基于地形临界的东北漫岗黑土区浅沟侵蚀预测模型

基于地形临界的东北漫岗黑土区浅沟侵蚀预测模型

平沟侵蚀是农田常见的侵蚀类型之一。在过去的20年里，人们逐渐意识到这是草地最重要的侵蚀类型之一。浅沟侵蚀与细沟侵蚀和切沟侵蚀既相似又有一定的区别,在一些地区可以说是细沟侵蚀向切沟侵蚀发展的过渡类型。浅沟侵蚀不仅造成土地生产力下降、不利于耕作,还会造成下游异地的泥沙和水质问题。影响浅沟侵蚀的因素有土壤可蚀性、土地利用及耕作措施、降水和流域地形,其中流域地形特征是非常重要的因素。浅沟的形成和发展依赖于一定的径流量和势能,而上游汇水面积及坡度控制着径流量和势能的大小。由于缺乏径流资料,在许多研究中通常用汇水面积来代替径流量。一般认为,在Horton坡面漫流为主的地区,径流量随流域面积呈比例增加。许多研究者利用临界坡度(S)和汇水面积(A)的关系预测浅沟、切沟侵蚀的沟头位置以及浅沟的沟道。S-A关系可表示为通式S×Ab>a,其中S为坡度(m/m),A为上游集水区面积(hm2),b为相对面积指数(无量纲),a为临界值。另外,也有学者研究了地形因子与浅沟侵蚀体积的关系。当前东北黑土区的水土流失问题日益受到关注,但该区的浅沟侵蚀研究还较少。本文根据在黑龙江省鹤山农场两个小流域的浅沟侵蚀监测数据,关于流域地形因子对浅沟侵蚀的影响进行了探讨,并尝试建立预测浅沟侵蚀长度的回归模型,以期为进一步研究黑土区坡耕地土壤侵蚀机理和制定流域水土保持措施提供依据。1dem和hydro文化分析方法研究区位于黑龙江省农垦九三分局鹤山农场六队附近的两个小流域(东经125°16′,北纬48°58′),流域面积分别为3.6km2和2.8km2,土地利用方式主要是耕地,分别占90%和85%。该区地处小兴安岭西南麓丘陵漫岗地带,为典型黑土区,地形起伏和缓,坡度大多1°～5°,坡长较长,一般达500～4000m,海拔303～366m。年平均降水量在500mm左右,降雨年际变化大,集中于夏季。坡耕地上分布有间隔数百米、约1.5km长的人工防风林带,林带方向有横坡和顺坡两种。研究区具有明显不同于我国其它地区的土壤侵蚀过程,一是典型的春季融雪侵蚀过程;二是在影响土壤侵蚀的地形因子中,长坡长的影响作用十分突出。数据获取分为野外测量和室内数据处理两部分。获得浅沟发生部位后,即可获取浅沟所在汇水单元的地形因子。地形因子选取汇水面积(A)、流域坡度(Sw)、浅沟坡度(S)和坡面长度(L)4个因子。汇水面积是浅沟所在集水区出口以上的面积,用1∶1万地形图生成的DEM(5m×5m)进行水文分析得到,所用的软件为ArcGIS9.0(ESRI,Redlands,Calif.)的ArcHydro水文模块。野外踏勘时发现,防风林带阻碍了径流向下坡流动,尤其是离分水岭最近的林带阻碍作用更大,因此在分析浅沟汇水面积时要考虑这种作用。具体做法是,用DEM分析得到每个浅沟的汇水单元后与林带叠加,勾绘出分水岭与最近林带间的部分,二者之差即为浅沟的有效汇水面积。坡面长度是指沿浅沟方向从分水岭到汇水出口的距离,用手持GPS(GPS12XL,Garmin,Olathe,KS)在野外定位确定。坡度包括流域坡度和浅沟坡度,是指沿浅沟方向上的平均坡度,采用坡度仪测量(±0.5°)。分析前对浅沟数据进行了选择,去除了由车辙、林带、排水沟等因素引起的浅沟以及春夏发生位置重复的浅沟,最后得到样本21个。根据浅沟监测数据(浅沟长度及浅沟侵蚀体积)和地形因子的计算结果,应用SPSS11.0的相关分析和回归分析模块,分析地形因子与浅沟侵蚀的关系,显著水平P<0.05。2结果与讨论2.1浅沟侵蚀强度与坡度的关系浅沟长度与坡面长度呈显著正相关(R=0.831),与汇水面积也有较好的相关关系(R=0.652),表明浅沟长度随坡面长度、汇水面积的增大而增大。