冀西北间山盆地区切沟断面特征分析

吴 可,李 镇,齐志国,李 炜,冯 甜,秦占飞

1.河北地质大学 土地科学与空间规划学院,河北 石家庄 050031;2.河北地质大学 河北省农业干旱遥感监测国际联合研究中心,河北 石家庄 050031

0 引言

生态环境问题是全世界关注的重点问题,其中水土流失在近年来被广泛关注,水土流失现象在黄土丘陵区十分常见,它会导致大范围的土壤侵蚀,外在表现为侵蚀沟,其严重危害不仅体现在会切割地表、破碎耕地,还体现在对农业经营规模的影响[1]。在我国冀西北黄土丘陵区的土壤侵蚀表现极为突出侵蚀沟不断的发育发展,形成了沟谷特有的形态特征。研究者从黄土地貌侵蚀土壤的发育规律切入,探究黄土地貌侵蚀产沙规律和沟谷的演化过程等信息[2-4],为进一步了解侵蚀沟发展进程和预测其发展趋势提供科学的数据支撑,更有利于黄土丘陵区水土流失的维护和治理,亦为改善生态环境做出贡献。按照发育过程,研究者将侵蚀沟被分为6 种类型:细沟、浅沟、切沟、冲沟、干沟、河沟[5],它们存在着继承性和延续性,如浅沟由主细沟演变而来,而切沟是由浅沟发展变化而来[6],切沟侵蚀作为浅沟侵蚀的延续往往侵蚀程度比浅沟强烈,最终导致水土流失愈加严重化。获取切沟断面形态特征是预测切沟体积的重要前提,国内外学者也将切沟侵蚀监测研究作为主要的研究内容之一。近年来,对于切沟机理,切沟侵蚀预报模型以及测量切沟的方法上取得了一系列研究成果[7-9],有学者针对黄土高原地区,验证了国外浅沟侵蚀和切沟侵蚀的判定式,并结合具体数据使用GIS 空间分析和统计分析等方法[10],建立了适合黄土高原地区的浅沟侵蚀和切沟侵蚀判定式[11]。冀西北黄土丘陵区主要以农业为主,土壤肥力日益下降,最终土地退化降低农业生产力,影响生态环境和人民的收益。此外,长期大量的水土流失,致使当地的永定河上游大量泥沙淤塞水利工程设施,对官厅水库形成了严重威胁,影响农业生产活动,进而导致经济损失。由于监测技术手段的限制,对切沟形态特征的研究较为薄弱。已有研究显示,国内外学者主要针对不同的研究区域,不同的剖面位置分析沟谷沟谷横剖面的典型量化指标规律特征,比如国外学者通过实地测量和计算,统计分析了埃塞俄比亚高原沟谷的形态特征[12];李镇等利用QuickBird影像以晋西黄土区切沟为研究研究对象分析了切沟的沟头后退速率和面积变化比例[13]。李镇、吴红艳等分析了黄土高原不同区域侵蚀沟的断面特征,主要的断面参数包括切沟宽深比、切沟底宽顶宽比和断面面积等[14]。

由于黄土区域地形的复杂性和切沟侵蚀的多样性,对于切沟断面参数的统计分析还不够完善,关于冀西北间山盆地区切沟断面特征的研究还未见报道。本文以河北省张家口市阳泉县新堡乡的17 条典型切沟为研究对象,使用三维激光扫描仪获取切沟地理坐标和高程的点云数据,构建高分辨率DEM,结合土壤学和测量学等基础理论[15],利用GIS断面分析功能提取并计算出切沟形态特征的参数指标,包括沟长、沟宽、沟深和切沟断面面积等,并对这些参数指标进行相关性分析,不仅在数据的获取上更加精确,而且全面的反映出切沟断面的形态特征,并进一步通过计算和统计对切沟断面表征进行分析,本研究为深入冀西北黄土丘陵区切沟侵蚀特征研究和预报提供科学的方法和手段,为侵蚀沟防治提供重要的理论依据。

1 研究区概况

辛堡乡位于张家口市阳原县的东南部,全乡总面积116.4 km2,地理位置为40.22°-40.09°N,114.50°-114.69°E。地势西高东低、南高北低,海拔在813～1 397 m 范围,南临蔚县陈家洼乡,西临马圈堡乡,东部壶流河穿域流过,北部紧临桑干河,所以区域内洪水流域较多,且辛堡乡气候属温带季风季候,四季分明,夏季雨热同期,冬季寒冷干燥,全年降水量为300～400 mm,夏季降水量约为全年的62%～67%。另外辛堡乡为农业乡,以种植业和养殖业为主,其中耕地的总面积约为38.26 km2,包括水浇地面积、沙地和山旱地等。图1 为辛堡乡的地理位置和高程图。

