黄土高原典型小流域侵蚀沟形态和稳定性监测初探

王 略, 徐 佳, 董亚维

(黄河水利委员会 黄河上中游管理局, 陕西 西安 710021)

侵蚀沟是黄土高原主要的侵蚀地貌，侵蚀沟的发育是水力和重力共同作用的结果。侵蚀沟发育的基本形式是沟头前进、沟壁扩张和沟底下切。陈永宗等[1]、刘秉正等[2]、唐克丽[3]基于多期遥感数据分析认为侵蚀沟的沟头和沟壁是发展的，有关试验站也在进行侵蚀沟的观测，但有关沟道发展的研究鲜见报道。鉴于这种情况，亟待通过侵蚀沟的监测，对其动态变化和影响因素形成认识，以便为侵蚀沟的利用、改造、治理提供科学依据。为此，水利部在“黄河流域全国水土流失动态监测与公告项目”开展侵蚀沟动态监测工作，选择黄土高原地区6条典型小流域，开展侵蚀沟形状特征、发育程度、形态变化等监测，对侵蚀沟稳定性进行分析，初步构建侵蚀沟稳定性评价指标体系，以期为进一步探索黄土高原地区侵蚀沟科学治理、水土流失灾害预防提供基础数据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 侵蚀沟确定

本次研究在黄土高原不同侵蚀类型区选择了6条面积适中的典型小流域分别为：甘肃省天水市的桥子沟(分桥子东沟、桥子西沟)、甘肃省定西市的安家沟、甘肃省庆阳市的南小河沟、陕西省绥德县的王茂沟、山西省吕梁市方山县的沙沟和内蒙古自治区鄂尔多斯的二老虎沟(表1)；在典型小流域中分别选择2～4条长度300～500 m(控制面积约为10～20 hm2) 的典型支沟，共18条(表2)典型支沟作为研究对象。

表1 典型小流域位置及面积统计

表2 监测支毛沟形状参数

1.2 研究内容与方法

1.2.1 侵蚀沟发育状况监测 在1∶1万DEM基础上，对6条典型小流域的侵蚀沟数量特征进行提取，Ⅰ级侵蚀沟对应于切沟，Ⅱ侵蚀沟对应于较大切沟(或冲沟)，Ⅲ侵蚀沟对应于冲沟，Ⅳ侵蚀沟和Ⅴ侵蚀沟则对应于坳沟(干沟)。具体方法为：侵蚀沟数量特征提取基于水文学基本原理，利用现有1∶1万DEM数据，提取各个流域的河网，并手工对不合理的水系进行修改(如平行河网问题)，再采用A.N.Strahler水系分级方法对各流域的侵蚀沟进行分级。

1.2.2 侵蚀沟形态变化测量 典型小流域主沟道选取12个代表性断面，支毛沟选取36个代表性断面及支毛沟的沟头，在雨季前后进行测量，测量精度为亚米级。具体方法为：每个测量断面至少埋设2个标志桩，支毛沟沟头最少布设2～3个图根控制点，对断面控制桩和沟头控制点进行编号。以WGS-84椭球为基准，按国家3度分带规则当地所在中央子午线建立的高斯投影坐标系，采用动态RTK方式GNSS测量，极坐标方法、棱镜与免棱镜相结合的全站仪测量和RTK控制、全沟头地形Reigl三维激光扫描等3种方法对所有断面标志桩及图根控制点平面与高程位置进行测量。用南方Cass软件绘制地形特征线、地形线、等高线和断面图等。

