馬寧，趙幫元，王富貴，馬衛(wèi)星，董亞維

(黃河上中游管理局，710021，西安)

水土流失治理背景下小流域泥沙來(lái)源初探
——以皇甫川流域西五色浪溝小流域?yàn)槔?/p>

馬寧，趙幫元，王富貴，馬衛(wèi)星，董亞維

(黃河上中游管理局，710021，西安)

以皇甫川流域西五色浪溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以高分辨率遙感影像為信息源，通過(guò)GIS技術(shù)，提取小流域溝緣線，將小流域分為溝谷地、溝間地2大地貌類型。基于溝蝕和面蝕及其影響因子切割裂度、水土保持措施及土地利用方式、坡度、植被覆蓋度等數(shù)量和分布以及通過(guò)項(xiàng)目布設(shè)的雨量站、把口站和徑流場(chǎng)觀測(cè)資料2種方法對(duì)在水土流失治理背景下小流域泥沙來(lái)源進(jìn)行比較。結(jié)果表明，2種方法均顯示，西五色浪溝小流域泥沙主要來(lái)源于溝谷地，溝谷地土壤侵蝕量約占流域侵蝕量的73%，是溝間地侵蝕量的2.73倍。

地理信息系統(tǒng);溝蝕;面蝕;泥沙來(lái)源;皇甫川流域

皇甫川流域地處黃河中游多沙粗沙區(qū)，水土流失嚴(yán)重，多年平均向黃河輸送泥沙量約5 000萬(wàn)t。20世紀(jì)80年代以來(lái)，皇甫川流域被列入國(guó)家水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，隨著流域水土流失治理工作的進(jìn)一步實(shí)施，有關(guān)流域水土流失問(wèn)題及泥沙來(lái)源的研究越來(lái)越多。焦菊英等［1］探討了黃土丘陵區(qū)小流域溝谷地與溝間地徑流泥沙來(lái)量，表明小流域泥沙主要來(lái)源于溝谷地。冉大川等［2］從徑流泥沙來(lái)源、水沙特性、水沙變化趨勢(shì)等方面對(duì)皇甫川流域進(jìn)行了分析和研究，認(rèn)為溝谷地是徑流、泥沙的主要來(lái)源區(qū)，溝谷地產(chǎn)流量占流域總產(chǎn)流量的62.2%，溝谷地產(chǎn)沙量占流域總產(chǎn)沙量的67.2%。蔣德麒等［3］通過(guò)對(duì)小流域坡溝泥沙的分析認(rèn)為，黃河中游小流域泥沙主要來(lái)源于溝道，但分析中未考慮坡面徑流通過(guò)溝坡時(shí)增加的泥沙。王曉［4］采用粒度分析法對(duì)砒砂巖不同侵蝕類型區(qū)小流域泥沙來(lái)源的分析表明，泥沙主要來(lái)源于溝谷地。近些年來(lái)，隨著“數(shù)字黃河”與“數(shù)字水?！钡奶岢?，遙感技術(shù)和地理信息技術(shù)在水土保持研究中得到了廣泛的應(yīng)用［5-8］，并在多區(qū)域開(kāi)展了土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)評(píng)價(jià)研究［9-11］;但目前的研究，多以中低分辨率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，相對(duì)比較宏觀。為此，筆者以高分辨率正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)為基礎(chǔ)，通過(guò)GIS空間數(shù)據(jù)采集、編輯、存儲(chǔ)、管理和分析等功能，以皇甫川流域西五色浪溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，提取小流域溝緣線［12-13］，將流域地貌上分為溝谷地和溝間地2大類型，根據(jù)其水土流失特點(diǎn)和治理方式，從水土保持措施及土地利用、坡度、植被覆蓋度、土壤侵蝕(溝蝕和面蝕)等方面分析探討在水土流失治理背景下小流域的泥沙來(lái)源，研究結(jié)果對(duì)流域規(guī)劃及水土流失綜合治理具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

