東北黑土區(qū)侵蝕溝危害面積識(shí)別研究

歐 洋， 閻百興?， 白建宏， 陳浩生， 高 遠(yuǎn)， 李絨萱，高 燕，張延玲，崔 虎

(1.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 中國(guó)科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,130102,長(zhǎng)春; 2.水利部松遼水利委員會(huì)水土保持處,130021,長(zhǎng)春; 3.水利部松遼水利委員會(huì)松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站, 130021,長(zhǎng)春; 4.吉林省水土保持局, 130022,長(zhǎng)春)

東北黑土區(qū)是我國(guó)最大商品糧生產(chǎn)基地[1-2]，但土壤質(zhì)地疏松、抗蝕性較差，在水力侵蝕作用下，面蝕發(fā)展到一定程度，就會(huì)在匯水線上形成侵蝕溝[3]。第1次全國(guó)水利普查(2010)[4]指出，東北黑土區(qū)100 m以上的侵蝕溝有29.57萬(wàn)余條，占地面積3 648 km2。侵蝕溝帶來(lái)多方面危害[5]：嚴(yán)重破壞土地資源[6]；造成泥沙下泄，影響庫(kù)塘安全和水質(zhì)[7]；使耕地支離破碎，形成棄耕地[5]。近年來(lái)，隨著空間信息技術(shù)的應(yīng)用，黑土區(qū)侵蝕溝動(dòng)態(tài)變化識(shí)別、水土保持防控措施配置取得了明顯進(jìn)展[6-8]；但極其缺乏侵蝕溝危害范圍方面研究成果[9]，給政府決策、侵蝕溝防治規(guī)劃制定帶來(lái)很大困難[10]。鑒于此，筆者將在界定侵蝕溝危害黑土地面積范圍的基礎(chǔ)上，開(kāi)展侵蝕溝匯水區(qū)流域邊界識(shí)別，進(jìn)而初步解析不同類型侵蝕溝危害面積特征。

1 研究區(qū)概況

東北黑土區(qū)包括黑龍江省、吉林省全部，以及遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)部分區(qū)域，總面積為109萬(wàn)km2[2]，如圖1所示。區(qū)域地形復(fù)雜，以漫崗丘陵為主，夏季降雨集中，冬季漫長(zhǎng)，凍融交替明顯。經(jīng)過(guò)100余年的高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)，區(qū)域耕地面積急劇上升，0.5°～5°的坡耕地占黑土區(qū)耕地總面積的56%。耕作方式粗放、保護(hù)性耕作措施不到位，造成水土流失不斷惡化。

圖1 東北侵蝕溝樣本空間分布Fig.1 Spatial distribution of gully samples in Northeast China

2 侵蝕溝危害范圍界定

2.1 東北黑土區(qū)侵蝕溝成因

坡面侵蝕是一個(gè)逐漸發(fā)展演化的過(guò)程[11]。在降雨初期，由于雨滴擊濺和坡面薄層水流侵蝕的作用，坡面上主要發(fā)生片蝕和面蝕[12]；隨著降雨過(guò)程的進(jìn)行，坡面逐漸出現(xiàn)跌坎并發(fā)展演化成細(xì)溝，隨著細(xì)溝的發(fā)育發(fā)展，細(xì)溝侵蝕逐漸向淺溝、切溝、沖溝演變[13-14]。本文中提及的侵蝕溝主要是指危害程度較大的切溝與沖溝。

2.2 東北黑土區(qū)面蝕與溝蝕關(guān)系

面蝕可誘發(fā)溝蝕，二者相互促進(jìn)、相互制約，溝蝕弱則減緩面蝕的發(fā)展，溝蝕強(qiáng)可加速面蝕的發(fā)展。侵蝕溝形成于匯水線上，受匯水面積、降雨徑流、坡長(zhǎng)、植被及土壤理化性狀影響[15]。侵蝕溝形成后，通過(guò)溯源向上游較快擴(kuò)展，也會(huì)向下游發(fā)展；同時(shí)，最初形成的V形溝在凍融、重力侵蝕復(fù)合作用下也會(huì)快速向兩側(cè)擴(kuò)展。

2.3 侵蝕溝影響范圍

侵蝕溝的影響范圍根據(jù)危害程度不同分為直接影響區(qū)、間接影響區(qū)與匯水區(qū)。直接影響區(qū)就是溝緣/沿的投影區(qū)域，即溝道本身，這一區(qū)域坡度大，黑土層流失殆盡，母質(zhì)裸露，已無(wú)法進(jìn)行耕種。間接影響區(qū)是指溝道兩側(cè)3～10 m范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械難以耕作而棄耕的區(qū)域，其面積與侵蝕溝大小直接相關(guān)。侵蝕溝對(duì)其匯水區(qū)的影響一方面體現(xiàn)造成侵蝕基準(zhǔn)面下移，誘發(fā)面蝕[6]，另一方面匯水區(qū)內(nèi)徑流、泥沙以侵蝕溝為通道輸出到下游河道[7]。

