徐錫蒙 鄭粉莉 覃 超 韓 勇

(1.黃河水利科學研究院水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室， 鄭州 450003；2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

淺溝侵蝕是我國黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地的主要侵蝕類型，淺溝侵蝕帶是坡面主要侵蝕產(chǎn)沙帶[1-2]，淺溝分布面積占溝間地面積的35%左右，淺溝侵蝕量占溝間地侵蝕量的35%～70%[3-5]。因此，量化淺溝發(fā)育過程將為坡面侵蝕防治提供重要的理論支持。數(shù)十年來，淺溝侵蝕研究大多集中于淺溝侵蝕的野外調(diào)查[6-8]、淺溝發(fā)生的地形臨界[9-13]、基于模擬降雨試驗和模擬徑流試驗分析淺溝侵蝕的影響因素[14-17]、淺溝水流的水力學和水動力學特征等[18-19]。由于缺乏野外淺溝侵蝕長期定位監(jiān)測資料，再加上受研究技術(shù)手段的限制，淺溝形態(tài)及其動態(tài)發(fā)育過程研究相對薄弱。

在淺溝侵蝕及形態(tài)參數(shù)測量方法方面，傳統(tǒng)方法主要有填土法[20]、測尺法[21-22]和測針板法[23-24]等。填土法測量精度高，但時間和工作成本較高；測尺法能夠獲取淺溝長、寬和深的數(shù)值特征，但不能獲取淺溝集水區(qū)全貌的基本侵蝕地形特征，也不能很好展示淺溝斷面形態(tài)；測針板法兼具精確性和方便、廉價，但仍然無法細致刻畫整個淺溝集水區(qū)以及淺溝溝槽形態(tài)。隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，高精度差分GPS[25]、三維激光掃描技術(shù)[26-28]和立體攝影測量技術(shù)[29]等為淺溝形態(tài)的精細化定量研究提供了契機。CHENG等[25]在黃土高原利用RTK GPS對49條淺溝形態(tài)進行了定量研究，探究了淺溝的空間分布規(guī)律，定量研究了上方匯水面積和坡度等基本地形特征之間的關(guān)系，但未涉及淺溝橫斷面的發(fā)展以及淺溝溝槽形態(tài)研究；WU等[27]利用三維激光掃描技術(shù)在野外條件下對較大尺度上發(fā)育活躍期的切溝進行了測量，為精確測量較大尺度的淺溝集水區(qū)的形態(tài)特征提供了方法支持；WELLS等[29]分別在室內(nèi)和室外建立了用攝影測量監(jiān)測小尺度內(nèi)淺溝溝槽形態(tài)特征的方法。

本文基于測尺法對野外淺溝發(fā)育過程進行長歷時的動態(tài)監(jiān)測，并結(jié)合三維激光掃描和立體攝影測量技術(shù)，定量刻畫野外天然降雨條件下自然坡面淺溝形態(tài)特征，以期為坡面淺溝侵蝕防治提供重要科學依據(jù)，并為包含淺溝侵蝕的坡面侵蝕預報模型建立提供理論支持。

1 試驗設計與研究方法

1.1 野外觀測站概況

野外觀測站位于陜西省延安市橋北林業(yè)局富縣任家臺林場(109°09′E，36°05′N)所轄的北洛河三級支流—瓦窯溝小流域[30-31]。觀測站所屬的地貌類型屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，海拔為920～1 683 m，相對高度差100～150 m，溝谷密度4.5 km/km2。觀測站年均氣溫為9℃，年均降水量576.7 mm，多集中在7、8、9月，占全年降水的60%以上，日最大降水量130 mm。根據(jù)中國土壤分類，觀測站的土壤類型為灰色黃土正常新成土[32]，其中沙粒占6.7%，粉粒占71.7%，粘粒占21.2%。

