水土流失治理背景下小流域泥沙来源初探——以皇甫川流域西五色浪沟小流域为例

马宁，赵帮元，王富贵，马卫星，董亚维

(黄河上中游管理局，710021，西安)

水土流失治理背景下小流域泥沙来源初探
——以皇甫川流域西五色浪沟小流域为例

马宁，赵帮元，王富贵，马卫星，董亚维

(黄河上中游管理局，710021，西安)

以皇甫川流域西五色浪沟小流域为研究区，以高分辨率遥感影像为信息源，通过GIS技术，提取小流域沟缘线，将小流域分为沟谷地、沟间地2大地貌类型。基于沟蚀和面蚀及其影响因子切割裂度、水土保持措施及土地利用方式、坡度、植被覆盖度等数量和分布以及通过项目布设的雨量站、把口站和径流场观测资料2种方法对在水土流失治理背景下小流域泥沙来源进行比较。结果表明，2种方法均显示，西五色浪沟小流域泥沙主要来源于沟谷地，沟谷地土壤侵蚀量约占流域侵蚀量的73%，是沟间地侵蚀量的2.73倍。

地理信息系统;沟蚀;面蚀;泥沙来源;皇甫川流域

皇甫川流域地处黄河中游多沙粗沙区，水土流失严重，多年平均向黄河输送泥沙量约5 000万t。20世纪80年代以来，皇甫川流域被列入国家水土流失重点治理区，随着流域水土流失治理工作的进一步实施，有关流域水土流失问题及泥沙来源的研究越来越多。焦菊英等［1］探讨了黄土丘陵区小流域沟谷地与沟间地径流泥沙来量，表明小流域泥沙主要来源于沟谷地。冉大川等［2］从径流泥沙来源、水沙特性、水沙变化趋势等方面对皇甫川流域进行了分析和研究，认为沟谷地是径流、泥沙的主要来源区，沟谷地产流量占流域总产流量的62.2%，沟谷地产沙量占流域总产沙量的67.2%。蒋德麒等［3］通过对小流域坡沟泥沙的分析认为，黄河中游小流域泥沙主要来源于沟道，但分析中未考虑坡面径流通过沟坡时增加的泥沙。王晓［4］采用粒度分析法对砒砂岩不同侵蚀类型区小流域泥沙来源的分析表明，泥沙主要来源于沟谷地。近些年来，随着“数字黄河”与“数字水保”的提出，遥感技术和地理信息技术在水土保持研究中得到了广泛的应用［5-8］，并在多区域开展了土壤侵蚀强度等级评价研究［9-11］;但目前的研究，多以中低分辨率数据为基础，相对比较宏观。为此，笔者以高分辨率正射影像(DOM)和数字高程模型数据(DEM)为基础，通过GIS空间数据采集、编辑、存储、管理和分析等功能，以皇甫川流域西五色浪沟小流域为研究区，提取小流域沟缘线［12-13］，将流域地貌上分为沟谷地和沟间地2大类型，根据其水土流失特点和治理方式，从水土保持措施及土地利用、坡度、植被覆盖度、土壤侵蚀(沟蚀和面蚀)等方面分析探讨在水土流失治理背景下小流域的泥沙来源，研究结果对流域规划及水土流失综合治理具有重要的意义。

1 研究区概况

西五色浪沟小流域地处内蒙古准格尔旗东北部，属皇甫川流域十里长川右岸的一条支沟，位于E 110°56'30″～111°04'15″，N 39°47'10″～39°54'30″之间，面积76.9 km2，属黄土丘陵沟壑区，地理位置见图1。小流域整体地形西高东低，海拔在1 122～1 309.8m之间，支沟上游区沟深而窄，干、支沟中下游区沟谷开阔，沟壑密度3.34 km/km2。小流域无常流水，为季节性河流，多年平均降水量约为412.5mm，汛期降水量占年降水量的63% ～69%，土壤侵蚀以水蚀为主，多年平均侵蚀模数0.9～1.1万t/(km2·a)，属极强烈侵蚀区。植被有油松(Pinus tabulaeformisCarr)、山杏(Prunus sibirica)、柠条(Caragana korshinskiiKom)、沙棘(Hippophae rhamnoidesLinn)等，人工草有苜蓿(Medicago sativaLinn)、羊柴(Hedysarum leave)、沙打旺(Astragalus adsurgensPall)等。小流域水土流失综合治理措施有淤地坝、水库等工程措施和乔木林、灌木林、人工草等植物措施。