圖2 侵蝕溝的現(xiàn)狀匯水區(qū)和潛在匯水區(qū)示意圖Fig.2 Current and potential catchments of gullies

相對(duì)于黃土區(qū)，東北黑土區(qū)開(kāi)發(fā)較晚，因此多數(shù)侵蝕溝形成時(shí)間較短[9]。溯源侵蝕速度明顯快于溝尾向坡下延展速度，溝口尚未到達(dá)下一級(jí)溝道或溪流，其匯水區(qū)面積在長(zhǎng)時(shí)間尺度下是會(huì)變化的。因此筆者在估算侵蝕溝危害面積時(shí)考慮了時(shí)間因素的影響(圖2)，認(rèn)為其影響范圍包括現(xiàn)狀匯水區(qū)(S2)(直接影響區(qū)與間接影響區(qū)在其中)，指目前溝頭(A1)至溝口(A2)間區(qū)域，潛在匯水區(qū)(S1+S3)，指目前溝頭(A1)以上至分水嶺部分及最終溝口(A3)至實(shí)際溝口A2之間區(qū)域。

不合理的耕作方式(如順壟種植等)可能導(dǎo)致當(dāng)前溝頭以上區(qū)域可能有徑流匯入；但這部分集水區(qū)面積較小，也很難定量識(shí)別，因此在本文的現(xiàn)狀匯水區(qū)中并沒(méi)有考慮這部分面積。由于本研究關(guān)注的是長(zhǎng)時(shí)間尺度下，侵蝕溝完全發(fā)育所危害的范圍，即危害面積S=潛在匯水區(qū)面積(S1+S3)+現(xiàn)狀匯水區(qū)面積(S2)。該概念已包括可能向侵蝕溝匯水的所有面積，因此現(xiàn)狀匯水面積的微小變化，并不對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生影響。

3 侵蝕溝危害面積識(shí)別方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究采用空間分辨率30 m數(shù)字高程模型(DEM)，來(lái)源于中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)；空間分辨率10 m DEM數(shù)據(jù)，由等高距為10 m的1∶5萬(wàn)地形圖過(guò)矢量化空間插值方法獲得，投影為通用橫軸墨卡托投影(universal transverse mercator, UTM), 格式為TIFF。侵蝕溝矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于第1次水利普查成果[16]，由水利部松遼水利委員會(huì)提供。

侵蝕溝選取主要依據(jù)為黑土區(qū)水土保持三級(jí)區(qū)劃[17]與侵蝕溝治理示范工程的所在地位置：要覆蓋9個(gè)水土保持分區(qū)，保證空間上代表性，同時(shí)還要位于治理工程區(qū)域內(nèi)，便于數(shù)據(jù)收集及后期成果驗(yàn)證。但侵蝕溝在不同水保分區(qū)內(nèi)的空間聚集程度不同，且治理工程所在區(qū)域的位置也存在一定隨機(jī)性，所以侵蝕溝樣本(共計(jì)460條)空間分布有些不均勻。侵蝕溝類型劃分主要依據(jù)黑土區(qū)侵蝕溝治理專項(xiàng)規(guī)劃(2016—2030年)中提出的分級(jí)規(guī)則[18]：侵蝕溝占地面積(投影面積)小于0.3 hm2的為小型溝；占地面積介于0.3～1.4 hm2的為中型溝；占地面積大于1.4 hm2的為大型溝。

3.2 侵蝕溝匯水面積識(shí)別

侵蝕溝作為潛在的低級(jí)別匯流河道，其發(fā)生、發(fā)展直接受區(qū)域地形的影響[19]，因此本研究將采用刻畫流域水系的方法，進(jìn)行侵蝕溝匯水區(qū)邊界的確定與危害面積識(shí)別[19-20]，主要過(guò)程分為3部分，技術(shù)流程見(jiàn)圖3。

圖3 侵蝕溝匯水邊界識(shí)別過(guò)程Fig.3 Identification process of gully catchment boundary

3.2.1 水流方向分析 識(shí)別DEM柵格單元的徑流方向是進(jìn)行水文分析的基礎(chǔ)[21]。D8是一種實(shí)用算法，并得到國(guó)內(nèi)外廣泛的應(yīng)用，效果比較穩(wěn)定。該算法中，徑流方向定義為東北、東、東南、南、西南、西、西北和北，并分別用128、1、2、4、8、16、32和64這8個(gè)有效特征碼表示(見(jiàn)圖4)[22]。

圖4 D8算法示意圖Fig.4 D8 algorithm diagram

被處理柵格單元同相鄰8個(gè)柵格單元之間坡降的算法為

Slope=Dz/Di。

(1)