1.2 野外試驗布設

在野外觀測站共布設了不同面積、不同上方匯水和不同坡度條件下的3條淺溝集水區(qū)的侵蝕觀測場(表1)。1989年，為研究植被破壞等人類活動對加速侵蝕過程的影響，進行了野外淺溝侵蝕發(fā)育過程的動態(tài)監(jiān)測，在試驗觀測站對林地進行開墾，并建立淺溝集水區(qū)徑流和侵蝕觀測場[33]。在1989—2015年整個觀測期間，每年雨季(4月)前根據(jù)當?shù)貍鹘y(tǒng)整地方式對地表進行橫向犁耕，犁耕深度為20 cm，然后在每年整個觀測期間(4—10月)保持地表為裸露休閑，且通過人工除草保證地表植被覆蓋小于5%，剔除植被對土壤侵蝕的影響。3條淺溝集水區(qū)徑流觀測場經(jīng)過10多年侵蝕和犁耕活動后，土壤侵蝕嚴重，年均侵蝕模數(shù)達8 000～12 000 t/km2，導致土壤基本性質(zhì)與當?shù)剞r(nóng)耕地類同[30,34]，并形成了耕層和明顯犁底層共同存在的土層結(jié)構(gòu)。3條淺溝集水區(qū)的基本地形參數(shù)特征見表1。

表1 野外3條淺溝集水區(qū)的基本參數(shù)特征Tab.1 Topographic characteristics of three ephemeral gully catchments in field

1.3 淺溝形態(tài)測量方法

1.3.1基于測尺法的長期定位監(jiān)測

由于林地開墾初期尚未形成明顯的犁底層，所以未選取林地開墾后1989—2002年期間的野外觀測資料，而是選取形成明顯犁底層后2003—2015年期間的13年觀測資料。每年雨季結(jié)束后(10月底)用測尺法沿著淺溝溝長每隔1 m測量當年淺溝溝槽的寬度和深度，用于分析淺溝發(fā)育的年際動態(tài)變化。

1.3.2基于三維激光掃描技術(shù)的淺溝發(fā)育動態(tài)變化監(jiān)測

圖2 各淺溝集水區(qū)照片與三維激光掃描監(jiān)測Fig.2 Photos of each ephemeral gully catchment and LiDAR monitor

圖1 5個測站位置示意圖(EGC2)Fig.1 Sketch of five monitoring stations(EGC2)

在淺溝集水區(qū)，從坡頂分水嶺到溝緣線的土壤侵蝕具有明顯的垂直分帶性(片蝕為主的侵蝕帶、細溝侵蝕為主的侵蝕帶、淺溝侵蝕為主的侵蝕帶)，且不同侵蝕帶的坡度有明顯差異(表1)，在某一個固定的測站掃描無法獲得淺溝集水區(qū)的全貌。因此，在利用三維激光掃描技術(shù)對淺溝集水區(qū)進行掃描時，需要進行多站掃描。圖1展示了在2號淺溝集水區(qū)(EGC2)布設的5個測站位置。為了確保多個測站的點云數(shù)據(jù)順利拼接，在淺溝集水區(qū)的四周設置了4個固定標靶，其中兩個標靶設置在細溝侵蝕帶和淺溝侵蝕帶的交界線上，另外兩個標靶設置在淺溝侵蝕帶中部，以保證在掃描的每一站均能掃描到至少3個標靶并確保拼接順利進行。在設置好固定標靶后，2013—2015年用三維激光掃描儀對3個淺溝集水區(qū)進行連續(xù)定位監(jiān)測，監(jiān)測時間分別在春季犁耕后的4月下旬和雨季后的10月下旬，具體監(jiān)測時間為2013年11月—2015年11月。利用三維激光掃描技術(shù)測量淺溝集水區(qū)形態(tài)時，所選取的掃描密度為1 cm，每次監(jiān)測結(jié)束后，將三維激光掃描得到的點云數(shù)據(jù)，用儀器自帶的Cyclone 6.0軟件進行拼接、降噪等處理并生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN MESH)(圖2)，隨后將點云數(shù)據(jù)以.txt的形式導入ArcGIS 10.4(ESRI Inc., Redlands, CA, 美國)軟件，生成1 cm分辨率的DEM后對淺溝形態(tài)進行分析。