西五色浪溝小流域地處內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗東北部，屬皇甫川流域十里長(zhǎng)川右岸的一條支溝，位于E 110°56'30″～111°04'15″，N 39°47'10″～39°54'30″之間，面積76.9 km2，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，地理位置見(jiàn)圖1。小流域整體地形西高東低，海拔在1 122～1 309.8m之間，支溝上游區(qū)溝深而窄，干、支溝中下游區(qū)溝谷開(kāi)闊，溝壑密度3.34 km/km2。小流域無(wú)常流水，為季節(jié)性河流，多年平均降水量約為412.5mm，汛期降水量占年降水量的63% ～69%，土壤侵蝕以水蝕為主，多年平均侵蝕模數(shù)0.9～1.1萬(wàn)t/(km2·a)，屬極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)。植被有油松(Pinus tabulaeformisCarr)、山杏(Prunus sibirica)、檸條(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。小流域水土流失綜合治理措施有淤地壩、水庫(kù)等工程措施和喬木林、灌木林、人工草等植物措施。

2 材料與方法

2.1 材料

遙感監(jiān)測(cè)材料主要包括2006年數(shù)字航攝0.36m分辨率的正射影像(DOM)、1m分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)和1∶1萬(wàn)地形圖。

圖1 西五色浪溝小流域位置圖Fig．1 Locationmap of Xiwuselanggou Watershed

地面觀測(cè)資料包括降水、徑流泥沙。2007年把口站測(cè)流1次、徑流場(chǎng)測(cè)流1次，汛期降水時(shí)間52 d，總降水量249.3mm;2008年把口站測(cè)流4次、徑流場(chǎng)測(cè)流5次，汛期降水時(shí)間49 d，總降水量482.6mm。

2.2 土壤侵蝕因子提取方法

1)切割裂度(溝谷占坡面面積比例)：黃土丘陵溝壑區(qū)在地貌形態(tài)上可分為溝間地和溝谷地，這2大類型以溝緣線為界線，溝緣線以上為梁峁坡面和塬面，溝緣線以下屬于溝谷地，溝谷地面積與流域面積之比，稱為切割裂度［14］?；谘芯繀^(qū)DOM，應(yīng)用ArcGIS軟件，采用人機(jī)交互方式在計(jì)算機(jī)上勾繪流域溝緣線及5 km2以上小流域界線(切割裂度計(jì)算單元)，生成溝緣線與計(jì)算單元專題圖，對(duì)其進(jìn)行疊加運(yùn)算生成溝壑裂度專題及dbf格式數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得到切割裂度。

2)水土保持措施及土地利用因子：以研究區(qū)0.36m分辨率的DOM為信息源，應(yīng)用ArcGIS軟件，采用人機(jī)交互解譯的方法，結(jié)合解譯人員專業(yè)知識(shí)，在計(jì)算機(jī)上勾繪水土保持措施及土地利用圖斑，并賦予屬性碼，生成其矢量數(shù)據(jù)。

3)植被覆蓋度因子：依據(jù) SL190—2007［15］，地類因子主要包括非耕地林草覆蓋度和坡耕地2大類，其中非耕地林草覆蓋度劃分為6級(jí)，分別為高覆蓋度(＞75%)、中高覆蓋度(60% ～75%)、中覆蓋度(45% ～60%)、中低覆蓋度(30% ～45%)、低覆蓋度(10% ～30%)和裸地(＜10%)，結(jié)合項(xiàng)目水土保持措施及土地利用人機(jī)交互解譯完成。

4)坡度因子：基于 DEM數(shù)據(jù)提取坡度，按SL190—2007 要求劃分為 ＜ 5°、5°～8°、8°～ 15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞35°共 7 級(jí)。

2.3 土壤侵蝕判定及侵蝕模數(shù)換算方法

1)土壤侵蝕判定：依據(jù)SL190—2007，小流域水力侵蝕分為面蝕和溝蝕。應(yīng)用ArcGIS軟件，將水土保持措施及土地利用、植被覆蓋度、坡度等侵蝕因子專題圖進(jìn)行疊加，依據(jù)水力侵蝕強(qiáng)度面蝕(片蝕)分級(jí)判定指標(biāo)，通過(guò)侵蝕因子專題圖層的運(yùn)算生成面蝕數(shù)據(jù);通過(guò)溝壑裂度專題，依據(jù)水力侵蝕強(qiáng)度溝蝕分級(jí)判定指標(biāo)進(jìn)行判定，生成溝蝕數(shù)據(jù)(本次研究將溝谷中淤地壩和水體作為圖層單獨(dú)提出并將侵蝕強(qiáng)度判定為微度和輕度侵蝕)，將面蝕和溝蝕數(shù)據(jù)合并為流域土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

