黃土高原歷史時期溝谷侵蝕量計算方法探討

解哲輝，崔建新，常 宏

（1.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所，西安 710075；2.陜西師范大學(xué) 西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展研究中心，西安 710062；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

黃土高原歷史時期溝谷侵蝕量計算方法探討

解哲輝1,3，崔建新2，常 宏1

（1.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所，西安 710075；2.陜西師范大學(xué) 西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展研究中心，西安 710062；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

歷史時期溝谷侵蝕量的計算多采用傳統(tǒng)實地測量或計算方法，而現(xiàn)代地理信息技術(shù)的發(fā)展為溝谷侵蝕量計算提供了更為簡便、快捷、高效的方式。等高線圖形概括法即為一種將傳統(tǒng)制圖學(xué)與現(xiàn)代地理信息技術(shù)相結(jié)合的方法。本文以神木縣東山舊城沖溝為切入點，采用等高線圖形概括方法，基于30 m分辨率ASTER DEM，利用Arcgis10平臺計算歷史時期溝谷侵蝕量，并將其與基于野外測量計算侵蝕量進(jìn)行對比。結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，基于野外測量的溝谷侵蝕量約占基于DEM侵蝕量的89.11%，兩者之間存在一定差距，但是可被接受的。進(jìn)一步分析顯示，等高線簡化前后，DEM平均坡度、等高線長度和表面積均發(fā)生變化，平均坡度、等高線長度變化率分別為2.78%和4.3%，表面積變化不是特別明顯。三維分析顯示，簡化后等高線更加平滑，平均坡度趨于平緩，坡度的分布更為均勻?？傮w而言，等高線圖形概括方法在溝谷侵蝕量計算方面具有較高的可靠性，對更大時空尺度內(nèi)的溝谷侵蝕量計算具有借鑒意義。

等高線圖形概括；數(shù)據(jù)挖掘；溝谷侵蝕量；DEM

溝谷侵蝕是一種侵蝕強(qiáng)度非常高的線狀侵蝕，并且斷面積足夠大，對地表形態(tài)形成永久改造（Torri and Borselli，2003）。溝谷侵蝕是由于地表徑流對土壤的不斷沖刷而形成的，溝谷的不斷發(fā)展，改變了原有陸地下墊面特征，而下墊面則又會通過影響徑流而對溝谷侵蝕產(chǎn)生作用，如此形成惡性循環(huán)。溝谷侵蝕引起的泥沙堆積會阻塞河道，不僅對中下游地區(qū)的地形、水文條件，而且會對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生產(chǎn)生活活動產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。溝谷侵蝕量是衡量溝谷侵蝕程度的一個重要指標(biāo)。開展溝谷侵蝕量研究，不但能夠加深對溝谷侵蝕程度的直觀認(rèn)識，也可以直接為研究區(qū)的生產(chǎn)生活活動提供參考依據(jù)，還可以為溝谷侵蝕的防治提供數(shù)據(jù)支持。因此如何計算黃土高原小流域溝谷侵蝕量，成為分析溝谷形成演化過程中重要的基礎(chǔ)性課題。

