顧廣賀, 王巖松, 鐘云飛, 劉建祥, 范昊明, 劉立權(quán)

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院, 沈陽 110866; 2.松遼水利委員會, 長春 130000; 3.遼寧省水土保持局, 沈陽 110003)

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東北漫川漫崗區(qū)侵蝕溝發(fā)育特征研究

顧廣賀1, 王巖松2, 鐘云飛2, 劉建祥2, 范昊明1, 劉立權(quán)3

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院, 沈陽 110866; 2.松遼水利委員會, 長春 130000; 3.遼寧省水土保持局, 沈陽 110003)

東北漫川漫崗區(qū)位于黑土區(qū)核心位置，侵蝕溝發(fā)育嚴重。利用3S獲取侵蝕溝數(shù)量、長度等數(shù)據(jù)，計算降雨侵蝕力、坡度、坡長，分析侵蝕溝發(fā)育特征及三因素對侵蝕溝發(fā)育影響。結(jié)果表明：東北漫川漫崗區(qū)75.11%的發(fā)展溝處于發(fā)育初、中期，潛在發(fā)育危險性較大，溝蝕劇烈程度地域性差異顯著，研究區(qū)南、北部溝壑密度分別為0.3，0.06 km/km2；地形、凍融歷時、溫差等差異造成降雨侵蝕力對北部侵蝕溝發(fā)育影響顯著，南部相對較弱；研究區(qū)坡度與坡長呈正相關(guān)關(guān)系，北部坡緩造成坡度與溝壑密度呈線性增加關(guān)系，南部坡陡造成坡度與溝壑密度呈線性減小關(guān)系，北部、南部地形因子與溝壑密度分別呈線性增加、減小關(guān)系，隨著坡長的增加，溝壑密度先增加后減小，臨界坡長為900 m。

東北漫川漫崗區(qū); 侵蝕溝; 影響因素; 發(fā)育特征

侵蝕溝是地表徑流在坡度或高程發(fā)生變化而又缺乏植物保護的裂點匯集進而形成的，在水土流失中占有重要地位，對土地資源破壞嚴重[1]，加劇了水土流失過程，吞噬土地[2]，使得土地破碎，制約農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)，造成糧食減產(chǎn)，交通不便[3]。國外對侵蝕溝的研究起步較早，我國對于侵蝕溝的研究起源于黃土高原，東北黑土區(qū)侵蝕溝研究相對較少。已有的研究成果中室內(nèi)模擬試驗較多，多研究細溝發(fā)育規(guī)律[4-6]，也有運用三維激光掃描儀、GPS等測量儀器野外實測侵蝕溝[7-9]。隨著遙感及GIS技術(shù)的日漸成熟，有學者利用此項技術(shù)研究侵蝕溝發(fā)育及分布特征，這也解決了侵蝕溝研究空間尺度的問題，Vrieling等[10]使用多光譜QuickBird影像和實地調(diào)查數(shù)據(jù)驗證了ASTER影像提取切溝的可行性，J.A.Martl′nez-Casasnovas[11]利用GIS技術(shù)研究西班牙東北部侵蝕溝溯源侵蝕速率及其引發(fā)的侵蝕量，閆業(yè)超等[12]基于遙感和GIS技術(shù)提取黑龍江克拜地區(qū)侵蝕溝密度，分析其動態(tài)變化及高程、坡度分異特征，越來越多的研究表明3S技術(shù)可以快速、準確地解譯大空間尺度侵蝕溝分布情況。