2 材料与方法

2.1 切沟基础数据的获取与处理

本研究中切沟的基础数据获取主要分为外业测量和内业处理两部分,其中外业测量选用Riegl 三维激光扫描仪,来完成非接触高速激光测量,以点云形式获取目标物体的三维坐标数据。为了避免植被对切沟沟缘线的影响,尽量选择植被差(或无植被) 的切沟作为研究对象,共选取17 条典型切沟进行实地测量,获取了对应的高程和地理坐标数据[16]。经过地理配准和点云 “去噪” 等基础的内业预处理后,使用Arcgis10.8 软件将带有地理坐标和高程的地形点数据生成不规则三角网 (TIN),再基于TIN 插值构建0.15 m 分辨率的数字高程模型(DEM)。

2.2 切沟断面形态参数提取与计算

2.2.1 切沟断面基础参数提取

切沟的长度、宽度和深度是切沟形态的基本特征,在一定程度上可反映出切沟对应各个阶段的发育程度[17]。由于切沟形状不规则,不同部位形状有差别,所以本文选择每条切沟沟头、沟中、沟口三个位置综合描述该切沟形态特征。实际测量的所有断面中,选择最靠近沟头位置即沿切沟发育方向测量的第一个断面位置代表切沟沟头形态;靠近沟中位置即最靠近切沟总长度一半位置的断面表征沟中形态;靠近沟口位置即测量的最后一个断面表征沟口形态。为对整条切沟有更准确的解析,分别获取了从沟头到沟口五个重要位置的沟谷横坡面,提取了一系列切沟断面形态特征参数,包括顶宽 (TW,m)、底宽 (BW,m)、沟深(D,m),具体的参数获取方法如图2 所示。在此基础上计算切沟每个断面面积 (CSA,m2)[18],每个断面我们近似看为梯形,沟深近似于梯形的高,是由多个位置取高计算平均值而来,断面面积的计算公式为:

式中:CSA 为断面面积,单位m2;TW 为切沟断面顶宽,单位m;BW 为切沟断面底宽,单位m。

图2 切沟基本形态特征图Fig.2 Basic morphological characteristics of gullies

2.2.2 衍生参数的计算与统计

(1) 切沟变异系数

为了分析17 条切沟形态参数差异,考虑到平均顶宽与平均断面面积的度量单位不同,选择变异系数(变差系数) 统计量。变异系数是指标准差与平均数的比值(相对值),记为C·V,以消除单位和(或)平均数不同对两个或多个资料变异程度比较的影响。具体计算公式为:

(2) 底宽与顶宽比值

将顶宽的侵蚀程度作为分析地表层切沟宽度的侵蚀程度,底宽用来表示切沟底部侵蚀程度。根据底宽与顶宽比值判定切沟断面给形状,将研究区切沟断面形状分为V 型、V-U 型及U 型[19]。计算公式如下:

式中:TW 为切沟顶宽,单位m;BW 为切沟底宽,单位m。本文通过文献数据参考,结合研究区切沟受侵蚀情况,将α≥0.6属于U 型沟,0.4 ≤α ≤0.6 属于U-V 型沟,α ≤0.4 属于V 型沟[20]。

(3) 宽深比

随沟谷发育阶段的深化,切沟断面形态也会随之改变,为定量表征切沟断面形态,研究者将宽深比(切沟断面位置宽度与深度组合变化) 作为区分切沟侵蚀程度的定量指标[21],以表征断面的宽浅和窄深程度。计算公式如下:

式中:ζ 为宽深比,TW 为顶宽,D 为沟深

3 结果与分析

3.1 切沟断面形态特征分析

3.1.1 切沟断面形态参数特征分析

切沟形态特征反映其侵蚀发生发展的环境条件,探究侵蚀沟形态参数特征及空间分异规律对深入理解侵蚀沟的侵蚀进程具有重要意义。基于三维激光点云数据构建的高精度DEM (0.15 m),确定各断面顶宽(TW)、底宽(BW)、沟深(D)、断面面积(CSA)和变异系数等形态参数,进而统计了每条切沟的平均顶宽、平均底宽、平均沟深以及平均断面面积,结果如图3 所示。