溝谷侵蝕是土壤侵蝕的一種，目前大部分的已有研究側(cè)重于研究黃土高原各個因子與土壤侵蝕的相互關(guān)系，包括降水條件（Xu，2005；Wei et al，2007）、土壤特性（趙曉光和石輝，2003；賈志軍等，2006）、地形特征（陳正發(fā)等，2010）、土地利用方式（Chen et al，2001；Wei et al，2007 ）以及植被條件（Chenet al，2007）等對侵蝕的影響。近十年來，部分學(xué)者對歷史時期黃土高原的土壤侵蝕及溝谷侵蝕進(jìn)行了相關(guān)研究（桑廣書等，2003；姚文波，2010），盡管如此，但是關(guān)于較長歷史時期溝谷侵蝕的研究依然相對較少,尤其是對歷史時期所形成的溝谷其侵蝕量計算方面，大都采用傳統(tǒng)橫截面計算法或空腔體積法。傳統(tǒng)橫截面計算方法誤差小，精度高，但是野外工作周期長，費時費力，并且受自然條件限制因素很多。Torri and Borselli（2003）試圖通過方程對溝谷侵蝕量進(jìn)行計算，其研究結(jié)果認(rèn)為溝谷形態(tài)閾值不能通過簡單的方法進(jìn)行解釋，因此也不能通過簡單的方程進(jìn)行估計。近年來，隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展成熟，其被越來越多的應(yīng)用于土壤侵蝕研究。溝谷侵蝕量的計算方法也有了很多新進(jìn)展。王輝等（2008）利用黃土高原兩期航片和地形圖數(shù)據(jù)，借助兩期DEM的高程差圖層計算溝谷侵蝕量與沉積物的產(chǎn)生量。但是其得出的溝谷侵蝕量與前人研究結(jié)果不一致，他將其歸因為溝谷侵蝕因素之間的相互影響和研究區(qū)之間的尺度問題。劉萬青等（2011）等利用等高線圖形概括結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對黃土高原馬家溝流域進(jìn)行溝谷侵蝕量估算，為以后不同空間尺度上的侵蝕量計算提供了一定的參考。胡文生等（2008）利用數(shù)字?jǐn)z影測量方法估算半干旱區(qū)小流域溝谷侵蝕產(chǎn)沙量，并將實測值與估算結(jié)果進(jìn)行對比評價。

本文立足于前人已有研究成果，選取陜北黃土丘陵溝壑區(qū)1座軍事古城堡——東山舊城內(nèi)的溝谷為研究對象,對城內(nèi)溝谷侵蝕量進(jìn)行估算。采用基于DEM的等高線圖形概括方法以及基于實測數(shù)據(jù)的計算方法來估算侵蝕量，并將兩種估算方法所得結(jié)果進(jìn)行對比分析。該研究旨在將歷史地理學(xué)與現(xiàn)代地理信息技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，為小流域歷史時期溝谷侵蝕量估算提供參考,指出需要注意的影響因素，并對未來研究進(jìn)行了展望。

1 研究區(qū)特征

本文研究區(qū)位于黃土丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)黃土層深厚，具有典型代表性，土壤侵蝕方式獨特，過程迅速，面蝕、溝蝕、潛蝕的共同作用使得該地區(qū)成為我國甚至全球土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。該區(qū)屬于中溫帶半干旱內(nèi)陸季風(fēng)氣候，冬季漫長寒冷，夏季降雨集中，年際變率大。降水集中在7、8、9三個月，暴雨頻率高發(fā)。東山舊城位于38°49′ N，110°30′ E，神木縣向東約1.5公里的東山上，海拔901～1337 m，地勢西高東低。城堡面積約為0.12 km2，城墻西側(cè)發(fā)育有沖溝，城內(nèi)也分布有細(xì)溝及雨水沖刷形成的坑洼地。城內(nèi)地面不平，植被覆蓋類型為草本及喬木。

如圖1所示，城墻輪廓內(nèi)共有三條溝。溝1為石溝，溝壁為沉積巖，具有水平沉積層理，深度為50 m左右。城堡西南城墻已失落，且與深溝相鄰，虛線代表推測的西南城墻，并不確定。由于西南城墻的不確定性，無法斷定溝1是存在于城堡修筑之前還是城廢棄之后。因此溝1的侵蝕量不在此次計算范圍內(nèi)，只對溝2和溝3的侵蝕量進(jìn)行對比分析。

圖1 研究區(qū)地理位置（修改自裴新富(1991)）Fig.1 The location of the study area (after Pei (1991))

2 數(shù)據(jù)獲取

本文采用兩種方法來估算侵蝕量。第一種為實測方法，第二種為基于DEM數(shù)據(jù)的等高線數(shù)據(jù)概括方法。而數(shù)據(jù)源的獲取是本項研究的基礎(chǔ)。