2)侵蝕模數(shù)換算：取各級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)侵蝕模數(shù)范圍中值，采用面積加權(quán)平均法換算得到小流域多年平均侵蝕模數(shù)。

2.4 水土流失觀測(cè)方法

1)輸沙量：通過(guò)布設(shè)把口站觀測(cè)小流域輸沙量。把口站布設(shè)在小流域出口王家塔村，距河口1 km處，集水面積74.4 km2，采用浮標(biāo)法，測(cè)流斷面為梯形布設(shè)。

2)坡面和溝道徑流量：通過(guò)布設(shè)全坡面徑流場(chǎng)、溝坡(溝谷)和坡面(溝間)徑流場(chǎng)，觀測(cè)坡面和溝道徑流量。徑流場(chǎng)布設(shè)在把口站左岸坡面上2個(gè)相鄰的自然條件極為相似的自然侵蝕單元內(nèi)。全坡面徑流場(chǎng)面積1 243m2，坡面部分679m2，坡長(zhǎng)47.5m，坡度11°～19°，大部分為荒草坡干旱草原植被;溝道部分564m2，長(zhǎng)37.5m，溝深6.2m，Ⅴ字形初級(jí)侵蝕溝，無(wú)人工治理措施，全部為牧荒地，地表覆蓋黃土。徑流場(chǎng)采用三級(jí)分水式徑流池觀測(cè)，蓄水池容積為108m3。

3)降水量：通過(guò)布設(shè)雨量站觀測(cè)降水量。在小流域中游周家塔村和下游王家塔徑流場(chǎng)附近各布設(shè)1個(gè)雨量站，采用固態(tài)存貯式雨量計(jì)觀測(cè)降雨情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕因子分析

1)切割裂度。經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，切割裂度分布如圖2所示?？芍?，小流域溝谷面積占小流域面積的49.6%，溝谷面積是溝間面積的0.984;切割裂度為35%～50%的面積占小流域面積的26.72%，切割裂度＞50%的面積占小流域面積的22.88%。

圖2 切割裂度圖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積占小流域面積比例見(jiàn)表1。可知，水土保持措施面積占小流域面積的37.83%，溝間地水土保持措施面積是溝谷地面積的3.47倍;溝谷地荒地面積占小流域面積的34.65%，占小流域荒地面積的83.29%;溝谷中分布的壩地和水地、林地、荒地、水域和其他用地面積分別占溝谷地面積的9.07%、7.98%、69.86%、6.77%和6.32%?？梢钥闯觯瑴瞎鹊厮帘３执胧┓植忌?，70%的面積為荒地，隨降水易發(fā)生水土流失。

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

3)植被覆蓋度。各級(jí)植被覆蓋度面積占小流域面積比例見(jiàn)表2?？芍?，小流域植被覆蓋度為24.48%。植被覆蓋度超過(guò)30%的面積占小流域面積的37.3%，溝谷與溝間之比為0.097;植被覆蓋度低于30%的面積占小流域面積的53.71%，溝谷與溝間之比為3.51;耕地面積占小流域面積的8.99%，溝谷與溝間之比為1.002(溝谷中有3.34 hm2水地和1.16 hm2壩地)?？梢钥闯觯×饔驕瞎鹊?4.30%的面積植被覆蓋度低于30%，隨降水土壤易受侵蝕，容易發(fā)生水土流失。

表2 各級(jí)植被覆蓋度面積占小流域面積比例Tab．2 Proportion of various vegetation-covered areas to the watershed area %

4)坡度。各級(jí)坡度面積占小流域面積比例見(jiàn)表3?？芍×饔蚱骄露?0°，溝谷地與溝間地平均坡度之比為2;坡度25°以下面積占小流域面積的67.67%，溝谷與溝間之比為0.485;坡度25°以上面積占小流域面積的32.33%，溝谷與溝間之比為5.67。可以看出，溝谷地平均坡度大于25°，除去16.05%的溝底外，81.93%的面積坡度大于25°，一定范圍內(nèi)坡度值越大，土壤侵蝕越劇烈。

