延河流域沟壑密度统计学特征及影响因素分析.docxVIP

延河流域沟壑密度统计学特征及影响因素分析 延河流域沟壑密度统计学特征及影响因素分析 土壤侵蚀使土地资源遭到破坏，土壤肥力和质量下降，已成为全球性的重大环境问题之一。定量评价区域的土壤侵蚀量、土壤侵蚀强度及其空间分布特征，对于采取相应措施减少水土流失、保护和合理利用土地资源具有重要意义。土壤侵蚀强度除了可用土壤侵蚀模数和土壤侵蚀厚度评价外，还可以采用沟壑密度来定量描述。沟壑密度可用于描述地面切割破碎程度，以单位面积上的沟谷总长度来度量。沟壑密度越大，地面越破碎，土壤侵蚀程度越大。目前，关于沟壑密度的提取方法，主要有外业调查法、遥感图像处理法、数字高程模型（DEM）法、地形图量算法等5-6。随着数字高程模型被广泛应用于地形特征提取、流域水系分析等数字地形分析领域7-8，沟壑密度、沟壑切割深度等沟壑特征参数以及坡度、坡向、流域边界、沟谷网络、沟谷节点等地形特征参数皆可通过DEM提取9-10，操作简便且提取精度较高，不失为一种高效处理数据的方法。 黄土高原是我国土壤侵蚀最严重、生态环境最脆弱的地区，地面沟壑纵横，支离破碎，切割程度极大，因而该区城沟壑特征的研究一直是土壤侵蚀研究领域的重点。本文以延河流域为研究对象，按高程大小将研究区划分为4个小区，对比分析不同小区沟壑密度的统计学特征。研究结果不仅助于揭示土壤侵蚀的空间差异性，而且可深入理解沟壑密度的影响因素，从而为有针对性地提出水土保持综合防治措施提供理论依据。 1 研究区概况 延河，黄河一级支流，全长286.9km，源于白于山附近，由西北向东南注入黄河，流域面积7 725km2，位于36°21′37°19′N，108°38′110°29′E。流域年平均气温为8.810.2，年平均降雨量为520mm，且集中于69月。土壤类型以黄绵土为主，质地均一，土质疏松，抗侵蚀能力差；地势西北高、东南低，形态表现为以下3种类型，即：上游为峁梁丘陵沟壑区，梁多而峁小，河床比降大，植被稀少，侵蚀强烈；中游为峁状丘陵沟壑区，梁窄峁小，河谷宽阔，阶地发育；下游为破碎塬区，本文由收集整理塬面窄小，冲沟发育。总体上黄土丘陵沟壑区面积约占90%，水土流失严重。 2 数据与方法 2.1 数据获取 本文以地理空间数据云网站发布的DEM数字高程模型数据为基础数据源，以WGS_1984_UTM_Zone_49N为空间参考，空间分辨率为30m30m。 2.2 数据处理 2.2.1 延河流域的生成 在ArcGIS10.2软件中首先对DEM源数据进行拼接处理，利用水文分析功能生成矢量河网数据，分水岭工具生成集水流域，选择、导出并合并延河流域干流及其支流所流经区域，利用合并后的延河流域面文件裁剪DEM源数据，获得延河流域DEM数据，如图1所示。 2.2.2 沟壑密度计算方法 沟壑密度也称沟谷密度或沟道密度，是指单位面积内沟壑的总长度，单位一般以km/km2表示，数学表达式为： D=LA 式中：D指沟壑密度；∑L指研究区域内的沟壑总长度（单位：km）；A指特定研究区域的面积（单位：km2）。 2.2.3 延河流域沟谷网络提取 在延河流域沟谷网络提取过程中，汇流阈值的大小直接决定了沟壑密度的大小，故数据处理的关键在于设置合理的阈值。为了确定延河流域沟谷网络的最佳阈值，在ArcGIS10.2软件中建立水文分析模型，分别选取100、200、3002 300、2 400、2 500等一系列阈值，运用图解建模的方法依次运行模型（具体模型见图2），当阈值位2 500时流域沟壑总长度趋于稳定。由图3可看出，随着汇流阈值的增加，流域沟壑总长度随阈值增加总体呈幂函数减小，相关系数R2为0.999 4，拟合度较高，通过统计学检验。 为了使提取的沟谷网络更加接近真实沟谷形态，基于均值变点分析法，确定曲线由陡变缓的唯一点，即为最佳阈值点。由图4可知，当汇流阈值为500时，所提取的沟谷网络最接近真实沟谷形态，此时流域沟壑总长度为8 903.55km。 3.1 沟壑密度 研究区按高程大小可划分为4个分区，即延河中游河谷平原区（H600m）1区、延河下游残塬平梁沟壑区（600mh1 550m）4区。本文将延河流域沟谷等级划分为7级。研究区沟壑总长度为8 903.55km，总沟壑密度为1.16km/km2。由东南到西北方向，地表高程由低到高，14区的沟壑密度值分别为3.53km/km2、1.66km/km2、0.76km/km2、0.18km/km2，沟壑密度呈减小趋势，即D1区D2区D3区D4区。此外，不同分区不同等级的沟壑密度也大不相同。其中，1区仅有1级、2级、3级和7级沟谷，且7级沟谷的沟壑密度最大，为2.02km/km2，2级沟谷次之，其他等级的沟谷密度均较小；2区存在17等级的沟谷，且第1等级的沟壑密度最大，为0.79km/km2，占该区沟壑密度的47.59%，第6等级的沟壑密度最小；3区无67等级的沟谷，且15级的沟壑密度均较小；4区仅存在12级的沟谷，其沟壑密度分别为0.16km/km2和0.02km/km2，分别占该区沟壑密度的88.89%和11.11%。