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    基于GIS的多因子土壤凍融侵蝕強度分級評價
    ——以長江上游為例

    2023-01-07 13:02:20楊珍珍倪萬魁牛富俊
    水利與建筑工程學(xué)報 2022年6期
    關(guān)鍵詞:凍結(jié)深度坡向凍融

    楊珍珍,倪萬魁,李 蘭,牛富俊

    (1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054;2.黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院,河南 駐馬店 463000;3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

    凍融侵蝕是指在寒冷的地區(qū),土體或者巖石中的水分在溫度低的時候凍結(jié)并且體積增大,溫度高的時候融化并且體積減小,從而使土體或巖石發(fā)生了一些物理破壞,這些物理破壞的破碎物伴隨著重力以及降雨等作用被搬運、遷移以及堆積的過程[1-3]。在我們國家,凍融侵蝕是僅次于水蝕和風(fēng)蝕的第三大土壤侵蝕類型[4],其面積占我國國土面積的17.97%[5],主要分布在我國的青藏高原、天山山脈以及大興安嶺北部[6]。凍融侵蝕使土壤的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,土壤的抗侵蝕能力減弱[1,7],而且,凍融侵蝕產(chǎn)物也增加了河流的泥沙來源[8],對江河源區(qū)生態(tài)、水文環(huán)境影響顯著。

    凍融侵蝕受區(qū)域氣候、地表條件及微地形、地貌因素影響顯著。但無論是國內(nèi)還是國外,人們大多都在研究土壤的風(fēng)蝕以及水蝕,對凍融侵蝕的研究相對較少[3]。其中,已經(jīng)開展了的研究工作有:張建國和劉淑珍[4,9-10]首先確定了西藏地區(qū)凍融侵蝕的范圍,并認為其是最主要的土壤侵蝕類型之一,再結(jié)合綜合因子分析法對西藏地區(qū)凍融侵蝕強度的相對分級以及其空間分布特征進行了分析;李成六等[11]選取三江源區(qū)為凍融侵蝕研究區(qū),根據(jù)綜合因子分析法對研究區(qū)進行評價,結(jié)果表明研究區(qū)凍融侵蝕具有明顯的區(qū)域分異特點;史展等[3]采用5個因子標準化方法和凍融評價模型對三江源區(qū)凍融侵蝕進行了評價與分析;王莉雁等[2]通過對凍融侵蝕的5個主要影響因子進行定量研究,分析了青藏高原凍融侵蝕敏感性程度、空間分布特征及單因子對凍融侵蝕敏感性響應(yīng)程度。這些研究促進了對青藏高原凍融侵蝕發(fā)育范圍、程度及影響因素的科學(xué)認識和評價。然而已有的研究大多數(shù)都只考慮了氣溫年較差、年降水量、坡度、坡向、植被蓋度、土壤中的4~6個指標,對評價指標的選取不夠全面。青藏高原56%的區(qū)域發(fā)育多年凍土,其余區(qū)域也基本為深季節(jié)凍土區(qū),因此,廣大凍土區(qū)凍融侵蝕發(fā)育狀況及其影響值得探討。實際上,受青藏高原氣候暖濕化的影響,近年來凍土區(qū)激增的熱融滑塌、熱融泥流及熱喀斯特湖等是凍融侵蝕突出案例[12-13],越來越引起研究者和工作人員的重視。因細顆粒土體中更容易發(fā)育地下冰、并在凍土退化過程中易發(fā)生流失而與凍融侵蝕關(guān)系密切,有必要納入凍融侵蝕影響因子分析。

