河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝分類研究

張　巖，馬松增，閆佳杰，閆俊飛，張　毅

(1.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)總站，河南 鄭州 450008； 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083；3.河南省嵩縣水土保持科學(xué)研究所，河南 嵩縣 471400)

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河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝分類研究

張巖1，馬松增1，閆佳杰2，閆俊飛3，張毅1

(1.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)總站，河南 鄭州 450008； 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083；3.河南省嵩縣水土保持科學(xué)研究所，河南 嵩縣 471400)

侵蝕溝；分類；指標(biāo)體系；黃土丘陵區(qū)；河南省

以河南省黃土丘陵區(qū)為研究區(qū)，選取絕對(duì)高程為主導(dǎo)因子作為侵蝕溝分類一級(jí)分區(qū)的指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)自然社會(huì)指標(biāo)和侵蝕溝特征指標(biāo)，運(yùn)用空間分析和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行綜合分析，得到研究區(qū)侵蝕溝分類的二級(jí)分類體系。采用這種分類方式，區(qū)分河南省黃土丘陵區(qū)具有不同發(fā)育程度、不同特性的侵蝕溝，為當(dāng)?shù)厍治g溝的治理提供依據(jù)。

侵蝕溝是黃土高原土壤侵蝕的重要源地。在了解侵蝕溝發(fā)育狀況、發(fā)育程度等基礎(chǔ)上進(jìn)行侵蝕溝分類研究，有助于有針對(duì)性地開(kāi)展黃土高原侵蝕溝治理。關(guān)于黃土高原侵蝕溝的分類，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多種嘗試：早期人們?cè)鶕?jù)坡面侵蝕機(jī)理對(duì)侵蝕溝進(jìn)行分類[1-2]，這種方法側(cè)重定性分析，缺乏定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；之后人們開(kāi)始嘗試運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)分類進(jìn)行定量支持[3]，但是合理性、準(zhǔn)確性有待商榷；目前人們常用多種方法相結(jié)合的方法[4-6]進(jìn)行侵蝕溝分類，這種方法雖然具有實(shí)踐意義，但無(wú)法適用于較大范圍。河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝分布范圍較廣、區(qū)域特性明顯、發(fā)育程度不同，無(wú)法適用于當(dāng)前已有的侵蝕溝分類方式。在這樣的背景下，本研究以河南省黃土丘陵區(qū)為研究區(qū)，嘗試采用定性與定量分析、空間分析和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)等多種方法相結(jié)合的方法對(duì)侵蝕溝進(jìn)行分類，以期為黃土高原地區(qū)水土流失侵蝕溝道綜合治理和空間措施配置提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

河南省黃土丘陵區(qū)是河南省水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，屬于豫西黃土臺(tái)塬低山輕度水蝕區(qū)，位于河南省西北部，西鄰陜西，北瀕黃河，南與伏牛山區(qū)交錯(cuò)，東同黃淮平原接壤[7]，總面積約2.7萬(wàn)km2，約占河南省總面積的16.13%。該區(qū)氣候干旱，年降水量小，同時(shí)又是中華民族歷史上開(kāi)發(fā)最早的地區(qū)之一，自然植被破壞、水土流失嚴(yán)重[8]；海拔80～2 400 m，地形起伏變化大，土層深厚、疏松、抗蝕抗沖性差，面蝕、溝蝕、崩塌、滑坡等時(shí)有并相伴發(fā)生；現(xiàn)階段以溝蝕(切溝侵蝕)最為活躍，溝底下切、溝岸擴(kuò)張和溝頭溯源侵蝕不斷蠶食和分割坡面，梁峁或塬面被切割得支離破碎，由此產(chǎn)生的土壤流失量約占黃土丘陵區(qū)總侵蝕量的60%以上，不僅嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全，而且給山區(qū)群眾生產(chǎn)生活和生態(tài)環(huán)境造成極大威脅[9-11]。

2　研究?jī)?nèi)容與方法

針對(duì)河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝展開(kāi)調(diào)查，以地學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用“3S”技術(shù)，采用空間分析方法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，綜合侵蝕溝發(fā)育的各項(xiàng)影響因子，選擇絕對(duì)高程作為侵蝕溝分類一級(jí)分區(qū)的主導(dǎo)因子。在一級(jí)分區(qū)基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法，進(jìn)一步選擇對(duì)水土流失影響顯著的坡度、植被覆蓋度、土地利用類型、多年平均降水量、土壤類型等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合能夠體現(xiàn)侵蝕溝不同形態(tài)的各項(xiàng)侵蝕溝自身特征指標(biāo)，如溝道縱比降、主溝道長(zhǎng)度、溝道寬長(zhǎng)比、溝道平均寬度、溝道侵蝕面積、侵蝕溝周長(zhǎng)等，對(duì)侵蝕溝進(jìn)行二級(jí)分類，從而建立完整的二級(jí)分類體系，技術(shù)路線見(jiàn)圖1。分析步驟：①分析影響侵蝕溝發(fā)生發(fā)育的多個(gè)影響因子，選擇絕對(duì)高程作為侵蝕溝分類一級(jí)分區(qū)的主導(dǎo)因子；②獲取遙感影像，搜集基礎(chǔ)資料，通過(guò)多種方法獲取各項(xiàng)指標(biāo)；③從自然影響因素出發(fā)，在一級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行空間疊加分析；④從侵蝕溝特征指標(biāo)出發(fā)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，對(duì)選取的各屬性特征指標(biāo)進(jìn)行聚類分析；⑤將空間疊加分析和聚類分析的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而進(jìn)行二級(jí)分類，形成侵蝕溝分類體系。

