（水土保持与荒漠化防治专业论文）辽宁省大中型侵蚀沟发展规律研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：旁广玲 时间：却p 了年6 月2 日 导师签名：时间：聊年名且，2 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：力广跨 时间： 聊年占月归日 一名：形欹 帆叩年细p 日 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 辽宁省降雨量年内分布不均，呈现雨季集中降雨，其它月份普遍干旱的情况，在地 域分配上是东南降雨量大而西北降雨量少。地质方面经历了不同强度的构造运动，尤其 在中生代出现辽宁中部地域相对下降，辽西、辽东地势相对上升，逐渐塑造成现在的地 质环境。境内主要地带性土壤是棕壤和褐土，在辽北地区有少量的黑土分布。地貌类型 多样，以丘陵、山地为主。地形起伏度较大，在辽西、辽东陡坡分布较高。这是辽宁省 侵蚀沟产生和发展的总体环境。 本文以d e m 为数据源，利用a r c v i e w 的空间分析模块和水文分析模块，选取西丰、 岫岩、大连、法库、辽中、建昌、建平和彰武这八个市、县域为样区，提取各样区的沟 壑密度和“u ”、“v ”型沟的条数，通过沟壑密度判断出沟壑在辽宁省各区域的分布情 况。结果表明：风蚀水蚀交互作用的建平样区沟壑密度最大；处于辽北低山区的西丰样 区沟壑密度值次之；辽西地区的建昌样区沟壑密度较大，“u ”、“v ”类型沟壑数量相当； 岫岩样区处于辽东南丘陵区，植被覆盖较高，因此沟壑密度相对较小：辽中和法库样区 沟壑密度小，以“u ”型沟类型为主；风蚀严重的彰武样区沟壑密度较小，“u ”型沟为 主。提取各样区的坡度、坡向、坡形、地形起伏度、地表粗糙度、地面曲率，辽西和辽 东地区，地表平均坡度、地面曲率、地形起伏度大于其他区域，沟壑密度也相对较大， 表明了这些区域沟壑在规模上侧重向宽深发展，或者是分布着大量的地质构造运动时期 形成的古老沟谷。地表粗糙度各区域数值上相差不大，但是，1 1 这个分级的比例存在较 大差异，同样是在辽西和辽东地区地表粗糙度大于1 1 分级占有比例大，表明样区内地 形分布存在差异。在辽中、彰武平均坡度、地形起伏度相对较小。在八个样区分别提取 典型小流域，分析数据得出面积一高程积分值s 、地貌系统信息熵h 。辽宁各地区的面 积一高程积分值普遍小于0 3 5 ，说明地貌处于发育的老年期，尤其在建昌和建平样区， 大量分布的是自然沟，达到稳定阶段。辽中地区近年来开发强度增大，地貌发育处于壮 年期，表现在沟蚀上是沟道纵向延伸、横向扩张，沟壑的发展正是地貌发育的具体体现 形式。岫岩、西丰、大连和彰武样区，在地表植被破坏和其他人为因素作用下，地貌也 表现出处于发育壮年期。h 则表现出在建昌、大连样区地形起伏度大，地貌系统信息熵 值大，法库样区h 值也比较大，说明了在该样区地貌正处于发育期。 分析辽宁大中型侵蚀沟地表切割深度发现岫岩、建昌、西丰、建平分别为2 4 6 7 5 m 、 2 2 2 2 5 m 、1 6 4 2 5 m 、9 8 5 m ，而大连、法库、彰武、辽中分别为6 9 2 5 m 、3 5 m 、2 0 2 5 m 、 3 2 5 m ，差距较大。 关键词：辽宁省；侵蚀沟；规律；影响因素 摘要 a b s t r a c t i nt h el i a o n i n gp r o v i n c er a i n f a l la m o u n ty e a rd i s t r i b u t e su n e v e n l y ，o t h e rm o n t ho f u n i v e r s a la r i ds i t u 乒t i o u s ，a r es o u t h e a s tt h er a i n f a l l a m o u n tb u tn o r t h w e s tr a i n f a l la m o u n ta r e g r e a t l yf e wi nt h er e g i o n a s s i g n m e n t t h eg e o l o g i c a la s p e c th a se x p e r i e n c e dt h ed i f f e r e n t i n t e n s i t yt e c t o n i c m o v e m e n t , e s p e c i a l l ya p p e a r sm i d d l el i a u n i n g i nt h em e s o z o i cf f a t h e r e g i o nr e l a t i v e l yt od r o p ，l i a o x i ，t h el i a o d o n gt o p o g r a p h yr e l a t i v e r i s e ，g r a d u a l l ym o l d st h e p r e s e n tt h eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t w i t h i nt h eb o u n d a r i e st h em a i nr e g i o ns o i li sb r a u n e r d e a n dd r a b ，i nt h ed i s t a n tn o r t ha r e ah a st h ef e wb l a c ke a r t hd i s t r i b u t i o n t h el a n d f o r mt y p ei s d i v e r s e ，b yk n o l l , m o u n t a i n o u sr e g i o np r i m a r i l y t h et e r r a i nf l u c t u a t i o nd e g r e ei sb i g g e r , i n l i a o x i ，t h el i a o d o n gs t e e ps l o p e d i s t n b u t i o ni sh i g h e r t h i si st h el i a o n i n gp r o v i n c ec o r r o s i o n d i t e h p r o d u c e sw i t ht h ed e v e l o p m e n to v e r a l le n v i r o n m e n t t h i sa r t i c l et a k ed e ma sad a t ap o o l ，u s e sa r c v i e wt h es p a t i a l a n a l y s i sm o d u l ea n dt h e h y d r o l o g ya n a l y s i sm o d u l e ，s e l e c t ss i f e n g h s i - f e n g , t h es i u y e nh s i u - y e n ，d a l i a n ，t h el a w s t o r e h o u s e , l i a o c h u n g l i a o - c h u n g , j i a n c h a n g , j i a n p i n ga n dt h ec h a n g w ut h e s ee i g h tc i t i e s ，t h e c o u n t yt e m t o r y i st h et y p ea r e a , w i t h d r a w sa nk i n d sa r e at h e g u l l yd e n s i t ya n d ”u ”v ”t h e d i t c hs t r i pn u m b e r , j u d g e st h eg u l l y t h r o u g ht h eg u l l yd e n s i t yi nt h el i a o n i n gp r o v i n c ev a r i o u s r e g i o n s d i s t r i b u t e ds i t u a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，t h ew i n de r o s i o nw a t e re r o s i o n c o r r e l a t i o n j i a n p i n gt y p e a r e a g u l l yd e n s i t y i s b i g g e s t ；i si ns o u t hl i a o d o n gt h e l o w m o u n t a i n o u sa r e as i f e n gh s i - f e n gt y p ea r e ag u l l yd e n s i t yv a l u et o b en e x t ；t h el i a o x ia r e a j i a n c h a n gt y p ea r e ag u l l yd e n s i t yi sb i g g e r , ”u ”v ”t y p eg u l l yq u a n t i t yq u i t c ；t h ec a v er o c k s a m p l ea r e ai si n s o u t hl i a o d o n gr o l l i n gc o u n t r y ，t h ev e g e t a t i o nc o v e rh i g h e r , t h e r e f o r e t h e g u l l yd e n s i t yr e l a t i v ei ss m a l l e r ；t h ed i s t a n tn e u t r o d y n es y s t e ms t o r e h o u s et y p ea r e ag