    長江上游地區(qū)具有高寒、高海拔的特點,成為了我國凍融侵蝕較嚴重的區(qū)域[14]。尤其在長江源區(qū)的丘陵山地,以熱融滑塌為主的熱融災(zāi)害顯著增加[12,15],相應(yīng)的凍融侵蝕將呈現(xiàn)增加的趨勢。為此本文以前人研究為基礎(chǔ),考慮到凍融侵蝕受多因素影響,補充了更多影響凍融侵蝕的評價指標。為獲得研究區(qū)凍融侵蝕的強度分級以及空間分布特征,對研究區(qū)的凍融侵蝕進行了多因子評價分析。旨在利用GIS多因子土壤凍融侵蝕強度分級評價為該地區(qū)的水土保持研究以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供一些參考。

    1 研究區(qū)概況

    長江上游地區(qū)處于我國西部,主要涉及西藏、青海、云南、貴州、四川、重慶等地[16],位于東經(jīng)90°~105°,北緯25°~37°之間,面積約為55.8×104km2(見圖1)。長江源區(qū)處于高平原區(qū)域,上游地區(qū)以山地為主,地形復(fù)雜,地勢西北高東南低,擁有源頭地區(qū)、昆侖-橫斷山區(qū)、喀斯特等特殊地形地貌,山地、丘陵比重大。長江上游地區(qū)氣候類型復(fù)雜多樣,西北高原區(qū)為亞寒帶半濕潤高原氣候,多年凍土、季節(jié)性凍土發(fā)育,凍融作用強烈,但因其地勢相對平坦,因此多發(fā)育熱喀斯特湖(見圖2),高原周邊丘陵山地多年凍土斜坡易發(fā)生以熱融滑塌為主的凍融侵蝕(見圖3);而東南高山峽谷區(qū)受近南北走向的山脈控制和大氣環(huán)流影響,表現(xiàn)為晝夜溫差大、氣溫垂直分帶明顯[17],但該區(qū)坡度大,因此多發(fā)育融凍泥流。總的來說,研究區(qū)從西北到東南年降水量呈增加趨勢,但氣溫年較差呈減小趨勢。

    圖1 研究區(qū)長江上游位置示意圖

    圖2 長江源區(qū)北麓河一帶發(fā)育的熱喀斯特湖

    圖3 可可西里丘陵山地發(fā)育的熱融滑塌

    2 研究方法

    2.1 凍融侵蝕強度評價方法

    采取將凍融侵蝕的諸多影響因子綜合起來,使其成為單一強度指數(shù)的方法對研究區(qū)的凍融侵蝕進行評價[11]。國內(nèi)外對凍融侵蝕已有的研究多是采用分級賦權(quán)重評價模型,然而因為這種方案的主觀性很強,并且不同的評價因子通常有不同的單位和量綱[1],這都會影響對凍融侵蝕強度的評價。因此本文采取了一種較為科學(xué)的方法對其進行研究,即標準化值賦權(quán)重加權(quán)求和。該方法主要分為兩個步驟:首先需要將各個評價因子進行標準化處理,以此來減小由于各評價因子具有不同的單位和量綱而造成的誤差;其次,根據(jù)各評價因子的相對重要性,賦予每個因子權(quán)重,然后根據(jù)各個因子的權(quán)重對標準化后的數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和。

    各評價因子標準化處理的方法如下:

    Ii=(I-Imin)/(Imax-Imin)

    (1)

    式中:Ii是指各評價因子標準化處理后的值;I是指各評價因子原本的值;Imin是指各評價因子原本的值中的最小值;Imax是指各評價因子原本的值中的最大值。

    各評價因子加權(quán)求和的公式如下:

    (2)

    其中:F是指各評價因子標準化值賦權(quán)重加權(quán)求和后的值;n是指研究選取的評價因子的數(shù)量;Wi是指對各評價因子所賦予的權(quán)重;Ii為各評價因子標準化處理后的值[1-2]。

    經(jīng)過標準化處理以及加權(quán)求和計算,得到的F也稱為凍融侵蝕強度指數(shù),并且 越大代表凍融侵蝕程度也越大。綜合考慮研究區(qū)的地質(zhì)條件,將每個像元大小取值為(0.25°,0.25°),像元點的總數(shù)為537 283個。

