溝道地貌自動提取技術下的賀家川鎮溝道整治研究

吳金華，楊 航，楊 瑾

(長安大學地球科學與資源學院，陜西西安 710054)

黃土高原地區的水土生態問題是國家歷來高度重視的難題和亟待解決的問題，不但長期危害著國土生態安全，也是區域結構調整、經濟可持續發展和社會主義新農村建設的嚴重威脅。國家從水土保持重點建設、三北防護林體系建設、天然林資源保護到退耕還林、退牧還草、旱作節水農業示范基地建設，開展了一系列生態建設與可持續農業發展工程，2011年國家4部委對陜西省治溝造地工作進行實地調研并召開了全省溝道土地整治工作現場會，將治溝造地作為土地整治工作模式的一種創新，在國家層面把治溝造地作為重大工程項目，作為利國利民的民生工程、生態工程。

基于DEM的數字地形分析與特征地貌信息提取，作為地貌信息的主要數據來源，越來越成為地學和GIS領域的研究熱點，利用GIS在海量數據管理存儲、空間分析方面的強大功能，進行空間分析識別，提取所需的地形指標數值［1］，廣泛應用于地質地貌的實地研究。GIS與DEM的定量分析研究以其強大的便捷性和科學性，摒除了傳統研究方法考察資料難以消化與讀取結果難以精確，測量耗時耗力及存在技術限制等的諸多弊端，帶領地質學與地貌學研究進入了“數字地貌”時代。本研究利用DEM全覆蓋式數字表達和模擬研究區地表地形地貌，定量提取所需的溝道地貌信息，服務于研究區溝道整治的推進。

1 研究區概況

賀家川鎮位于神木縣東南端，總面積198.4 km2，平均海拔1 000 m左右。地處黃河流域中斷，依黃河與山西省興縣隔河相望，含沙量較高的黃河一級支流窟野河從北向南縱貫全鎮注入黃河，整體上形成了兩川三溝七道梁，是陜北著名的黃土石山區。

賀家川鎮是神木縣少數只以農作物種植作為主要經濟發展方式的鄉鎮，但溝道地形條件對農作物種植限制極大，缺乏集中連片、具有規模的耕地資源，現有90%的耕地是坡耕地，大范圍分布在生態脆弱地區。鎮內溝壑縱橫，數千條溝道將地面切割破碎，川平地以及低緩坡耕地的面積極少，全鎮除玉米、谷類種植在少數平坦的河灘地外，其他農作物都種植在面積小而零散的墚峁坡面和溝坡面上，收成十分不理想;溝內植被稀疏，天然次生林和天然草地面積少，難以存蓄徑流水，其中80%以上的溝道屬于干溝，東南部及河道周邊地勢較為平坦的地方引水比較方便，有利于農業生產，其他種植區由于溝道的阻隔，引水困難;再加上降水時空分布很不均勻，豐水年和干旱年降水量相差2～5倍，常以暴雨形式出現，在暴雨期間易形成山洪隱患，對農業生產和人民安全造成威脅。全鎮長期以來已形成了“廣種薄收，薄收廣種”的土地耕作狀態。

2 賀家川鎮溝道地貌自動提取

2.1 溝道地貌分類

從溝道土地整治研究角度出發，將溝道地貌分為以凸起堆積地貌為主的溝間地和以下凹沉積地貌為主的溝谷地;將溝間地與溝谷地之間的過渡地段稱為溝坡地，溝谷地中相對平坦廣闊的谷底稱為溝底地。研究區溝道地貌空間類型和地貌特征見表1。

表1 賀家川鎮溝道地貌空間類型和地貌特征Tab．1 The channel landscape space types and topographical features in study area

2.2 自動提取過程

研究基于DEM溝道地貌類型自動提取，從賀家川鎮顯著的溝道地貌空間形態和溝道整治坡度組合思想著手，構建空間分布中滿足正負地形模型要求的溝道特征地貌，依次實現從溝間地、溝底地到溝坡地的自動提取，以便更好地反映研究區溝道整治潛力區域的空間宏觀分布，獲取研究區溝道不同特征地貌區域的投影面積和表面積信息，掌握研究區開展溝道整治的坡面地理位置。

2.2.1 溝間地提取 溝間地提取技術流程見圖1，通過對原始DEM進行處理，生成溝谷網絡，再運用ArcGIS的空間分析功能等技術，提取出完整的溝間地面狀區域［1］。

1)溝谷網絡提取

由于賀家川鎮溝道地形起伏明顯，低平地極少，采用坡面流模擬法［2］O'Callgahnan ＆Mar(1984)和水文分析模塊提取集水線效果明顯，輔助TM影像剔除偽溝谷網線后可以得到與研究區實地情況較為一致的溝道網絡分布，為以下取舍溝間地和溝底地做準備。