東北黑土區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，由于人為活動的加劇，黑土區(qū)水土流失嚴重，溝蝕現(xiàn)象十分突出[13]。全國第一次水利普查結(jié)果顯示黑土區(qū)共有侵蝕溝295 663條，溝壑密度為0.27 km/km2，88.67%的侵蝕溝為發(fā)展溝，侵蝕溝發(fā)育潛在危險性極大[14]。黑土區(qū)共有7個二級水土保持規(guī)劃分區(qū)，東北漫川漫崗區(qū)為其中之一，位于黑土區(qū)中部，耕地較多，坡長、坡緩等特點造成該區(qū)域是黑土區(qū)侵蝕溝高發(fā)區(qū)，侵蝕溝的發(fā)展已經(jīng)嚴重破壞黑土資源，威脅國家糧食安全，影響當?shù)鼐用竦纳?。侵蝕溝是降雨、土壤、地形等因素綜合作用的結(jié)果，確定各因素與侵蝕溝發(fā)育的關(guān)系對于侵蝕溝防治十分重要。降雨是東北地區(qū)侵蝕溝發(fā)育主要動力因素，坡度是侵蝕溝發(fā)育的主要誘因，坡長在很大程度上影響集水區(qū)面積、溝道內(nèi)蝕積、徑流狀態(tài)進而影響侵蝕溝發(fā)育。研究按照位置均勻分布原則選取東北漫川漫崗區(qū)內(nèi)7個典型市縣，利用3S技術(shù)提取侵蝕溝長度、面積等指標，分析侵蝕溝發(fā)育特征及降雨侵蝕力、坡度、坡長對侵蝕溝發(fā)育影響，探討侵蝕溝發(fā)育規(guī)律，研究成果將為黑土區(qū)侵蝕溝治理提供一定依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

東北漫川漫崗區(qū)位于黑土區(qū)中部，主要是指大小興安嶺和長白山延伸的山前臺地，由“德北山前臺地”、“克拜波狀起伏臺地溝壑”和“南部波狀緩傾斜臺地”三部分共同組成，總面積達11.41萬km2。漫川漫崗區(qū)地勢波狀起伏，土地利用以耕地為主，水土流失類型以水力侵蝕為主，春季解凍期凍融、融雪侵蝕劇烈。

東北漫川漫崗區(qū)地形比較復雜，起伏較大，坡長多為500～1 000 m，氣候?qū)儆诤疁貛Т箨懶园霛駶櫄夂騕15]，春季多風，氣溫寒暑相差懸殊，氣溫平均為0℃，平均日照時數(shù)2 740 h，無霜期110～120 d。年總降水量500～550 mm，年平均降水自西南向東北遞增，降雨年際變化大，分布不均，7—9月降水占全年降水的70%[16]。土壤主要由黑土、黑鈣土和草甸土組成[17]。漫川漫崗區(qū)匯水面積較大，土壤團粒結(jié)構(gòu)差，因此面蝕嚴重。一旦遇到大雨或暴雨時，常發(fā)生溝蝕，溝壑沖刷嚴重。

2 材料與方法

選取東北漫川漫崗區(qū)內(nèi)7個典型縣區(qū)為研究對象，分別為雙城、農(nóng)安、嫩江、昌圖、慶安、克山、海倫，各縣區(qū)具體位置見圖1。以第一次水利普查東北黑土區(qū)侵蝕溝普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取研究區(qū)侵蝕溝長度、面積等數(shù)據(jù)，侵蝕溝溝緣線、溝底線勾繪偏差不超過2個像元即5 m，每縣抽取10條侵蝕溝進行野外實地核查，確保侵蝕溝長度誤差不超過5%，起訖經(jīng)緯度誤差不超過1″。侵蝕溝解譯方法為：以2.5 m分辨率的遙感影像和1∶5萬DEM為數(shù)據(jù)源，利用ERDAS等軟件對遙感影像進行波段組合，生成不同的假彩色融合圖像，對生成的結(jié)果圖進行效果對比，選用最有利于目標解譯的合成圖。應用GIS軟件，采取人機交互方式解譯侵蝕溝長度、面積、類型等指標，通過影像預判和實地復核建立解譯標志，確保侵蝕溝全部識別，通過野外核查對侵蝕溝解譯成果進行修正，提取的侵蝕溝長度介于100～5 000 m，面積介于0～5 000 hm2，侵蝕溝發(fā)育類型包括切溝、沖溝，利用ArcGIS軟件空間分析功能，基于研究區(qū)DEM提取坡度、坡長，坡度提取利用ArcGIS的坡度算法，坡長提取利用區(qū)域土壤侵蝕因子提取工具LS_Tool[18-19]。通過國家氣象局官方網(wǎng)站下載研究區(qū)1952—2013年日值降雨數(shù)據(jù)，選用章文波提出的模型計算多年平均降雨侵蝕力，模型如下：