u l l y d e n s i t yi s s m a l l ，b y ”u ”d i t c ht y p ep r i m a r i l y ；t h ew i n de r o s i o ns e r i o u sc h a n g w u t y p ea r e a g u l l yd e n s i t yi ss m a l l e r , ”u ”d i t c hp r i m a r i l y w i t h d r e wa l lk i n d sa r e at h es l o p e ，t h es l o p et o ， t h es l o p es h a p e ，t h e t e r r a i nf l u c t u a t i o nd e g r e e ，s u r f a c er o u g h n e s s ，t h eg r o u n dc u r v a t u r e ，l i a o x i a n d t h el i a o d o n ga r e a , t h es u r f a c en a m r a lp r o f i l e ，t h eg r o u n dc u r v a t u r e ，t h et e r r a i nf l u c t u a t i o n d e g r e ei sb i g g e rt h a no t h e rr e g o n sr e l a t i v e l y , t h e g u l l yd e n s i t yi sa l s ob i g g e r , h a di n d i c a t e d t h e s er e g i o ng u l l i e s s t r e s s e di nt h es c a l et ot h ew i d t hd e e pd e v e l o p m e n t , o rw a s d i s t r i b u t i n gt h e a n c i e n tr u n - o f fd i t c hw h i c ht h em a s s i v eg e o l o g i c s t r u c t u r em o v e m e n tt i m ef o r m e d i nt h e s u r f a c er o u g h n e s sv a r i o u sr e g i o n sv a l u ed i f f e r sn o tn o ti na b i gw a y ，b u t1 1t h i sg r a d u a t i o n p r o p o r t i o ne x i s t e n c eb i g g e r d i f f e r e n c e s ，s i m i l a r l ya r eb i g g e rt h a n1 1g r a d u a t i o ni n l i a o x i a n d l i a o d o n ga r e as u r f a c er o u g h n e s st oh o l dt h ep r o p o r t i o nt ob eb i g ，i n d i c a t ei nt h et y p ea r e a t h et e r r a i nd i s t r i b u t i o ne x i s t e n c e , d i f f e r e n c e i nl i a o c h u n gl i a o c h u n g , t h ec h a n g w un a t u r a l 2 沈阳农业大学硕士学位论文 p r o f i l e ，t h et e r r a i nf l u c t u a t i o nd e g r e er e l a t i v ea l es m a l l e r d on o tw i t h d r a wt h em o d e ls m a l l b a s i n i ne i g h tt y p e sd i s c r i m i n a t i o n s , a n a l y z e st h ed a t at oo b t a i na l e a - e l e v a t i o ni n t e g r a lv a l v es ， l a n d f o r ms y s t e mi n f o r m a t i o ne n t r o p yh t h e l i a o n i n gv a r i o u sa r e a sa r e a - e l e v a t i o ni n t e g r a l v a l v eg e n e r a l l yi s s m a l l e rt h a n0 3 5 ，t h ee x p l a i n e dt h el a n d f o r mi si nt h eg r o w t