2 材料与方法

2.1 材料

遥感监测材料主要包括2006年数字航摄0.36m分辨率的正射影像(DOM)、1m分辨率数字高程模型数据(DEM)和1∶1万地形图。

图1 西五色浪沟小流域位置图Fig．1 Locationmap of Xiwuselanggou Watershed

地面观测资料包括降水、径流泥沙。2007年把口站测流1次、径流场测流1次，汛期降水时间52 d，总降水量249.3mm;2008年把口站测流4次、径流场测流5次，汛期降水时间49 d，总降水量482.6mm。

2.2 土壤侵蚀因子提取方法

1)切割裂度(沟谷占坡面面积比例)：黄土丘陵沟壑区在地貌形态上可分为沟间地和沟谷地，这2大类型以沟缘线为界线，沟缘线以上为梁峁坡面和塬面，沟缘线以下属于沟谷地，沟谷地面积与流域面积之比，称为切割裂度［14］。基于研究区DOM，应用ArcGIS软件，采用人机交互方式在计算机上勾绘流域沟缘线及5 km2以上小流域界线(切割裂度计算单元)，生成沟缘线与计算单元专题图，对其进行叠加运算生成沟壑裂度专题及dbf格式数据，通过计算得到切割裂度。

2)水土保持措施及土地利用因子：以研究区0.36m分辨率的DOM为信息源，应用ArcGIS软件，采用人机交互解译的方法，结合解译人员专业知识，在计算机上勾绘水土保持措施及土地利用图斑，并赋予属性码，生成其矢量数据。

3)植被覆盖度因子：依据 SL190—2007［15］，地类因子主要包括非耕地林草覆盖度和坡耕地2大类，其中非耕地林草覆盖度划分为6级，分别为高覆盖度(＞75%)、中高覆盖度(60% ～75%)、中覆盖度(45% ～60%)、中低覆盖度(30% ～45%)、低覆盖度(10% ～30%)和裸地(＜10%)，结合项目水土保持措施及土地利用人机交互解译完成。

4)坡度因子：基于 DEM数据提取坡度，按SL190—2007 要求划分为 ＜ 5°、5°～8°、8°～ 15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞35°共 7 级。

2.3 土壤侵蚀判定及侵蚀模数换算方法

1)土壤侵蚀判定：依据SL190—2007，小流域水力侵蚀分为面蚀和沟蚀。应用ArcGIS软件，将水土保持措施及土地利用、植被覆盖度、坡度等侵蚀因子专题图进行叠加，依据水力侵蚀强度面蚀(片蚀)分级判定指标，通过侵蚀因子专题图层的运算生成面蚀数据;通过沟壑裂度专题，依据水力侵蚀强度沟蚀分级判定指标进行判定，生成沟蚀数据(本次研究将沟谷中淤地坝和水体作为图层单独提出并将侵蚀强度判定为微度和轻度侵蚀)，将面蚀和沟蚀数据合并为流域土壤侵蚀强度数据。

2)侵蚀模数换算：取各级土壤侵蚀强度等级侵蚀模数范围中值，采用面积加权平均法换算得到小流域多年平均侵蚀模数。

2.4 水土流失观测方法

1)输沙量：通过布设把口站观测小流域输沙量。把口站布设在小流域出口王家塔村，距河口1 km处，集水面积74.4 km2，采用浮标法，测流断面为梯形布设。

2)坡面和沟道径流量：通过布设全坡面径流场、沟坡(沟谷)和坡面(沟间)径流场，观测坡面和沟道径流量。径流场布设在把口站左岸坡面上2个相邻的自然条件极为相似的自然侵蚀单元内。全坡面径流场面积1 243m2，坡面部分679m2，坡长47.5m，坡度11°～19°，大部分为荒草坡干旱草原植被;沟道部分564m2，长37.5m，沟深6.2m，Ⅴ字形初级侵蚀沟，无人工治理措施，全部为牧荒地，地表覆盖黄土。径流场采用三级分水式径流池观测，蓄水池容积为108m3。