1.3.3基于立體攝影測量技術(shù)的淺溝溝槽形態(tài)監(jiān)測

攝影測量在每次三維激光掃描測量后進行。首先分離出三維激光掃描存在的溝壁遮擋部位，然后根據(jù)其分布沿淺溝溝槽選取3～5段淺溝溝槽進行測量，每段溝槽長度為1～2 m，以保證圖像可以包含選取溝槽的全部信息。在利用立體攝影測量技術(shù)監(jiān)測淺溝溝槽時，首先，在監(jiān)測點周圍布設10個黑白標靶，并保證任意5個標靶不在同一條直線上，在所有圖像拍攝過程中保持標靶不移動，用于拼接不同角度的圖像(圖3)。隨后，將具有手動對焦功能的數(shù)碼相機(Canon EOS 5D Mark Ⅱ)進行設置，分辨率為相機的最大分辨率，調(diào)整相機模式為M手動模式、光圈f/2.8、ISO感光度250和快門速度1/20 s，隨后自動對焦至拍攝物體清晰可見，然后將對焦模式改為手動對焦，并確保在每次監(jiān)測過程中相機焦距不發(fā)生變化，且任意兩幅圖像的重疊率大于90%[35]，最后圍繞拍攝物體即淺溝溝槽拍攝約10幅圖像。野外測量結(jié)束后，將圖像導入Agisoft Photoscan Professional 1.2.4軟件(Agisoft LLC, St. Petersburg, 俄羅斯)中，對圖像進行校正和拼接，生成高密度點云數(shù)據(jù)，隨后將點云數(shù)據(jù)導入ArcGIS 10.4中進行空間校正，生成TIN并得到DEM[35-36]，其分辨率為1 cm。最后建立淺溝溝槽跌坎鏈的三維模型(圖3)，并測量淺溝溝槽內(nèi)跌坎鏈的形態(tài)特征。

圖3 淺溝溝槽立體攝影測量監(jiān)測Fig.3 Ephemeral gully channel monitoring by photogrammetry

2 結(jié)果與分析

2.1 基于測尺法長期定位監(jiān)測的淺溝形態(tài)特征

由于2003年以后在淺溝集水區(qū)內(nèi)形成了明顯的耕層和犁底層土體構(gòu)型，所以基于2003—2015年觀測期間每年雨季結(jié)束后利用測尺法對淺溝溝槽長寬深的監(jiān)測結(jié)果，統(tǒng)計分析了2003—2015年13年的淺溝溝槽長寬深的動態(tài)變化，定量描述淺溝發(fā)育特征(表2)。

表2 2003—2015年淺溝溝槽長寬深的統(tǒng)計特征Tab.2 Statistical characteristics of ephemeral gully channel morphology during 2003—2015

對比表2中淺溝溝槽長寬深的平均值可知，上方匯水面積對淺溝發(fā)育有重要影響。EGC3和EGC1的上方匯水面積分別為188 m2和362 m2，EGC2的上方匯水面積為488 m2，后者分別是前二者的2.60、1.34倍；對應的EGC3和EGC1的淺溝長度分別為22.8～29.5 m和40.5～51.2 m，而EGC2的淺溝長度為58.6～65.7 m，其分別是EGC3和EGC1淺溝長度的1.73～2.57倍和1.28～1.45倍；EGC3和EGC1的淺溝溝槽平均寬度分別為18.0～28.8 cm和27.1～41.9 cm，而EGC2的淺溝溝槽平均寬度為31.5～55.9 cm，其分別是前二者的1.75～1.94倍和1.16～1.33倍；EGC3和EGC1淺溝平均深度分別為8.5～13.1 cm和10.8～19.5 cm，而EGC2的淺溝平均深度為12.5～24.4 cm，其分別是前二者的1.47～1.86倍和1.15～1.25倍。

研究還發(fā)現(xiàn)，與EGC3相比，當EGC1和EGC2的上方匯水面積分別增加34.8%和159.6%時，淺溝長度分別增加39.6%和138.8%，溝槽平均寬度分別增加19.7%和75.3%，溝槽平均深度分別增加32.4%和71.4%，說明了上方匯水面積對淺溝發(fā)育的重要影響。

淺溝長度和溝槽橫斷面面積是淺溝形態(tài)特征的重要指標，也是表征淺溝侵蝕量的重要參數(shù)?；?003—2015年淺溝長度和溝槽橫斷面面積動態(tài)變化的分析，進一步討論淺溝發(fā)育的動態(tài)變化。表3表明，與2003年相比，2015年EGC1、EGC2、EGC3的淺溝長度分別增加了26.4%、12.1%、29.4%，增加速率分別為0.82、0.55、0.52 m/a。淺溝溝槽橫斷面平均面積也呈逐年增加趨勢，與2003年相比，2015年EGC1、EGC2、EGC3的淺溝溝槽橫斷面平均面積分別增加了22.5%、65.1%、45.9%，增加速率分別為5.0、15.8、4.1 cm2/a。表3還表明，淺溝溝槽橫斷面平均面積的動態(tài)變化也受上方匯水面積的影響。EGC2的淺溝溝槽橫斷面平均面積為288.9～618.7 cm2，而EGC1和EGC3的淺溝溝槽橫斷面面積分別為159.6～435.6 cm2和102.3～256.4 cm2，前者分別較后二者增加42.0%～81.0%和141.3%～182.4%。