ho l d s t a g e ，e s p e c i a u yi nj i a n c h a n ga n dt h ej i a n p i n gt y p ea r e a , t h em a s s i v e d i s t r i b u t i o u s i st h e n a t u r a ld i t c h , a c h i e v e st h es t a b l e s t a g e t h el i a o c h u n gl i a o - e h u n ga r e ad e v e l o p e dt h e i n t e n s i t yt oi n c r e a s ei n r e c e n ty e a r s ，t h el a n d f o r mg r o w t hw a si nm a t u r es t a g e ，d i s p l a y e di n c h a n n e le r o s i o no ni st h et r e n c hl o n g i t u d i n a le x t e n d s , t h ec r o s s w i s ee x p a n s i o n , t h eg u l l y d e v e l o p m e n ti sp r e c i s e l yt h el a n d f o r mg r o w t hs p e c i f i c a h y m a n i f e s t st h ef o r m t h es i n y e n h s i u - y e n , s i f e n gh s i f e n g , d a l i a na n dt h ec h a n g w ut y p e a r e a , u n d e rt h es u r f a c ev e g e t a t i o n d e s t r u c t i o na n do t h e rh u m a nf a c t o f f u n c t i o u s , t h el a n d f o r ma l s od i s p l a y st h es o u r c et ot h e g r o w t hm a t u r es t a g e hd i s p l a y si nj i a n c h a n g , t h ed a l i a nt y p ea r e at e r r a i nf l u c t u a t i o nd e g r e e i nab i gw a y , l a n d f o r ms y s t e mi n f o r m a t i o ne n t r o p yv a l u eb i g , t h el a ws t o r e h o u s et y p ea r e ah v a l u eq u i t cw a sa l s ob i g , s h o w e dw a s b e i n gi nt h ed e v e l o p m e n tp e r i o di nt h i st y p ea r e a s l a n d f o r m a n a l y z e st h el i a o n i n gl a r g ea n dm i d d l es c a l ec o 仃o s i o nd i t c hs u f f a c e t o o a tt h ed e p t h d i s c o v e r ys i u y e nh s i u y e n ，j i a n c h a n g , s i f e n g h s i - f e n g , j i a n p i n gr e s p e c t i v e l yi s2 4 6 7 5 m , 2 2 2 2 5 m ，1 6 4 2 5 m ，9 8 5 m ，b u to a l i a n , t h el a ws t o r e h o u s e ，c h a n g w u ，l i a o c h u n g f i a o - c h u n g r e s p e c t i v e l ya r e6 9 2 5 m ，3 5 m ，2 0 2 5 m ，3 2 5 m ，t h ed i s p a r i t yi s b i g g e r k e yw o r d s ：l l a o n i n gp r o v i n c e , c o r r o s i o nd i t c h , l a wo f d e v e l o p m e n t , i n f l u e n c ef a c t o r 3 第一章绪论 1 1 研究依据 第一章绪论 1 1 1 侵蚀沟发展的危害 土壤是人类赖以生存的宝贵资源，世界各国在发展工农业生产和进行基本建设项目 的同时，由于忽略了对植被和土壤的保护，造成了严重的土壤侵蚀。