由图1可以看出,坡面长度决定浅沟长度的71%。坡面长度和汇水面积的大小决定了发生径流时坡面径流量的多寡,也进而决定了浅沟侵蚀强度。浅沟侵蚀体积与坡面长度(R=0.712)、汇水面积(R=0.704)也有较好的相关性,而且相关系数几近相等。这可能在于浅沟所在集水区的形状多为狭长椭圆形,汇水面积与坡面长度显著相关(R=0.841)。因此在用地形因子进行浅沟侵蚀预测时,可以在这两个因子中选用相关系数较大的坡面长度作为参数。上述分析表明,在其他条件一定时,汇水面积和坡面长度浅沟形成与发展起到了决定性作用,可以作为估计浅沟侵蚀强度的指标。可以看出,无论是浅沟长度还是浅沟侵蚀体积与坡面长度的相关性都较显著,这与该区坡长坡缓的地形特征吻合,体现了该区长坡侵蚀的特点。在利用地形因子对该区的浅沟进行预测时要考虑到这种特点。浅沟侵蚀是集中水流与土壤相互作用的结果,而汇水面积和坡面长度只能表示径流因子。浅沟体积与汇水面积及坡面长度的关系不如浅沟长度与这两因子间的相关性大,表明仅仅用径流因子不能很好地解释浅沟侵蚀,必须同时考虑土壤可蚀性因子。浅沟长度则不同,受径流因子影响较大。汇水面积的增大意味着发生径流时径流量增加,在坡度较缓的情况下,浅沟长度随之增加。浅沟长度与浅沟坡度(R=-0.504)、流域坡度(R=-0.708)均呈负相关,其中浅沟长度与流域坡度的负相关还较显著,这可能是由于坡面长度与流域坡度呈负相关(R=-0.516),也即坡度大的坡面坡长较短,而浅沟长度与坡面长度显著正相关,因此也表现出浅沟长度与流域坡度呈负相关的关系。野外看到,坡度较陡的坡面,浅沟多形成于坡度突变的坡面下部,长度较短。浅沟侵蚀体积与浅沟坡度(R=-0.393)、流域坡度(R=-0.526)负相关,原因在于浅沟侵蚀体积主要由其长度决定。浅沟长度、侵蚀体积与坡度负相关,并不表明浅沟侵蚀强度随坡度增加而减弱。这可能与研究区坡度缓、变化幅度小有关,两流域的坡耕地坡度大多在1°～5°之间,较陡的也只有7°,平均3°左右。而坡长较长,坡度的微小变化不能反映在浅沟侵蚀强度的变化上。因此,研究区坡度对浅沟侵蚀的影响有限,可以说是一个背景因素。这也表明在其他条件一定时,由于研究区的长坡地形特征,汇水面积较大,在较小的坡度条件下,也容易发生严重的浅沟侵蚀。鉴于坡面长度对浅沟侵蚀影响显著,可以通过减少坡长、减少坡地径流的水土保持耕作方法,减少坡长的有效值,防止沟蚀发生。研究区的防护林带由于未考虑坡长和坡度的影响,横坡林带只起到有限的作用,而顺坡林带则加剧了土壤侵蚀。2.2浅沟和切沟的临界面值浅沟若不加以治理会发展成切沟。野外观察到,研究区坡耕地上的切沟往往由浅沟演化而来,形成坡上部是浅沟、下部是切沟的分布情形。2005年夏季监测时发现,在9条浅沟的下方形成8条切沟。这可能是浅沟侵蚀由于耕作活动而加剧,使坡面横向起伏加大,汇水面积也渐渐增加,浅沟侵蚀进而加剧,在坡面下部演变成切沟侵蚀。研究区浅沟侵蚀向切沟侵蚀的转变主要是通过局部突变的方式来实现。切沟沟头往往在下坡的林带下形成,8条切沟中,有4条紧挨着林带下形成,这表明防风林带对浅沟向切沟转变有相当大影响。地形在浅沟和切沟的形成以及浅沟向切沟转变中起着关键的作用,汇水面积(A)和临界坡度(S)二者的关系经常用于确定已有沟道侵蚀的沟头,预测什么地方可能会发生沟蚀。根据监测的浅沟和切沟数据,将二者沟头坡度与其上游集水区面积绘制在双对数纸上,通过这些点的下限作直线(如图2所示),分别得到浅沟与切沟的S-A临界关系:SEG=0.052A−0.148EGEG-0.148和SG=0.072A−0.141GG-0.141,其中汇水面积(A)为浅(切)沟头以上的汇水面积,坡度(S)为浅(切)沟头处的坡度。