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        黃土高原典型小流域侵蝕溝形態(tài)和穩(wěn)定性監(jiān)測初探

        2018-03-29 03:14:56董亞維
        水土保持通報(bào) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:總數(shù)水土保持流域

        王 略, 徐 佳, 董亞維

        (黃河水利委員會(huì) 黃河上中游管理局, 陜西 西安 710021)

        侵蝕溝是黃土高原主要的侵蝕地貌,侵蝕溝的發(fā)育是水力和重力共同作用的結(jié)果。侵蝕溝發(fā)育的基本形式是溝頭前進(jìn)、溝壁擴(kuò)張和溝底下切。陳永宗等[1]、劉秉正等[2]、唐克麗[3]基于多期遙感數(shù)據(jù)分析認(rèn)為侵蝕溝的溝頭和溝壁是發(fā)展的,有關(guān)試驗(yàn)站也在進(jìn)行侵蝕溝的觀測,但有關(guān)溝道發(fā)展的研究鮮見報(bào)道。鑒于這種情況,亟待通過侵蝕溝的監(jiān)測,對(duì)其動(dòng)態(tài)變化和影響因素形成認(rèn)識(shí),以便為侵蝕溝的利用、改造、治理提供科學(xué)依據(jù)。為此,水利部在“黃河流域全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測與公告項(xiàng)目”開展侵蝕溝動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作,選擇黃土高原地區(qū)6條典型小流域,開展侵蝕溝形狀特征、發(fā)育程度、形態(tài)變化等監(jiān)測,對(duì)侵蝕溝穩(wěn)定性進(jìn)行分析,初步構(gòu)建侵蝕溝穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以期為進(jìn)一步探索黃土高原地區(qū)侵蝕溝科學(xué)治理、水土流失災(zāi)害預(yù)防提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

        1 材料與方法

        1.1 侵蝕溝確定

        本次研究在黃土高原不同侵蝕類型區(qū)選擇了6條面積適中的典型小流域分別為:甘肅省天水市的橋子溝(分橋子?xùn)|溝、橋子西溝)、甘肅省定西市的安家溝、甘肅省慶陽市的南小河溝、陜西省綏德縣的王茂溝、山西省呂梁市方山縣的沙溝和內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯的二老虎溝(表1);在典型小流域中分別選擇2~4條長度300~500 m(控制面積約為10~20 hm2) 的典型支溝,共18條(表2)典型支溝作為研究對(duì)象。

        表1 典型小流域位置及面積統(tǒng)計(jì)

        表2 監(jiān)測支毛溝形狀參數(shù)

        1.2 研究內(nèi)容與方法

        1.2.1 侵蝕溝發(fā)育狀況監(jiān)測 在1∶1萬DEM基礎(chǔ)上,對(duì)6條典型小流域的侵蝕溝數(shù)量特征進(jìn)行提取,Ⅰ級(jí)侵蝕溝對(duì)應(yīng)于切溝,Ⅱ侵蝕溝對(duì)應(yīng)于較大切溝(或沖溝),Ⅲ侵蝕溝對(duì)應(yīng)于沖溝,Ⅳ侵蝕溝和Ⅴ侵蝕溝則對(duì)應(yīng)于坳溝(干溝)。具體方法為:侵蝕溝數(shù)量特征提取基于水文學(xué)基本原理,利用現(xiàn)有1∶1萬DEM數(shù)據(jù),提取各個(gè)流域的河網(wǎng),并手工對(duì)不合理的水系進(jìn)行修改(如平行河網(wǎng)問題),再采用A.N.Strahler水系分級(jí)方法對(duì)各流域的侵蝕溝進(jìn)行分級(jí)。

        1.2.2 侵蝕溝形態(tài)變化測量 典型小流域主溝道選取12個(gè)代表性斷面,支毛溝選取36個(gè)代表性斷面及支毛溝的溝頭,在雨季前后進(jìn)行測量,測量精度為亞米級(jí)。具體方法為:每個(gè)測量斷面至少埋設(shè)2個(gè)標(biāo)志樁,支毛溝溝頭最少布設(shè)2~3個(gè)圖根控制點(diǎn),對(duì)斷面控制樁和溝頭控制點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。以WGS-84橢球?yàn)榛鶞?zhǔn),按國家3度分帶規(guī)則當(dāng)?shù)厮谥醒胱游缇€建立的高斯投影坐標(biāo)系,采用動(dòng)態(tài)RTK方式GNSS測量,極坐標(biāo)方法、棱鏡與免棱鏡相結(jié)合的全站儀測量和RTK控制、全溝頭地形Reigl三維激光掃描等3種方法對(duì)所有斷面標(biāo)志樁及圖根控制點(diǎn)平面與高程位置進(jìn)行測量。用南方Cass軟件繪制地形特征線、地形線、等高線和斷面圖等。