据统计，全球遭受 土壤侵蚀的面积为1 6 4 2 万k m 2 。其中水蚀面积1 0 9 4 万l 咄2 ，风蚀面积5 4 8 万k m 2 。土 壤侵蚀严重制约着全球社会经济持续发展( 郑粉莉等，2 0 0 4 ) 。据估算，中国因土壤侵 蚀造成的经济损失每年在1 0 0 亿元以上( 陈雷，2 0 0 2 ) ，在美国造成经济损失为3 0 6 0 亿美元( 张洪江，2 0 0 0 ) 。 根据2 0 0 2 年1 月水利部公布的“全国第二次水土流失遥感调查成果”，2 0 世纪9 0 年代末，我国水土流失总面积3 5 6 万k m 2 ，其中水力侵蚀( 简称水蚀) 面积1 6 5 万i o n 2 ( 占4 6 ) ，风力侵蚀( 简称风蚀) 面积1 9 1 万k m 2 ( 占5 4 ) 。在上述面积中，水蚀 与风蚀交错地区水土流失面积2 6 万k m 2 ( 占水土流失总面积的7 ) 。在全国的水蚀面 积中，不同侵蚀强度等级的面积分别为：轻度侵蚀8 0 万k m 2 ( 占4 9 ) ，中度侵蚀5 6 万l 咖2 ( 占3 4 ) ，强度侵蚀1 8 万k m 2 ( 占有1 ) ，极强度侵蚀6 万l u n 2 ( 占4 ) ， 剧烈侵蚀3 万k m 2 ( 占2 ) 。其中辽宁省水蚀面积4 8 2 万k m 2 ，风蚀面积0 2 3 万k m 2 ， 总计水土流失面积5 0 6 万k m 2 。 土壤侵蚀过程发生在陆地表面各圈层相互作用最为强烈的地区( 郑粉莉等，2 0 0 4 ) ， 其类型包括水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀、冰川侵蚀、混合侵蚀、化学侵 蚀、生物侵蚀( 张洪江，2 0 0 0 ) 。水力侵蚀类型又分为溅蚀、片蚀、线状侵蚀三种侵蚀 形式。线状侵蚀又名沟蚀或沟状侵蚀，是径流集中成股流，强烈冲刷土壤或土体，并切 入地面，形成大小侵蚀沟的过程( 朱显谟等，1 9 8 7 ) 。由沟蚀形成的沟壑称为侵蚀沟( 张 洪江，2 0 0 0 ) 。 沟蚀是水力侵蚀类型中常见的侵蚀形式之一，虽然沟蚀所涉及的面积不如面蚀范围 广，但他对土地的破坏程度远比面蚀严重( 张洪江，2 0 0 0 ) ，而且沟蚀造成的后果可以 更为直观的观测到。 1 、破坏地面的完整性 在侵蚀沟的发展过程中，伴随着沟头前进、沟底下切和沟岸扩张三种形式，不断的 向长、深、宽三个方向发展，这种发展的结果是改变了微地貌形态。沟头的溯源侵蚀， 有时甚至接近分水岭；切沟发育过程中产生的大量支毛沟( 于章涛，2 0 0 3 ) ，使原本完 整的坡面形成纵断和横断，破坏了地面的完整性，影响农业生产和机械作业环境。 4 沈阳农业大学硕士学位论文 在辽宁省阜新县小流域，纵横交错的沟道将坡面分割得四分五裂，不仅使土地的使 用面积大量减少，而且给群众生产生活带来危害( 冯克等，2 0 0 1 ) 。可以说侵蚀沟的形 成与发展是破坏地面完整性的“元凶” 2 、吞蚀农田 在侵蚀沟的发展过程中，因沟底下切引起沟岸向两边扩张，伴随崩塌、滑塌，增加 了沟壑面积和土壤侵蚀量，损失耕地( 郑新民，2 0 0 2 ) 。在暴雨天气，沟道内汇集大流 量、高流速的径流，同时上游来水携带大量泥沙，这种水沙二相流体集中冲向沟道下游， 一方面由于摩擦系数增大加剧了沿程的沟坡冲刷，另一方面造成下游水冲沙压、破坏农 田的后果。辽宁省每年有大约6 0 多万亩的耕地因此消失( 刘运河，2 0 0 1 ) 。 3 、产生大量泥沙 沟蚀产生的泥沙是土壤侵蚀中最主要的侵蚀沙源。对辽宁省土壤侵蚀的研究结果表 明：一般情况下，坡面侵蚀仅占总侵蚀量的6 8 4 6 4 ，而沟谷侵蚀却占总侵蚀量的 5 3 6 9 3 2 ( 张宝林，2 0 0 2 ) 。遥感测查结果也表明：辽宁省每年平均土壤流失量为 1 3 1 亿t ，在有沟谷侵蚀的区域，全省河壑垂直投影面积为4 4 1 5 k m 2 ，按每年向源下切 及沟岸崩塌，平均侵蚀模数1 5 万2 万t ( k m 2 a ) ，按最保守的计算，每年土壤流失 量为6 6 2 3 万t ，相当于全省年流失总量的5 6 1 ( 张宝林，2 0 0 2 ) ，可见来自沟蚀沙源 的土壤侵蚀量远超过面蚀沙源。辽西朝阳市水土流失面积总计为1 8 4 7 2 3 k m 2 ( 1 9 8 6 年， 沟蚀区水土流失面积1 5 2 0 0 k i n 2 ，占全部水土流失面积的8 2 3 ( 张宝林，2 0 0 2 ) 。阜新 县沟壑年均下切深度为1 5 m ，拓宽2 m ，沟头前进3 m ，全县每年因沟道下切和沟岸扩 张下泄的泥沙量高达4 3 0 万t ，占土壤年流失总量的4 0 以上，降低了土地的使用率( 冯 克等，2 0 0 1 ) 。这些数据充分表明，在土壤侵蚀较为严重的市、县，侵蚀沙源大多来自 于沟蚀。 4 、降低土壤肥力，影响粮食安全 沟蚀加剧了面蚀的发展，造成更多的陡峭临空面，重力侵蚀随之增长( 郑新民，2 0 0 2 ) 。 土壤中含有的大量氮、磷、钾等营养元素，在侵蚀沟的发展过程中，由于面蚀、沟蚀、 重力侵蚀共同作用，造成养分的流失。 辽宁省位于我国的东北黑土区，是我国的粮食生产基地，由于目前侵蚀沟正处于发 展的活跃时期，使富含养分的表层土壤大量遭到侵蚀，导致土壤越来越贫瘠，肥力下降， 对我国的粮食安全带来消极影响。 