表3 2003—2015年淺溝溝槽形態(tài)特征變化Tab.3 Ephemeral gully channel morphology changes during 2003—2015

圖4 3條淺溝集水區(qū)的淺溝形態(tài)對比(2013—2015)Fig.4 Morphology comparison of three ephemeral gully catchments (2013—2015)

表3還展現(xiàn)了極端降雨事件對淺溝發(fā)育過程的影響。如2013年3條淺溝集水區(qū)的溝槽橫斷面面積均為最大，這是因為當年7月21日發(fā)生了特大暴雨，其降雨量達到131.0 mm，最大30 min雨強(I30)達到1.50 mm/min[37]。對比各年的淺溝長度和溝槽橫斷面面積，發(fā)現(xiàn)淺溝長度和溝槽橫斷面面積總體皆呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢，這說明雖然每年的橫向犁耕可覆蓋淺溝溝槽痕跡，但往復的溝槽侵蝕和橫向犁耕循環(huán)依然促進了淺溝的發(fā)育。

2.2 基于三維激光掃描的2013—2015年淺溝形態(tài)特征動態(tài)變化

圖4為2013—2015年3條淺溝集水區(qū)淺溝發(fā)育的動態(tài)變化過程。每年雨季后，淺溝溝槽加寬和加深，兩側(cè)坡面上發(fā)育了細溝網(wǎng)向淺溝溝槽匯流，而每年春季的橫向犁耕則覆蓋了淺溝溝槽，僅留下了淺洼地形(2014年4月和2015年4月)，并消除了淺溝溝槽兩側(cè)的細溝網(wǎng)；隨后其在下一輪雨季過程中受集中水流沖刷，又在相同位置重新開始了淺溝發(fā)育過程(2014年8月和2015年9月)。

CAPRA等[8]在意大利西西里島中部利用鋼尺監(jiān)測了3條典型淺溝形態(tài)18年的動態(tài)變化，展示了淺溝寬度和深度不斷增加并緩慢向切溝演變的過程，但由于測量精度受限，每條橫斷面上只測量了4個數(shù)據(jù)點，無法反映淺溝的真實形態(tài)。本文為了探究淺溝溝槽斷面在連續(xù)的侵蝕和犁耕循環(huán)中的形態(tài)變化，在EGC1坡長40、60 m處動態(tài)監(jiān)測了2013—2015年的溝槽橫斷面隨侵蝕和耕作循環(huán)的變化(圖5)。

圖6 淺溝溝槽寬度和深度隨坡長的變化Fig.6 Changes of ephemeral gully width and depth with slope length

圖5 坡長40、60 m處橫斷面形態(tài)變化Fig.5 Cross section morphology changes at 40 m and 60 m slope length

圖5表明，經(jīng)過2013年雨季侵蝕過程后，當年11月坡長40 m處淺溝溝槽寬度和深度分別為41、18 cm，坡長60 m處淺溝溝槽的寬度和深度分別為45、20 cm；2014年4月橫向犁耕后，淺溝溝槽被填平，僅留下了淺洼地，且由于淺溝溝槽兩側(cè)土壤在橫向犁耕過程中被帶入溝槽部位，溝槽兩側(cè)坡面的高度平均下降了2 cm。經(jīng)過2014年的雨季侵蝕過程后，淺溝溝槽在相同位置再次出現(xiàn)，2014年8月坡長40 m處溝槽寬度和深度分別為32、16 cm，坡長60 m處淺溝溝槽的寬度和深度分別為37、18 cm；在2015年4月橫向犁耕后，淺溝溝槽再次被橫向犁耕過程中溝槽兩側(cè)的土壤所填平，溝槽兩側(cè)坡面高度則相應的再次平均下降了2 cm。2015年雨季后，坡長40 m處淺溝溝槽寬度和深度分別為27、12 cm，坡長60 m處淺溝溝槽寬度和深度分別為37、15 cm。與坡長40 m處淺溝溝槽寬度和深度相比，坡長60 m處淺溝溝槽的寬度和深度相比均較大，這說明淺溝溝槽的寬度和深度隨坡長的變化而變化。