(1)

式中：Mi——第i個半月時段的降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm2·h)]；Dj——半月時段內(nèi)第j天的侵蝕性日降雨量(mm)，根據(jù)謝云等[20]的研究，以日降雨量≥12 mm作為侵蝕性降雨量的標準；k——該半月時段內(nèi)的時間(d)，半月時段的劃分以每月第15日為界，將全年劃為24個半月時段；α，β——模型待定參數(shù)。

α=21.586β-7.1891

(2)

(3)

式中：Pd12——日雨量12 mm 以上(包括等于12 mm)的日平均雨量(mm)；Py12——日雨量12 mm以上(包括等于12 mm )的年平均雨量(mm )。

3 結(jié)論與分析

3.1 東北漫川漫崗區(qū)侵蝕溝發(fā)育特征

研究區(qū)共有侵蝕溝14 273條，其中88.91%為發(fā)展溝，11.09%為穩(wěn)定溝，侵蝕溝總長度為557.66 km，總面積為13 415.04 m2。由圖2可以看出，研究區(qū)溝壑密度介于0.01～0.47 km/km2，分布密度介于0.05～0.91條/km2，溝壑密度、分布密度均值分別為0.2 km/km2，0.42條/km2。溝壑密度與分布密度成正相關(guān)關(guān)系，關(guān)系式為y=1.87x+0.06，相關(guān)系數(shù)R2=0.97，這說明單位面積內(nèi)侵蝕溝數(shù)量與長度成正相關(guān)關(guān)系，侵蝕溝發(fā)育規(guī)模接近。慶安、克東、海倫溝壑密度、分布密度較大，雙城、農(nóng)安、嫩江、昌圖溝壑密度、分布密度較小，兩項指標標準差分別為0.18，0.35。這說明東北漫川漫崗區(qū)侵蝕溝發(fā)育劇烈程度具有地域性差異，結(jié)合研究區(qū)所處地理位置(圖1)可以看出，東北漫川漫崗區(qū)北部侵蝕溝發(fā)育嚴重，溝壑密度、分布密度分別為0.3 km/km2，0.61條/km2，南部侵蝕溝發(fā)育相對較弱，溝壑密度、分布密度分別為0.06 km/km2，0.18條/km2。

圖1 研究區(qū)地理位置

圖2 研究區(qū)溝壑密度與分布密度

根據(jù)黑土區(qū)侵蝕溝長度分布特征，將發(fā)展溝長度分成5個范圍，分別為100～200，200～500，500～1 000，1 000～2 500，2 500～5 000 m。由圖3可以看出，隨著長度的增加，侵蝕溝數(shù)量先增加后減小，41.26%的侵蝕溝處于200～500 m，33.85%的侵蝕溝處于500～1 000 m。溝道的縱比是溝頭、溝口高程差與溝道長度的比值，其中，溝頭、溝口高程由DEM獲取，溝道長度由ArcGIS空間計算功能提取。隨著侵蝕溝長度的增加，溝道縱比逐漸減小。說明東北漫川漫崗區(qū)侵蝕溝多數(shù)處于發(fā)育初、中期，該階段侵蝕溝溝道縱比較大，可達到4.59%～6.16%，這使得溝內(nèi)徑流流速沖加快，加劇對溝道的沖刷。該階段是侵蝕溝高速發(fā)育期，侵蝕溝發(fā)育潛在危險性較大。