圖1　侵蝕溝分類技術(shù)路線

3　侵蝕溝分類

3.1評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)研究區(qū)侵蝕溝開(kāi)展調(diào)查研究，從外部影響因素的自然社會(huì)指標(biāo)和其本身發(fā)育特征的侵蝕溝特征指標(biāo)兩方面選取評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1.1自然社會(huì)指標(biāo)

影響侵蝕溝發(fā)育的外部因素很多，包括自然因素和社會(huì)因素。這些因素對(duì)侵蝕溝形成和發(fā)展的各個(gè)階段都有影響，對(duì)侵蝕溝發(fā)育影響的機(jī)理也不相同。主要包括以下幾個(gè)方面：①土壤類型。通常用土壤抗蝕性和抗沖性衡量土壤抵抗徑流侵蝕的能力。土壤越黏重，膠結(jié)物越多，抗蝕性越強(qiáng)。該地區(qū)土壤種類較多且分布不均，有褐土、石灰性褐土、潮褐土等，它們對(duì)土壤侵蝕的影響程度不同。②植被覆蓋度。植被覆蓋度是衡量地表水土流失狀況的一個(gè)最重要指標(biāo)。該地區(qū)植被分布不均，對(duì)侵蝕溝的發(fā)育有一定影響。③坡度。該地區(qū)土壤侵蝕以面蝕和溝蝕為主，土壤侵蝕量的大小受地面坡度大小影響明顯。④土地利用類型。不同類型的土地利用方式對(duì)侵蝕溝的發(fā)生發(fā)育影響很大。近年來(lái)研究區(qū)土地利用類型發(fā)生了明顯變化，造成部分地區(qū)侵蝕溝發(fā)育。⑤多年平均降水量。暴雨沖刷是造成土壤侵蝕的重要原因，因此選取多年平均降水量作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1.2侵蝕溝特征指標(biāo)

為了更好地表征侵蝕溝道的位置、特征、活動(dòng)狀態(tài)、危害等，選取能夠反映侵蝕溝道特征的指標(biāo)進(jìn)行分析。侵蝕溝道提取的指標(biāo)主要包括反映溝道形態(tài)的溝道縱比降、主溝道長(zhǎng)度、侵蝕溝周長(zhǎng)、溝道侵蝕面積，以及從水文學(xué)中引入的溝道平均寬度、溝道寬長(zhǎng)比。

3.2侵蝕溝分類一級(jí)分區(qū)

侵蝕溝所處海拔對(duì)溝道的發(fā)育、特征表現(xiàn)、治理開(kāi)發(fā)及利用的影響最大，不同絕對(duì)高程區(qū)間侵蝕溝分布特征差異明顯，因此以絕對(duì)高程作為溝道劃分一級(jí)分類的主導(dǎo)因子，對(duì)侵蝕溝進(jìn)行初步分類，為特征分析奠定基礎(chǔ)。根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，以絕對(duì)高程區(qū)間將其劃分為：Ⅰ.小于200 m、Ⅱ.200 m階地、Ⅲ.200～500 m、Ⅳ.大于500 m四個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖2。一級(jí)分區(qū)結(jié)果表明，研究區(qū)大部分地區(qū)絕對(duì)高程大于200 m，其中：Ⅲ區(qū)所占面積最大，超過(guò)研究區(qū)總面積一半以上；其次是Ⅳ區(qū)；再次是Ⅰ區(qū)，占到約10%；Ⅱ區(qū)最少，只有約4%。

圖2　研究區(qū)侵蝕溝一級(jí)分區(qū)結(jié)果

3.3侵蝕溝二級(jí)分類

研究區(qū)侵蝕溝一級(jí)分區(qū)是基于該區(qū)域溝道的分布特征進(jìn)行的大尺度上的初步分類，要達(dá)到對(duì)侵蝕溝進(jìn)行合理分類進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)踐的目的，還需深入分析侵蝕溝的發(fā)展特征，從多方面綜合考慮侵蝕溝類型的進(jìn)一步細(xì)化。因此，本研究從影響土壤侵蝕的自然社會(huì)指標(biāo)和侵蝕溝特征指標(biāo)兩方面出發(fā)，外因與內(nèi)因相結(jié)合，充分選取了影響侵蝕溝的各項(xiàng)指標(biāo)，將GIS空間分析功能與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相結(jié)合，全面分析了各因素對(duì)侵蝕溝的綜合作用，并據(jù)此得出河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝的二級(jí)分類體系。

