陳偉華+唐慶+王娜娜+羊秀娟

摘 要：淮河流域水土流失較為嚴(yán)重，而作為淮河源頭桐柏縣的水土流失量所占整個(gè)流域的比重較大。該文基于桐柏縣空間分辨率為30m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，運(yùn)用Arcgis10.2軟件作為處理工具，提取該地區(qū)的地形因素（如坡度、坡向、粗糙度等）。研究該區(qū)域在同一分辨率下，淮河源頭的基本地形地貌特征。結(jié)果表明：桐柏縣域內(nèi)地表的坡度和起伏度相對(duì)較大，坡向占區(qū)域的面積和地表的粗糙度較大，地形地貌破碎程度較高。這些地形特征的獲得為該地區(qū)的水土流失預(yù)防與治理提供依據(jù)，也為當(dāng)?shù)亟陙?lái)的水土保持工作提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字高程模型；坡度；坡向；粗糙度；桐柏縣

中圖分類(lèi)號(hào) S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）11-0112-03

數(shù)字高程模型作為研究空間變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是地表形態(tài)的一種數(shù)字化表達(dá)，蘊(yùn)含了豐富的地學(xué)應(yīng)用分析所需要的基本地形地貌信息[1-2]。而地形因子是最基本的自然地理要素，能夠?yàn)檠芯颗c表達(dá)地貌形態(tài)特征提供一定的參數(shù)或指標(biāo)[3]。地形因素的提取及分析與評(píng)價(jià)對(duì)于防治水土流失，土地利用規(guī)劃與管理[4]，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理利用，水文地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)控制及預(yù)防等都有其極其重要的作用。地形因素的提取方法大多基于數(shù)字高程模型（DEM），它能夠反映一定分辨率的局部地形特征[3，5-6]。通過(guò)從高分辨率的原始DEM數(shù)據(jù)中提取坡度、坡向、粗糙度等特征，能夠直觀地展示研究區(qū)域的基本地形地貌，為更好地分析區(qū)域水土流失的原因提供參考依據(jù)。

桐柏山區(qū)是淮河的源頭，同時(shí)也是淮河流域三大水土流失源地之一，但國(guó)內(nèi)外對(duì)該區(qū)域的關(guān)注及研究?jī)?nèi)容較少。本文基于桐柏縣30m空間分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，使用Arcgis10.2軟件提取相關(guān)因素對(duì)該區(qū)域的地形地貌進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，從而揭示該區(qū)域產(chǎn)生水土流失的原因。

1 研究區(qū)概況

桐柏縣為淮河的發(fā)源地，地處河南省西南部，豫、鄂交界地帶，介于東經(jīng)113°00′～113°49′，北緯32°17′～32°43′。境內(nèi)海拔約80～1200m，桐柏山貫穿全境，地形以低山、丘陵為主。該區(qū)域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)型大陸性溫濕氣候，干濕季分明，雨量豐沛，平均年降水量1168mm，年平均氣溫15℃，1月平均氣溫2°C，7月平均氣溫28℃，無(wú)霜期可達(dá)231d，年平均日照時(shí)數(shù)2027h。區(qū)內(nèi)水系分屬淮河、長(zhǎng)江兩大水系，以淮源鎮(zhèn)固廟村西嶺和大河鎮(zhèn)土門(mén)村的新坡嶺為分水嶺，東屬淮河流域，西屬長(zhǎng)江流域。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 研究區(qū)采用空間分辨率為30m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/search）。同時(shí)使用Arcgis10.2軟件，對(duì)研究區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌拼接，從全國(guó)縣級(jí)行政區(qū)劃圖中提取桐柏縣的縣級(jí)區(qū)域，并通過(guò)掩膜提取的方式獲得桐柏縣的DEM數(shù)據(jù)（圖1）。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 建立高程值 由掩膜提取的方式獲得的DEM數(shù)據(jù)可知桐柏縣的高程值在80～1122m。東部、西部、東南部地勢(shì)較低，中部、東北和西南部地勢(shì)較高。西南部為構(gòu)造剝蝕低山，北部多為剝蝕丘陵，東部有堆積剝蝕崗地，東南部和西北部多為河谷平原[7]（圖2）。

2.2.2 提取坡度并分類(lèi) 坡度（slope）是地表單元陡緩的程度，通常是指坡面的垂直高度和水平面距離的比值。坡度作為地形因子最重要的指標(biāo)，它的大小是導(dǎo)致水土流失最直接的因素[8]。利用ArcToolbox工具——3D Analyst工具——柵格表面——坡度功能來(lái)提取桐柏縣的坡度，并對(duì)得到的坡度圖層進(jìn)行重分類(lèi)（圖3、圖4）。

2.2.3 坡向提取 使用Arcgis10.2軟件中的表面分析工具來(lái)提取坡向，獲得相應(yīng)的坡度圖層，所獲得的數(shù)據(jù)范圍在0～360°，正北方向?yàn)?。根據(jù)坡面投影方向的不同，將坡向分為平面、北、東北、東、東南、南、西南、西、西北9個(gè)方向。

2.2.4 地面粗糙度的提取 地面粗糙度是指在一個(gè)范圍內(nèi)，地球表面積與其投影面積之間的比例，是衡量地表形態(tài)的一個(gè)宏觀指標(biāo)[9]。在Arcgis10.2中，利用空間分析模塊下的表面分析工具提取坡度，得到桐柏縣的坡度數(shù)據(jù)圖層，同時(shí)使用空間分析中的柵格計(jì)算器，得到地面粗糙度數(shù)據(jù)圖層，計(jì)算公式采用1/Cos（slope*π/180），其中π取值為3.14。