图3 切沟形态参数数值图Fig.3 Numerical diagram of gully shape parameters

研究结果显示:切沟平均顶宽较长,且每条沟道波动较大,最长达到13.04 m,最短平均顶宽仅2.7 m,最大值与最小值的差值大10.34 m。平均底宽的变化幅度相比平均顶宽变化幅度小,且80%都在2 m 以内。结合平均断面面积的折线图可以看出,断面面积最大值为30.55 m2,最小值为1.89 m2,平均值为13.03 m2,平均顶宽和平均底宽与平均断面面积整体上的变化趋势是相似的。另外,平均沟深的变化幅度也较小,从整体来看,17 条侵蚀沟的沟深均在4 m 以内,且平均沟深的发育变化与平均断面面积是相对应的,根据以上数据可以说明侵蚀沟的发育在宽度和深度上是均匀的,也就是说在侵蚀沟发育变化的过程中,宽度和沟深以及断面面积都在发生变化。

对侵蚀沟的顶宽,底宽、沟深和断面面积四项参数,分别对应沟头、沟中和沟口三个断面位置进行了统计分析,求取每个参数对应断面位置的平均值和标准差,并计算了变异系数。统计结果如表1 所示。

表1 不同位置切沟断面主要参数统计Table 1 Statistics of main parameters of gully sections at different locations

通过变异系数可以分析沟头、沟中和沟口,分别 对应顶宽、底宽、沟深断面面积的变异程度,一般来说,变异系数的平均水平越高离散程度越大,反之离散程度越小。本文中各断面位置的变异系数值平均水平较高且各值有明显差异,由此说明侵蚀沟不同断面位置发育情况不尽相同且变化幅度差异较大。如表1所示,底宽相比其他参数变异系数较大,发育迅速,其中在侵蚀沟沟口位置,底宽集中分布在2～8.2 m 范围,变异系数达到1.92,其次沟头与沟中位置底宽的变异系数分别达到0.74 和0.85;顶宽在三个断面位置处变异系数较为均匀,其值约为0.40 左右;沟深的变异系数较小,其值约为0.35 左右;断面面积可由沟宽和沟深计算而来,在沟断面位置最大值和最小值之差均在20 m2以上,变异系数在沟头、沟中和沟口分别为0.67、0.62 和0.57,变异程度仅次于切沟底宽变异程度;结果表明,切沟在不断发育过程中,各个断面位置都在不断受到侵蚀而演变,变异系数大小顺序为:底宽>断面面积>顶宽>沟深,即同一断面位置上,对于各参数本身而言,底宽变异的离散程度最大,而沟深变异的离散程度最小。此外,顶宽和底宽的最值以及标准差表明,侵蚀沟各断面位置的发育程度呈现的规律是沟头>沟中>沟口,综上所述,冀西北间山盆地区侵蚀沟的发育速度过快,不容乐观,且沟宽比沟深的变异程度更为恶劣。

3.1.2 切沟断面形态表征分析

(1) 底宽与顶宽比值分析

切沟各位置断面形状可以反映同一条沟形状走势变化,进而反映切沟发育情况,依据顶宽与底宽比值,刘元保,齐菲等切沟截面形态定义为“U” 型、“V”型、“V-U 型”[22,23],当底宽比顶宽比值≤0.4 时,切沟断面形状属于V 型;比值在0.4～0.6 之间属于V-U型;≥0.6 属于U 型侵蚀沟。研究数据表明,有70%以上的侵蚀沟从沟头到沟口均为V 型沟,且α 值从沟头到沟口皆是由大变小;近30%的侵蚀沟沟头到沟口位置切沟形态类型发生转变,其中有三条侵蚀沟由UV 型转V 型,α 值仍是由大变小,仅有一条侵蚀沟由V型转U-V 型再转V 型,α 值则先变大再变小,一条侵蚀沟U 型转V 型,α 值从沟头到沟口逐渐减小。