DEM(格網大小27 m×27 m)采用由國家基礎地理信息中心提供的2010年標準Gauss-Krueger投影1∶25萬grid格式數字高程模型，TM(7，4，2三波段合成)采用由中國1∶100萬數字地貌項目技術總體組提供的全國1∶1萬img格式遙感影像。提取的溝谷網絡過程見圖2。

圖1 溝間地提取流程圖Fig.1 The process of intergully land extraction in the study area

圖2 溝谷網絡提取過程Fig.2 The result of DEM extraction valleys drainage in the study area

2)溝間地提取

采用DEM正負地形自動分割技術，將原始DEM與無誤差DEM的坡向變率柵格相減計算得到的正負地形分布區域，從中提取正地形柵格區域。由于賀家川鎮的黃土地形十分復雜，直接提取的正地形存在局部柵格斷續，柵格矢量化提取溝沿線不連續，不能通過線轉面較好地反映出溝間地的空間形態［3］。為盡量減少正地形柵格空漏區域出現影響溝間地區域的判斷，得到與實地相符的溝間地，利用已提取的溝谷網絡結果與坡度分析進行緩沖區取舍，得到符合分布特征溝間地雛形，再與直接提取的正地形區域柵格單元歸并，即符合坡度要求又屬于正地形區域較為完整的溝間地柵格區域，柵格矢量化后得到完整的溝間地面狀區域［4］。

2.2.2 溝底地提取 溝底地與溝間地在坡度上有相似性，但溝底地坡度更小，根據賀家川流域內溝底地相對較為寬闊平坦的宏觀特征，溝底地坡度一般小于6°。故提取出坡度值≤6°的部位，與溝谷網線再次空間疊置，做較大等級匯水量多的集水線緩沖區，保留緩沖區坡度小于6°的柵格部分并進行歸并，形成形狀完整、面積較大、易于辨別的溝底地部分，作為研究所需的溝坡地范圍。

2.2.3 溝坡地提取 由于溝坡地在溝道和流域內也基本上連續，除去以上兩步提取的溝間地和溝底地結果，就得到研究所需的溝坡地范圍。溝間地、溝底地、溝坡地的提取結果見圖3。

圖3 賀家川鎮溝道地貌特征區域綜合提取結果Fig.3 The channel topographical typical regions extraction in study area

2.3 提取結果統計

基于DEM溝谷系統地貌特征的自動提取綜合，賀家川鎮溝道空間分布呈現葉脈狀(樹杈狀)兩川三溝七道梁的地面景觀，長而連貫的溝道是最主要的地貌特征，溝道地貌不同類型特征區域的投影面積統計見表2。

表2 賀家川鎮溝道地貌分類面積統計表Tab．2 Channel landform classification area statistics

3 研究區溝道整治模式分類探討

3.1 溝道整治模式分析

為掌握研究區溝道整治開展潛力區域的空間宏觀分布，將土質基巖失穩的局部災毀易發溝段和坡度大于25°的陡坡地劃分為不適宜進行溝道整治的地區，不適宜進行溝道整治區域具有明顯的空間分布規律，分布在沿窟野河流域及其主要支流兩側是溝壑切割深度最大的地方，占全鎮總面積的7%多，表面積40萬hm2有余，隨著西部大開發工程退耕還林還草政策的實施，生態價值巨大;將坡度小于25°的溝坡地劃分為適宜進行溝道整治的主要潛力區［5］，占全鎮總面積的60%多，主要分布在川道河道之間，可以在高標準基本農田、梯田建設后用于農耕開發。賀家川鎮溝道整治潛力區域分布見圖4。

建立生態經濟可持續發展溝道整治模式，是在整治溝道過程中解決當地生態脆弱和社會經濟發展兩難抉擇的有效途徑。

圖4 賀家川鎮溝道整治潛力區域分布圖Fig.4 Channel landscape renovation potential regional comprehensive distribution

3.1.1 溝底地 溝底地宜采用淤地造壩的整治模式。基于上述研究結果，溝底地主要分布在兩條干流兩岸以及其他幾條季節性河道川道及毛溝支溝中，其面積占全鎮總面積的10.13%，相對面積雖小，但土壤濕潤，肥力較好，是全鎮農業生產的重要基地，土地改良成本較低，整治潛力巨大。

賀家川鎮的黃河、支流窟野河，及其他幾條主河道川道是多沙產沙發生要害和徑流泥沙輸送通道，選取這兩條干流上游窄處或平緩寬敞的溝底地，修筑攔沙壩和人工水庫，一方面可以存蓄和增加溝道長流水，合理調配水資源的分流，改善支流的季節性干旱少水的狀況，另一方面可以最大程度地攔蓄、降低河流的泥沙含量，在水體擴大的地方欄沙造田，淤積灘濕地和高產優質的壩地。其次在窟野河支流水資源允許的毛溝支溝中，從毛溝到支溝節節修筑谷坊群，有效地固定溝床、抬高侵蝕基準面、防止溝床下切、溝頭前進與谷坡擴張，這樣經過幾年的淤積，并結合人工整平，上部就能基本恢復耕作。