    2.2 評價指標及數(shù)據(jù)獲取

    對于土壤凍融侵蝕的評價,理應(yīng)采用凍融侵蝕區(qū)單位時間內(nèi)單位面積上土壤的流失量更為可靠[18],但是直到現(xiàn)在,國內(nèi)和國外都鮮有相關(guān)的數(shù)據(jù)[10]。然而在凍融侵蝕區(qū),凍融侵蝕強度的確有所不同,這主要是因為影響凍融過程以及凍融產(chǎn)物搬運條件的因子不同而引起的[1]。通過參考已有凍融侵蝕的研究以及該區(qū)的自然環(huán)境特征,本文不僅采用了上述提及的氣溫、降水量、坡度、坡向、植被蓋度、土壤進行評價,更結(jié)合了高程、活動層厚度、最大凍結(jié)深度,總共使用了9個評價因子[19],來綜合分析長江上游地區(qū)的凍融侵蝕強度。

    (1) 氣溫年較差。溫度的周期性變化影響著凍融侵蝕的強度[2],在凍融侵蝕過程中溫度主要改變了土壤凍結(jié)層與融化層的厚度。溫度越低,凍結(jié)層深度越大;溫度越高,融化層厚度越大;溫差越大,越有可能發(fā)生凍融侵蝕[2]。土壤溫度的變化通常需要很長時間的觀測數(shù)據(jù),但由于研究區(qū)惡劣的氣候環(huán)境,導(dǎo)致目前此類數(shù)據(jù)比較欠缺[20]。然而根據(jù)相關(guān)的研究,發(fā)現(xiàn)了氣溫與土壤的溫度具有很強的相關(guān)性,因此兩者可以互相反映[3],所以本研究利用氣溫年較差的數(shù)據(jù)作為凍融侵蝕強度的評價因子之一。氣溫年較差是指某一個年份的氣溫數(shù)據(jù)中,最高月平均氣溫與最低月平均氣溫之差[21]。氣溫年較差是通過對中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)獲取的氣溫數(shù)據(jù)進行計算得來的,通過標準化方法對氣溫年較差的數(shù)據(jù)進行標準化,可以得到氣溫年較差標準化圖(見圖4(a))。

    (2) 最大凍結(jié)深度。最大凍結(jié)深度是指從地表往下測量,被凍土層厚度的最大值[22]。在季節(jié)性凍土區(qū),最大凍結(jié)深度與凍融侵蝕強度呈正相關(guān),即最大凍結(jié)深度越大,凍融侵蝕越強烈。最大凍結(jié)深度的數(shù)據(jù)可以通過國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/)獲取。對最大凍結(jié)深度數(shù)據(jù)進行標準化處理,可以得到如圖4(b)所示的最大凍結(jié)深度標準化圖。

    (3) 活動層厚度。多年凍土,指的是持續(xù)兩年或兩年以上的凍結(jié)不融的土層[23]。一般情況下,多年凍土區(qū)的上覆土層夏季融化、冬季凍結(jié),該層土稱為活動層?;顒訉雍穸仍酱?,表明多年凍土穩(wěn)定性越差、參與凍融作用的活動層土體厚度越大,繼而凍融侵蝕作用越強烈。活動層厚度的數(shù)據(jù)可以從國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲取,通過標準化方法對活動層厚度進行標準化處理,可以得到圖4(c)。

    (4) 高程。通常來說,海拔越高,地溫越低,凍融侵蝕越強烈[24],反之越弱。高程數(shù)據(jù)可以通過在地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search)中對90 m分辨率DEM數(shù)據(jù)進行幾何糾正來獲取,然后提取出高程圖。對高程數(shù)據(jù)進行標準化處理,可以得到研究區(qū)高程標準化圖,見圖4(d)。

