基于遙感和GIS的侵蝕溝分類

王兆銘，劉建祥，高 燕，陳 培

（1.吉林省國土資源調(diào)查規(guī)劃研究院，吉林長春130024；2.水利部松遼水利委員會，吉林長春 130021；3.黃河流域水土保持監(jiān)測中心，陜西 西安 710021）

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基于遙感和GIS的侵蝕溝分類

王兆銘1，劉建祥2，高 燕2，陳 培3

（1.吉林省國土資源調(diào)查規(guī)劃研究院，吉林長春130024；2.水利部松遼水利委員會，吉林長春 130021；3.黃河流域水土保持監(jiān)測中心，陜西 西安 710021）

［摘 要］文中通過遙感調(diào)查和實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方式,獲取了流域侵蝕溝信息，結(jié)合流域侵蝕溝實(shí)際特點(diǎn)完成了侵蝕溝分類指標(biāo)的篩選，在ARCGIS平臺下完成了流域侵蝕溝的快速分類，并對不同類型侵蝕溝的特征及防治要求進(jìn)行了分析。

［關(guān)鍵詞］侵蝕溝；分類方法；烏裕爾河流域；遙感

根據(jù)第一次全國水利普查-東北黑土區(qū)侵蝕溝道普查，東北黑土區(qū)侵蝕溝295 663條，危害嚴(yán)重。然而，目前侵蝕溝分類沒有形成一套技術(shù)體系，沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。對于水保工作者，無法通過侵蝕溝現(xiàn)狀數(shù)據(jù)直觀地認(rèn)識黑土區(qū)不同區(qū)域侵蝕溝的發(fā)展現(xiàn)狀、危害程度及潛在危害，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)合理、有效地開展侵蝕溝的分區(qū)防治。烏裕爾河流域是典型黑土區(qū)具有代表性的流域之一且溝蝕比較嚴(yán)重，因此，文中選擇烏裕爾河流域開展侵蝕溝快速分類研究，為侵蝕溝防治提供決策依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

烏裕爾河流域北起北安市，南至杜爾伯特蒙古族自治縣，流域途徑五大連池市、克山縣、克東縣、訥河市、拜泉縣、依安縣、明水縣、富?？h、林甸縣、齊齊哈爾市市轄區(qū)、大慶市市轄區(qū)、泰來縣、共涉及14個縣（市、區(qū)），流域總面積為2.49萬km2。流域位于黑龍江省小興安嶺西南緣，為小興安嶺余脈與松嫩平原過渡地帶，坡面緩而長，坡度一般在3°以下，坡長多為800～1 500 m，屬于東北漫川漫崗典型黑土區(qū)，是黑龍江省糧食主產(chǎn)區(qū)之一。土壤主要類型為黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土、火山灰土、白漿土。流域地處中高緯度，屬寒溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，寒暑變化明顯。四季氣候特點(diǎn)是：春季干旱多風(fēng)；夏季短促炎熱，降水集中；秋季低溫，霜凍較早，降溫急??；冬季漫長嚴(yán)寒。年降水量在250.5～793.9 mm之間，主要集中在7，8，9三個月，年均徑流深75 mm左右。

2　流域侵蝕溝分類方法研究

2.1國內(nèi)外侵蝕溝分類現(xiàn)狀

2.1.1國外侵蝕溝分類研究

關(guān)于溝谷系統(tǒng)的分類問題，國外通常以不同的方式來命名。在歐美的文獻(xiàn)中，按其規(guī)模由小到大次序，依次命名為細(xì)溝、切溝、沖溝和河道，F(xiàn)oster[3]等在研究中引入了淺溝（Ephemeral gully）的概念。而在蘇聯(lián)的文獻(xiàn)中，根據(jù)由小到大次序，將侵蝕溝依次命名為細(xì)溝、切溝、沖溝和河谷，各國根據(jù)自己的情況命名也有差異。