圖3 不同長度分級侵蝕溝數(shù)量、縱比

3.2 降雨侵蝕力對侵蝕溝發(fā)育影響

降雨是侵蝕溝發(fā)育主要動力因素，東北地區(qū)夏季降雨集中、多暴雨的氣候條件加劇侵蝕溝發(fā)育。降雨侵蝕力是降雨強度、降雨歷時等因素的綜合體現(xiàn)，是衡量降雨侵蝕能力的重要指標，作為水力侵蝕的重要表現(xiàn)形式，侵蝕溝的發(fā)育與降雨侵蝕力關(guān)系密切[21]。章文波基于對我國71個代表性氣象站資料分析的基礎(chǔ)上，提出了基于日降雨量的降雨侵蝕力估算模型[22]。該模型完全能夠用于估算多年平均降雨侵蝕力及其季節(jié)分布，可以準確地計算出我國不同地區(qū)降雨侵蝕力[23]，研究采用該模型計算降雨侵蝕力。由圖4可以看出研究區(qū)降雨侵蝕力介于1 310.86～2 923.2[(MJ·mm)/(hm2·h)]，均值為1 758.08[(MJ·mm)/(hm2·h)]，總體看來，東北漫川漫崗區(qū)南北兩端降雨侵蝕力差別較大，其中南端較大，北端較小，其余區(qū)域降雨侵蝕力較為接近。

圖4 研究區(qū)降雨侵蝕力分布

定義分布密度與降雨侵蝕力比值為降雨—分布密度指數(shù)，用以表示單位降雨侵蝕力對侵蝕溝分布密度的影響；定義溝壑密度與降雨侵蝕力比值為降雨—溝壑密度指數(shù)，用以表示單位降雨侵蝕力對溝壑密度的影響。由圖5可以看出，降雨—溝壑密度指標與降雨—分布密度指標變化趨勢一致，但各區(qū)域差別較大，降雨侵蝕力對海倫、克山、慶安、嫩江侵蝕溝發(fā)育影響顯著，對雙城、農(nóng)安、昌圖侵蝕溝發(fā)育影響相對較弱，結(jié)合研究區(qū)地理位置分布可以看出，降雨侵蝕力對東北漫川漫崗區(qū)北部侵蝕溝發(fā)育影響顯著，對南部影響相對較弱。東北漫川漫崗區(qū)北部坡度、坡長較大，南部坡度、坡長相對較小，地形特征的差別是造成降雨侵蝕力對南北部侵蝕溝發(fā)育影響差異的主要原因，降雨侵蝕力一定條件下，隨著坡度的增加，坡面徑流產(chǎn)生的可能性增加，土體不穩(wěn)定性增加，易誘發(fā)溝蝕，同時，溝內(nèi)徑流流速會隨著坡度的增加而加快進而加劇侵蝕溝發(fā)育。隨著坡長的增加，侵蝕溝發(fā)育空間增加，增強降雨侵蝕力對溝蝕的影響，加劇侵蝕溝發(fā)育劇烈程度。相對于南部區(qū)域，研究區(qū)北部冬季極端天氣較多，解凍期凍融歷時、凍融溫差較大，這些會加劇對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，降低土壤抗蝕性，加劇降雨侵蝕力對于溝蝕的影響。

圖5 侵蝕溝分布指標與溝壑密度指標

3.3 地形因素對侵蝕溝發(fā)育影響

地形是影響地表水文和土壤侵蝕的主要環(huán)境因素，坡度、坡長是反映區(qū)域地形特征的主要因素[24]。坡度對土壤穩(wěn)定性、入滲速率具有一定影響，坡度越大，土體的不穩(wěn)定性越強，在外力作用下發(fā)生下移的可能性愈大，降雨過程中土壤的入滲量越小，產(chǎn)生的徑流量越大，因而產(chǎn)生的侵蝕量越大[25]。坡長對土壤侵蝕影響較復雜，侵蝕與坡長的關(guān)系有時呈正比，有時呈反比，很大程度上決定于降雨特性[26]。坡度、坡長交互作用決定集水區(qū)特征，通過徑流量和流速影響侵蝕溝發(fā)育，也可以影響侵蝕溝發(fā)育空間，限制侵蝕溝發(fā)育狀態(tài)、規(guī)模。