        1.2.3 侵蝕溝穩(wěn)定性分析 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和收集到的相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)主溝道斷面、支毛溝溝道斷面、支毛溝溝頭分析形態(tài)變化,并進(jìn)行侵蝕溝穩(wěn)定分析,初步提出侵蝕溝穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。具體方法為:斷面分析的主要方法是根據(jù)兩期測量的斷面數(shù)據(jù),繪制出斷面圖,并對(duì)2次斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,逐點(diǎn)獲取兩次斷面數(shù)據(jù)的高程差,然后初步排除測量誤差和地形綜合誤差的影響,從而分析溝道是否加深,同時(shí)結(jié)合斷面長度分析斷面寬度是否加寬。支毛溝溝頭變化分析基于兩次野外測量的地形數(shù)據(jù)(包括控制點(diǎn),地形特征點(diǎn)、線等),獲取2次測量的最終地形圖;將兩次地形圖的等高線,特征點(diǎn)線導(dǎo)入到ArcGIS內(nèi),建立兩次測量的溝道的DEM數(shù)據(jù),并得到兩次測量的差異表面數(shù)據(jù);結(jié)合實(shí)地觀測情況,排除測量誤差與制圖綜合誤差的影響,獲取溝頭地形變化的主要區(qū)域。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 典型小流域侵蝕溝發(fā)育程度

        橋子溝流域侵蝕侵蝕溝總數(shù)48條,侵蝕溝級(jí)別可分為3級(jí),Ⅰ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為36條,占總數(shù)的75.00%,Ⅱ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為10條,占總數(shù)的20.83%,Ⅲ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為2條,占侵蝕溝總數(shù)的4.17%;安家溝流域侵蝕溝總數(shù)161條,侵蝕溝級(jí)別可分為4級(jí),Ⅰ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為131條,占總數(shù)的81.37%,Ⅱ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為23條,占總數(shù)的14.29%,Ⅲ侵蝕溝和Ⅳ侵蝕溝數(shù)量分別為5和2條,占總數(shù)的4.35%;南小河溝流域侵蝕溝總數(shù)439條,侵蝕溝級(jí)別可分為5級(jí),Ⅰ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為351條,占總數(shù)的79.95%,Ⅱ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為69條,占總數(shù)的15.72%,Ⅲ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為14條,占總數(shù)的3.19%,Ⅳ和Ⅴ級(jí)侵蝕溝數(shù)量分別為4和1條,占侵蝕溝總數(shù)的1.14%;王茂溝流域侵蝕溝總數(shù)241條,侵蝕溝級(jí)別可分為5級(jí),Ⅰ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為179條,占總數(shù)的74.27%,Ⅱ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為44條,占總數(shù)的18.26%,Ⅲ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為14條,占總數(shù)的3.19%,Ⅳ和Ⅴ級(jí)侵蝕溝數(shù)量分別為3和1條,占侵蝕溝總數(shù)的1.66%;沙溝流域侵蝕溝總數(shù)60條,侵蝕溝級(jí)別可分為4級(jí),Ⅰ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為49條,占總數(shù)的81.67%,Ⅱ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為8條,占總數(shù)的13.33%,Ⅲ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為2條,占總數(shù)的3.33%,Ⅳ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為1條,占侵蝕溝總數(shù)1.67%。二老虎溝流域侵蝕溝總數(shù)117條,侵蝕溝級(jí)別可分為4級(jí),Ⅰ級(jí)侵蝕溝數(shù)量為95條,占總數(shù)的81.20%,Ⅱ侵蝕溝數(shù)量為17條,占總數(shù)的14.53%,Ⅲ和Ⅳ侵蝕溝數(shù)量分別為4和1條,占總數(shù)的4.27%。6條典型小流域各等級(jí)侵蝕溝數(shù)量特征匯總情況見表3。

        表3 6條典型小流域各等級(jí)侵蝕溝數(shù)量特征

        2.2 各流域主溝道斷面、支毛溝溝道斷面、支毛溝溝頭變化情況

        各典型小流域主溝道斷面、支毛溝溝道斷面的2期觀測數(shù)據(jù)顯示,去除個(gè)別斷面點(diǎn)因地形綜合造成高程差有較大差異外,大部分?jǐn)嗝纥c(diǎn)的高程差均在誤差范圍以內(nèi),溝道的寬度、深度均未見明顯變化。沙溝支毛溝1、二老虎溝的3條支毛溝內(nèi)有一些發(fā)生變化的區(qū)域。

