáng)度分級(jí)下東南坡占比達(dá)該類型侵蝕像元的52.3%，41.2%，結(jié)合2.1和2.2節(jié)的分析結(jié)果表明，溝道及其陽(yáng)坡是本次研究流域發(fā)生水土流失的關(guān)鍵點(diǎn)位。

圖6 不同土壤侵蝕分級(jí)背景下的地形特征

3 討 論

本研究表明，不同覆蓋下的砒砂巖區(qū)典型小流域地形指標(biāo)存在差異，覆沙小流域地表較其他覆蓋(覆土、裸露)小流域破碎且坡度較陡。有關(guān)覆沙坡面的對(duì)照試驗(yàn)表明，相似降水條件下，覆沙坡面較對(duì)照組產(chǎn)沙量增加，且侵蝕溝多以溝壁擴(kuò)張與溯源侵蝕形式擴(kuò)張，上述結(jié)論在一定程度上與本研究得到的特拉溝支溝(覆沙)的地形指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值較其他覆蓋小流域(覆土、裸露)偏大這一結(jié)論相互驗(yàn)證。此外，本研究選取的3個(gè)典型小流域，坡面尺度上，以林草為主要土地利用類型，因此坡面尺度的侵蝕模數(shù)與地形因子大小相一致，但溝道尺度上，受基巖出露影響，侵蝕模數(shù)量級(jí)排序發(fā)生變化，什卜爾泰支溝(裸露)的侵蝕模數(shù)約為二老虎支溝(覆土)的2倍，因此，砒砂巖區(qū)綜合治理重點(diǎn)亟需向裸露砒砂巖及溝道治理調(diào)整。本文中關(guān)于典型小流域水力侵蝕與地形因子的關(guān)聯(lián)分析顯示，坡度、地表粗糙度、地表切割深度大的地方，易發(fā)生較嚴(yán)重的侵蝕，且因陽(yáng)坡植被生境(土壤水分限制為主因)弱于陰坡，該坡向的地貌單元侵蝕劇烈程度較大。相較于僅從流域尺度研究流域侵蝕，本文補(bǔ)充完善了坡面、溝道尺度的侵蝕對(duì)照結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上量化了地形因子與侵蝕的互相關(guān)關(guān)系，以期為后續(xù)治理提供更精準(zhǔn)的科學(xué)建議。事實(shí)上，侵蝕是一個(gè)比本文研究更復(fù)雜的系統(tǒng)，受砒砂巖吸水易崩解特性影響，該區(qū)諸如崩塌、瀉溜等重力侵蝕現(xiàn)象較多，后續(xù)進(jìn)一步研究中，可補(bǔ)充溝道裸露基巖處失穩(wěn)臨界的相關(guān)機(jī)理性試驗(yàn)深化黃土高原重點(diǎn)薄弱區(qū)的侵蝕研究，促進(jìn)該區(qū)科學(xué)治理。

4 結(jié) 論

(1)小流域范圍內(nèi)，各地形因子統(tǒng)計(jì)值呈特拉溝支溝(覆沙)>什卜爾泰支溝(裸露)>二老虎支溝(覆土)；小流域、溝道范圍內(nèi)，水力侵蝕模數(shù)統(tǒng)計(jì)值呈什卜爾泰支溝(裸露)>特拉溝支溝(覆沙)>二老虎支溝(覆土)。

(2)坡面、溝道范圍內(nèi)的地形因子和坡面范圍內(nèi)的水力侵蝕模數(shù)統(tǒng)計(jì)值變化為特拉溝支溝(覆沙)>二老虎支溝(覆土)>什卜爾泰支溝(裸露)，上述地形因子統(tǒng)計(jì)值變化受流域坡面、溝道面積比影響，水力侵蝕模數(shù)統(tǒng)計(jì)值變化受流域坡面、溝道地形、覆被差異影響。

(3)各流域溝道范圍內(nèi)的地形因子和水力侵蝕模數(shù)均值均大于坡面范圍內(nèi)的對(duì)應(yīng)值，且較坡面該值差異大，流域坡面以微度侵蝕為主，占比達(dá)87%～97%，溝道微度侵蝕占比較坡面該值下降54%～72%，是后續(xù)小流域治理亟待加強(qiáng)的部分。

(4)砒砂巖典型流域坡度、地表粗糙度、地表切割深度與水力侵蝕模數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.001)，隨著侵蝕分級(jí)增加上述地形因子均值總體增加；砒砂巖區(qū)典型小流域侵蝕達(dá)強(qiáng)度侵蝕以上，陽(yáng)坡成為主要分布坡向，占比達(dá)56.8%～75.8%。