王曉晨， 許 強(qiáng)， 趙寬耀， 葉 震， 郭 鵬， 郭 晨

〔地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 四川 成都 610059〕

位于陜西省北部的延安市為整個(gè)黃土高原治溝造地重要示范區(qū)。整個(gè)黃土地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，梁峁溝縱橫，地表支離破碎，土地資源極其匱乏，可供人們建房耕種的面積較少，在該研究區(qū)實(shí)施治溝造地工程，成為了增加耕地面積和擴(kuò)展土地資源的重要舉措，同時(shí)可有利減少溝道的水土流失，緩解黃土地區(qū)用地緊張的問題，帶動(dòng)當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，但同時(shí)如何更合理更科學(xué)的實(shí)施治溝造地工程也引發(fā)了一系列新的問題和思考。在延安市治溝造地工程中，學(xué)者在工程分布規(guī)律方面的研究匱乏，在治溝造地的適宜性方面，基于治溝造地基本概況，衛(wèi)丹妮[1]提出了治溝造地開啟新的土地利用模式，劉彥隨等[2]提出了應(yīng)發(fā)展交錯(cuò)的地貌優(yōu)勢提高土地利用率，王光冬等[3]通過考察證明治溝造地工程在當(dāng)?shù)氐玫酱蠓秶恼J(rèn)可，陳超[4]研究結(jié)果顯示研究區(qū)社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和綜合效益均有提升，賀春雄[5]研究表明需實(shí)現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。同時(shí)國內(nèi)外學(xué)者從治溝造地工程的不同影響因素角度進(jìn)行了研究，在坡度方面陳怡平等[6]提出大于15°以上的坡耕地適合退耕；賀春雄[7]通過實(shí)踐提出一般造地時(shí)選擇溝坡坡度小于25°；董起廣等[8]提出25°以上的坡耕地應(yīng)在還林還草同時(shí)改變農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，唐克麗[9]提出發(fā)生淺溝的臨界坡度為15°～20°,大于25°的陡坡耕地淺溝發(fā)生的頻率最高，同時(shí)中華人民共和國水土保持法規(guī)定:禁止在25°以上陡坡地開墾種植農(nóng)作物[10]，國外學(xué)者Nyssen等人[11]提出坡度是影響壩體穩(wěn)定性的主要原因，多個(gè)學(xué)者提出治溝造地在陡坡方面成果十分不理想，導(dǎo)致水土流失，坡面植被大面積破壞。由于黃土高原特殊性質(zhì)以及黃土特殊結(jié)構(gòu)，治溝造地工程也會(huì)誘發(fā)一定的地質(zhì)災(zāi)害，水文方面董起廣等人[8]提出強(qiáng)降雨后會(huì)引發(fā)壤中流，多次堆積后十分嚴(yán)重，同時(shí)強(qiáng)降雨時(shí)河道改道兩側(cè)坡體由于黃土的濕陷性導(dǎo)致工程水毀，有時(shí)引發(fā)水土流失，陳怡平等[6]提出由于溝壑地勢的特殊，雨水不易就地如滲，容易形成徑流，水土流失，部分地方還會(huì)產(chǎn)生崩塌，雷娜等學(xué)者[12]提出壤中流多次會(huì)導(dǎo)致土壤鹽堿化?；谝阎卫砉こ?，袁延西等提出治溝造地時(shí)溝道切割較深，支溝發(fā)育，溝頭水力與重力侵蝕發(fā)育，溝坡及塬面沖溝，水土流失，滑坡、崩塌現(xiàn)象較多[13]，梁衛(wèi)東等發(fā)現(xiàn)部分工程中存在邊坡植被修復(fù)不理想化，退耕還林成果低，居民生活收入下降，缺少水土保持規(guī)劃等一系列問題[14]，Assefa等人[15]表明草和樹木常被用來加固溝壑，Yongqiu Wu[16]等人實(shí)踐表明GPS適用于小而慢的地表形貌變化的連續(xù)監(jiān)測，Valentin等人[17]提出要注重溝壑侵蝕問題，溝壑的侵蝕會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。通過以上的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者僅研究了治溝造地工程中微觀的災(zāi)害問題，鮮有對治溝造地工程宏觀上的分布規(guī)律以及影響因素方面的研究，在大多數(shù)學(xué)者的研究中缺乏數(shù)據(jù)的支持，故本文基于詳實(shí)的數(shù)據(jù)研究了延安市寶塔區(qū)治溝造地工程的分布規(guī)律以及影響因素，為之后的治溝造地工程提供了科學(xué)方法和治理思路。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