5 、泥沙淤积抬高河床，加剧洪涝灾害，毁坏设施 辽宁省境内广泛分布切沟，有时在很短时间内形成，不仅危害当地，还给下游地区 带来一系列问题。严重时淤积河湖，抬高河床，影响航运、水利设施和农田灌溉系统的 正常运行( 于章涛，2 0 0 3 ) 。辽宁的柳河泥沙含量在省内居于最高，6 0 年代每年输入下 游的泥沙2 0 0 0 0 万t ，7 0 年代初达到了5 0 0 0 6 0 0 0 万t ，使辽河下游河道每年淤高1 3 e r a ， 行洪能力由5 0 年代的5 0 0 0 m 3 s 下降到3 0 0 0 m 3 s 。 5 第一章绪论 1 1 2 侵蚀沟发展规律研究的重要性 1 、土壤侵蚀发展规律与水土保持措施布设的地域分异性所要求的 土壤是一种区域性很强的自然客体，与其所处的环境构成完整的统一体，具有地带 性规律( 曹忠杰等，1 9 9 7 ) ，在不同的土壤、植被、气候、地质地貌等条件下，土壤侵 蚀的发生发展规律不同，而且表现形式也不同。 辽宁省位于我国的东北黑土区，为保障我国的粮食安全起到举足重轻的作用，但是 长期的农业生产活动造成当前侵蚀沟发育十分活跃。辽宁省侵蚀沟形成过程既具有土壤 侵蚀中的一些共性问题，同时也具有地域分异性特点。因此，针对具体情况进行研究， 了解侵蚀沟发展的时空变化，对制定土壤侵蚀控制措施、正确的土地利用模式( 刘宝元 等，1 9 9 8 ) ，促进农村经济发展有战略意义。 2 、为我国水土流失监测网络、土壤侵蚀模型的建立奠定基础 我国的土壤侵蚀研究需要建立起完善的、全国性的监测网络体系，既为田间尺度水 土保持措施布设提供支持，又为全国土壤侵蚀和水土保持状况的定期公告和中央及各级 地方政府宏观决策提供数据支撑。建立水土流失监测网络也是获取基础数据的有力途径 ( 苏理宏等，2 0 0 1 ) 。 必须在多种空间尺度上进行土壤侵蚀过程和预测模型的研究( 解运杰等，2 0 0 5 ) 。目 前世界范围内广为使用的w e p p 水蚀预报模型，虽然具有强大的侵蚀预报功能，但模型 仍然不能用于切沟和河道侵蚀( 刘宝元，1 9 9 8 ) ；国内外针对具体的某一地区，对侵蚀 沟的预报进行了许多研究( 伍永秋，2 0 0 0 ) ，但其适用范围有一定的限制。因此，为适 应水土流失监测网络、建立土壤侵蚀模型的需要，有必要对辽宁省侵蚀沟发育的特征及 治理模式进行研究。 3 、适应大尺度土壤侵蚀规律的研究 我国的水土保持科技发展面临严峻的挑战，以小流域为单元的治理模式难以完全满 足目前国家高速度、大规模的水土保持和生态环境建设的需求( 李锐，2 0 0 3 ) 。为了系 统理解多种尺度土壤侵蚀过程及其相关的现代地表过程，寻求解决区域环境问题的方案 并为环境问题的宏观决策提供支持，分析评估全球变化与区域土壤侵蚀关系，必须开展 大尺度土壤侵蚀与水土保持格局与规律的研究( 王礼先，2 0 0 5 ) 。 在辽宁省范围内进行侵蚀沟各种特征参数的调查及分析过程，得出其发展规律，可 以促进区域尺度土壤侵蚀过程分析；深入了解土壤侵蚀预防治理的区域特征和差异；推 进区域侵蚀环境演变过程、机制及调控的研究。最终在已有的小尺度研究成果基础之上， 建立起各个尺度之间的基于物理过程的联系。 4 、科学体系指导下的预防与治理 侵蚀沟治理是辽宁省小流域综合治理的突出薄弱环节，而它又是小流域综合治理的 重要组成部分。以往研究表明，沟谷地侵蚀量要大于沟问地侵蚀量。资料记载，1 9 6 0 年 朝阳市沟壑侵蚀面积7 0 6 6 7 k r n 2 ，而1 9 9 8 年调查沟壑侵蚀面积2 6 7 7 7 4 k m 2 ，3 8 a 间平均增 6 沈阳农业大学硕士学位论文 加5 1 8 7 k r n 2 a ，沟蚀相当严重( 戴武刚，2 0 0 2 ) 。辽宁省年土壤流失总量的5 6 1 来自于 沟壑侵蚀( 张宝林，2 0 0 2 ) 。多年来，辽宁省水土保持小流域综合治理主要放在坡面上， 虽然取得了显著成果，然而侵蚀沟治理相对滞后，治理方法、治理的模式、投入与效益 的关系研究得比较少。一方面是对全省的侵蚀沟分布情况、特点、造成的水土保持危害 等不清楚，难以确定侵蚀沟治理的总体规划和目标；另一方面是治理措施缺乏科学的理 论指导，影响了整体治理效果。 进行侵蚀沟发展规律的研究，可以为侵蚀产沙的测算、区域内的沟坡侵蚀关系研究 奠定基础；在进行侵蚀沟治理中，根据其发育阶段，确定出侵蚀最强烈的区域作为治理 的重点和难点，并合理的布设工程措施与植物措施，这样才能使有限的资金产生出较大 的效益( 田均良，1 9 9 7 ) 。 1 2 研究目标与研究内容 1 2 1 研究目标 本研究以辽宁省土壤侵蚀宏观现象为基础，对各种侵蚀沟进行具体调查和分析；从 自然条件和人为活动两大方面深入分析辽宁省土壤侵蚀及侵蚀沟发展的环境；研究在地 形地貌、地质构造、土壤、气候、植被等环境因素与人类活动共同影响下，不同时空尺 度条件下土壤侵蚀及侵蚀沟发展的规律。 