黃土高原典型小流域侵蝕溝形態和穩定性監測初探

王 略, 徐 佳, 董亞維

(黃河水利委員會 黃河上中游管理局, 陜西 西安 710021)

侵蝕溝是黃土高原主要的侵蝕地貌，侵蝕溝的發育是水力和重力共同作用的結果。侵蝕溝發育的基本形式是溝頭前進、溝壁擴張和溝底下切。陳永宗等[1]、劉秉正等[2]、唐克麗[3]基于多期遙感數據分析認為侵蝕溝的溝頭和溝壁是發展的，有關試驗站也在進行侵蝕溝的觀測，但有關溝道發展的研究鮮見報道。鑒于這種情況，亟待通過侵蝕溝的監測，對其動態變化和影響因素形成認識，以便為侵蝕溝的利用、改造、治理提供科學依據。為此，水利部在“黃河流域全國水土流失動態監測與公告項目”開展侵蝕溝動態監測工作，選擇黃土高原地區6條典型小流域，開展侵蝕溝形狀特征、發育程度、形態變化等監測，對侵蝕溝穩定性進行分析，初步構建侵蝕溝穩定性評價指標體系，以期為進一步探索黃土高原地區侵蝕溝科學治理、水土流失災害預防提供基礎數據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 侵蝕溝確定

本次研究在黃土高原不同侵蝕類型區選擇了6條面積適中的典型小流域分別為：甘肅省天水市的橋子溝(分橋子東溝、橋子西溝)、甘肅省定西市的安家溝、甘肅省慶陽市的南小河溝、陜西省綏德縣的王茂溝、山西省呂梁市方山縣的沙溝和內蒙古自治區鄂爾多斯的二老虎溝(表1)；在典型小流域中分別選擇2～4條長度300～500 m(控制面積約為10～20 hm2) 的典型支溝，共18條(表2)典型支溝作為研究對象。

表1 典型小流域位置及面積統計

表2 監測支毛溝形狀參數

1.2 研究內容與方法

1.2.1 侵蝕溝發育狀況監測 在1∶1萬DEM基礎上，對6條典型小流域的侵蝕溝數量特征進行提取，Ⅰ級侵蝕溝對應于切溝，Ⅱ侵蝕溝對應于較大切溝(或沖溝)，Ⅲ侵蝕溝對應于沖溝，Ⅳ侵蝕溝和Ⅴ侵蝕溝則對應于坳溝(干溝)。具體方法為：侵蝕溝數量特征提取基于水文學基本原理，利用現有1∶1萬DEM數據，提取各個流域的河網，并手工對不合理的水系進行修改(如平行河網問題)，再采用A.N.Strahler水系分級方法對各流域的侵蝕溝進行分級。

1.2.2 侵蝕溝形態變化測量 典型小流域主溝道選取12個代表性斷面，支毛溝選取36個代表性斷面及支毛溝的溝頭，在雨季前后進行測量，測量精度為亞米級。具體方法為：每個測量斷面至少埋設2個標志樁，支毛溝溝頭最少布設2～3個圖根控制點，對斷面控制樁和溝頭控制點進行編號。以WGS-84橢球為基準，按國家3度分帶規則當地所在中央子午線建立的高斯投影坐標系，采用動態RTK方式GNSS測量，極坐標方法、棱鏡與免棱鏡相結合的全站儀測量和RTK控制、全溝頭地形Reigl三維激光掃描等3種方法對所有斷面標志樁及圖根控制點平面與高程位置進行測量。用南方Cass軟件繪制地形特征線、地形線、等高線和斷面圖等。