2.1 實測數(shù)據(jù)獲取

2012年9月，對東山舊城城墻范圍進(jìn)行了第一次信息采集，利用手持GPS采集城墻點位信息，及對城內(nèi)沖溝進(jìn)行線要素采集。2013年8月，對東山舊城沖溝進(jìn)行第二次信息采集，沿溝緣線平均每5 m記錄GPS點。兩次信息采集結(jié)果為：1）確定了東山舊城的城墻范圍。2）主要溝谷參數(shù)采集。由于溝谷地形的特殊性及現(xiàn)實條件的制約，溝谷寬度的測定主要通過采集高精度亞米級GPS數(shù)據(jù)，然后在地理信息系統(tǒng)軟件中測量得到。溝谷深度的獲取方式有兩種：自然條件較好，可以下到溝底的部位，利用溝上與溝底GPS高程相減得到；不可以進(jìn)入溝底的則采用鋼絲測距繩直接測得。溝壁坡度也相應(yīng)分為兩種：地形制約嚴(yán)重的部位，利用溝谷深度與坡長之比的正弦得到；一般部位，則使用地質(zhì)羅盤儀直接測得。坡長的獲取方式也根據(jù)現(xiàn)實條件分為兩種：能夠進(jìn)入溝底的采用GPS獲?。徊荒軌蜻M(jìn)入溝底的直接使用鋼絲測距繩測量。鋼絲測距1 m最大允許誤差：±4.0 mm，任意5 m最大允許誤差：±15 mm。數(shù)字采集所用工具為手持GPS（GEO-XT-2005和GEO-XT 2008），水平精度為0.8±0.2 m，垂直精度1.2±0.3 m。

2.2 DEM數(shù)據(jù)獲取

30 m空間分辨率ASTER DEM數(shù)據(jù)通過中國科學(xué)院數(shù)據(jù)平臺獲得。由于其較易獲得，再加上東山舊城地區(qū)歷史時期溝谷在DEM中具有較強(qiáng)的可識別性，因此選其作為本文的數(shù)據(jù)源。

3 計算過程

3.1 根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算的溝谷侵蝕量

根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)，采取橫截面法進(jìn)行計算,溝頭部分采用三棱錐法進(jìn)行計算。溝道部分計算方法是橫截面面積乘以橫截面間距，然后求和計算得出。計算公式如下：

式中：V為溝谷侵蝕量； S為橫截面面積；D為橫截面間距。橫截面間距是相鄰兩個橫截面之間的距離，由于實際測量情況受到溝谷地形及其他限制因素，間距長度存在差異，溝谷橫截面平均間距為20 m左右。

若溝谷為“U”形谷，橫截面為梯形，其面積則用梯形面積公式計算得出：

其中：S為橫截面面積；L1為截面梯形的上底；L2為截面梯形的下底；H為代表溝谷截面深度，計算時取兩側(cè)深度的均值。

若溝谷為“V”形谷，橫截面為三角形，面積則用三角形面積公式計算得出：

其中：S為橫截面積；L1、L2為溝谷兩側(cè)溝壁長度；A為溝壁兩側(cè)之間的夾角，等于180°減去兩側(cè)溝壁傾角之和。

3.2 基于DEM的侵蝕量

3.2.1 等高線圖形概括法和數(shù)據(jù)挖掘方法

等高線圖形概括法（劉萬青等，2011）是將傳統(tǒng)地圖學(xué)與現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的方法，其原理即將溝谷部位通過對等高線進(jìn)行簡化來達(dá)到“虛擬填充”，從而從地理學(xué)上將溝谷“恢復(fù)”到發(fā)育之前的狀態(tài)。等高線簡化的依據(jù)是溝緣線，使得等高線沿著溝谷兩側(cè)等高線的延伸方向自然伸展。等高線簡化應(yīng)當(dāng)遵循三個原則（劉萬青等，2011）：（1）由低級到高級，由低海拔到高海拔；（2）應(yīng)對構(gòu)成溝谷的所有等高線進(jìn)行操作，且簡化后空間分布協(xié)調(diào)；（3）應(yīng)該根據(jù)溝谷兩側(cè)等高線自然延伸方向和曲率進(jìn)行簡化。數(shù)據(jù)挖掘法主要是地形表面分析法和地學(xué)統(tǒng)計分析法。地形表面分析法主要用于生成等高線；地學(xué)統(tǒng)計分析法用于溝谷侵蝕量的統(tǒng)計運算。