    (5) 年降水量。年降水量也是影響凍融侵蝕的一個主要因素,它為凍融侵蝕提供了物質(zhì)來源。降水會增加土體的含水量[3],凍結(jié)時對土體的破壞作用增大[25]。同時,降水也為凍融侵蝕產(chǎn)物搬運提供了動力[26],對凍融作用起到了明顯的促進作用。年降水量的數(shù)據(jù)也可以通過中國氣象數(shù)據(jù)中心獲取,通過標準化方法對年降水量標準化,得到如圖4(e)所示的年降水量標準化圖。

    (6) 坡度。坡度可以用來反應(yīng)地形對于凍融侵蝕的影響程度,表現(xiàn)在影響凍融侵蝕產(chǎn)物運移距離的遠近以及物質(zhì)的多少。通常來說,坡度越大的地方,越有利于凍融侵蝕的發(fā)生,凍融侵蝕產(chǎn)物也被運移的數(shù)量越多、距離越遠[1]。坡度的數(shù)據(jù)可以利用ArcGIS軟件對高程數(shù)據(jù)進行表面分析提取出來,對坡度數(shù)據(jù)進行標準化處理可以得到圖4(f)。

    (7) 細粒土含量。土質(zhì)特征也影響凍融侵蝕,通常將粗粒含量(大于0.075 mm)不到50%的土稱為細粒土[27]。也指顆粒最大粒徑不大于4.75 mm,公稱最大粒徑不大于2.36 mm的土,包括各種黏質(zhì)土、粉質(zhì)土、砂和石屑等。細粒土含量對凍融侵蝕的影響為細粒土含量越多,凍融侵蝕越強烈。細粒土含量的數(shù)據(jù)可以從土壤科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://soil.geodata.cn/)獲取,通過對細粒土含量進行標準化處理,可以得到如圖4(g)所示的細粒土含量標準化圖。

    (8) 植被蓋度。與其他影響因素不同,植被可以明顯的減弱凍融侵蝕[28],主要表現(xiàn)為三個方面:植被的存在減小了土壤的溫差、地上的植被保護地表和植被的根系穩(wěn)固土壤[1]。通常情況下,植被覆蓋度越高的地方,凍融侵蝕發(fā)生的可能性以及程度越小。數(shù)據(jù)獲取方法為通過地理空間數(shù)據(jù)云獲取,然后對植被蓋度數(shù)據(jù)進行標準化,可以得到植被蓋度標準化圖,見圖4(h)。

    圖4 長江上游地區(qū)各評價指標標準化圖

    (9) 坡向。坡向的差異性也會引起區(qū)域凍融侵蝕強度以及類型的差異。有研究認為陽坡太陽輻射強于陰坡,因此蒸發(fā)量和溫差變化遠大于陰坡,凍融侵蝕程度也大于陰坡[10]。但根據(jù)在可可西里丘陵山地?zé)崛诨恼{(diào)查顯示,坡向朝北、東北向凍土斜坡熱融滑塌占據(jù)了優(yōu)勢,而且通過對沿川藏鐵路沿線的凍融風(fēng)化堆積體的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)朝北斜坡上的堆積體占據(jù)絕大優(yōu)勢,因此按照表1給出了斜坡坡向賦值。坡向數(shù)據(jù)也可以通過ArcGIS軟件對高程數(shù)據(jù)進行表面分析提取得到。根據(jù)表1的賦值方法對坡向各角度進行賦值,可以得到如圖4(i)所示的坡向標準化圖。

    表1 坡向各角度標準化賦值

    2.3 評價指標權(quán)重計算

    本研究選取了氣溫年較差、最大凍結(jié)深度、活動層厚度等9個指標對凍融侵蝕進行了分析評價。按照各個指標的重要程度,并結(jié)合前人研究結(jié)果以及專家打分法,獲取各指標的權(quán)重如表2所示。

