延河流域沟壑密度统计学特征及影响因素分析

1/8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一1。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2。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3。沟壑密度越大，地面越破碎，土壤侵蚀程度越大4。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、数字高程模型法、地形图量算法等56。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78，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910，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11，地面沟壑纵横，支离破碎，切割程度极大，2/8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，源于白于山附近，由西北向东南注入黄河，流域面积725KM2，位于36213719N，1083811029E。流域年平均气温为，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，本文由论文联盟HTTP/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。数据与方法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3/830M30M。2数据处理延河流域的生成在软件中首先对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。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DLA式中D指沟壑密度；L指研究区域内的沟壑总长度；A指特定研究区域的面积12。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，在软件中建立水文分析模型，分别选取100、200、300200、200、200等一系列阈值，运用图解建模的方法依次运行模型，当阈值位200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，拟合度较高，通过统计学检验。4/8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。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1区、延河下游残塬平梁沟壑区4区13。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，总沟壑密度为/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/KM2、/KM2、/KM2、/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/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/KM2，占该区沟壑密度的，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/KM2和/KM2，分别占该区沟壑密度的和。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。M5/8图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，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；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；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，4级沟谷最小，为；4区1、2级沟谷的平均长度分别为和，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。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，两条沟谷的长度分别为和；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，占5级沟谷总长度的；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6/8谷长度为，3区的沟谷长度为，2区沟谷长度是3区的倍；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，分布于2区的沟谷长度为，占该级冲沟总长度的；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，其沟谷长度分别为和，分别占该级沟谷总长度的和，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/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13，故其地面破碎度较小，不作为水土保持防治的重点区域。影响因素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12。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7/8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12；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、梁峁区和山地区。梁峁区的沟壑密度为/KM2，较山地区大，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。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、抗蚀能力越强，故地表组成物质由西北向东南抗蚀能力增强14，从而影响了沟壑密度的空间分异。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8/8D1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/KM2，2区1级沟谷沟壑密度最大，为/KM2。研究区总沟壑密度为/KM2，景可14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/KM2，与本文的研究结论一致。本文通过对延河流域按高程进行分区，并且对不同分区的沟壑密度统计学特征进行分析，有助