3 結(jié)果與分析

3.1 高程 熱量和水分隨地面高程的變化會(huì)產(chǎn)生較大的差異，從而影響一定區(qū)域范圍內(nèi)的土地利用方式。桐柏縣海拔在80～264m的區(qū)域基本上是以耕地和建設(shè)用地以及水域?yàn)橹鳎欢０卧?64m以上的區(qū)域，已不適合發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，土地利用方式以林地和草地為主；海拔在600m以上的區(qū)域，耕地面積極少，生態(tài)林居多。

3.2 坡度 在地形因素中，坡度是導(dǎo)致水土流失的重要因子，是決定地表徑流沖刷強(qiáng)度的基本因素[10]。相關(guān)研究表明，坡面的沖刷能力隨坡度的增大和徑流流速加快而增強(qiáng)，但增加到一定程度，坡面的受雨面積減少，坡面侵蝕反而減弱[11]。坡度可能導(dǎo)致重力侵蝕的發(fā)生，在一般情況下，坡度越大，坡面的穩(wěn)定性越差，發(fā)生重力侵蝕的可能性越大。本研究將坡度劃分為<5°、5～8°、8～15°、15～25°、25～35°、35～64.88° 6個(gè)級(jí)別，分別為微坡、較緩坡、緩坡、較陡坡、陡坡、急陡坡，計(jì)算6個(gè)坡度類(lèi)別分別所占桐柏縣域的面積。由圖4可知，桐柏縣域內(nèi)的坡度在5°以下的區(qū)域占桐柏縣域面積的1/2以上，地勢(shì)較為平坦，適合發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；坡度在5～25°的區(qū)域約占整個(gè)區(qū)域面積的1/3，農(nóng)業(yè)發(fā)展受到一定的限制，較適宜發(fā)展林牧業(yè)，但容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的侵蝕而增加發(fā)生水土流失的風(fēng)險(xiǎn)，需重點(diǎn)加以監(jiān)測(cè)；坡度在25°以上的區(qū)域占全區(qū)域的面積雖小，但地形起伏度較大，坡面容易失穩(wěn)而發(fā)生重力侵蝕，并不適于發(fā)展農(nóng)林牧產(chǎn)業(yè)，同時(shí)還必須加以有效的關(guān)注，采取一定的措施來(lái)治理水土流失。

3.3 坡向 根據(jù)所得到的坡向圖層，分別計(jì)算各坡向等級(jí)所占桐柏縣整個(gè)坡向面積的比例如表1所示。由表1可知，陽(yáng)坡占桐柏縣區(qū)域面積的40.15%，陰坡占33.31%。坡向與土壤水熱條件和植被生長(zhǎng)狀況都有著密切的關(guān)系，也會(huì)對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生一定的影響。桐柏縣陽(yáng)坡較陰坡接受到的太陽(yáng)輻射較多，土壤中的空氣質(zhì)量較為充足，但是陽(yáng)坡的土壤水分和有機(jī)質(zhì)含量的積累較差，土壤中的營(yíng)養(yǎng)成分容易散失，導(dǎo)致陽(yáng)坡的植物生長(zhǎng)不良，植被覆蓋率降低。陰坡與陽(yáng)坡環(huán)境條件相反，桐柏縣陰坡的濕度較低，植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分容易積累，不易散失，植被生長(zhǎng)條件較好。

3.4 粗糙度分析 地面粗糙度可以在一定程度上反映地形地貌破碎化的程度[9]。由所得到的粗糙度圖層可知，桐柏縣域內(nèi)的地表粗糙度介于1～2.353。按照自然斷點(diǎn)法可將粗糙度分為五級(jí)，其中一、二級(jí)粗糙度分別占總面積的79.11%、13.92%；三、四、五級(jí)粗糙度之和占總面積的比例較小，僅為6.98%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：一級(jí)粗糙度，即最低粗糙度所占面積最大，即表明桐柏縣大部分地區(qū)的地形地貌較為完整，破碎化程度較低；第三、四、五級(jí)粗糙度，即最高粗糙度所占面積較小，但由于桐柏縣域內(nèi)因桐柏山區(qū)的存在，在一些地區(qū)地形地貌的破碎化程度較高（圖5）。

4 結(jié)論

本文通過(guò)提取桐柏縣的地形因素，研究了桐柏縣域內(nèi)的地形地貌特征，對(duì)該區(qū)域發(fā)生水土流失的原因進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：桐柏縣域內(nèi)地表的坡度和起伏度相對(duì)較大，為水土流失的發(fā)生提供了條件。同時(shí)，坡向占區(qū)域的面積較大，地區(qū)地表的粗糙度較大，地形地貌破碎程度較高，對(duì)該地區(qū)產(chǎn)生的水土流失具有一定程度的影響，為該地區(qū)的水土流失預(yù)防與治理提供一定的參考。另一方面，桐柏山區(qū)的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，潛在的水土流失及危害程度較高，部分地區(qū)還存在著滑坡、山洪等方面的地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這方面的監(jiān)測(cè)與預(yù)防。

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（責(zé)編：張宏民）