表3 各級(jí)坡度面積占小流域面積比例Tab．3 Proportion of various slope areas to the watershed area %

3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度分析

小流域水土流失面積70.26 km2，占小流域面積的91.37%。各級(jí)侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積占小流域面積比例及面積加權(quán)平均換算的多年平均侵蝕模數(shù)見(jiàn)表4，各級(jí)侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布見(jiàn)圖3。可知，小流域強(qiáng)烈及強(qiáng)烈以上級(jí)別土壤侵蝕面積占小流域面積的61.94%，溝蝕與面蝕之比為2.324;強(qiáng)烈以下級(jí)別土壤侵蝕面積占小流域面積的38.06%，溝蝕與面蝕之比為0.198;溝蝕中強(qiáng)烈及強(qiáng)烈以上級(jí)別侵蝕面積占溝蝕面積的87.31%?？梢钥闯?，溝谷地侵蝕比溝間地侵蝕嚴(yán)重，是泥沙的主要來(lái)源區(qū)。

表4 各級(jí)侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積占小流域面積比例Tab．4 Proportion of the areas with various erosion classes to the watershed area

圖3 土壤侵蝕圖Fig．3 map of soil erosion

溝谷地、溝間地和全流域各級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積換算成多年平均侵蝕模數(shù)分別為1萬(wàn)5 808、5 628和1萬(wàn)677 t/(km2·a)，溝谷地、溝間地和全流域多年平均侵蝕量分別為60萬(wàn)、22萬(wàn)和82萬(wàn)t。可以看出，溝谷地侵蝕量是溝間地侵蝕量的2.73倍，是泥沙的主要來(lái)源區(qū)。

3.3 水土流失觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)把口站和徑流小區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)，按年進(jìn)行整編，結(jié)果見(jiàn)表5?？芍?，小流域2007和2008年平均降水量為365.95mm，比多年平均降水量少46.55mm，平均年輸沙模數(shù)為5 310 t/(km2·a);溝道、坡面平均侵蝕模數(shù)分別為7 924和2 856 t/(km2·a)，溝道平均年侵蝕模數(shù)是全流域的1.49倍，是坡面的2.77倍。根據(jù)小流域溝谷地和溝間地面積，計(jì)算得到2007和2008年小流域年均輸沙量為41萬(wàn)t，其中溝谷地年均輸沙量30萬(wàn)t，溝間地年均輸沙量11萬(wàn)t，溝谷地輸沙量是溝間地的2.73倍，溝谷地輸沙量占總輸沙量的73%。

表5 地面觀測(cè)數(shù)據(jù)整編結(jié)果Tab．5 Summary table of surface observation data

4 結(jié)論

1)西五色浪溝小流域溝間地與溝谷地面積之比為1∶0.984;水土流失治理面積占小流域面積的37.83%，溝間地治理措施面積是溝谷地面積的3.47倍;溝谷地中荒地面積占70%，植被覆蓋度低于30%的面積占84.30%，坡度大于25°的面積占55.42%。由此得出結(jié)論，在水土流失治理背景下，隨著降水量的增加，溝谷地土壤更易遭受侵蝕，仍是發(fā)生水土流失的主要區(qū)域。

2)遙感方法溝谷地多年平均侵蝕模數(shù)是全流域的1.48倍，是溝間地的2.81倍，溝谷地侵蝕量占小流域總侵蝕量的73%，是溝間地的2.73倍。地面觀測(cè)方法溝谷地平均侵蝕模數(shù)是全流域的1.49倍，是溝間地的2.77倍，溝谷地輸沙量占小流域總輸沙量的73%，是溝間地的2.73倍。2種方法結(jié)論基本一致，充分說(shuō)明在水土流失治理背景下，溝谷地仍是泥沙的主要來(lái)源區(qū)。

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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

黃河中游多沙粗沙區(qū)重點(diǎn)支流水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

馬寧(1972—)，女，高級(jí)工程師。主要研究方向：水土保持監(jiān)測(cè)。E-mail：hhmning@126.com

(責(zé)任編輯：宋如華)