位于陜西省北部延安市的治溝造地研究區(qū)總面積為306.35 km2，地處西安市以北371 km，北連榆林，南接關(guān)中咸陽、銅川、渭南三市，東隔黃河與山西臨汾、呂梁相望，西鄰甘肅慶陽。位于黃河中游，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地貌類型主要以黃土高原和丘陵為主，地勢西北高東南低，平均海拔1 200 m左右，北部以黃土梁峁、溝壑為主，南部以黃土塬溝壑為主。該研究區(qū)是典型的治溝造地示范區(qū)，四季分明，通過治溝造地工程農(nóng)作物得到了大面積的耕種。

1.2 工程分布規(guī)律研究方法

1.2.1 研究區(qū)宏觀區(qū)域工程分布規(guī)律研究方法 對研究區(qū)內(nèi)治溝造地工程進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，認(rèn)清治溝造地工程的基本特征，基于現(xiàn)場的認(rèn)知，研究采用Gooth Earth中2016年研究區(qū)的高分影像進(jìn)行目視解譯，空間分辨率為1.0 m，在ArcGIS中將研究區(qū)依照分水嶺及水系分為31個(gè)單流域，從北向南，從西向東對單個(gè)流域依次進(jìn)行編號(hào)，在整個(gè)流域中運(yùn)用不同顏色線條將未治理溝與已治理溝區(qū)分出來。定義治溝率e來表示各流域中治理工程的程度，利用式(1)計(jì)算：

(1)

式中：e——治溝率；Ly——各流域中已治理溝長度總和；Ls——各流域中所有溝的長度總和。

在ArcGIS中運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具提取每個(gè)流域中每個(gè)治理工程的長度并求和(Ly)以及所有溝的長度并求和(Ls)。對高程的提取，采用研究區(qū)STRM空間分辨率為30 m的DEM，在ArcGIS中對每個(gè)流域提取所有點(diǎn)的高程，通過計(jì)算得到每個(gè)流域的平均高程，結(jié)合治溝率在Origin中擬合趨勢線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到宏觀流域上治溝率和各流域平均高程的關(guān)系。

1.2.2 單流域工程分布規(guī)律研究方法 為了表明治理工程在整個(gè)流域中的相對位置，參考了Pike與Wilson(1971年)通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，提出的面積高程積分(HI)的簡易計(jì)算公式[18]：

(2)

通過STRM的DEM對各流域主溝進(jìn)行剖面分析可知各流域主溝高程均為線性降低，基于HI的定義在此針對本文中單流域工程的研究定義無量綱參數(shù)高程率(I)來表示各個(gè)治理工程在單流域所處的相對于上下游的位置，通過定義高程率將整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的治理工程納入一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。高程率計(jì)算公式為：

(3)

式中：I——高程率；hx——高程標(biāo)記點(diǎn)的高程；hmin——每個(gè)流域中溝尾的高程；hmax——每個(gè)流域中溝頭的高程。

高程率可以反映出hmax，hmin和hx的相對位置關(guān)系，得到不同流域中已治理溝存在于主溝中相對應(yīng)的位置，用于分析已治理工程的分布規(guī)律即表明了治溝造地的規(guī)律。

在定義高程率后，分別在每個(gè)溝溝頭、溝尾及每個(gè)已治理溝溝口依次繪制高程標(biāo)記點(diǎn)，運(yùn)用式3得到每個(gè)流域中已治理溝溝口高程標(biāo)記點(diǎn)的高程率，通過運(yùn)用Origin對所有高程標(biāo)記點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到單個(gè)流治溝造地工程的分布規(guī)律?；谥玫降?44個(gè)高程率運(yùn)用散點(diǎn)圖表示，將高程率作為縱坐標(biāo)，每一個(gè)治溝溝口標(biāo)記點(diǎn)作為橫坐標(biāo)(圖6)，即每個(gè)高程點(diǎn)所對應(yīng)的高程率的散點(diǎn)圖，結(jié)合得到的散點(diǎn)圖進(jìn)一步分析治溝造地工程分布規(guī)律。