研究區(qū)坡度、坡長見圖6，從中可以看出，隨著坡度的增加或減小，坡長表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即坡度與坡長成正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合圖1(研究區(qū)地理位置)可以看出，東北漫川漫崗區(qū)北部(嫩江、克山、海倫、慶安)坡度、坡長較大，南部(雙城、農(nóng)安、昌圖)坡度、坡長較小。研究區(qū)不同坡度、坡長區(qū)域面積所占比重見表1，從中可以看出，研究區(qū)地形總體特征為坡長坡緩，坡度多小于3°，坡長多大于500 m，坡度小于3°區(qū)域面積占總面積的74.6%，坡長大于500 m區(qū)域面積占總面積44.79%，研究區(qū)平均坡度為2.33°，平均坡長為696.45 m。

圖6 研究區(qū)坡度與坡長

表1 不同坡度、坡長區(qū)域面積所占比重%

如圖7所示，隨著東北漫川漫崗區(qū)南部(昌圖、農(nóng)安、雙城)坡度的減小，溝壑密度逐漸減小，隨著北部(慶安、海倫、克山、嫩江)坡度的增加或減小，溝壑密度呈現(xiàn)相反的變化趨勢。通過線性回歸發(fā)現(xiàn)，東北漫川漫崗區(qū)南、北部溝壑密度與坡度關(guān)系式分別為y=0.115x-0.14，y=-0.103x+0.587，相關(guān)系數(shù)分別為0.882，0.748，這說明坡度與東北漫川漫崗區(qū)南部、北部溝壑密度分別呈正、負相關(guān)關(guān)系。南部坡度較小，隨著坡度的增加，流速增加，沖刷力增強，同時，土壤穩(wěn)定性降低，更利于侵蝕溝發(fā)育。北部坡度相對較大，隨著坡度的增加，加之這一區(qū)域坡長較長，徑流的運移狀態(tài)可能發(fā)生改變，削弱徑流沖刷力，侵蝕溝發(fā)育劇烈程度有所減小。

如圖8所示，隨著坡長的增加，溝壑密度先增加后減小。當坡長較小時，隨著坡長的增加，侵蝕溝發(fā)育空間增大，徑流加速距離增加，這些都會加劇侵蝕溝發(fā)育。當坡長大于臨界坡長時，隨著坡長的增加，徑流及其所攜帶泥沙運移狀態(tài)有所改變，徑流動能降低造成侵蝕溝發(fā)育劇烈程度減弱。對于東北漫川漫崗區(qū)侵蝕溝發(fā)育而言，臨界坡長為900 m，當坡長小于900 m時，隨著坡長的增加，侵蝕溝發(fā)育劇烈程度增加，當坡長大于900 m時，隨著坡長的增加，侵蝕溝發(fā)育劇烈程度降低。

圖7 坡度與溝壑密度關(guān)系

圖8 坡長與溝壑密度關(guān)系

坡度與坡長的乘積為地形因子，如圖9所示，隨著東北漫川漫崗區(qū)南部(昌圖、農(nóng)安、雙城)地形因子的減小，溝壑密度逐漸減小，隨著北部(慶安、海倫、克山、嫩江)地形因子的增加或減小，溝壑密度呈現(xiàn)相反的變化趨勢，通過線性回歸發(fā)現(xiàn)，南部、北部溝壑密度與地形因子關(guān)系式分別為y=1.3E-4x-0.036；y=-8E-5x+0.532，相關(guān)系數(shù)分別為0.947，0.993，說明地形因子與南、北部溝壑密度分別呈正、負相關(guān)關(guān)系。東北漫川漫崗北部地形因子較小，隨著地形因子的增加，侵蝕溝發(fā)育劇烈程度增加，南部地形因子相對較大，隨著地形因子的增加，侵蝕溝發(fā)育劇烈程度降低。

