陕北安塞坊塌小流域的沟道形态及其泥沙连通性

2019-05-22张意奉焦菊英陈一先唐柄哲

水土保持研究 2019年3期

张意奉, 焦菊英,, 陈一先, 唐柄哲

(1.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100)

黄河潼关水文站年均输沙量已由20世纪70年代前的16亿t锐减到2000—2015年的2.57亿t，特别是2010—2015年平均仅为1.65亿t[1]。虽然黄河泥沙从总量上来看，是有明显的减少，但是这并不能说明黄土高原的土壤侵蚀问题得到了控制和解决，这是因为仅在流域出口监测的输沙量不能说明流域内部泥沙输移的情况。由于土壤侵蚀过程在沟道中会有泥沙沉积现象出现，所以并不是所有的泥沙都会到达出口。

近年来提出的泥沙连通性，即流域内泥沙通过分离和输移从源到汇的传输程度[2-4]，并且受景观中地貌的影响[2]。泥沙连通性是来衡量侵蚀泥沙在地貌单元之间的传输情况，用来看泥沙运动的潜能，同时将流域内各部分联系起来，可以说明流域内部泥沙的输移与冲淤特征，使侵蚀、输移过程表达的更准确，并且不同地貌结构的沟道泥沙输移潜能不同。泥沙连通性土壤侵蚀泥沙是从坡面运输到沟道，而沟道中泥沙的输移与沟道的形态有关。对于沟道形态已有大量的相关研究，如北京市山区小流域主沟道分级及其水文特征[5-6]；人工沟渠对流域径流、污染物传输和水文连通的影响[7]；基于ArcGIS软件对DEM进行处理对沟谷节点提取和沟道级别划分等研究[8-12]，但对沟道形态变化与泥沙连通性的关系的研究还较为薄弱。

因此，本文主要以陕北安塞坊塌小流域主沟道及其支流小沟道为研究对象，对坊塌流域5 m×5 m分辨率的DEM影像进行处理，通过提取获得沟道分级、沟道比降以及沟道径流节点这3个指标来对沟道形态特征进行描述，并且结合野外实地调查泥沙连通性，旨在探明这3个指标与泥沙连通性的关系，最终阐明沟道形态对泥沙连通性的影响。

1 研究区概况

坊塌流域地处陕西省延安市安塞县沿河湾镇坊塌村(36°47′19″—36°49′35″N，109°14′40″—109°17′09″E)，汇入延河流域的支流杏子河。流域面积为8.66 km2，流域沟壑密度3.8 km/km2，坡度以8°～25°为主，占整个流域的77.2 %(图1)。坊塌流域内有8座淤地坝，其中7座淤地坝在沟口构成坝系，见图2。第一座淤地坝(1#坝)建于1975年，淤满后于1990年分别在上游3个支沟修建淤地坝(2—4#坝)，再次淤满后又于2011年分别在3座淤地坝上游修建(5—7#坝)。8号坝位于左侧支沟沟头，修建于1960年左右，于1975年左右开始耕种。1—4号坝的坝地当地农民仍在耕作，5、6号坝在2013年的暴雨中被冲毁。该流域属于暖温带半湿润气候向半干旱气候的过渡地区，年平均气温为8.8℃，年平均降水量为542.5 mm，降水主要集中在7—9月且多暴雨。土壤主要以黄绵土为主，水土流失严重。

2 研究方法

2.1 沟道分级与汇流阈值的选取

沟道分级采用Strahler水系分级方法[13]，当级别相同的沟道汇到一起时，该沟道级别才会升高，即将没有支沟的沟道定义为起始一级沟道，然后两个一级沟道交汇为二级沟道，依此类推。径流节点是同一流域不同单元径流的流入汇合点。径流节点同样也是径流动能聚焦的关键点，同样依据Strahler对水系分级划分原则，节点级别确定为交汇于该点的两条(或多条)沟道中级别最低的沟道级别。例如：两条1级沟道交汇形成2级沟道，该节点的级别为1级节点；1级沟道和2级沟道甚至更高级别沟道的交汇点的级别都为1级节点，依此类推。

图1 坊塌小流域沟道坡度

图2 坊塌小流域淤地坝系

通过设定不同的汇流阈值可得到不同级别的沟道网络图，而阈值的设定一般都是根据研究的对象，不同级别的沟道对应不同的阈值。本文通过尝试设定阈值为1 000，500，300，200，100(图3)，经过细致的比较，发现阈值设为1 000，500时显示的沟道大多是级别为四级和五级的沟道，其包含的一级、二级沟道极少几乎没有；阈值为300提取的沟道网可以显示DEM图上坊塌小流域的沟道；阈值为200，100时提取的沟道还会显示出DEM图上原本没有的更小的沟道。因此，最终选定用阈值为300对坊塌流域进行沟道分级。利用沟道分级的方法在阈值为300的结果上最终得到沟道分级图，将坊塌流域的沟道进行分级处理。

2.2 沟道形态特征的提取

沟网分级：利用ArcGIS 10.2软件对空间分辨率为5 m×5 m的DEM进行处理(图4)。首先通过Hydrology工具包中的Fill命令来填洼和削峰；再以Fill工具生成的无洼地栅格数据作为输入，应用Flow Direction命令对DEM进行流向分析；并将无洼地DEM流向分析作为输入，利用Flow Accumulation进行汇流分析，确定水流的路径；然后，通过con(“flow_acc”>阈值，1)，采用Map Algebra中Raster Calculator生成沟网进行沟网分析，用Stream to feature将沟网栅格矢量化，将伪沟道手动剔除；最后，利用Stream Order命令，依据Strahler分级方法[12]的分级方法将沟道进行分级，将最简单的没有分枝的沟道定义为第一级沟道，两个一级沟道汇合为第二级沟道，依此类推，得到沟网分级图。