1.3 工程分布影響因素研究方法

對于坡度分析，在顧屯流域中分別運(yùn)用STRM的DEM作為顧屯流域治溝造地之前的DEM與無人機(jī)所獲得的治溝造地之后的DEM做對比分析，在ArcGIS中將不同的DEM切不同方向的剖面進(jìn)行工程前后溝壑坡度的對比分析。進(jìn)一步通過目視解譯，將居民點(diǎn)在影像之中作以標(biāo)注，分析居民點(diǎn)與已治理工程分布的規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀區(qū)域工程分布規(guī)律研究

將整個(gè)研究區(qū)視為宏觀上一個(gè)整體的流域，對單個(gè)流域依次進(jìn)行編號(hào)(圖1)。為強(qiáng)調(diào)分水嶺的概念，個(gè)別十分窄小流域在一定意義上不能算作一個(gè)單獨(dú)的流域，為將其余較大的流域保證完整和美觀，將它在ArcGIS之中劃分流域時(shí)算作一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域。

圖1 研究區(qū)流域分區(qū)

在宏觀流域即延安研究區(qū)整個(gè)流域中，確定好每個(gè)單個(gè)流域中未治理溝與已治理溝的分布(圖2)，圖中已治理溝為實(shí)線，未治理溝為虛線，可以看出治理溝大部分分布在每個(gè)主溝中支溝的溝頭位置，在北部治理溝的數(shù)量明顯多于南部。有些過小的區(qū)域中沒有已治理溝分布，部分因?yàn)樵摿饔蛎娣e較小，不存在單個(gè)較大的主溝壑，基于之上初步分析，進(jìn)一步通過計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

圖2 研究區(qū)治理溝與未治理溝對比

2.1.1 治溝率 結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法基于圖2分析，計(jì)算出每個(gè)單個(gè)流域治溝率。由于31個(gè)流域的數(shù)據(jù)太過于零散，為使數(shù)據(jù)具有整體性，將每個(gè)分流域的治溝率作為一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化，均勻的按照治溝率的數(shù)值變化分為九個(gè)等級(jí)分別賦值，每隔10%賦予一個(gè)量化值，分為9個(gè)值(表1)。

表1 研究區(qū)治溝率量化指標(biāo)

按照表1將每個(gè)流域的治溝率進(jìn)行量化賦值，量化后將治溝率該字段在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)進(jìn)行量化出圖，得到整個(gè)研究區(qū)的治溝率分布圖(圖3)。在整個(gè)研究區(qū)大流域的前提下，看出治溝率有一定的規(guī)律可言。對照流域編號(hào)圖(圖3)剔除流域較小，溝較為短小零散發(fā)育不完全的7，9，12，15，21，30號(hào)單個(gè)流域，剔除后發(fā)現(xiàn)研究區(qū)宏觀流域上圖片上深下淺，整個(gè)流域的上游治溝率最大，治溝率甚至達(dá)到了80%及以上，但整個(gè)流域的下游位置治溝率十分低，還有治溝率為0%的流域出現(xiàn)，基于整個(gè)流域而言，出現(xiàn)了上游治理較多，下游治理較少的規(guī)律。

圖3 研究區(qū)治溝率與居民點(diǎn)分布

2.1.2 流域平均高程與治溝率關(guān)系 為分析治溝率與高程之間宏觀關(guān)系，以單個(gè)流域平均高程為橫坐標(biāo)，以治溝率為縱坐標(biāo)將24個(gè)流域數(shù)據(jù)建立散點(diǎn)圖(圖4)。隨著單個(gè)流域平均高程增加，相應(yīng)單個(gè)流域中治溝率也逐漸增加，通過擬合趨勢線發(fā)現(xiàn)單個(gè)流域平均高程和治溝率基本上呈線性關(guān)系，隨著單個(gè)流域平均高程的增加，治溝率也在逐漸線性增加。通過治溝率以及單個(gè)流域平均高程作為指標(biāo)對宏觀流域治溝造地規(guī)律的研究的發(fā)現(xiàn)，基于治溝率發(fā)現(xiàn)上游治理較多，下游治理較少；基于單個(gè)流域平均高程發(fā)現(xiàn)高程較高的地方治理較多，越靠近下游高程越低治溝率越低，單個(gè)流域平均高程與治溝率呈線性增長關(guān)系，隨著單個(gè)流域平均高程增加，治溝率呈線性增長。