3.1.2 溝間地 溝間地宜采用土地整理模式。溝間地分布相對分散，主要集中在面積狹小的墚峁面上，土地墾殖歷史悠久，面積占全鎮總面積的20.66%，是賀家川鎮目前主要農耕區。該區域農業雖有所發展，但由于基本沒有工程措施輔助，難以形成規模經營，土地產量并不高。針對這一部分區域應以土地整理為主，提高土地的生產能力，平整土地，種植綠肥，營造護田林網，做到用地與養地結合，提高地力，形成水土保持體系最上部的第一道防線，為溝道治理開發創造有利條件，避免其侵蝕發展到一定程度形成溝道。

3.1.3 溝坡地 大量存在的坡耕地和侵蝕溝坡是賀家川鎮土壤侵蝕的主源地，它們雖是水土流失的多發地，但其存在有利于黃土高原這種半干早地區有限大氣降水的匯集，為植被生長創造適宜生境。這一部分面積廣闊，占到賀家川鎮面積的70%，按照國家《水土保持工作條例》、《土地法》等政策法令規定的嚴禁開荒坡度值25°，將溝坡地分為6°～25°的緩坡地和＞25°的陡坡地兩類。

賀家川鎮的溝谷川道和較緩的溝坡地多數己被開墾為農田和梯田，但耕作條件惡劣，自然植被殘留較少，水土流失嚴重，坡耕地產量低而不穩，是當地經濟落后的主要原因。針對這一部分緩坡地以坡改梯田、固地保土為主，坡耕地改建水平梯田，以水平槽整地，坡園地修筑果樹梯、臺田、大面積造林栽果。通過工程措施在溝底、溝頭坡面營造防護林，增加地面植被覆蓋，削減地面坡度，提高這一部分土地的種植質量和棗、中藥材、馬鈴薯等農產品的種植產量，大力發展賀家川鎮以紅棗及紅棗加工業、雜糧種植為主的特色農林經濟。

賀家川鎮的陡坡地集中了神木縣一半以上大于25°的坡耕地，這部分坡耕地應積極引導退耕還林，與生態建設相結合，以鋪設土階、魚鱗坑等工程措施，重點以減少侵蝕，保護和改善生態環境為前提，在已經實施退耕還林的土地部分禁止進行溝道土地整治，避免造成新的破壞。

3.2 整治成效建議

結合賀家川鎮的自然地理條件，溝道整治是今后相當長的時期內，解決人口、資源、環境矛盾，緩解水土流失壓力的一項長期的戰略任務，特別是在新農村、城鎮化建設進程中，開發建設強度加大，新的水土流失不斷產生，未來防治形勢嚴峻，關系到子孫后代的生存發展。以水土保持綜合治理體系為總體規劃，高標準防治執行，緊密結合農民利益為推行道路，實行溝底地淤地造壩、溝間地土地整理、緩坡地坡改梯田、陡坡地退耕還林還草的溝道整治模式，這種模式意義不僅僅在于糧食增產、群眾脫貧，還可以是解決神木縣、甚至陜西全省用地指標困局的行動方向［5］。

3.2.1 科學規劃是基礎 針對研究區的實際狀況，為加快溝道土地整治步伐、提升溝道土地整治效果，采取溝道水土保持綜合治理體系較為科學合理。

首先針對整流域，連片區開發推進、全方位進行治理，在溝頭防護、截水壕及溝邊埂上種植沙棘或檸條，防止溝沿擴展，以工程養植物，以植物固工程，形成一定規模的防蝕林;在溝頭垂直水流方向結合水平槽整地，營造喬灌混交林帶，防止溝頭前進;在支溝、主溝的溝坡營造護坡林，由于研究區溝坡一般比較陡，首先需要在溝坡采取穴狀整地，然后造林，增加植被覆蓋度，以達到固持溝坡，防止溝沿擴展的目的;在溝內宜林地塊營造溝底防沖林及速生豐產林，喬灌結合，采用樹種主要為楊樹、柳樹等深根性、防沖耐濕性的速生樹種。防蝕林、護坡林和速生林連成一片，形成水土保持綜合治理體系的3道防線［6］。

二是采用工程措施解決治理體系中水資源存蓄問題。改善水利設施，修水庫，蓄洪水用于灌溉，解決上流無水源或者溝里沒有長流水，及溝又窄水勢又猛難以攔蓄流水的難題;建設引水工程，解決近處既沒有可靠的水源，山上的墚地坡地揚程高的又一難題。