式中：Slope為2個(gè)柵格之間的坡降；Dz為2個(gè)柵格單元之間的高程差，m；Di為2個(gè)柵格單元中心之間的距離，m。

3.2.2 集水能力分析 柵格的集水能力通常用匯流能力表征，反映了該柵格收集地表徑流的能力的大小，柵格的匯流特征值代表其最多接受周圍來(lái)水的柵格數(shù)目，數(shù)值越大，說(shuō)明能夠匯入其中徑流的柵格數(shù)目越多，產(chǎn)流的可能性更高。

3.2.3 集水區(qū)劃分與河流網(wǎng)絡(luò)生成 依據(jù)柵格匯流能力刻畫區(qū)域集水區(qū)域及其邊界(分水嶺)(集水區(qū)邊界)。匯流特征值≥1的柵格就可劃分為集水區(qū)，特征值為0的則代表流域的分水嶺區(qū)域。

4 結(jié)果與分析

4.1 數(shù)據(jù)精度影響

從表1可以看出，以10 m精度DEM刻畫結(jié)果為基準(zhǔn)，侵蝕溝樣本的匯水面積的平均誤差在±16.04%左右，其中面積識(shí)別誤差較小的是大型侵蝕溝，這一類型侵蝕溝多集中集中在地形起伏較大的高山區(qū)，水流方向判別較為容易，所以數(shù)據(jù)精度帶來(lái)的誤差較小。而小型侵蝕溝更多的分布于漫坡慢崗區(qū)域，地勢(shì)低平，地形多變，數(shù)據(jù)精度對(duì)于水流方向的判斷影響較大，因此小型溝的識(shí)別結(jié)果誤差相對(duì)較大。圖 5展示了基于不同精度DEM識(shí)別同一侵蝕溝匯水邊界的幾何形狀，從匯水邊界的形狀差異來(lái)看，數(shù)據(jù)精度帶來(lái)的識(shí)別誤差是可以接受的。

4.2 不同類型侵蝕溝危害面積特征

不同類型侵蝕溝危害面積差異較為明顯，如表1所示。中型溝的危害面積是小型溝1.5倍，而大型溝的危害面積超過(guò)了小型溝3倍以上。但圖6顯示不同類型侵蝕溝的潛在危害面積比例卻擁有正相反的變化趨勢(shì)，小型溝的潛在危害面積比例達(dá)到76.19%，中型溝潛在危害面積占比超過(guò)了50%，而大型溝基本沒(méi)有潛在危害面積，潛在危害性不大。

表1 不同類型侵蝕溝危害面積Tab.1 Damaged areas of different types of gullies

圖5 丘陵區(qū)中型溝匯水面積識(shí)別結(jié)果(溝道占地面積0.77 ha，溝長(zhǎng)648.5 m)Fig.5 Identification result of catchment areas of medium-size gullies in the hilly area(Projected gully area 0.77 hm2 and its length 648.5 m)

圖6顯示侵蝕溝的長(zhǎng)度與其危害面積的相關(guān)程度要比其占地面積與危害面積的相關(guān)程度高。這主要是由于侵蝕溝長(zhǎng)度的變化主要是受流域內(nèi)地形、坡度的影響，而占地面積(投影面積)的變化則受到地形、耕作措施的綜合影響，因此導(dǎo)致以匯水面積為基礎(chǔ)的侵蝕溝危害面積與侵蝕溝長(zhǎng)度相關(guān)性更好。將建立的侵蝕溝長(zhǎng)度與危害面積的定量關(guān)系引入實(shí)際工作中，將有利于減輕管理部門的工作量，提高工作效率。

圖6 不同類型侵蝕溝潛在危害面積比例Fig.6 Percentages of potential damaged areas of different gullies

圖7 侵蝕溝特征與危害面積關(guān)系Fig.7 Relationship between gully feature and damaged area

5 結(jié)論

1)侵蝕溝危害面積以“匯水面積”為基礎(chǔ)，既反映了侵蝕溝對(duì)不同空間尺度區(qū)域的影響(直接影響區(qū)、間接影響區(qū)與匯水區(qū))，又首次表征了長(zhǎng)時(shí)間尺度上侵蝕溝發(fā)育帶來(lái)的危害(現(xiàn)狀匯水區(qū)與潛在匯水區(qū))，符合東北黑土區(qū)實(shí)際情況。

2)侵蝕溝危害范圍識(shí)別方法對(duì)數(shù)據(jù)精度要求適中，30 m數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)與第1次水利普查侵蝕溝矢量數(shù)據(jù)相匹配就能夠滿足黑土區(qū)侵蝕溝匯水邊界識(shí)別需要。

3)不同類型的侵蝕溝危害面積差異明顯。雖然大型溝危害面積顯著大于中小型溝，但后者潛在危害面積所占比例非常高，應(yīng)作為未來(lái)黑土區(qū)侵蝕溝治理的重點(diǎn)。