圖4 單個(gè)流域平均高程與治溝率散點(diǎn)分布

2.2 單流域工程分布規(guī)律研究

通過定義高程率，提取流域高程繪制總計(jì)254個(gè)標(biāo)記高程點(diǎn)(圖5)。由于部分流域已治溝數(shù)量過小，溝的發(fā)育不完整，將部分過小流域中點(diǎn)剔除后總計(jì)244個(gè)標(biāo)記高程點(diǎn)。依據(jù)高程率在一定程度上表示已治溝在總溝中所處相對位置這一定義，發(fā)現(xiàn)整個(gè)研究區(qū)高程率數(shù)值整體較大，數(shù)值越大表明已治理工程越靠近溝頭。結(jié)合高程點(diǎn)對應(yīng)高程率散點(diǎn)圖(圖6)可以看出，基于標(biāo)記高程點(diǎn)以及高程率反應(yīng)出在每一個(gè)單個(gè)流域，主溝的上游位置治理較多，主溝偏向于下游位置治理較少。部分較小點(diǎn)從圖5中可以分析得出，雖然治理位置存在于流域上游，但已治理溝十分靠近流域主溝下游位置，導(dǎo)致數(shù)據(jù)較小，在大趨勢上仍是各個(gè)流域中上游治理較多下游治理較少這一規(guī)律。

圖5 研究區(qū)高程標(biāo)記點(diǎn)分布

2.3 工程分布影響因素研究

2.3.1 坡度 整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，延安北部顧屯流域?yàn)橹螠显斓毓こ痰闹匾痉秴^(qū)，針對該流域中一條溝壑進(jìn)行研究。基于顧屯流域治理工程分布圖(圖7)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)主溝在實(shí)施治溝造地工程時(shí)，治理溝基本存在于溝的一側(cè)，另外一側(cè)基本為未治理溝，考慮到因地形或坡度引起治溝造地工程在顧屯流域單個(gè)溝壑中多存在于一側(cè)，做進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析。

圖6 高程點(diǎn)對應(yīng)高程率散點(diǎn)分布

圖7 顧屯流域已治理工程分布

通過已治理工程分布圖，將圖中虛線框中的區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)分析，分別在已治理工程、主溝中心以及未治理工程一側(cè)切3條剖面線(圖8)。

圖8 研究區(qū)剖面分布

將3條剖面分析得到剖面1，2，3相應(yīng)的地形線(圖9)，通過剖面地形圖看出已治工程和未治理工程從高程地形上變化基本一樣，均存在大量的Ⅴ形谷，兩側(cè)山對治溝造地工程并沒影響，剖面2中黑框?yàn)閮蓚€(gè)存在于已治理工程中水庫的位置，可以發(fā)現(xiàn)3號(hào)水庫的高程較高于2號(hào)水庫。在之上3個(gè)剖面沒有變化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對研究區(qū)已治理工程與未治理工程對照區(qū)做剖面分析，依據(jù)已治理工程做8個(gè)剖面(圖8)。為使數(shù)據(jù)具有對照性，每個(gè)剖面都分別通過已治理工程一側(cè)，主溝中心以及未治理工程一側(cè)，其中剖面7和10通過主溝已治理工程中的水庫。

圖9 研究區(qū)剖面地形線

注：谷底下實(shí)線為未治理工程存在的溝壑即天然溝壑，虛線為已治理工程存在的溝壑。

在這8個(gè)剖面的地形線中(圖10)，實(shí)線為未治理溝所存在溝壑即天然溝壑，虛線為已治理工程所在溝壑，可以看出已治理工程所在溝本身坡度較為平緩，未治理工程所在溝本身坡度均較高于已治理工程所存在溝的坡度。