3)降水量：通过布设雨量站观测降水量。在小流域中游周家塔村和下游王家塔径流场附近各布设1个雨量站，采用固态存贮式雨量计观测降雨情况。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀因子分析

1)切割裂度。经计算机处理，切割裂度分布如图2所示。可知，小流域沟谷面积占小流域面积的49.6%，沟谷面积是沟间面积的0.984;切割裂度为35%～50%的面积占小流域面积的26.72%，切割裂度＞50%的面积占小流域面积的22.88%。

图2 切割裂度图Fig．2 map of cutting intensity

2)水土保持措施及土地利用。水土保持措施及土地利用方式面积占小流域面积比例见表1。可知，水土保持措施面积占小流域面积的37.83%，沟间地水土保持措施面积是沟谷地面积的3.47倍;沟谷地荒地面积占小流域面积的34.65%，占小流域荒地面积的83.29%;沟谷中分布的坝地和水地、林地、荒地、水域和其他用地面积分别占沟谷地面积的9.07%、7.98%、69.86%、6.77%和6.32%。可以看出，沟谷地水土保持措施分布少，70%的面积为荒地，随降水易发生水土流失。

表1 水土保持措施及土地利用面积占小流域面积比例Tab．1 Proportion of the conservationmeasures and utilized land areas to the watershed area %

3)植被覆盖度。各级植被覆盖度面积占小流域面积比例见表2。可知，小流域植被覆盖度为24.48%。植被覆盖度超过30%的面积占小流域面积的37.3%，沟谷与沟间之比为0.097;植被覆盖度低于30%的面积占小流域面积的53.71%，沟谷与沟间之比为3.51;耕地面积占小流域面积的8.99%，沟谷与沟间之比为1.002(沟谷中有3.34 hm2水地和1.16 hm2坝地)。可以看出，小流域沟谷地84.30%的面积植被覆盖度低于30%，随降水土壤易受侵蚀，容易发生水土流失。

表2 各级植被覆盖度面积占小流域面积比例Tab．2 Proportion of various vegetation-covered areas to the watershed area %

4)坡度。各级坡度面积占小流域面积比例见表3。可知，小流域平均坡度20°，沟谷地与沟间地平均坡度之比为2;坡度25°以下面积占小流域面积的67.67%，沟谷与沟间之比为0.485;坡度25°以上面积占小流域面积的32.33%，沟谷与沟间之比为5.67。可以看出，沟谷地平均坡度大于25°，除去16.05%的沟底外，81.93%的面积坡度大于25°，一定范围内坡度值越大，土壤侵蚀越剧烈。

表3 各级坡度面积占小流域面积比例Tab．3 Proportion of various slope areas to the watershed area %

3.2 土壤侵蚀强度分析

小流域水土流失面积70.26 km2，占小流域面积的91.37%。各级侵蚀强度等级面积占小流域面积比例及面积加权平均换算的多年平均侵蚀模数见表4，各级侵蚀强度等级分布见图3。可知，小流域强烈及强烈以上级别土壤侵蚀面积占小流域面积的61.94%，沟蚀与面蚀之比为2.324;强烈以下级别土壤侵蚀面积占小流域面积的38.06%，沟蚀与面蚀之比为0.198;沟蚀中强烈及强烈以上级别侵蚀面积占沟蚀面积的87.31%。可以看出，沟谷地侵蚀比沟间地侵蚀严重，是泥沙的主要来源区。

表4 各级侵蚀强度等级面积占小流域面积比例Tab．4 Proportion of the areas with various erosion classes to the watershed area

图3 土壤侵蚀图Fig．3 map of soil erosion

沟谷地、沟间地和全流域各级土壤侵蚀强度等级面积换算成多年平均侵蚀模数分别为1万5 808、5 628和1万677 t/(km2·a)，沟谷地、沟间地和全流域多年平均侵蚀量分别为60万、22万和82万t。可以看出，沟谷地侵蚀量是沟间地侵蚀量的2.73倍，是泥沙的主要来源区。