除第2等级沟谷外，其余6个等级沟谷的沟壑密度均呈现同一等级沟谷的沟壑密度D1区D2区D3区D4区的特点，而第2等级沟谷的沟壑密度为D2区D1区D3区D4区。 e：姜秀红杂志安徽农学通报杂志2016-14农学通报内文s318-6.tif m 图5 延河流域沟壑密度分布 从不同分区不同等级的沟谷平均长度来看，在不同分区中，随着沟谷等级的增大，不存在明显的规律性。1区以第3级沟谷平均长度最长，为1.15km，第1级和第2级沟谷的平均长度相差不大，第7级的沟谷长度最长，为14.65km；2区除2、5、6级沟谷外，其余沟谷平均长度随着沟谷等级的增大而减小，沟谷长度除6级沟谷外随沟谷等级的增大也呈减小趋势，2级沟谷的平均长度最大，为0.92km；3区沟谷长度及沟谷最大值均随着沟谷等级的增大递减，平均长度以1级沟谷最大，为0.81km，4级沟谷最小，为0.62km；4区1、2级沟谷的平均长度分别为0.71km和0.56km，1级沟谷长度为2级沟谷长度的10倍左右。 同一等级的沟谷，在4个分区中的空间分布也不相同（图5）。7级沟谷即沟谷主干有且仅有1条，仅存在于1区和2区范围内，主要分布于2区，在2区的沟谷长度为1区的10倍之多；6级沟谷即沟谷的一级支流，仅有2条且仅分布于2区，沟谷总长度为73.93km，两条沟谷的长度分别为24.65km和49.28km；5级沟谷有7条，分布于2区和3区，其中有4条完全分布于2区，3条既分布于2区，又分布于3区，在2区的沟谷长度为168.95km，占5级沟谷总长度的84.09%；4级沟谷共38条，仍主要分布于2区，有20条完全分布于2区，其中分布于2区的沟谷长度为438.50km，3区的沟谷长度为103.06km，2区沟谷长度是3区的4.25倍；3级沟谷分布于1区、2区和3区，以2区分布最多，其沟谷总长度为1 168.26km，分布于2区的沟谷长度为826.94km，占该级冲沟总长度的70.78%；其余1、2级沟谷在4个分区中均有分布，为整个沟壑系统的主体部分，其中，1、2级沟谷在2区中的分布均大于3区，其沟谷长度分别为2 790.95km和1 451.34km，分别占该级沟谷总长度的61.79%和64.56%，二者在1区中的分布均最少。总体上看，研究区各级沟谷主要分布于2区和3区，且分布于2区的沟谷数量及沟谷长度均最大，其沟壑密度也较大，为1.66km/km2，表明研究区侵蚀最强烈的地区位于2区，是该流域的水土流失重点防治区域；虽1区沟壑密度最大，但由于其面积最小，且沟谷级别类型较少，且其属于延河中游河谷平原区，呈条带状沿干流分布，主要地貌类型为河流阶地且阶地面宽坦，故其地面破碎度较小，不作为水土保持防治的重点区域。 3.2 影响因素 3.2.1 地貌形态 地貌是组成自然环境的基本要素，一个地区的土壤侵蚀差异受到不同地貌形态的制约。一般来说，平原地区以堆积为主，山区和丘陵地区则以侵蚀为主。沟壑密度的大小主要取决于沟谷的发育程度，在研究面积一定的条件下，其与沟谷总长度成正比。黄土高原的地貌类型主要有塬、梁、峁及各类沟谷，黄土塬部分地形较平坦，侵蚀较弱；梁峁区主要发育细沟、浅沟、切沟等多种形态的沟谷，且具有坡度大、坡度长、临空面大的特点，有利于水流侵蚀和重力侵蚀的发展，故为黄土高原侵蚀最强烈、地形最破碎的地区；山地区则多发育深切冲沟，切割深度较大，且大多已达侵蚀基准面，下切侵蚀与溯源侵蚀过程受到抑制，即沟谷发育过程受到限制，故虽土壤侵蚀强度较大，但地形破碎度较小，沟壑密度较小。研究区4个小区可进一步划分为平原区（1区）、梁峁区（2、3区）和山地区（4区）。梁峁区的沟壑密度为2.43km/km2，较山地区（0.18km/km2）大，且山地区仅发育1、2级沟谷，沟谷类型较单一，梁峁区发育17级沟谷，沟谷类型复杂多样，沟谷发育程度大，地形破碎，是水土保持综合防治的重点区域。 3.2.2 土壤性质 土壤性质是影响沟谷发育的主要因素之一，在其他条件一定的情况下，地表组成物质越疏松，沟谷越发育。延河流域主要的土壤类型为黄绵土，土体结构疏松，有机质含量低，易受侵蚀，岩性主要为中生代的砂岩、砂页岩。黄土的这些性质表现为其机械组成由西北向东南逐渐变细，物质越细、抗蚀能力越（下转116页）（上接110页）强，故地表组成物质由西北向东南抗蚀能力增强，从而影响了沟壑密度的空间分异。 4 结论与讨论 通过以上分析可知，研究区各分区沟壑密度呈现出D1区D2区D3区D4区的特点，3区和4区随沟谷等级的增大，沟壑密度呈减小趋势。1区7级沟谷的沟壑密度最大，为2.02km/km2，2区1级沟谷沟壑密度最大，为0.79km/km2。研究区总沟壑密度为1.16km/km2，景可的研究结果表明，不同比例尺地形图上，以不同起算点研究同一流域的河网密度，大小往往可相差5倍左右，其中延河流域沟壑密度大小介于0.411.45km/km2，与本文的研究结论一致。 本文通过对延河流域按高程进