    表2 各評價指標權(quán)重

    3 結(jié)果與分析

    3.1 凍融侵蝕強度評價

    通過上述凍融侵蝕評價計算法(公式(1)、公式(2))并結(jié)合表2所提供的各評價指標的權(quán)重,可以繪制該研究區(qū)的凍融侵蝕強度圖,并觀察到本文所選研究區(qū)凍融侵蝕強度在0.15~0.52之間。再借助ArcGIS軟件中的自然間斷點法將研究區(qū)的凍融侵蝕強度劃分為0.15~0.27、0.28~0.32、0.33~0.36、0.37~0.41、0.42~0.52這五個等級,分別對應(yīng)微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕和極強烈侵蝕這五個凍融侵蝕程度(表3),研究區(qū)的凍融侵蝕分級圖如圖5所示。

    表3 研究區(qū)凍融侵蝕基本特征

    圖5 研究區(qū)凍融侵蝕強度等級

    通過分析可得,研究區(qū)的凍融侵蝕類型主要為強烈侵蝕和極強烈侵蝕,均主要分布在五道梁-沱沱河以東、康定-九龍-香格里拉以西地區(qū),侵蝕面積分別為166 979.68 km2和138 127.44 km2,分別占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的30%和25%;輕度侵蝕次之,面積為120 733.64 km2,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的22%,但分布地區(qū)比較分散;中度侵蝕面積較小,為66 512.50 km2,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的12%,主要分布在五道梁-沱沱河以西地區(qū);微度侵蝕分布最少,面積為65 647.38 km2,主要分布在麗江-越西以南地區(qū),占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的11%。

    3.2 凍融侵蝕空間分布特征

    對研究區(qū)的凍融侵蝕空間分布進一步分析,借助ArcGIS軟件將凍融侵蝕強度分級圖分別與氣溫年較差、最大凍結(jié)深度、活動層厚度等9個影響因子進行疊加分析,得出了研究區(qū)的凍融侵蝕分布有如下的特點:

    (1) 研究區(qū)內(nèi)凍融侵蝕發(fā)生的總面積約為55.8×104km2。其中,研究區(qū)的凍融侵蝕類型主要為強烈侵蝕和極強烈侵蝕,侵蝕面積分別為166 979.68 km2和138 127.44 km2,分別占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的30%和25%。由于過去40 a氣溫的持續(xù)升高,加劇了多年凍土的退化,也使得凍融侵蝕趨于加劇[15]。工程活動也會影響到凍融侵蝕,但僅影響場地附近凍融侵蝕的發(fā)展。預(yù)計如果氣溫繼續(xù)上升,長江上游未來凍融侵蝕可能會繼續(xù)增加[29]。

    (2) 研究區(qū)內(nèi)不同強度凍融侵蝕空間分布差異明顯。微度侵蝕主要分布在麗江-越西以南地區(qū),并且雅安-峨眉山以東地區(qū)也有分布;輕度侵蝕則比較分散,主要分布在沱沱河?xùn)|南部地區(qū)以及理塘-稻城-木里沿線地區(qū);中度侵蝕主要分布在五道梁-沱沱河以西地區(qū)以及雅安-峨眉山以西部分區(qū)域;強烈侵蝕和極強烈侵蝕主要分布在長江上游的中部地區(qū),即五道梁-沱沱河以東、康定-九龍-香格里拉以西的地區(qū)??傮w來看,研究區(qū)內(nèi)凍融侵蝕的分布從西北往東南呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

    (3) 微度凍融侵蝕分布最少,面積為65 647.38 km2,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的11%,主要分布在麗江-越西以南地區(qū)。該地區(qū)氣溫年較差相對較小,活動層厚度較小,高程小于4 000 m,年降水量在600 mm~1 000 mm,坡度基本在18°~30°,坡向主要是陰坡方向,活動層厚度小,且該地區(qū)大部分為季節(jié)性凍土區(qū),因此該地主要為微度凍融侵蝕。