表2僅統(tǒng)計了淺溝寬度和深度13年平均值的變化，而淺溝溝槽寬度和深度隨坡長的變化尚不清楚。為此，本文基于2013—2015年三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了2013—2015年淺溝形態(tài)的動態(tài)變化過程。首先將三維激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)導入GIS平臺，獲得了2013年和2015年雨季結(jié)束后EGC1和EGC2淺溝溝槽寬度和深度隨坡長的變化數(shù)據(jù)(圖6)。由圖6a、6b可知，淺溝溝槽寬度隨坡長的增加呈先增大后減小的趨勢，其最大值出現(xiàn)在距坡底15～22 m處，而最小值出現(xiàn)在坡面溝頭位置處。對于EGC1和EGC2兩條淺溝集水區(qū)，2015年二者的淺溝長度均較2013年增加了1～3 m。而對于同一條淺溝溝槽，2013年和2015年的淺溝溝槽寬度差別較小。無論在2013年還是2015年，EGC2淺溝溝槽的寬度均大于EGC1淺溝溝槽的寬度，說明上方匯水面積的增加使溝槽流量增大，徑流侵蝕力增強，從而導致淺溝溝槽寬度的增加。

圖6c、6d表明，淺溝溝槽深度隨著坡長的增加也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，溝槽深度同樣在距坡底約20 m處達到最大值，2013年EGC2淺溝深度甚至達到了54 cm，這可能與該年內(nèi)的極端降雨事件有關(guān)。對于EGC1和EGC2兩條淺溝集水區(qū)，2013年的淺溝溝槽深度明顯大于2015年的淺溝溝槽深度，這說明在野外自然條件下，降雨和地表匯流主要通過增加淺溝深度增加淺溝侵蝕量。因此，在進行淺溝測量及根據(jù)淺溝形態(tài)估算淺溝侵蝕量時，需要精確測量淺溝溝槽深度的變化，提高估算精度。另外，淺溝上方匯水面積的差異，也是導致淺溝溝槽深度增加的原因。如EGC2的上方匯水面積大于EGC1的上方匯水面積，所以EGC2淺溝溝槽深度均大于EGC1淺溝溝槽深度。

2.3 基于攝影測量技術(shù)的淺溝溝槽跌坎鏈形態(tài)特征分析

淺溝溝槽是集中水流侵蝕的結(jié)果，而集中水流的能量聚集和消散過程也會在淺溝溝槽內(nèi)形成反饋。在每年降雨結(jié)束后，淺溝溝槽內(nèi)都會形成一系列相互連接的跌坎，這一系列跌坎的組合形成了淺溝溝槽的跌坎鏈?；诮⒌臏\溝溝槽跌坎鏈的三維模型(圖3)測量了跌坎間距和跌坎處的坡度，統(tǒng)計了跌坎間距和坡度的頻數(shù)分布(圖7)。

圖7 淺溝溝槽跌坎間距和坡度的頻數(shù)分布Fig.7 Frequency distribution of drop-sills distance and slope gradient in ephemeral gully channel

淺溝溝槽跌坎間距主要分布在10～35 cm之間，且70%的跌坎間距均分布在10～25 cm之間。鄭粉莉等[38]對野外自然降雨和人工模擬降雨條件下細溝發(fā)育坡面上的跌坎間距進行了統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，野外觀測中超過70%的跌坎間距分布在40～60 cm之間，而室內(nèi)人工模擬試驗同樣發(fā)現(xiàn)，超過80%的跌坎間距分布在30～60 cm之間。與細溝侵蝕為主坡面上的跌坎間距相比，淺溝溝槽跌坎間距相對較小，這主要與兩者的水流能量差別有關(guān)。在以細溝侵蝕為主的坡面上，細溝水流流速和侵蝕能力較小；而在淺溝溝槽跌坎處，集中水流的流速和侵蝕能力較大[16-18]，因而跌坎間距相應減小。結(jié)果還表明，跌坎處坡度主要分布在15°～40°之間，這與前人的研究結(jié)果類似[4]。

進一步統(tǒng)計了跌坎間距與坡度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著跌坎處坡度增大，跌坎間距呈減小趨勢(圖8)。建立了跌坎間距與坡度的關(guān)系，二者呈負指數(shù)關(guān)系，R2為0.903 2。這表明當淺溝溝槽處坡度較小時，水流勢能轉(zhuǎn)換為動能的速度較慢，因此水流需要較長的跌坎間距匯集足夠的侵蝕能量。相反，當淺溝溝槽處坡度較大時，淺溝溝槽的水流能匯集足夠的侵蝕能量形成下一個跌坎，導致跌坎間距相應地變短。