三是采取旱作農業技術措施，推廣抗旱、優質、高產的農作物品種;大力增加渠道、壟溝等防滲節水工程建設和資金投入，推廣渠道防滲、管道輸水、噴灌、微灌、膜下滴灌、集蓄灌溉等高效農業灌溉節水工程和各類節水灌溉技術，提高渠系水和天然降水的利用效率，改善土壤肥力水平低的鎮內農業地區生產現狀。

3.2.2 高標準防治執行是關鍵 賀家川鎮內相當的部分生產建設項目沒有采取水土保持措施，擾動土地，造成大面積人為新增水土流失，部分山丘區林棗業開發無序，荒山、荒坡開發強度很大，不少新開墾的山地遠遠超過了嚴禁開墾的25°。作為神木縣的農業重點種植鎮，各類生產建設活動在今后相當長的時間內將會維持在一個較高的水平，為此高標準實施溝道整治，加強防治結合，堅決遏制新增的人為水土流失是關鍵。

一是防護，水源區和山地災害易發區，嚴格控制進行任何形式的開發建設活動，強化開發建設項目水土保持的監管，杜絕新的人為破壞，不欠或者少欠新帳。

二是整治，坡耕地和侵蝕溝綜合整治，把握好堤壩、排洪渠等工程的關鍵性結構要素，嚴格各項技術標準，在坡面梯田和溝道淤地壩整治中建設高標準的基本農田是最具潛力的一個途徑。在賀家川鎮許多護砌地段工程簡易，標準很低，在強度大而集中的降水時空，由于施工質量和防洪設計標準不高、階面排水系統不完善、設計的行洪寬度不能滿足設計標準［7］，一旦發生超標準洪水，全部水毀而形成大量的泥石流，會產生更嚴重的水土流失，整治收效甚微，應該緊緊抓住高標準基本農田建設這個關鍵，以壩地農田相對高產量和坡面梯田規模經營作為保障，農民可以放心地退出坡耕地，有利于實施以川換坡的退耕還林政策。

3.2.3 生態建設應緊密結合農民利益 由于目前全國淤壩造地成本相當大，坡耕地改造的投入也非常有限。全鎮坡改梯進展緩慢，但溝道整治可以大為改善賀家川鎮局部地區的生產條件，解決后備土地資源逼近枯竭的問題。

在溝道土地整治和生態建設中注重基本農田建設。一方面要注重解決老百姓基本生產生活問題，避免出現反彈;另一方面要注意與當地經濟的結合，形成規模優勢和產業化經營，以理想的經濟效益來鞏固水土保持的成果。

推進新增用地指標市場化有償交易。賀家川鎮傳統的宅基地整理復耕、村鎮合并等補充耕地手段成本高、難度大，建設用地的使用空間極小，長年陷入用地饑渴問題，用地指標遠不能滿足當地實際建設用地需要(目前中央下達陜西的新增建設用地指標，只及當地實際需求的1/3左右)，寄希望在鎮域內的千溝萬壑中辟出數百萬畝良田，加大溝道整治工作推進，為全縣甚至全省建設用地置換用地指標，具有可行性和重大現實意義。一方面建立耕地占補平衡異地指標收購長期合作機制，為賀家川鎮治溝造地提供財力，使溝道糧食成為本鎮今后的增產潛力［8］;另一方面為神木縣建設用地置換用地指標，成為縣發展最重要的建設用地指標保障后盾，由于神木縣煤炭、石油等資源開發巨大，每年下達用于開發建設的新增建設用地指標，只及當地實際需求的1/3左右，根本無法滿足實際建設用地需要，年年面臨指標透支困境，成為違法用地問責常客。

［1］ 閭國年，錢亞東.基于柵格數字高程模型提取特征地貌技術研究［J］.地理學報，1998，53(6):562-570.

［2］ 劉鵬舉，朱清科，吳東亮，等.基于柵格DEM與水流路徑的黃土區溝緣線自動提取技術研究［J］.北京林業大學學報，2006(7):72-76.

［3］ 閭國年，錢亞東.基于柵格數字高程模型自動提取黃土地貌溝緣線技術研究［J］.地理科學，1998，18(6):567-573.

［4］ 計長飛.土地利用現狀圖的矢量化方法研究［J］.測繪與空間地理信息，2011(4):159-163.

［5］ 張暉.陜西黃土高原溝道土地整治潛力及途徑探析［J］.西部經濟，2012(2):16-18.

［6］ 高海東.黃土高原丘陵溝壑區溝道治理工程的生態水文效應研究［D］.中國科學院研究生院，2013.

［7］ 范王濤，燕超凡.基于陜西省沙苑地區土地整治工程質量管理指標體系的研究［J］.陜西農業科學，2012(1):192-194.

［8］ 張維宸.土地整治助力糧食增產［J］.中國土地，2011(12):24-25.