    輕度凍融侵蝕面積為120 733.64 km2,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的22%,主要分布在沱沱河?xùn)|南部地區(qū)以及理塘-稻城-木里沿線地區(qū)。該地區(qū)氣溫年較差大致在15°~17°,活動層厚度小于1 m,高程在4 000 m~4 500 m之間,年降水量在500 mm~800 mm,坡度在15°~27°,坡向主要為陰坡、半陰坡,且該區(qū)活動層厚度小,最大凍結(jié)深度較小,因此為輕度凍融侵蝕區(qū)。

    中度凍融侵蝕面積為66 512.50 km2,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的12%,主要分布在五道梁-沱沱河以西地區(qū)。該地區(qū)氣溫年較差普遍在19°~21°,活動層厚度在0.95 m~1.13 m,高程主要分布在4 500 m~5 000 m,年降水量較小,坡度較小,坡向主要為半陰、半陽坡,但活動層厚度相對較大,因此該區(qū)為中度凍融侵蝕區(qū)。

    強烈凍融侵蝕面積為166 979.68 km2,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的30%,主要分布在雅礱江中上游的沿線及其周邊地區(qū)。此地區(qū)氣溫年較差普遍大于17°,活動層厚度在0.76 m~1.27 m,高程在3 800 m~4 700 m,年降水量在400 mm~600 mm,坡度在17°~34°,坡向主要在半陽、陽坡地區(qū),且該區(qū)最大凍結(jié)深度大,但細粒土含量少、植被蓋度大,因此在這幾種因素的共同作用下,使得該區(qū)的凍融侵蝕類型為強烈凍融侵蝕。

    極強烈凍融侵蝕面積為138 127.44 km2,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的25%,主要分布在通天河、金沙江的沱沱河至巴塘段的沿線地區(qū)以及大渡河中上游沿線及其周邊地區(qū)。此區(qū)氣溫年較差大于20°,活動層厚度在1.11 m~1.81 m,高程在4 300 m~5 200 m,年降水量在300 mm~500 mm,坡度大于26°,坡向主要在陽坡地區(qū),且該區(qū)最大凍結(jié)深度大,因此該區(qū)的凍融侵蝕類型為極強烈凍融侵蝕。

    長江上游的西北部地區(qū),盡管多年凍土廣泛分布、氣溫年較差大、活動層厚度較大、高程大、坡向利于凍融侵蝕的發(fā)展、植被蓋度小,但由于其年降水量少、地形相對平緩、易流失的細粒土整體含量較少,因此主要為中度-輕度凍融侵蝕區(qū)。

    4 結(jié) 論

    通過選取氣溫年較差、最大凍結(jié)深度、活動層厚度等9個指標作為長江上游地區(qū)土壤凍融侵蝕分級評價指標,實現(xiàn)了研究區(qū)土壤凍融侵蝕強度相對分級,并且分析了其空間分布特征。結(jié)果表明:

    (1) 研究區(qū)的凍融侵蝕面積約為55.8×104km2,凍融侵蝕類型主要為強烈侵蝕和極強烈侵蝕,分別占凍融侵蝕總面積的30%和25%,中度侵蝕及以下分布較少,微度侵蝕分布最少,占研究區(qū)凍融侵蝕總面積的11%。

    (2) 通過分析可得,研究區(qū)內(nèi)各個強度等級的凍融侵蝕在空間分布上有一定的區(qū)域特征。強烈侵蝕和極強烈侵蝕主要分布在五道梁-沱沱河以東、康定-九龍-香格里拉以西地區(qū);中度侵蝕及以下主要分布在長江上游的西北部地區(qū)和康定-九龍-香格里拉以南地區(qū)。

    (3) 強烈、極強烈凍融侵蝕主要分布在氣溫年較差大于17°、海拔4 200 m以上、坡度大于18°、活動層厚度大于0.9 m的區(qū)域。長江上游地區(qū)雖然凍融侵蝕分布面積相當大,但目前我國對其研究較少,本研究旨在為該區(qū)的水土保持、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和工程建設(shè)提供一些參考。

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