圖9 地形因子與溝壑密度

4 結(jié) 論

研究利用3s技術(shù)解譯東北漫川漫崗區(qū)侵蝕溝數(shù)量、長度、面積等指標，分析侵蝕溝發(fā)育特征，提取坡度、坡長，通過日值降雨數(shù)據(jù)計算降雨侵蝕力，分析降雨侵蝕力、坡度、坡長對侵蝕溝發(fā)育影響，研究發(fā)現(xiàn)：

1) 東北漫川漫崗區(qū)北部侵蝕溝發(fā)育劇烈溝壑密度、分布密度分別為0.3 km/km2，0.61條/km2，南部侵蝕溝發(fā)育相對較弱，溝壑密度、分布密度分別為0.06 km/km2，0.18條/km2。41.26%的侵蝕溝處于200～500 m，33.85%的侵蝕溝處于500～1 000 m，侵蝕溝多數(shù)處于發(fā)育初、中期，侵蝕溝發(fā)育潛在危險性較大。

2) 東北漫川漫崗區(qū)降雨侵蝕力介于1 310.86～2 923.2 [(MJ·mm)/(hm2·h)]，均值為1 758.08 [(MJ·mm)/(hm2·h)]，南北兩端降雨侵蝕力差別較大，其中南端較大，北端較小，其余區(qū)域降雨侵蝕力較為接近，地形、凍融歷時、溫差等方面的差異造成降雨侵蝕力對漫川漫崗區(qū)北部影響顯著，對南部影響較小。

3) 東北漫川漫崗區(qū)坡度與坡長成正相關(guān)關(guān)系，北部坡度、坡長較大，南部坡度、坡長較小，研究區(qū)北部、南部坡度與溝壑密度分別成正、負相關(guān)關(guān)系，研究區(qū)北部、南部地形因子與溝壑密度分別成正、負相關(guān)關(guān)系；隨著坡長的增加，溝壑密度先增加后減小，臨界坡長為900 m。

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Development Characteristics of Gullies in Rolling Hilly Regions in Northeast of China

GU Guanghe1, WANG Yansong2, ZHONG Yunfei2, LIU Jianxiang2, FAN Haoming1, LIU Liquan3

(1.CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China; 2.SongliaoWaterResourcesCommission,Changchun130000,China； 3.LiaoningBureauofSoilandWaterConservation，Shenyang110003,China)

Rolling hilly region in northeast of China is located in the center of the black soil area where gullies are ubiquitous. We examined gully development characteristics and factors affecting its development by 3S technology, computing rainfall erosivity, slopegradient and slope length. The results show that 75.11 percent of gullies in this area are at early or middle development stage and they have great developmental potential dangers. The intensity of erosion gully development in the study area has significant regional differences, the gully densities in the south and north of study area are 0.3， 0.06 km/km2, respectively. The differences of terrain, freezing-thaw duration and temperature are the main reasons that caused rainfall erosivity, which has significant impacts on gully development in the northern, less impacts on gully development in the southern. Slope gradient and slope length have positive correlations in the study area, slope in the northern area is small and it has positive correlations with gully density, slope in the southern area is big and it has negative correlations with gully density, topographic factors in the northern and southern areas have positive and negative correlations with gully densities, respectively; with the growth of slope length, the gully density increases firstly and then decreases, the critical slope length is 900 m.

rolling hilly regions in northeast of China; gully; factors; development characteristics

201-10-08

2014-11-01

國家自然科學資助項目(41371272)

顧廣賀(1989—),男,遼寧鳳城人,碩士研究生,從事土壤侵蝕機理研究。E-mail:guguanghe666@163.com

范昊明(1972—),男,吉林白山人,博士,教授,從事流域侵蝕產(chǎn)沙與水土保持規(guī)劃研究。E-mail:fanhaoming@163.com

S157.1

1005-3409(2015)02-0047-05