3.2.2 計算過程

以研究區(qū)30 m空間分辨率ASTER數(shù)字高程模型（DEM）為數(shù)據(jù)源。在Arcgis10平臺下，對DEM進(jìn)行操作，主要分為以下幾個部分：（1）根據(jù)兩次野外GPS點位，連接并確立東山舊城原始城堡界限。（2）根據(jù)GPS點位勾繪堡內(nèi)沖溝，結(jié)合第一次野外信息對溝緣線進(jìn)行修改更正。（3）基于30 m分辨率ASTER DEM，以城堡為中心矩形裁剪出小塊DEM，然后基于裁剪的DEM提取等高線，等高距為5 m，生成TIN。投影采用UTM 49 N。（4）基于Arcgis3D分析模塊進(jìn)行溝谷侵蝕量的計算，圖2即為具體的處理流程。等高線簡化后，地圖表現(xiàn)為溝谷小彎曲的消失，進(jìn)而可以通過計算機(jī)方法對目標(biāo)溝谷進(jìn)行侵蝕量計算。數(shù)字計算結(jié)果由“Arcgis10軟件→3D Analyst工具→功能性表面→表面體積”工具計算得出。利用等高線簡化前后生成的TIN體積差計算溝谷侵蝕量。

4 結(jié)果與分析

4.1 溝谷侵蝕量結(jié)果

由圖3可以看出，等高線簡化后，原來的溝谷區(qū)域已經(jīng)被進(jìn)行了“填充”而成為臺地，“填充”后等高線沿其自然曲率向兩側(cè)伸展。由表1分析得到，基于野外測量的溝谷侵蝕量約占基于DEM侵蝕量的89.11%。若以野外測量結(jié)果為參照，則基于DEM的計算結(jié)果的可信度約為87.78%。從統(tǒng)計學(xué)上而言，基于DEM的等高線圖形概括方法對歷史時期溝谷侵蝕量的計算結(jié)果是比較可靠的。兩者之間相差20839.41 m3，其約占實測結(jié)果的12.22%。可以認(rèn)為，兩種計算結(jié)果之間依然存在一些差距。

基于Arcgis10水文分析計算，根據(jù)已有研究（陳濤等，2008；張康聰，2010），將匯流閾值設(shè)為150個像元時，得出東山舊城地區(qū)溝壑密度為2.74 km·km?2，根據(jù)土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)SL190-2007（2008），東山舊城所在小流域為中度侵蝕。然后根據(jù)等高線圖形概括方法所得侵蝕量計算得出東山舊城地區(qū)溝谷侵蝕模數(shù)為3784.89 t·(km2·a)?1，對照土壤侵蝕標(biāo)準(zhǔn)水力侵蝕分級亦為中度侵蝕。最后，根據(jù)野外測量數(shù)據(jù)所得結(jié)果計算得出的東山舊城地區(qū)的侵蝕模數(shù)為3372.86 t·(km2·a)?1，對照土壤侵蝕標(biāo)準(zhǔn)水利侵蝕分級同樣為中度侵蝕。這從側(cè)面反映出應(yīng)用等高線圖形概括方法對歷史時期溝谷侵蝕量的計算結(jié)果是可信的。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 The flow chart of data processing

圖3 東山舊城地區(qū)等高線簡化前(a)后(a)對比Fig.3 The contour before (a) and after (b) simplification of Dongshan castle