1.2.3 侵蚀沟稳定性分析 基于监测数据和收集到的相关数据，对主沟道断面、支毛沟沟道断面、支毛沟沟头分析形态变化，并进行侵蚀沟稳定分析，初步提出侵蚀沟稳定性评价指标体系。具体方法为：断面分析的主要方法是根据两期测量的断面数据，绘制出断面图，并对2次断面点数据进行排序，逐点获取两次断面数据的高程差，然后初步排除测量误差和地形综合误差的影响，从而分析沟道是否加深，同时结合断面长度分析断面宽度是否加宽。支毛沟沟头变化分析基于两次野外测量的地形数据(包括控制点，地形特征点、线等)，获取2次测量的最终地形图；将两次地形图的等高线，特征点线导入到ArcGIS内，建立两次测量的沟道的DEM数据，并得到两次测量的差异表面数据；结合实地观测情况，排除测量误差与制图综合误差的影响，获取沟头地形变化的主要区域。

2 结果与分析

2.1 典型小流域侵蚀沟发育程度

桥子沟流域侵蚀侵蚀沟总数48条，侵蚀沟级别可分为3级，Ⅰ级侵蚀沟数量为36条，占总数的75.00%，Ⅱ级侵蚀沟数量为10条，占总数的20.83%，Ⅲ级侵蚀沟数量为2条，占侵蚀沟总数的4.17%；安家沟流域侵蚀沟总数161条，侵蚀沟级别可分为4级，Ⅰ级侵蚀沟数量为131条，占总数的81.37%，Ⅱ级侵蚀沟数量为23条，占总数的14.29%，Ⅲ侵蚀沟和Ⅳ侵蚀沟数量分别为5和2条，占总数的4.35%；南小河沟流域侵蚀沟总数439条，侵蚀沟级别可分为5级，Ⅰ级侵蚀沟数量为351条，占总数的79.95%，Ⅱ级侵蚀沟数量为69条，占总数的15.72%，Ⅲ级侵蚀沟数量为14条，占总数的3.19%，Ⅳ和Ⅴ级侵蚀沟数量分别为4和1条，占侵蚀沟总数的1.14%；王茂沟流域侵蚀沟总数241条，侵蚀沟级别可分为5级，Ⅰ级侵蚀沟数量为179条，占总数的74.27%，Ⅱ级侵蚀沟数量为44条，占总数的18.26%，Ⅲ级侵蚀沟数量为14条，占总数的3.19%，Ⅳ和Ⅴ级侵蚀沟数量分别为3和1条，占侵蚀沟总数的1.66%；沙沟流域侵蚀沟总数60条，侵蚀沟级别可分为4级，Ⅰ级侵蚀沟数量为49条，占总数的81.67%，Ⅱ级侵蚀沟数量为8条，占总数的13.33%，Ⅲ级侵蚀沟数量为2条，占总数的3.33%，Ⅳ级侵蚀沟数量为1条，占侵蚀沟总数1.67%。二老虎沟流域侵蚀沟总数117条，侵蚀沟级别可分为4级，Ⅰ级侵蚀沟数量为95条，占总数的81.20%，Ⅱ侵蚀沟数量为17条，占总数的14.53%，Ⅲ和Ⅳ侵蚀沟数量分别为4和1条，占总数的4.27%。6条典型小流域各等级侵蚀沟数量特征汇总情况见表3。

表3 6条典型小流域各等级侵蚀沟数量特征

2.2 各流域主沟道断面、支毛沟沟道断面、支毛沟沟头变化情况

各典型小流域主沟道断面、支毛沟沟道断面的2期观测数据显示，去除个别断面点因地形综合造成高程差有较大差异外，大部分断面点的高程差均在误差范围以内，沟道的宽度、深度均未见明显变化。沙沟支毛沟1、二老虎沟的3条支毛沟内有一些发生变化的区域。

2.3 侵蚀沟稳定性分析及初步评价指标体系

针对典型小流域在监测期间的地形变化与沟道断面变化，结合流域的边界线、沟沿线、流水线等地貌特征线以及坡度、土地利用、植被覆盖度、水土保持措施、地表组成物质等影响沟道发育的环境要素；以及18个支毛沟在监测期间的地形变化与沟道断面变化，结合支毛沟的沟沿线，土地利用，植被覆盖，水土保持措施等进行分析，影响沟道形态变化的因素为以下几个方面。