2.1.2國內(nèi)侵蝕溝分類研究

我國對于侵蝕溝進(jìn)行的系統(tǒng)分類起于黃土高原的水土流失研究。目前，國內(nèi)對侵蝕溝的分類沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。王禮先[1]等根據(jù)溝蝕發(fā)生的形態(tài)和演變過程，將溝蝕分為淺溝侵蝕、切溝侵蝕、沖溝侵蝕、干溝侵蝕、河溝侵蝕等。羅來興[4]將黃土高原的河谷系統(tǒng)分為淺溝、切溝、沖溝、坳溝和河溝，前三者是現(xiàn)代侵蝕溝、后二者為古代侵蝕溝。朱顯謨[5]認(rèn)為對于溝蝕，根據(jù)其發(fā)展階段、演變時期和侵蝕強(qiáng)度等劃分為細(xì)溝侵蝕、淺溝侵蝕和切溝侵蝕，而所有溝蝕的發(fā)展都是由細(xì)溝、淺溝到切溝，它們構(gòu)成一個完整的體系，地面流水必先經(jīng)過它們，然后注入溝谷系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。陳永宗[2]等將黃土高原溝蝕（現(xiàn)代侵蝕）形態(tài)分為淺溝、條溝、懸溝、切溝和沖溝。劉增文[6]等從溝道開析狀況、地面割裂程度、主支溝狀況、溝頭發(fā)生學(xué)角度和溝頭發(fā)育程度及活躍狀況對溝道及溝頭進(jìn)行分類，該分類從治理溝道的角度出發(fā)對侵蝕溝侵蝕分類具有實(shí)踐意義，但各分類方式?jīng)]有聯(lián)系整合到一起，不便于科學(xué)指導(dǎo)。戴武剛[7]等選取了影響溝和發(fā)生發(fā)展12個主要影響因子作為分類指標(biāo)，采用模糊聚類方法，將遼西低山丘陵區(qū)侵蝕溝壑分為初期“V”型發(fā)展溝、中期“U”型發(fā)展溝和后期“U”型穩(wěn)定溝。張永光[8]等通過對東北漫崗黑土區(qū)兩個流域的地形因子和淺溝侵蝕進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)淺溝長度、侵蝕體積與坡面長度呈顯著相關(guān)，但沒有形成侵蝕溝分類指標(biāo)體系。還有一些學(xué)者或者水保工作者根據(jù)侵蝕溝的穩(wěn)定程度，將侵蝕溝分為發(fā)展溝、半穩(wěn)定溝和穩(wěn)定溝。

2.2流域侵蝕溝分類思路

目前侵蝕溝分類方法定性描述多，定量少，而且操作性差，無法實(shí)現(xiàn)大面積侵蝕溝類型現(xiàn)狀的統(tǒng)計分析，對侵蝕溝防治技術(shù)的指導(dǎo)意義也不大。文中通過遙感調(diào)查的方式獲取流域侵蝕溝溝長、溝寬、吞噬耕地面積等信息，結(jié)合實(shí)地調(diào)查，篩選分類指標(biāo)，快速地實(shí)現(xiàn)了流域侵蝕的分類與統(tǒng)計分析。

2.3侵蝕溝信息獲取

文中以2.5 m的SPOT5彩色影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合地形、水系、土地利用等參考資料，通過影像預(yù)判、實(shí)地調(diào)查、建立解譯標(biāo)志、室內(nèi)解譯、解譯結(jié)果實(shí)地核查與修改等步驟完成流域侵蝕溝位置、形狀、長度、面積及周圍自然特征等信息的獲取。由于林地中的侵蝕溝受影像時相的限制，在5—7月份影像上很難識別，因此主要調(diào)查耕地中的2.5 m及以上分辨率遙感影像上能夠識別的侵蝕溝，但已經(jīng)發(fā)展為季節(jié)性河流或者溝谷的不再研究范圍內(nèi)。

經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)有侵蝕溝8 094條，總溝長4 193.89 km，吞噬耕地面積62.23 km2。將流域內(nèi)不同行政區(qū)的侵蝕溝參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，克東縣、克山縣、拜泉縣、北安市溝蝕最嚴(yán)重，侵蝕溝數(shù)量、面積都遠(yuǎn)大于其他各縣市，四個地區(qū)侵蝕溝總計5 975條，占流域侵蝕溝總條數(shù)的88.21%，詳見表1。