4.2 簡化前后地表形態(tài)分析

在對等高線進(jìn)行虛擬填充后，由于溝谷的消失，溝壁表面積的減少，必然會導(dǎo)致簡化后表面積小于簡化前；由于利用等高線簡化，形成了對地表形態(tài)的虛擬改造，簡化后的溝谷體積相較于簡化前必然會增加。由表2可以分析得到，等高線簡化前后，DEM的平均坡度和等高線長度均發(fā)生了不同程度變化。其中DEM平均坡度前后相差0.36°，標(biāo)準(zhǔn)差原來為8.04，等高線簡化后為7.67。相較于簡化前，坡度降低了2.78%，標(biāo)準(zhǔn)差降低了4.6%。平均坡度趨于平緩，坡度的分布更為均勻。等高線長度則前后相差897.78 m，相比原來縮短了4.3%，等高線形態(tài)更加平滑。從總體來看，簡化達(dá)到了虛擬“填充”的效果和標(biāo)準(zhǔn)。由于該區(qū)地勢北高南低，且對于海拔最高和最低地形部位并沒有進(jìn)行等高線簡化操作，因此簡化前后，該區(qū)最高海拔和最低海拔沒有發(fā)生變化，相對應(yīng)的最小坡度和最大坡度也沒有發(fā)生變化。從圖4中可以很直觀看出等高線簡化前后溝谷形態(tài)的變化。經(jīng)“填充”處理之后，原來的溝谷部位已經(jīng)被淺色的部分所填充，淺色部分體積即為基于DEM計算得出的溝谷侵蝕量。

表1 實驗結(jié)果和實測結(jié)果對比Table 1 Results by experiment and measurement

表2 簡化前后對比Table 2 Contrast before and after simplification

圖4 溝谷侵蝕結(jié)果三維立體圖Fig.4 The 3-D visual picture of Dongshan gully erosion

4.3 原因分析

已有研究成果表明（湯國安等，2006），DEM分辨率會對侵蝕結(jié)果造成影響。同一地區(qū),由于土壤侵蝕的計算方法不同，或者DEM尺度因素，造成其最終得到的侵蝕速率存在差異。Ren et al（2011）研究發(fā)現(xiàn)，小比例尺得到的土壤侵蝕面積要大于大比例尺DEM得到的結(jié)果。因此，在利用等高線圖形概括對溝谷進(jìn)行虛擬填充過程中，會使得溝谷地區(qū)與實測相比被“夸大”，從而造成基于野外測量的溝谷侵蝕量小于基于DEM計算侵蝕量。除此之外,由于東山舊城地區(qū)溝谷系統(tǒng)的復(fù)雜性,在對溝谷進(jìn)行實測的過程中,容易受到路線及側(cè)視的影響，不免存在一定誤差,這些因素都會影響野外考察數(shù)據(jù)的結(jié)果。

本文數(shù)據(jù)源為30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)。雖然溝谷形態(tài)在等高線中能大體識別，但是溝谷的具體信息還是表現(xiàn)的比較粗糙。從圖3（a）中可以很清晰地識別出溝1、溝2和溝3。對比圖1中溝谷形狀與圖3中等高線可以看出，溝3西北角的支溝部分存在部分差異，這可能是由于DEM柵格較大，因此細(xì)節(jié)部分不能得到很好反映。

5 結(jié)論

（1）基于DEM的等高線圖形概括方法，其計算侵蝕量與基于野外測量的計算侵蝕量之間差異較??；在判斷溝谷發(fā)育程度方面，其侵蝕模數(shù)與野外測量所得侵蝕模數(shù)也保持一致。因此確定該方法在溝谷發(fā)育研究中具有較好的可靠性和現(xiàn)實可行性，可以為長時段的溝谷侵蝕研究提供較為可信賴的數(shù)據(jù)。然而其計算結(jié)果與野外測量結(jié)果還存在一定誤差，這可能與DEM空間分辨率及野外測量誤差有關(guān)，還需進(jìn)行深入研究。

（2）該項研究以古城內(nèi)的溝谷發(fā)育作為研究對象，從某種程度上可以為較大時空尺度的溝谷侵蝕研究提供方法上的借鑒。長時期以來，歷史時期溝谷侵蝕尤其是較大時空尺度的溝谷侵蝕研究，大都依靠人工野外測量或地形圖，費時費力。應(yīng)用等高線圖形概括方法可以有效解決這一問題，因此具有很好的實際應(yīng)用意義。

陳正發(fā), 郭宏忠, 史東梅, 等. 2010. 地形因子對紫色土坡耕地土壤侵蝕作用的試驗研究[J]. 水土保持學(xué)報, 24(5): 83–87. [Chen Z F, Guo H Z, Shi D M, et al. 2010. Experimental study on effect of topographical factors on purple cultivated slopes land soil erosion [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 24(5): 83–87.]