        2.3 侵蝕溝穩(wěn)定性分析及初步評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        針對(duì)典型小流域在監(jiān)測期間的地形變化與溝道斷面變化,結(jié)合流域的邊界線、溝沿線、流水線等地貌特征線以及坡度、土地利用、植被覆蓋度、水土保持措施、地表組成物質(zhì)等影響溝道發(fā)育的環(huán)境要素;以及18個(gè)支毛溝在監(jiān)測期間的地形變化與溝道斷面變化,結(jié)合支毛溝的溝沿線,土地利用,植被覆蓋,水土保持措施等進(jìn)行分析,影響溝道形態(tài)變化的因素為以下幾個(gè)方面。

        (1) 降雨因素[4]。這一因素是引起溝道侵蝕變化的主要?jiǎng)恿σ蛩?,包括降雨量與降雨強(qiáng)度2個(gè)方面。從溝道監(jiān)測的結(jié)果來看,溝道未發(fā)生顯著變化的幾個(gè)溝道降水都偏少,降雨強(qiáng)度也較弱,而地形變化較為明顯的流域,降水則偏多,且降雨強(qiáng)度較大。

        (2) 水保措施。除降水以外,水保措施的完善與否也直接影響著溝道形態(tài)的變化。本次監(jiān)測的6個(gè)流域均為黃河上中游重點(diǎn)監(jiān)測流域,水保措施相對(duì)來講都比較完善,每個(gè)支毛溝溝頭附近均修筑有各種梯田,魚鱗坑、水平溝等水保措施。這些水保措施有效地防止了侵蝕的發(fā)生。

        (3) 植被覆蓋因素[5]。這一因素也對(duì)侵蝕的發(fā)生有重要影響,植被覆蓋度高的溝道,侵蝕相對(duì)就較弱。同時(shí),具體的植被覆蓋措施也會(huì)影響到植被覆蓋發(fā)揮的減弱侵蝕的作用。

        (4) 匯水面積。匯水面積[6-7]對(duì)侵蝕的發(fā)生也有重要影響。二老虎溝侵蝕較強(qiáng)也與二老虎溝溝道上游匯水面積較大有直接關(guān)系,特別是二老虎溝支毛溝3,上游匯水面積較大。

        (5) 坡度。支毛溝集水區(qū)和溝道內(nèi)的坡度也對(duì)匯流過程有著重要影響。二老虎溝支毛溝2相對(duì)于支毛溝1的侵蝕弱些,其中一個(gè)原因就是支毛溝2相對(duì)于支毛溝1整個(gè)溝道的地形要平緩些。

        (6) 地表組成物質(zhì)。溝道內(nèi)地表組成物質(zhì)[8-10]也是影響侵蝕發(fā)生的重要因素。二老虎溝溝道內(nèi)均為砒砂巖覆蓋,抗蝕性差,在強(qiáng)降雨條件下極易發(fā)生侵蝕,所以地形變化較為明顯。而安家溝溝道內(nèi)的老黃土的抗蝕性較強(qiáng),是安家溝地形變化不顯著的一個(gè)重要原因。

        通過對(duì)溝道形態(tài)變化因素的總結(jié),初步形成侵蝕溝穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表4)。

        表4 侵蝕溝穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

        3 討論與結(jié)論

        根據(jù)監(jiān)測期內(nèi)對(duì)各典型小流域侵蝕溝的動(dòng)態(tài)監(jiān)測,摸清了小流域的侵蝕溝數(shù)量情況,對(duì)比地形與溝道變化的情況,將影響侵蝕溝溝道形態(tài)變化的因素基本總結(jié)為:降水因素、水保措施、植被覆蓋因素、匯水面積、坡度、地表組成物質(zhì)等幾個(gè)主要因素,初步形成侵蝕溝穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。結(jié)合監(jiān)測過程、結(jié)果討論得出以下建議:

        (1) 根據(jù)各流域侵蝕溝動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測結(jié)果來看,在同一小流域的支毛溝,因?yàn)槠淇臻g距離較小,各種影響侵蝕因素的情況基本類似,監(jiān)測結(jié)果也很相似。所以一個(gè)小流域內(nèi)只重點(diǎn)選擇1~2條支毛溝開展監(jiān)測工作即可。

        (2) 侵蝕溝監(jiān)測的重點(diǎn)應(yīng)放在支毛溝尺度,重點(diǎn)監(jiān)測支毛溝變化情況以及支毛溝的地形、斷面、溝沿線等內(nèi)容。

        (3) 后續(xù)的侵蝕溝監(jiān)測工作可增加一些治理度差的溝道進(jìn)行,并對(duì)侵蝕溝至少進(jìn)行5~10 a連續(xù)監(jiān)測,才能得出更科學(xué)、準(zhǔn)確的結(jié)論。

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