1.2.3 侵蝕溝穩定性分析 基于監測數據和收集到的相關數據，對主溝道斷面、支毛溝溝道斷面、支毛溝溝頭分析形態變化，并進行侵蝕溝穩定分析，初步提出侵蝕溝穩定性評價指標體系。具體方法為：斷面分析的主要方法是根據兩期測量的斷面數據，繪制出斷面圖，并對2次斷面點數據進行排序，逐點獲取兩次斷面數據的高程差，然后初步排除測量誤差和地形綜合誤差的影響，從而分析溝道是否加深，同時結合斷面長度分析斷面寬度是否加寬。支毛溝溝頭變化分析基于兩次野外測量的地形數據(包括控制點，地形特征點、線等)，獲取2次測量的最終地形圖；將兩次地形圖的等高線，特征點線導入到ArcGIS內，建立兩次測量的溝道的DEM數據，并得到兩次測量的差異表面數據；結合實地觀測情況，排除測量誤差與制圖綜合誤差的影響，獲取溝頭地形變化的主要區域。

2 結果與分析

2.1 典型小流域侵蝕溝發育程度

橋子溝流域侵蝕侵蝕溝總數48條，侵蝕溝級別可分為3級，Ⅰ級侵蝕溝數量為36條，占總數的75.00%，Ⅱ級侵蝕溝數量為10條，占總數的20.83%，Ⅲ級侵蝕溝數量為2條，占侵蝕溝總數的4.17%；安家溝流域侵蝕溝總數161條，侵蝕溝級別可分為4級，Ⅰ級侵蝕溝數量為131條，占總數的81.37%，Ⅱ級侵蝕溝數量為23條，占總數的14.29%，Ⅲ侵蝕溝和Ⅳ侵蝕溝數量分別為5和2條，占總數的4.35%；南小河溝流域侵蝕溝總數439條，侵蝕溝級別可分為5級，Ⅰ級侵蝕溝數量為351條，占總數的79.95%，Ⅱ級侵蝕溝數量為69條，占總數的15.72%，Ⅲ級侵蝕溝數量為14條，占總數的3.19%，Ⅳ和Ⅴ級侵蝕溝數量分別為4和1條，占侵蝕溝總數的1.14%；王茂溝流域侵蝕溝總數241條，侵蝕溝級別可分為5級，Ⅰ級侵蝕溝數量為179條，占總數的74.27%，Ⅱ級侵蝕溝數量為44條，占總數的18.26%，Ⅲ級侵蝕溝數量為14條，占總數的3.19%，Ⅳ和Ⅴ級侵蝕溝數量分別為3和1條，占侵蝕溝總數的1.66%；沙溝流域侵蝕溝總數60條，侵蝕溝級別可分為4級，Ⅰ級侵蝕溝數量為49條，占總數的81.67%，Ⅱ級侵蝕溝數量為8條，占總數的13.33%，Ⅲ級侵蝕溝數量為2條，占總數的3.33%，Ⅳ級侵蝕溝數量為1條，占侵蝕溝總數1.67%。二老虎溝流域侵蝕溝總數117條，侵蝕溝級別可分為4級，Ⅰ級侵蝕溝數量為95條，占總數的81.20%，Ⅱ侵蝕溝數量為17條，占總數的14.53%，Ⅲ和Ⅳ侵蝕溝數量分別為4和1條，占總數的4.27%。6條典型小流域各等級侵蝕溝數量特征匯總情況見表3。

表3 6條典型小流域各等級侵蝕溝數量特征

2.2 各流域主溝道斷面、支毛溝溝道斷面、支毛溝溝頭變化情況

各典型小流域主溝道斷面、支毛溝溝道斷面的2期觀測數據顯示，去除個別斷面點因地形綜合造成高程差有較大差異外，大部分斷面點的高程差均在誤差范圍以內，溝道的寬度、深度均未見明顯變化。沙溝支毛溝1、二老虎溝的3條支毛溝內有一些發生變化的區域。

2.3 侵蝕溝穩定性分析及初步評價指標體系

針對典型小流域在監測期間的地形變化與溝道斷面變化，結合流域的邊界線、溝沿線、流水線等地貌特征線以及坡度、土地利用、植被覆蓋度、水土保持措施、地表組成物質等影響溝道發育的環境要素；以及18個支毛溝在監測期間的地形變化與溝道斷面變化，結合支毛溝的溝沿線，土地利用，植被覆蓋，水土保持措施等進行分析，影響溝道形態變化的因素為以下幾個方面。