胡文生, 蔡強(qiáng)國, 陳 浩. 2008. 利用數(shù)字?jǐn)z影測量方法估算半干旱區(qū)小流域溝谷侵蝕產(chǎn)沙[J]. 地球信息科學(xué), 10(4): 533–538. [Hu W S, Cai Q G, Chen H.2008. Digital photogrammetric techniques as a tool for estimating sediment production of gully erosion in a semiarid catchment of the Loess Plateau, China [J]. Geo-Information Science, 10(4): 533–538.]

賈志軍, 蔡強(qiáng)國, 卜崇峰. 2006. 晉西黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕能力的試驗研究[J]. 水土保持研究, 13(6): 1–3. [Jia Z J, Cai Q G, Bu C F. 2006. Experimental study on soil anti-erodibility in the hilly and gully region of Loess Plateau Western Shanxi [J]. Research of Soil and Water Conservation, 13(6):1–3.]

劉萬青, 張超超, 王旭紅. 2011. 等高線圖形概括在黃土高原溝谷侵蝕量估算中的應(yīng)用[J]. 水土保持通報, 31(1): 128–131. [Liu W Q, Zhang C C, Wang X H. 2011. Estimate total gully erosion in Loess Plateau using simplified contour map [J]．Bulletin of Soil and Water Conservation, 31(1): 128–131.]

裴新富. 1991.關(guān)于黃土高原范圍問題[J]. 中國水土保持, 12: 37 – 42. [Pei X F. 1991. On the scope of Loess Plateau [J]. Soil and Water Conservation in China, 12: 37 – 42.]

桑廣書, 甘枝茂, 岳大鵬. 2003.元代以來黃土塬區(qū)溝谷發(fā)育與土壤侵蝕[J]. 干旱區(qū)地理, 26(4): 355–360. [Sang G S, Gan Z M, Yue D P. 2003. Gully development and soil erosion in the Loess Yuan region since Yuan Dynasty [J]．Arid Land Geography, 26(4): 355–360.]

湯國安, 劉學(xué)軍, 房 亮, 等. 2006. DEM及數(shù)字地形分析中尺度問題研究綜述[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 31(12): 1059 – 1066. [Tang G A, Liu X J, Fang L, et al. 2006. A review on the scale issue in DEMs and digital terrain analysis [J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 31(12): 1059 – 1066.]

王 輝, 王天明, 楊明博, 等. 2008.基于航片的黃土高原丘陵溝壑區(qū)溝谷侵蝕定量監(jiān)測[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 19(1): 127–132. [Wang H, Wang T M, Yang M B, et al. 2008. Quantitative monitoring of gully erosion in hilly-gully area of Loess Plateau based on aerial Images [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 19(1): 127–132.]

姚文波, 侯甬堅, 高松凡. 2010.唐以來方家溝流域地貌的演變與復(fù)原[J]. 干旱區(qū)地理, 33(4): 509–517. [Yao W B, Hou Y J, Gao S F. 2010. Geomorphologic changes and restoration of Fangjiagou Drainage Area from early Tang Dynasty [J]. Arid Land Geography, 33(4): 509–517.]

張康聰. 2010. 地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論（第五版）[M]. 陳健飛,張筱林,譯. 北京: 科學(xué)出版社, 313. [Chang Kang-T. 2010. Introduction to geographic information systems (5th Edition) [M]. Chen J F, Zhang X L, translated. Beijing: Science Press, 313.]

趙曉光, 石 輝. 2003. 水蝕作用下土壤抗蝕能力的表征[J]. 干旱區(qū)地理, 26(1): 12–16. [Zhao X G, Shi H. 2003. Prescription of soil anti-erosion capability under water erosion [J]. Arid Land Geography, 26(1): 12–16.]