图3 不同阈值下沟道分级对比

沟道比降：通过在沟网分级图的属性表Add fields中添加每一级沟道线段起止坐标进行几何计算操作Calculate Geometry，利用Data Management Tools中的Feature Vertices to Points命令将沟道线段转为折点，再利用Spatial Analyst Tools命令中Extract Values to Points工具来提取DEM上沟道折点对应的高程值，根据约翰斯通—克罗斯法，即高程差/沟道水平距离来计算其比降，得到各沟道级别的比降。径流节点：基于沟网分级的结果，利用Data Management Tools中Feature to point命令进行沟道节点提取，采用与沟网分级类似的方法，对径流节点进行分级，最后利用手动修正得到沟道节点图。

2.3 野外调查

通过实地观测，对沟道的主沟道、支沟道的沟道底部泥沙和沟道形状进行调查与记录，选取典型沟道并且观察沟道侵蚀程度以及泥沙沉积情况，利用拍照记录所观察的沟道。同时，依据泥沙连通性的定义，将泥沙连通性强弱与沟道内泥沙淤积情况相联系，即沟道内泥沙残留量肉眼可见则为弱连通性；沟道内倘若泥沙大多被冲刷，露出基岩表层，则为强连通性；基于两者之间的，没有泥沙存留也没有泥沙冲刷的其连通性就为中等连通性。

图4 坊塌小流域沟道DEM

3 结果与分析

3.1 沟道级别与泥沙连通性

通过图5和表1可知，坊塌流域1级小支沟数量最多，几乎是2～5级沟道总数的2.25倍，并且通过野外试验调查得知，在大多数小支沟中泥沙冲刷现象比较严重，沟道底部泥沙几乎被冲刷所剩无几，露出基岩，因此沟道级别较低的沟道为强连通性(图6A)，同时说明在沟头处很可能出现泥沙连通的源，会发生溯源侵蚀。此外，经过实地调查也发现，在沟道级别较低的沟道，沟道内部虽然淤积量较多(图6C)，但是沟道中由于侵蚀严重，沟道里有陷穴、跌坎出现，因此该处在未来会成为潜在的泥沙连通性的路径，具有强泥沙连通性。相反，对于沟道级别较高的主沟来说，由于沟道宽度较大，长度较长，上游来水的动力减弱，没有较大的冲刷现象，而且有些位置的植被相对茂密，阻碍泥沙的输移，沟道内部泥沙淤积可见并且有一定的厚度，为弱连通性(图6D)，并且会成为泥沙汇。除此之外，级别高的沟道有时会因为人为放牧的影响，其连通性会增加，成为中等连通性(图6B)。沟道级别升高并加之淤地坝的建设，使得上游来沙淤积，携带的泥沙沉积形成坝地，对沟道泥沙连通性起到阻碍作用。

图5 坊塌小流域沟道和径流节点

图6 坊塌小流域沟道泥沙连通性局部情况

沟道等级沟道数量/条数量占比/%长度范围/m沟道比降范围/%1级29669.327.50～451.147.6～79.52级9021.0814.14～786.413.3～40.83级235.395.00～677.013.0～18.04级153.515.00～1328.281.3～5.35级30.714.14～1991.31.9～5.7

3.2 沟道比降与泥沙连通性

通过沟道比降统计(表1)可清晰的看出，沟道比降与沟道级别有着明显的关系，即沟道比降随着沟道级别的增加逐级递减。

沟道承接坡面产生的径流泥沙，随着坡面径流与泥沙不断汇入沟道，在沟道源头，也就是起始一级沟道处，由于坡度较大，在一级沟道处会造成下切侵蚀，并且沟道内泥沙随着携沙能力增强发生泥沙输移现象，使沟道泥沙连通增强，沟道不断加深。随着径流流速的降低，泥沙输移运动减弱，泥沙在沟道中不断沉积，同时沟道的泥沙连通性也减弱。

3.3 沟道径流节点与泥沙连通性

依据沟道径流节点分级图，分析沟道级别与沟道径流节点数量的关系，随着沟道级别的增加，沟道径流节点数量逐渐减少(图7)。胡最等[14]发现随着沟道级别的增加径流节点级别也在增加，从径流源点到径流节点的径流路径长度也在增加。苟娇娇等[15]也得出径流节点数较少时侵蚀较弱。结合实地调查来看，在径流级别较高、径流节点数目较少的主沟道，由于汇入沟道的径流与泥沙的渠道减少，因此地形地貌起伏变化不大；相反在径流节点数目较大的小支沟来说，小单元内的地形地貌以及土壤侵蚀等都有较明显的变化。因此会使泥沙连通性随着径流节点数的减少而减弱。

图7 径流节点与沟道级别关系

3.4 淤地坝与泥沙连通性

淤地坝一方面可以改变沟道形状，另一方面也对沟道中径流泥沙输移过程起到阻碍作用。从图2可以看出研究区的三条沟道都为有淤地坝分布，形成坝系。通过野外调查发现淤地坝在不同状态下对泥沙连通性有着不同的影响；5号坝和6号坝虽然在暴雨中竖井被冲毁，虽然有淤地坝，但还是呈现弱连通性；3号坝和4号坝内主要为旱柳幼树，观察发现坝地内泥沙淤积量很少，同时径流泥沙大多从人工沟渠中通过，泥沙连通性也呈现弱连通性。