2.4侵蝕溝分類指標(biāo)篩選及分類

目前已有的侵蝕溝分類指標(biāo)主要包括侵蝕溝形態(tài)特征指標(biāo)及侵蝕機(jī)理指標(biāo)兩大類，形態(tài)指標(biāo)如溝長、溝寬、溝深等指標(biāo)是可以量化的，侵蝕溝剖面形態(tài)、侵蝕方式及部分影響因子指標(biāo)只能定性描述。上述指標(biāo)有些是可以通過遙感影像直接獲取的，如溝寬、溝深、溝的整體形態(tài)特征、溝的穩(wěn)定性、溝底及周邊植被信息及分布等，而其發(fā)育的影響因子如土壤、地形地貌等自然要素指標(biāo)可以通過疊加要素圖層獲得，但利用這些指標(biāo)進(jìn)行分類需要做大量的侵蝕溝機(jī)理方面的理論研究工作，而且對于像烏裕爾河流域這樣的中小流域，利用影響因子進(jìn)行分類實(shí)用性不大，因此基于遙感和GIS技術(shù)提出了一套實(shí)用、可行的快速侵蝕溝分類方法，并能夠快速地統(tǒng)計分析和掌握流域侵蝕溝的現(xiàn)狀。

表1不同行政區(qū)侵蝕溝統(tǒng)計表

通過對侵蝕溝的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，侵蝕溝發(fā)育的穩(wěn)定性可通過溝內(nèi)植被蓋度進(jìn)行評價，蓋度在30%以上的溝基本穩(wěn)定，30%以下處于半穩(wěn)定和發(fā)展的狀態(tài)，因此，將植被蓋度作為侵蝕溝分類的一級分類指標(biāo)。

侵蝕溝溝長、溝寬直接影響溝的治理難易及危害程度，可作為侵蝕溝二級分類指標(biāo)。將侵蝕溝以溝長100 m為單位區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)溝長在1 000 m以下的侵蝕溝占90.78%，且主要集中在100～500 m之間，溝長在100～500 m的侵蝕溝數(shù)量占整個流域的65.83%。隨著溝長的增加，侵蝕溝的平均溝寬呈增加趨勢，100 m以下區(qū)間到100～200 m區(qū)間增幅較大，到900 m以上增幅降低，并呈現(xiàn)不規(guī)則波動，從溝長1 500 m開始，平均溝寬基本在18 m上下波動。

根據(jù)侵蝕溝的溝寬和溝長指標(biāo)，對將流域內(nèi)溝長大于10 m的侵蝕溝分成微型發(fā)展溝、小型發(fā)展溝、中型發(fā)展溝、大型發(fā)展溝、特大型發(fā)展溝以及穩(wěn)定溝，如表2所示。

表2侵蝕溝分類結(jié)果

3　流域侵蝕溝分類結(jié)果分析

流域不同類型侵蝕溝的形態(tài)特征、危害程度及防治要求有所不同，主要如下。

1）微型發(fā)展溝。該類溝溝寬從幾厘米到2 m左右不等，長度一般小于100 m，多形成于坡地的低洼區(qū)域或者集水線上，一般無明顯的溝緣線，該類侵蝕溝對土地的破壞比較小，治理成本也比較低，應(yīng)該及時地采取簡單的攔擋或者填埋等防治措施，抑制侵蝕溝的發(fā)展。

2）小型發(fā)展溝。該類溝一般處于淺溝侵蝕向切溝侵蝕的過渡階段，發(fā)展速度比較快，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響極大。當(dāng)發(fā)生朔源侵蝕，坡面侵蝕將發(fā)生明顯的變化，一旦發(fā)展為切溝就難以控制，并標(biāo)志著土地資源的徹底破壞。所以必須加大該類溝的治理，防止進(jìn)一步發(fā)展。

3）中型發(fā)展溝 。該類型溝一般處于切溝侵蝕階段，易發(fā)生朔源侵蝕和下切侵蝕，溝岸擴(kuò)張，甚至出現(xiàn)毛支溝，把大片耕地分割得支離破碎，造成土地的大量喪失，嚴(yán)重破壞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和田間機(jī)械作業(yè)環(huán)境。該類型溝一旦形成很難控制其發(fā)展，而且治理的成本比較大，短期治理效果不明顯。