圖8 跌坎處跌坎間距與坡度的關(guān)系Fig.8 Relationship of distance between two drop-sills and slope gradient

圖8還表明，當坡度大于30°時，跌坎間距大致變化于13～18 cm之間，這說明形成淺溝溝槽跌坎需要一定的水流能量，而水流能量的匯集需要一定的跌坎長度。在淺溝溝槽形成的階梯狀跌坎鏈反映了水流能量的轉(zhuǎn)換和消耗過程[39]。

2.4 測尺法、三維激光掃描和攝影測量技術(shù)在淺溝形態(tài)定量研究中的作用

淺溝集水區(qū)的特殊地形條件決定了其形態(tài)特征定量研究的特殊性，傳統(tǒng)的測尺法可以測量其長寬深等基本形態(tài)特征指標，因此被應用在了前期的淺溝發(fā)育動態(tài)監(jiān)測過程[34]。但測尺法的測量精度有限，不能獲取精確的沿坡長變化的淺溝溝槽寬度以及淺溝斷面形態(tài)特征等[8,22]，需要尋求現(xiàn)代先進的測量手段監(jiān)測淺溝集水區(qū)的侵蝕形態(tài)特征的動態(tài)變化。通過前人研究和長期的定位監(jiān)測實踐發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描技術(shù)可以快速地獲取整個淺溝集水區(qū)的侵蝕形態(tài)特征[26-28]。但對于某些特殊部位例如淺溝溝槽跌坎鏈，由于掃描距離較遠和溝壁遮擋等因素，三維激光掃描技術(shù)很難在溝槽底部獲取稠密的點云數(shù)據(jù)并刻畫溝槽形態(tài)。而攝影測量技術(shù)可以很好地彌補這一缺點[29,35-36]，其技術(shù)可通過不同角度的攝影圖像快速獲取淺溝溝槽的形態(tài)特征[40]。因此，在淺溝形態(tài)的定量研究過程中，攝影測量可以彌補三維激光掃描測量的不足。

3 結(jié)論

(1)在2003—2015年監(jiān)測期間內(nèi)，當上方匯水面積分別增加34.8%和159.6%時，淺溝長度分別增加39.6%和138.8%，溝槽平均寬度分別增加19.7%和75.3%，溝槽平均深度分別增加32.4%和71.4%。與2003年相比，2015年不同匯水面積下的3條淺溝長度分別增加26.4%、12.1%、29.4%，增加速率為0.82、0.55、0.52 m/a；淺溝溝槽斷面面積分別增加22.5%、65.1%、45.9%，增加速率分別為5.0、15.8、4.1 cm2/a。

(2)三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取整個淺溝集水區(qū)的形態(tài)特征。結(jié)果表明，淺溝橫斷面隨著侵蝕和耕作循環(huán)不斷變化，雨季侵蝕后，淺溝溝槽在同一位置重復出現(xiàn)，溝槽寬度和深度在不同年間隨降雨條件而改變；而橫向犁耕則將溝槽兩側(cè)的表層土壤帶入溝槽，溝槽兩側(cè)坡面高度每年平均下降2 cm。淺溝溝槽寬度隨坡長增加呈先增大后減小的趨勢，其最大值出現(xiàn)在距坡底15～22 m處，而最小值出現(xiàn)在坡面溝頭位置處。淺溝溝槽深度隨著坡長的增大也呈先增大后減小的趨勢，溝槽深度在距坡底約20 m處達到最大值。而由于上方匯水面積的差異，上方匯水面積較大的EGC2淺溝溝槽深度均大于EGC1淺溝溝槽深度。

(3)立體攝影測量可用于快速精細監(jiān)測淺溝溝槽的跌坎特征，淺溝溝槽跌坎間距主要分布在10～35 cm之間，且70%的跌坎間距均分布在10～25 cm之間，與細溝溝槽相比，淺溝溝槽的跌坎間距明顯減小，這與淺溝溝槽內(nèi)較大的徑流能量有關(guān)。淺溝溝槽坡度主要分布在15°～40°之間，跌坎間距和坡度呈負指數(shù)關(guān)系，R2為0.903 2。當坡度大于30°時，跌坎間距大致變化于13～18 cm之間，這說明形成淺溝溝槽跌坎，需要一定的水流能量，而水流能量的匯集需要一定的跌坎長度。