(1) 降雨因素[4]。這一因素是引起溝道侵蝕變化的主要動力因素，包括降雨量與降雨強度2個方面。從溝道監測的結果來看，溝道未發生顯著變化的幾個溝道降水都偏少，降雨強度也較弱，而地形變化較為明顯的流域，降水則偏多，且降雨強度較大。

(2) 水保措施。除降水以外，水保措施的完善與否也直接影響著溝道形態的變化。本次監測的6個流域均為黃河上中游重點監測流域，水保措施相對來講都比較完善，每個支毛溝溝頭附近均修筑有各種梯田，魚鱗坑、水平溝等水保措施。這些水保措施有效地防止了侵蝕的發生。

(3) 植被覆蓋因素[5]。這一因素也對侵蝕的發生有重要影響，植被覆蓋度高的溝道，侵蝕相對就較弱。同時，具體的植被覆蓋措施也會影響到植被覆蓋發揮的減弱侵蝕的作用。

(4) 匯水面積。匯水面積[6-7]對侵蝕的發生也有重要影響。二老虎溝侵蝕較強也與二老虎溝溝道上游匯水面積較大有直接關系，特別是二老虎溝支毛溝3，上游匯水面積較大。

(5) 坡度。支毛溝集水區和溝道內的坡度也對匯流過程有著重要影響。二老虎溝支毛溝2相對于支毛溝1的侵蝕弱些，其中一個原因就是支毛溝2相對于支毛溝1整個溝道的地形要平緩些。

(6) 地表組成物質。溝道內地表組成物質[8-10]也是影響侵蝕發生的重要因素。二老虎溝溝道內均為砒砂巖覆蓋，抗蝕性差，在強降雨條件下極易發生侵蝕，所以地形變化較為明顯。而安家溝溝道內的老黃土的抗蝕性較強，是安家溝地形變化不顯著的一個重要原因。

通過對溝道形態變化因素的總結，初步形成侵蝕溝穩定性評價指標體系(表4)。

表4 侵蝕溝穩定性評價指標

3 討論與結論

根據監測期內對各典型小流域侵蝕溝的動態監測，摸清了小流域的侵蝕溝數量情況，對比地形與溝道變化的情況，將影響侵蝕溝溝道形態變化的因素基本總結為：降水因素、水保措施、植被覆蓋因素、匯水面積、坡度、地表組成物質等幾個主要因素，初步形成侵蝕溝穩定性評價指標體系。結合監測過程、結果討論得出以下建議：

(1) 根據各流域侵蝕溝動態變化的監測結果來看，在同一小流域的支毛溝，因為其空間距離較小，各種影響侵蝕因素的情況基本類似，監測結果也很相似。所以一個小流域內只重點選擇1～2條支毛溝開展監測工作即可。

(2) 侵蝕溝監測的重點應放在支毛溝尺度，重點監測支毛溝變化情況以及支毛溝的地形、斷面、溝沿線等內容。

(3) 后續的侵蝕溝監測工作可增加一些治理度差的溝道進行，并對侵蝕溝至少進行5～10 a連續監測，才能得出更科學、準確的結論。

[1] 陳永宗,景可,蔡強國,等.杏子河流域的侵蝕地貌[J].水土保持通報,1984,4(5):321-327.

[2] 劉秉正,翟明柱,吳法放.渭北高原溝谷怪蝕初探[J].中國科學院水利部西北水土保持研究所集刊,1990,12:25-33.

[3] 唐克麗.中國水土保持[M].北京:科學出版社,2004:32-36.

[4] 朱顯謨.黃土高原水蝕的主要類型及其有關因素(1)：類型與氣候因素 [J].水土保持通報,1981,1(3):1-9.

[5] 朱顯謨.黃土高原水蝕的主要類型及其有關因素(4)：植被因素 [J].水土保持通報,1982,2(3):40-44.

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