4）大型發(fā)展溝。該類溝一般處于沖溝侵蝕階段，多產(chǎn)生二級甚至三級支溝，土壤侵蝕量大，其發(fā)展加劇了片蝕和細(xì)溝侵蝕，破壞及其嚴(yán)重，治理難度大。如不采取有效措施，控制土層的流失，周邊的土地肥力將銳減，嚴(yán)重影響糧食產(chǎn)量。

5）特大型發(fā)展溝。該類溝一般處于坳溝侵蝕階段，朔源侵蝕和下蝕作用減弱，谷底不再加深，溝床上有沉積物覆蓋，而溝坡愈來愈變得平緩，不再有明顯的溝緣，溝谷發(fā)育已進(jìn)入衰亡階段，在不危害生命和財產(chǎn)的前提下可暫時不予治理。

6）穩(wěn)定溝。該類溝溝底不再下切加深，溝頭、溝邊不再發(fā)展的侵蝕溝。由于穩(wěn)定溝一般溝底及溝壁均有大量植物生長，植被蓋度常大于30%。

4　結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

1）依據(jù)侵蝕溝的發(fā)育階段將烏裕爾河流域的侵蝕溝道分為發(fā)展溝和穩(wěn)定溝兩種類型，依據(jù)溝寬和溝長等指標(biāo)，以及不同侵蝕溝在遙感影像中的特征表現(xiàn)，對溝長大于10 m，溝寬大于2 m的侵蝕溝進(jìn)行了分類，將侵蝕溝分為微型、小型、中型、大型、特大型發(fā)展溝和穩(wěn)定溝。

2）對各類型侵蝕溝道的特征及防治要求進(jìn)行了分析。微型侵蝕溝對土地的破壞比較小，治理成本也比較低，應(yīng)該及時地采取簡單的攔擋或者填埋等防治措施，抑制侵蝕溝的發(fā)展。小型發(fā)展溝對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響極大，一旦發(fā)展為中型發(fā)展溝就難以控制，并標(biāo)志著土地資源的徹底破壞，必須及時進(jìn)行防治，小型溝一旦發(fā)展為中型溝、大型溝甚至特大型溝則治理成本不僅增加，難度也隨之加大，且短期治理效果不明顯，而穩(wěn)定溝形成以后發(fā)展停滯，溝壑內(nèi)常覆蓋植被，對土地的蠶食也基本停止。

4.2建議

1）建立一套合理、有效、標(biāo)準(zhǔn)化的研究觀測方法，是進(jìn)行侵蝕溝研究的基礎(chǔ)和前提。目前有關(guān)侵蝕溝的觀測方法較多，觀測參數(shù)不一，各觀測結(jié)果相互間也難以比較，迄今未能形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的侵蝕速率及控制因子的觀測研究方法。遙感法迅速、簡便、易于實(shí)現(xiàn)周期監(jiān)測，能確定侵蝕活躍部位，繪制出侵蝕溝圖形；缺點(diǎn)是限于多數(shù)遙感影像分辨率較低，對于形態(tài)上變化小的溝道系統(tǒng)，如每年幾十厘米的溝頭前進(jìn)速度，分辨率達(dá)不到要求，只能進(jìn)行中長期監(jiān)測，滿足不了短時間尺度監(jiān)測要求。

2）目前在侵蝕溝分類分級研究方面，國內(nèi)外尚無成熟經(jīng)驗(yàn)和分級標(biāo)準(zhǔn)，主要以溝蝕的發(fā)展階段或發(fā)生發(fā)展過程將侵蝕溝分類分級，主要靠經(jīng)驗(yàn)判斷，沒有定量指標(biāo)和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對經(jīng)驗(yàn)的要求很高，對侵蝕溝防治技術(shù)的指導(dǎo)意義也不大。建議在侵蝕溝分類分級研究工作的基礎(chǔ)上，針對東北黑土區(qū)內(nèi)不同區(qū)域，不同類型的侵蝕溝，在定量化分級的基礎(chǔ)上進(jìn)行措施優(yōu)化組裝和開展效益監(jiān)測研究，對加快東北黑土區(qū)水土流失防治特別是溝蝕的防治具有重要意義。

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［中圖分類號］S157

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1002－0624（2016）05－0040－04

[收稿日期]2016-01-28