1 2 2 研究内容 1 、辽宁省土壤侵蚀及侵蚀沟发展环境 ( 1 ) 自然地理条件与土壤侵蚀及侵蚀沟发展 ( 2 ) 人为活动因素与土壤侵蚀及侵蚀沟发展 ( 3 ) 辽宁省侵蚀沟发展典型区域概况 2 、辽宁省大中型侵蚀沟发展规律 ( 1 ) 辽宁省侵蚀沟成因研究 ( 2 ) 辽宁省大中型侵蚀沟分布及发展规律 ( 3 ) 辽宁省大中型侵蚀沟空间分异的原因分析 1 3 研究方法与技术路线 1 3 1 研究方法 内业判图与外业验证相结合，面上调查与重点调查相结合，痕迹调查与访问群众相 结合，摸清侵蚀沟发生发展的基本情况。通j 2 史a r c v i e w 空间分析功能，从d e m 中提取出 大中型侵蚀沟的有关信息，分析其发生发展的自然区域概况。通过对侵蚀沟的定量化研 7 第一章绪论 究，寻求其与气候、土地利用等方面的关系。 1 3 2 技术路线 见图1 1 。 1 4 研究数据 辽宁省大中型侵蚀沟发展规律研究 i li l 辽宁省土壤侵蚀及侵蚀沟发展环境il 辽宁省大中型侵蚀沟发展规律l i i liji l 查阅文献面上调查与重点调查相结合内业判图ll 外业验证1 i i lll l 自然环境ll 社会人文环境ii 侵蚀沟特征参数l l l 理论分析il 利用软件提取因子 i ll i l l i 辽宁省土壤侵蚀及侵蚀沟发展环境jl 侵蚀沟发展规律l 圈1 1 技术路线围 f i g 1 - 1t h e d h 缸4 ，r o a d m a p 本研究的基本数据为辽宁省1 ：1 0 0 0 0 比例尺、2 5 m 分辨率d e m 。研究数据采用国家 标准建立方法，利用1 ：1 0 0 0 0 1 ：p , 例尺地形图等高线数字化内插法建立的d e m 。应用 a r c v i c w 软件的空间分析模块、三维分析模块、水文分析模块进行分析，s u r f e r 8 o 进行 有关等值线图的制作。 1 5 由d e m 提取沟壑的方法 采用提取水网的方法，从d e m 提取水系要经过三个主要过程，即对原d e m 填充洼 地、水流方向矩阵的生成和流水累积量矩阵的生成。 8 沈阳农业大学硕士学位论文 第二章国内外研究进展 2 1 侵蚀沟及其分类 2 1 1 侵蚀沟和沟蚀的概念 侵蚀沟是水力侵蚀作用下产生的侵蚀形态，张洪江( 张洪江，2 0 0 0 ) 将其定义为“由 沟蚀形成的沟壑”。因此在研究侵蚀沟时应首先深入了解沟蚀。 不同学者对沟蚀的定义描述各异，但就其本质而言是一致的。张洪江认为“在面蚀 的基础上，尤其是细沟状面试进一步发展，分散的地表径流由于地形影响逐渐集中，形 成有固定流路的水流，切入地面带走土壤、母质及破碎基岩，形成沟壑的过程”。景可 按发生学和形态分类原则与类型一方式一形态的思想体系对土壤侵蚀进行分类( 景可， 2 0 q 5 ) ，并以线状侵蚀代替沟蚀，定义为“流水被约束在某一局限范围内的水流侵蚀方 式，其形态是不同规模的沟谷。” 2 1 2 侵蚀沟分类 1 、常规分类 侵蚀沟是沟蚀产生的几种侵蚀形态的总称，是“沟蚀形成的沟壑”。对侵蚀沟分类 的实质就是对沟蚀产生的形态进行分类。 关君蔚、朱显谟根据沟蚀发生形态和演变过程，将之分为细沟侵蚀、浅沟侵蚀、切 沟侵蚀、冲沟侵蚀和河道侵蚀等不同阶段，因此侵蚀沟依次分为细沟、浅沟、切沟、冲 沟、水路网河道( 关君蔚，1 9 9 6 ) 。景可根据沟谷的规模由小到大将侵蚀沟分为浅沟、 切沟( 或悬沟) 、冲沟、干沟( 或坳沟) ( 景可，2 0 0 5 ) 。张维江等人在黄土丘陵沟壑 区3 5 k m 2 的小流域土壤侵蚀及其预报模型研究中，针对小流域土壤侵蚀现象，对小流 域土壤侵蚀进行分类( 张维江，2 0 0 4 ) 。根据雨滴击溅对各种类型的土壤侵蚀的影响程 度，从大到小和径流冲刷对各种类型的土壤侵蚀的影响程度分类，结果为面蚀细沟侵 蚀一浅沟侵蚀一切沟侵蚀一冲沟侵蚀一沟道侵蚀。又进一步根据雨滴击溅对水力侵蚀的 影响、雨后形成的沟道形态和人为可控制条件，把面蚀和细沟侵蚀归为一类，称为小流 域坡面侵蚀，这类侵蚀可用标准径流小区模拟；把浅沟、切沟、冲沟、沟道侵蚀和部分 重力侵蚀归为一类，这类侵蚀主要有水流冲刷形成，称为小流域沟道侵蚀。由此将侵蚀 沟分为浅沟、切沟、冲沟。 以上几位学者从各自不同的角度对沟蚀进行分类，发现大体可分为两类： ( 1 ) 将细沟侵蚀归为面状侵蚀，因而将侵蚀沟分为浅沟、切沟、冲沟、干沟。 ( 2 ) 将细沟侵蚀归为线状侵蚀，因而将侵蚀沟分为细沟、浅沟、切沟、冲沟、河沟。 9 第二章国内外研究进展 2 、系统分类 沟道由于其所处的地质地貌和环境气候状况的不同而各具不同的发育特点，每一条 沟道都有其发生、发展和变化的规律。同时产生的两条沟道，会因侵蚀强度的不同而处 于不同发育阶段，处于同一发育阶段的沟道也会因地质地貌基础的不同而具有不同的形 态( 刘增文，2 0 0 3 ) 。近年来对沟道治理与利用的科学研究日益深入，一些研究者提出 应根据沟道的发育特点，对其科学的分类，以实现因地制宜，因害设防，因沟而治( 刘 增文，2 0 0 3 ) 。 1 9 9 7 年，武春龙等人通过对杏子河流域内2 2 条小流域沟谷纵剖面和斯特拉勒 ( s t r a h l e r ) 曲线的信息上计算，建立了沟谷纵剖面信息熵分析法，由此建立了沟谷纵剖 面信息熵与沟谷纵剖面演化之间的关系，判断沟谷侵蚀所处时期( 武春龙等，1 9 9 7 ) 。 