(1) 降雨因素[4]。这一因素是引起沟道侵蚀变化的主要动力因素，包括降雨量与降雨强度2个方面。从沟道监测的结果来看，沟道未发生显著变化的几个沟道降水都偏少，降雨强度也较弱，而地形变化较为明显的流域，降水则偏多，且降雨强度较大。

(2) 水保措施。除降水以外，水保措施的完善与否也直接影响着沟道形态的变化。本次监测的6个流域均为黄河上中游重点监测流域，水保措施相对来讲都比较完善，每个支毛沟沟头附近均修筑有各种梯田，鱼鳞坑、水平沟等水保措施。这些水保措施有效地防止了侵蚀的发生。

(3) 植被覆盖因素[5]。这一因素也对侵蚀的发生有重要影响，植被覆盖度高的沟道，侵蚀相对就较弱。同时，具体的植被覆盖措施也会影响到植被覆盖发挥的减弱侵蚀的作用。

(4) 汇水面积。汇水面积[6-7]对侵蚀的发生也有重要影响。二老虎沟侵蚀较强也与二老虎沟沟道上游汇水面积较大有直接关系，特别是二老虎沟支毛沟3，上游汇水面积较大。

(5) 坡度。支毛沟集水区和沟道内的坡度也对汇流过程有着重要影响。二老虎沟支毛沟2相对于支毛沟1的侵蚀弱些，其中一个原因就是支毛沟2相对于支毛沟1整个沟道的地形要平缓些。

(6) 地表组成物质。沟道内地表组成物质[8-10]也是影响侵蚀发生的重要因素。二老虎沟沟道内均为砒砂岩覆盖，抗蚀性差，在强降雨条件下极易发生侵蚀，所以地形变化较为明显。而安家沟沟道内的老黄土的抗蚀性较强，是安家沟地形变化不显著的一个重要原因。

通过对沟道形态变化因素的总结，初步形成侵蚀沟稳定性评价指标体系(表4)。

表4 侵蚀沟稳定性评价指标

3 讨论与结论

根据监测期内对各典型小流域侵蚀沟的动态监测，摸清了小流域的侵蚀沟数量情况，对比地形与沟道变化的情况，将影响侵蚀沟沟道形态变化的因素基本总结为：降水因素、水保措施、植被覆盖因素、汇水面积、坡度、地表组成物质等几个主要因素，初步形成侵蚀沟稳定性评价指标体系。结合监测过程、结果讨论得出以下建议：

(1) 根据各流域侵蚀沟动态变化的监测结果来看，在同一小流域的支毛沟，因为其空间距离较小，各种影响侵蚀因素的情况基本类似，监测结果也很相似。所以一个小流域内只重点选择1～2条支毛沟开展监测工作即可。

(2) 侵蚀沟监测的重点应放在支毛沟尺度，重点监测支毛沟变化情况以及支毛沟的地形、断面、沟沿线等内容。

(3) 后续的侵蚀沟监测工作可增加一些治理度差的沟道进行，并对侵蚀沟至少进行5～10 a连续监测，才能得出更科学、准确的结论。

[1] 陈永宗,景可,蔡强国,等.杏子河流域的侵蚀地貌[J].水土保持通报,1984,4(5):321-327.

[2] 刘秉正,翟明柱,吴法放.渭北高原沟谷怪蚀初探[J].中国科学院水利部西北水土保持研究所集刊,1990,12:25-33.

[3] 唐克丽.中国水土保持[M].北京:科学出版社,2004:32-36.

[4] 朱显谟.黄土高原水蚀的主要类型及其有关因素(1)：类型与气候因素 [J].水土保持通报,1981,1(3):1-9.

[5] 朱显谟.黄土高原水蚀的主要类型及其有关因素(4)：植被因素 [J].水土保持通报,1982,2(3):40-44.

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[7] 姚志红.基于GIS的区域水土流失过程模型研究[J].水土保持研究,2010,19(6):15-18.

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