3.3.1自然社會(huì)指標(biāo)分析

選取多個(gè)自然因素指標(biāo)作為侵蝕溝分類的依據(jù)。考慮各指標(biāo)的綜合影響，采用空間疊加的方法分析各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)土壤侵蝕的影響程度，運(yùn)用層次分析法構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型和判斷矩陣來(lái)確定各項(xiàng)指標(biāo)在空間疊加分析中的權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表1。利用ArcGIS工具對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)因子根據(jù)權(quán)重進(jìn)行空間疊加，得到研究區(qū)土壤侵蝕綜合得分值及其分布情況，在一定程度上反映了土壤發(fā)生侵蝕可能性的大小和各種程度侵蝕溝的基本分布情況，從而為確定侵蝕溝的發(fā)生發(fā)展、制定相應(yīng)的治理措施和規(guī)劃提供依據(jù)。

表1　侵蝕溝二級(jí)分類自然社會(huì)指標(biāo)權(quán)重值

3.3.2侵蝕溝特征指標(biāo)分析

研究區(qū)侵蝕溝數(shù)量眾多，選取了多個(gè)侵蝕溝屬性指標(biāo)。為將這些指標(biāo)綜合快速且有效地進(jìn)行分類，選用K-means聚類分析法。K-means聚類分析法是將大量的數(shù)據(jù)劃分成群組，即把對(duì)象分成多個(gè)類，在同一個(gè)類中的數(shù)據(jù)對(duì)象之間具有較高的相似度，而不同類中的數(shù)據(jù)對(duì)象差別較大。該方法算法快速、簡(jiǎn)單，對(duì)大數(shù)據(jù)集有較高的效率并且具有可伸縮性，時(shí)間復(fù)雜度近于線性，適合挖掘大規(guī)模數(shù)據(jù)集。

在以絕對(duì)高程為一級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同高程區(qū)間的侵蝕溝特征指標(biāo)進(jìn)行K-means聚類分析。針對(duì)不同分區(qū)，分別選取該區(qū)域侵蝕溝道的六大指標(biāo)進(jìn)行聚類，即溝道平均寬度、主溝道長(zhǎng)度、溝道寬長(zhǎng)比、溝道侵蝕面積、侵蝕溝周長(zhǎng)、溝道縱比降。聚類結(jié)果根據(jù)由小到大、由窄到寬不同發(fā)育狀況的侵蝕溝形態(tài)進(jìn)行分類排列，進(jìn)而為侵蝕溝二級(jí)分類的確定提供依據(jù)。

3.3.3綜合分析

從自然社會(huì)特征指標(biāo)和侵蝕溝特征指標(biāo)兩方面對(duì)侵蝕溝分類進(jìn)行綜合分析。將空間疊加分析結(jié)果進(jìn)行重分類，按照數(shù)據(jù)分布規(guī)律和自然間斷點(diǎn)分級(jí)法劃分，對(duì)應(yīng)輕度、中度、嚴(yán)重(中度以上侵蝕)不同程度的土壤侵蝕，從而得出基于侵蝕溝一級(jí)分區(qū)的二級(jí)分類體系，結(jié)果見(jiàn)表2。據(jù)此分類體系提供的分類方法，通過(guò)侵蝕溝的絕對(duì)高程和空間分布情況，可以快速判定侵蝕溝的侵蝕強(qiáng)度、發(fā)展趨勢(shì)、溝道狀況等綜合特征。

表2　侵蝕溝二級(jí)分類體系

4　結(jié)　論

本研究選取絕對(duì)高程作為劃分侵蝕溝分類一級(jí)分區(qū)依據(jù)，將河南省黃土丘陵區(qū)侵蝕溝分布區(qū)域分成四大區(qū)域，即Ⅰ.小于200 m、Ⅱ.200 m階地、Ⅲ.200～500 m、Ⅳ.大于500 m。在此基礎(chǔ)上，從自然社會(huì)指標(biāo)和侵蝕溝特征指標(biāo)兩方面，運(yùn)用空間分析和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行綜合分析，得到研究區(qū)侵蝕溝二級(jí)分類體系。

在研究過(guò)程中，綜合考慮多種因素，運(yùn)用多種方法，定性定量相結(jié)合，研究過(guò)程合理全面，分類方法與結(jié)果緊密圍繞研究區(qū)的實(shí)際情況，有針對(duì)性，為當(dāng)?shù)夭煌愋?、不同發(fā)育程度侵蝕溝治理提供了可靠依據(jù)。該分類方法在判定研究區(qū)的侵蝕溝類型方面得到了實(shí)踐應(yīng)用，為侵蝕溝因地制宜、因害設(shè)防、因溝而治提供了科學(xué)依據(jù)，也為國(guó)內(nèi)相同或相似類型區(qū)的侵蝕溝分類體系研究提供了參考。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

河南省水利科技攻關(guān)項(xiàng)目(GG201302)

S157

A

1000-0941(2016)08-0056-04

張巖(1982—)，男，河南南陽(yáng)市人，工程師，碩士，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)和相關(guān)研究工作；通信作者馬松增(1984—)，女，河南鞏義市人，碩士，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)工作。

2016-02-01