随着沟道研究的深入，这种方法与其他数理统计法相结合，完善了对侵蚀沟的系统分类。 高鹏等以辽宁省朝阳市为典型区域，应用沟壑纵剖面信息熵、主成分分析、聚类分 析等方法，将丘陵半干旱区分为初期“v ”型发展沟、中期“u ”型发展沟、后期扩展 “。”型稳定沟三大类( 戴武刚，2 0 0 2 ) 。 近年来“3 s ”技术在水土保持中的应用越来越广，为满足水土保持生态环境管理信 息系统的建立，沟道综合治理规划是非常重要的一部分。北京市建立的水土保持生态环 境管理信息系统，通过对小流域沟道长度、宽度和坡度等信息的提取，根据沟道历史灾 害指标、历史上发生过的最大降雨量、沟道防护对象附近的沟道纵坡、沟道内可能产沙 量、沟道造成的阻塞可能性、沟道内土壤及岩石透水性等几项综合分类指数进行综合评 分对沟道进行分类( 张思聪，2 0 0 4 ) 。 2 1 3 辽宁省大中型侵蚀沟的内涵及一般特征 气候条件不同，下垫面性质各异等因素决定了侵蚀方式具有区域特征。在黄土高原， 土层深厚，可以形成深达百米、宽数十米的沟壑，黑龙江平原漫岗区存在的特殊漫岗地 形，极易形成宽、深、长的难以治理的大型沟道，而在辽宁省西部丘陵山地发育着大量 规模很大的土石丘陵沟谷。 任何一条侵蚀沟都不是孤立存在的，他总是与一定的水文网系统相联系，或者与其 它侵蚀沟成有规律性的联系。同一流域内，不同类型的沟道共同组成了侵蚀沟系统，侵 蚀沟系统中的主干称为干沟或主沟，由主沟上产生的分支称为支沟或第一级支沟，与一 级支沟相联系的支沟称为二级支沟。 大中型侵蚀沟的尺度究竟如何来定，这在已有的文献中很难找到定论，因为在不同 的地理环境条件下，会有不同的沟壑发育宏观形态特征。结合各学者以往对沟蚀形态的 描述，针对辽宁省特定的侵蚀环境及侵蚀沟活跃发育的情况，加之在调查和量算中工作 量的简化问题，本论文中认为长度大于3 0 0 m 的，并且由于人为加速侵蚀作用形成的沟道 和自然条件形成的沟道统称为辽宁省的大中型侵蚀沟。按常规分类简单分为切沟、冲沟、 沈阳农业大学硕士学位论文 自然沟，各自的表型特征如下： 切沟；初期沟头前进速度很大，侵蚀量相对较大，沟道狭窄，深度较小，以溯源侵 蚀为主，兼有下切侵蚀；后期沟头前进速度较初期小，但侵蚀量却较大，沟深较大，宽 度较小，以下切侵蚀为主，兼有溯源侵蚀和横向侵蚀。 冲沟；沟头前进基本停止，侵蚀量较小，沟宽和沟深均很大。沟壑侵蚀已停止发展， 沟道趋于稳定，出现复式断面。 自然沟：土壤侵蚀现象不很强烈，但人为活动、土质条件、沟坡利用、两厢植被盖 度、沟道比降以及沟道断面的局部变化有所不同。 2 2 大中型侵蚀沟发展规律的研究 2 2 1 切沟 2 2 1 1 切沟的地位、概念及其特征 切沟侵蚀在土壤侵蚀中占据重要位置，以切沟为主的沟谷产沙可占流域产沙总量的 1 0 9 4 。通过野外证据表明，径流小区上所测得的面蚀和细沟侵蚀并不是一个指示 土壤侵蚀总量的理想指标( 游智敏，2 0 0 4 ) ，在更大空间尺度上发育的切沟是沉积物的 一个重要来源( 赵鸿雁等，2 0 0 1 ) 。 切沟是以不能横过耕作为主要特征的沟谷，这种说法在学术界取得共识( 朱显谟， 1 9 8 7 ；张思聪，2 0 0 4 ；景可，1 9 8 6 ) 。景可提出“从发育阶段来看，切沟是浅沟和冲沟 之间的一种过渡侵蚀形式，沟谷平面形状呈倒“v ”字，横切面呈正“v ”字”。朱显 谟认为“沟头多呈跌水状或陡坡状，较大切沟有一个以上沟头，沟壁很陡，沟床下切至 少在l m 以上，深的可达数米。 2 2 1 2 切沟形成的机理 谢云等指出切沟的发生实质上是径流与其流经地表之间的一种准稳定平衡状态被打 破，要么是径流增加，要么是径流保持不变，而径流流经沟道的容量变小。这些都会造 成径流与地表间平衡关系的破坏，导致沟道侵蚀的发生。以此为基础，选取位于大南沟 流域内的一条切沟，从1 9 9 8 年2 0 0 0 年，每年4 月1 0 月观测切沟不同部位土壤水分 状况，得出了该流域切沟中土壤水分空间、时间变化规律，为切沟发生机理的研究奠定 了基础。这是从动力学角度考虑切沟形成的机理，而雷阿林( 雷阿林等，1 9 9 8 ) 等通过 沟道水流水力学特性分析得出：紊流和紊流性不断增强的水流、沟道流为急流，是侵蚀 沟产生和不断发展的主要原因。 2 2 1 3 切沟形成的影响因素 切沟发生的影响因素非常复杂，与地质地貌、水文特征、气候条件、人为活动等均 有联系。从以往学者的研究来看，景可认为坡面转折点向下的坡度小于4 5 。时，或者坡 面坡度转折点上下物质结构均一、坡度差异又不很悬殊时发育成切沟，反之则发育成悬 第二章国内外研究进展 沟( 景可，2 0 0 5 ) 。伍永秋等总结切沟产生的主要因素为：气候；土壤；耕作；人为特 殊活动；村庄道路；局部侵蚀基准面；坡长、坡度和坡形( 伍永秋等，2 0 0 0 ) 。 王文龙等通过有无上坡来水时，水动力指标特征值的不同，间接说明了上坡来水对 切沟发生有重要影响( 王文龙，2 0 0 4 ) 。当坡上无来水时，水流能量减小，坡面水流中 的雷诺数、弗罗德数和过水断面单位能量甚至小于切沟出现时的临界值，因此从能量角 度来考虑，上坡来水是切沟出现的重要原因之一。 2 2 2 切沟发