3.3 水土流失观测数据分析

对把口站和径流小区观测数据，按年进行整编，结果见表5。可知，小流域2007和2008年平均降水量为365.95mm，比多年平均降水量少46.55mm，平均年输沙模数为5 310 t/(km2·a);沟道、坡面平均侵蚀模数分别为7 924和2 856 t/(km2·a)，沟道平均年侵蚀模数是全流域的1.49倍，是坡面的2.77倍。根据小流域沟谷地和沟间地面积，计算得到2007和2008年小流域年均输沙量为41万t，其中沟谷地年均输沙量30万t，沟间地年均输沙量11万t，沟谷地输沙量是沟间地的2.73倍，沟谷地输沙量占总输沙量的73%。

表5 地面观测数据整编结果Tab．5 Summary table of surface observation data

4 结论

1)西五色浪沟小流域沟间地与沟谷地面积之比为1∶0.984;水土流失治理面积占小流域面积的37.83%，沟间地治理措施面积是沟谷地面积的3.47倍;沟谷地中荒地面积占70%，植被覆盖度低于30%的面积占84.30%，坡度大于25°的面积占55.42%。由此得出结论，在水土流失治理背景下，随着降水量的增加，沟谷地土壤更易遭受侵蚀，仍是发生水土流失的主要区域。

2)遥感方法沟谷地多年平均侵蚀模数是全流域的1.48倍，是沟间地的2.81倍，沟谷地侵蚀量占小流域总侵蚀量的73%，是沟间地的2.73倍。地面观测方法沟谷地平均侵蚀模数是全流域的1.49倍，是沟间地的2.77倍，沟谷地输沙量占小流域总输沙量的73%，是沟间地的2.73倍。2种方法结论基本一致，充分说明在水土流失治理背景下，沟谷地仍是泥沙的主要来源区。

5 参考文献

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［2］冉大川，高健翎，赵安成，等.皇甫川流域水沙特性分析及其治理对策［J］.水利学报，2003(2)：122-128

［3］蒋德麒，赵诚信，陈章霖，等.黄河中游泥沙来源的初步研究［J］.地理学报，1966，32(4)：20-35

［4］王晓.“粒度分析法”在小流域泥沙来源研究中的应用［J］.水土保持研究，2002，9(3)：42-43

［5］杨勤科，李锐，曹明明.区域土壤侵蚀定量研究的国内外进展［J］.地球科学进展，2006，21(9)：31-38

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［8］李智广，杨胜天，高云飞，等.土壤侵蚀遥感监测方法及其思考［J］.中国水土保持科学，2008，6(3)：7-12

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Preliminary study on sediment sources of watershed under control of water loss and soil erosion：

Taking Xiwuselanggou Watershed of Huangfuchuan Basin as the examplema Ning，Zhao Bangyuan，Wang Fugui，Ma Weixing，Dong Yawei
(Upper andmiddle Yellow River Bureau，710021，Xi’an，China)

Based on the high-resolution images obtained from remote sensing，this study were conducted in Xiwuselanggou Watershed of Huangfuchuan Basin.GIS technology was applied to determine the upper edge line of the watershed.The watershed was divided into two relief types，i.e.the gully area and the inter-rill land.Sediment sources of the watershed，where control of water and soil loss is ongoing，were compared by two aspects.The first aspect was according to the amount and distribution of local gully erosion and surface erosion，and their influential factors including cutting intensity，as well as water and soil conservationmeasures and land usemode，gradient，and vegetation coverage，etc.;the second aspect was based on the observation data of the rainfall stations，port stations，and runoff plots distribution in the watershed.Both the two aspects showed that local sediment wasmainly produced from the gully area，and soil erosion amount of the gully area was 2.73 times asmuch as that of the inter-rill land，making up about 73%of the total erosion amount in the watershed.

GIS;gully erosion;surface erosion;sediment source;Huangfuchuan Basin

2011-04-07

2011-06-28

黄河中游多沙粗沙区重点支流水土保持动态监测项目

马宁(1972—)，女，高级工程师。主要研究方向：水土保持监测。E-mail：hhmning@126.com

(责任编辑：宋如华)