表2 切沟断面形态参数表Table 2 shape parameters of trench section

(2) 宽深比分析

宽深比(ζ) 是反映切沟形态特征的重要指标,其数值越大表明该位置的横向侵蚀较垂向侵蚀越严重。本文根据研究区17 条切沟的顶宽和沟深计算了每条切沟对应的宽深比,表2 数据表明宽深比数值集中在0.53～2.52 范围,以0～1、1～2 和2～3 为组别,将宽深比分为三组,进行频率统计分析(图4),由此可知,宽深比在三个断面位置皆是高频集中在1～2之间,均达到50%以上,所占比例对比:沟口>沟中>沟头;其次是0～1,三个断面位置均达到10%以上,沟中占比最高为23.53%,则切沟在沟中位置横向侵蚀幅度较其他位置略小;沟中和沟口位置宽深比在2～3 这一区间的仅占5.88%,而沟头位置占有29.41%,宽深比在2～3 范围内沟头的频率明显高于沟中和沟口,表明切沟沟头的横向侵蚀较垂向侵蚀严重,而沟中和沟口的横向侵蚀更严重;由累计频率的百分比得出,在三个断面位置处宽深比的数值在0～2区间内累计频率已达70%及以上,这与赵春红[20]在以宽深比ξ 来区分切沟类型的研究结果(切沟的 ξ 应该在 0.4～1.8 之间) 相符合,沟头、沟中和沟口的宽深比都可用来作为区分侵蚀沟类型的衡量指标,但在区分是否为切沟时可综合三个断面位置进行分析判别,以及结合实际土地利用类型、地形因素等其他人为因素综合考虑。

图4 切沟宽深比频率统计Fig.4 Frequency statistics of gullies’ width depth ratio

4 讨论

综合以往学者对侵蚀沟断面形态特征相关参数研究结果[24],本文分别选取部分切沟和浅沟两种侵蚀沟类型,黄土和黑土两种土壤类型分别对平均顶宽,平均沟深和宽深比的平均值进行了对比分析,结果显示(表3),本研究区切沟的平均顶宽值和平均沟深值都最大,分别为8.62 m 和2.22 m,表明切沟的侵蚀程度较为严重,而平均宽深比的值最小,不同研究区域下土地利用类型、地形和切沟断面形状均存在差异,赵春红[20]在系统整理和分析国内外大量野外调查数据统计出切沟 ζ 值在0.19～1.98 之间变化,本文研究得到的平均宽深比为1.32 和东北黑土漫川漫岗区切沟的宽深比为1.87[22],均属于这一范围。东北黑土山地丘陵区的结果超出了这一范围,这与侵蚀沟所在地形和植被覆盖程度等密切相关。由浅沟的宽深比数值可以看出,同种土壤类型下浅沟宽深比均比切沟的宽深比数值要大。本文研究区的冀西北山盆地间的侵蚀沟发育特征是横向侵蚀与下切侵蚀共同发展,比其他地区的下切侵蚀都更加剧烈,对该区域侵蚀沟侵蚀发育的抑制和治理不容忽视。

表3 中国不同研究区切沟断面主要参数值Table 3 Main parameter values of gully section in different study areas in China

5 结论

本文以张家口市阳原县辛堡乡为研究区,利用三维激光扫描仪获取了17 条侵蚀沟的地形数据,生成0.15 m 分辨率的数字高程模型(DEM),提取并计算了切沟断面顶宽、底宽、沟深、断面面积、变异系数、底宽/底宽和宽深比等参数,对切沟断面形态参数特征和切沟断面形态表征进行分析,并对比了以往的研究结果,得到了以下结论:

(1) 不同沟道之间切沟宽度相差较大,但沟深相近;切沟断面位置变异系数反映了不同切沟同一位置各参数变化的离散程度:底宽>断面面积>顶宽>沟深,由此可知该研究区切沟的横向侵蚀比下切侵蚀更加剧烈。

(2) 通过切沟底宽/顶宽( α) 分析,统计得出有70%以上的侵蚀沟在断面位置都是U 型沟,且α 值逐渐减小,有近30%的切沟由沟头到沟口存在着U型、V 型和U-V 型沟之间的转变,α 仍然逐渐减小;在三个断面位置处宽深比的数值在0～2 区间内累计频率已达70%及以上横向侵蚀比垂向侵蚀的严重程度由大到小为:沟头>沟口>沟中。

(3) 本研究区切沟的平均顶宽值和平均沟深值较其他研究区皆最大,分别为8.62 m 和2.22 m,切沟的侵蚀程度较为严重,而平均宽深比的值比其他研究区对比最小,仅为1.32,同种土壤类型下浅沟宽深比均比切沟宽深比数值大,切沟以横向侵蚀为主导,下切侵蚀为辅。