可以看到,S-A关系中,浅沟与切沟的相对面积指数b值几近相等,在图2上二者的直线也近乎平行,这是因为作为相对面积指数的b值与流域的降水、土壤、土地利用、植被有关,而研究区的这些因素基本上一致。临界值a的大小可用来判断可能发生切沟侵蚀与浅沟侵蚀的部位,在图2上,直线SEG=0.052AEG-0.148和SG=0.072A−0.141GG-0.141之间是可能发生浅沟侵蚀的区域,而在直线SG=0.072AG-0.141之上的区域则有可能发生切沟侵蚀。这里a值落在前人相关研究的范围内,而b值则比他们的值小。本研究的SEG=0.052A−0.148EGEG-0.148和SG=0.072A−0.141GG-0.141可用来预测漫岗黑土区小流域内可能发生浅沟侵蚀向切沟侵蚀转变的部位。2.3预测方程的验证要评价浅沟侵蚀对土地资源的危害,一方面要预测流域中可能发生浅沟侵蚀的部位;另一方面要确定其造成的侵蚀产沙量。前人研究表明浅沟长度与浅沟侵蚀体积显著相关,浅沟长度可以决定其体积的82%～91%。通过预测浅沟长度来代替预测浅沟体积精度也较高,用地形临界理论预测浅沟长度也具有一定的可行性。从上面的分析知道,坡面长度和汇水面积对浅沟侵蚀有显著的影响。本文尝试从地形角度建立预测浅沟长度的模型。这里我们利用多元逐步回归方法对浅沟长度(L)与汇水面积(A)、浅沟坡面长度(Lw)、浅沟坡度(SEG)、流域坡度(Sw)以及它们之间的组合Sw×L,A×Sw,A×Sw×Lw进行分析,最后只有坡面长度被选择。最好的回归方程是(P<0.05):L=26.13+0.4LwR2=0.71(1)L=26.13+0.4LwR2=0.71(1)对于一个流域,可通过上式估计浅沟侵蚀长度,然后通过浅沟长度与体积的关系得到浅沟侵蚀量。由于样本较少,为了判断预测方程的优劣,我们采用交叉验证方法对其进行检验,即逐个移去浅沟监测数据,用其它的监测数据进行拟合后去估计去除点的值,然后与实测值进行比较验证估计精度。对于浅沟数据,逐个做了交叉验证,误差情况如表1所示。从单个浅沟长度的预测来看,模型预测精度不高(表1)。预测浅沟长度中有13个大于实测值,8个小于实测值;绝对误差在5.1～133.2m之间,平均57.0m;相对误差在2.3%～109.5%之间,平均37.0%。但从预测的浅沟总长度来看,预测浅沟总长度为4183.8m,与实测浅沟总长度4198.0m非常接近。因此,用该预测方程来估计流域浅沟总长度可行性较大。浅沟长度与侵蚀体积有显著的幂函数关系(V=aLb)。基于此,对21条浅沟的侵蚀体积与长度进行拟合,得到方程(2),a和b值分别为0.015和1.429,a值落在前人相关研究的范围内,b值则较大。V=0.015⋅L1.429R2=0.67(2)V=0.015⋅L1.429R2=0.67(2)式中:V——浅沟体积(m3);L——浅沟长度(m)。为了进一步验证方程(1)的预测效果,对上述21条浅沟将其实测长度和预测长度代入方程(2)求出相应的浅沟侵蚀总体积,然后与实测侵蚀总体积进行比较。由实测长度计算得到的总体积为682.5m3,与实测总体积(702.0m3)的误差为3%;而由预测长度估计的流域浅沟侵蚀总体积为659.8m3,与实测总体积的误差是6%,这说明该预测方程在浅沟侵蚀总量方面的精度较高。但由于数据有限,只进行了交叉验证,因此还需要用其他流域的浅沟侵蚀资料来检验。另外,除地形因素外,冻融、土地利用及耕作措施、降水对浅沟侵蚀都有较大的影响,因此下一步工作需要考虑把土壤表面特征、植被覆盖及降水因素整合进来。3浅沟和切沟侵蚀的s-a临界关系首先对地形因子与浅沟侵蚀进行了相关分析,发现浅沟长度、侵蚀体积与坡面长度呈显著相关,与汇水面积也有较好的相关关系,表明浅沟侵蚀强度随坡面长度、汇水面积的增大而增大。浅沟长度、侵蚀体积与流域坡度呈负相关,原因在于研究区坡度大的坡面坡长较短。