圖10 研究區(qū)剖面地形線

為進(jìn)一步論證剖面存在于已治理工程中坡度本身較緩的一側(cè)，在實(shí)施治溝造地工程之前的DEM之中取圖中所示6,8,9,10這4個(gè)剖面所在的位置的剖面，發(fā)現(xiàn)已治理工程存在的溝坡度本身較緩(圖11)，并非因?yàn)橹螠显斓毓こ滩抛兊镁徍汀?/p>

通過將研究區(qū)已治理工程與未治理溝工程的對比分析，可以看出單個(gè)溝壑中已治理工程多在坡度本身較緩的地形中，已治理工程基本上分布在整個(gè)研究區(qū)中西部，坡度較緩的主溝一側(cè)。因?yàn)闇羡衷镜匦纹露容^緩，才選擇實(shí)施治溝造地工程。在該研究區(qū)內(nèi)可以看出坡度對該研究區(qū)治溝造地工程的分布有較大的影響。

圖11 研究區(qū)原地形剖面

2.3.2 居民點(diǎn) 通過之上研究發(fā)現(xiàn)，居民分布點(diǎn)與治溝造地工程存在一定的聯(lián)系，在一定程度上影響著治溝造地工程規(guī)律的分布，基于之上的研究我們進(jìn)一步從居民點(diǎn)分布進(jìn)行研究。從已治理工程與居民點(diǎn)的分布(圖12)可以看出，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，居民點(diǎn)較集中的分布在各個(gè)小流域的中下游以及各個(gè)流域匯集的主溝是人類居住發(fā)展的主要場地，各個(gè)溝的上游主要集中發(fā)展農(nóng)業(yè)，梯田與莊稼地較為集中，而治溝造地工程多分布于整個(gè)流域的上游或者中上游，并沒有集中發(fā)展在居民點(diǎn)周圍，通過居民點(diǎn)和已治理工程的高程率的分布(圖6)可以看出已治理溝的高程率大部分值比較偏高，而居民點(diǎn)的高程率值偏低甚至還有0出現(xiàn)，可以看出治理工程基本存在于流域的上游和中上游，居民點(diǎn)基本分布在中下游或者流域匯集地，這樣不僅避免了治溝造地工程對居民生活的大規(guī)模影響，也便利了居民的交通，這也為農(nóng)村居住和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提供了一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論與討論

(1) 整個(gè)研究區(qū)內(nèi)上游治理工程較多，下游較少，治溝率最高的地方存在于整個(gè)研究區(qū)整體流域的上游位置，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)治溝率隨單個(gè)流域平均高程的增加呈正線性關(guān)系。

(2) 單流域內(nèi)已治理溝基本上位于各個(gè)流域上游位置，下游分布較少。

圖12 研究區(qū)已治理工程與居民點(diǎn)分布

(3) 已治理工程多分布于溝壑坡度本身較緩和的溝道。

(4) 居民點(diǎn)的高程率較高，大多分布在流域的下游，已治理工程大多分布于流域的上游以及中上游，溝道的上游集中發(fā)展農(nóng)業(yè)，避免了工程對居民的影響。

本文基于大量數(shù)據(jù)對延安寶塔區(qū)治溝造地工程的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，初步查明了治溝造地工程在研究區(qū)的宏觀分布規(guī)律及其影響因素。但對于分布規(guī)律影響因素的研究還需深入，需從地質(zhì)、人文的角度進(jìn)一步研究上游治理工程分布較多的原因，筆者也在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)在流域上游的雖然有大量的工程造地，但閑置率較高，沒有得到較好的利用，也有部分治理工程沒有完善道路設(shè)施，無法進(jìn)行機(jī)械化操作，導(dǎo)致擱荒。故筆者將基于文章的規(guī)律繼續(xù)研治溝造地工程的利用率、效益與分布規(guī)律的關(guān)系，充分考慮治溝造地工程的生態(tài)效益和社會(huì)效益，為陜北大面積的治溝造地工程提供更具說服力的科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。