中華人民共和國水利部. 2008. 土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)：SL 190-2007 [S]. 北京: 中國水利水電出版社, 8. [The Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. 2008. Standards for classification and gradation of soil erosion: SL 190-2007 [S]. Beijing: China Water & Power Press, 8.]

Chen L D, Huang Z L, Gong J, et al. 2007. The effect of land cover / vegetation on soil water dynamic in the hilly area of the Loess Plateau China [J]. Catena, 70(2): 200–208.

Chen L D, Wang J, Fu B J, et al. 2001. Land use change in a small catchment of northern Loess Plateau China [J]. Agriculture Ecosystem and Environment, 86(2): 163–172.

Ren S M, Yin L, Sun B. 2011. Research on sensitivity for soil erosion evaluation from DEM and remote sensing data source of different map scales and image resolutions [C]. 2011 3rd International Conference on Environmental Science and Information Application Technology (ESIAT 2011)．Procedia Environmental Sciences IO, 1753 – 1760.

Torri D, Borselli L. 2003. Equation for high-rate gully erosion [J]. Catena, 50(2): 449–467．

Wei W, Chen L D, Fu B J, et al. 2007. The effect of land uses and rainfall regimes on runoff and soil erosion in the semiarid loess hilly area, China [J]. Journal of Hydrology, 335(3 – 4): 247–258．

Xu J X. 2005. Precipitation-vegetation coupling and its influence on erosion on the Loess Plateau, China [J]. Catena, 64(1): 103–116.

The discussion of the computing method to historical gully erosion module in Loess Plateau

XIE Zhe-hui1,3, CUI Jian-xin2, CHANG Hong1
(1. Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710075, China; 2. Center for Historical Environment and Socio-Economic Development in Northwest China of Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Usually, in terms of historical gully erosion study, historical geographers often prefer to field measurement or room observation based on terrain map in order to obtain the erosion module. So it seems outdated, especially with the rapid development of the modern geography information technology. However, simplified contour maps which combine traditional mapping with modern geography information system together may be regarded as a new solution to the gully erosion study. The main purpose of this study is aiming to calculate gully erosion volume more rapidly, conveniently and efficiently. The study area in this paper sites in the Shenmu County, 1.5 km away from the city, called Dongshan Castle which was abandoned in the Song dynasty in 1444 AD. Based on ASTER DEM with 30 m resolution combined with simplif ed contour maps and data mining method that are run on Arcgis10 platform, the gully erosion module is calculated and then is made contrast with the result obtained from field measurement. Consequently the results show as follows: (1) The gully erosion volume for DEM based and f eld measurement are 191431.26 m3and 170591.85 m3. The later resulttakes about as 89.11% as the former. It demonstrates the reliability of the DEM based calculation. However, apparently there is indeed error existed and some subtle factors should be taken into consideration when the method is applied into estimating gully modules in small watershed. (2) Before and after simplif cation, average slope, contour length are 12.92°, 20670.11 m and 12.56°, 19772.33 m respectively. As for the average slope, it shrinks 0.36° about 2.78% of the value before simplified. The standard deviation of average slope reduces from 8.04 to 7.67 with the rate as much as 4.6%. The contour length decreases as much as 897.78 m, which takes 4.3% approximately. Given the gully shape, the rate of Surface area is not particularly signif cant. All of the changes suggest that after simplif ed, the contour turns smoother and average slope is leveling off and gradient distribution is more uniform. (3) Given the rationality and feasibility of the simplif ed contour map method, it may provide a new solution to calculate gully erosion module and is probable to supply reliable data for the historical gully erosion study.

contour simplif ed method; data mining; gully erosion module; DEM

S157

A

1674-9901(2014)01-0016-07

10.7515/JEE201401003

2014-01-11

中央高?；緲I(yè)務(wù)費項目（10SZYB10）；中國科學(xué)院重點部署項目（KZZD-EW-04-02）

崔建新，E-mail: cuijx@snnu.edu.cn