基于GIS的崩崗分布及坡向選擇性驗(yàn)證

溫美麗，陳 瑜，何小武，楊 龍，周 晴

(1.廣東省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用公共實(shí)驗(yàn)室,廣州地理研究所,510070,廣州；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院,330045,南昌)

崩崗是我國南方丘陵地區(qū)普遍存在的嚴(yán)重水土流失類型,它是由水力與重力聯(lián)合作用形成的特殊地貌類型。崩崗侵蝕產(chǎn)生的大量泥沙會(huì)掩埋良田、阻塞河道,對(duì)下游人民的生命安全及生產(chǎn)活動(dòng)造成嚴(yán)重威脅,并造成巨額經(jīng)濟(jì)損失[1]。我國崩崗主要分布于湖北、湖南、安徽、江西、福建、廣東、廣西等7個(gè)省區(qū)。2005年水利部調(diào)查結(jié)果顯示,南方7省區(qū)崩崗總數(shù)共24萬個(gè),土壤侵蝕面積達(dá)到1 200多km2,年侵蝕量6 000萬t,對(duì)山下影響范圍近200萬hm2[2]。

“崩崗”一詞由曾昭璇①曾昭璇.地形學(xué)原理(第一冊(cè))[M].華南師范學(xué)院地理叢書之二,1960.在1960年率先引入到地貌學(xué),它揭示了崩崗的侵蝕方式和侵蝕后的地貌特征,具有發(fā)生學(xué)與形成學(xué)的雙重含義[3-4]。 學(xué)者們50多年的研究,集中在地質(zhì)母巖、降雨、植被、坡向等諸多因素對(duì)崩崗侵蝕的影響[5]。

許多研究指出崩崗侵蝕的發(fā)育具有坡向選擇性,但坡向劃分方法差異較大,如南北坡崩崗分布研究中,南坡角度有的是 8個(gè)坡向之一(180°±22.5°)[6-8],有 的 是 16個(gè) 坡 向 之 一(180°±11.25°)[9]。陰陽坡崩崗分布研究中,南坡與陽坡存在3種關(guān)系:南坡等于陽坡[10]、陽坡包括南坡[1,11-14]、南坡包括陽坡[15]。崩崗的坡向確定方法也存在差異,有的[13-14]用GIS方法統(tǒng)計(jì)坡向,大部分用人工方法。這些混亂導(dǎo)致學(xué)者們的研究結(jié)論雖表述一致,如崩崗分布數(shù)量在南坡②南坡,也稱為向南坡或南向坡,陽坡也被稱為向陽坡。多于北坡[1,6-11,13],陽坡多于陰坡[1,10-13]；崩崗面積南坡多于北坡[6-7,12],陽坡多于陰坡[12],但無法準(zhǔn)確定量崩崗在不同坡向的分布規(guī)律,甚至?xí)|(zhì)疑崩崗坡向選擇性結(jié)論的通用性和適用性[16]。

不同坡向提取方法、不同坡向劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)崩崗分布的坡向選擇性有無影響？若已有研究使用相同坡向標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)計(jì)方法,崩崗坡向選擇性結(jié)論是否成立？不同坡向崩崗分布的定量關(guān)系如何？針對(duì)上述問題,本文開展試驗(yàn)研究,期望了解坡向的不同提取和劃分方法對(duì)崩崗坡向研究的適宜性,驗(yàn)證崩崗坡向選擇性的結(jié)論,明確崩崗坡向選擇性的通用性和適用性,定量計(jì)算不同坡向的崩崗分布。研究結(jié)果將更加深入地揭示崩崗侵蝕發(fā)育的規(guī)律,可用于指導(dǎo)崩崗侵蝕的防治。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 坡向的計(jì)算與分類

崩崗的坡向角度通過2種方法計(jì)算得到。人工計(jì)算法是在紙質(zhì)地形圖上根據(jù)崩崗所處坡面的主坡向或所屬山脈的走勢確定崩崗的主方向,再根據(jù)水流的方向,確定崩崗的精確方向,手動(dòng)測量方位角；GIS方法是利用ArcGIS軟件通過面積加權(quán)確定每個(gè)崩崗的坡向角度數(shù)值。同時(shí)利用GIS方法計(jì)算油田鎮(zhèn)域的土地坡向角度。

將得到的坡向角度,從0°±22.5°開始,順時(shí)針每45°劃分1個(gè)坡向,依次為北、東北、東、東南、南、西南、西、西北,得到8個(gè)方位(即8分法),該方法與ArcGIS系統(tǒng)中的坡向劃分方法一致。在8分法基礎(chǔ)上,一些研究[13-14]也采用3分法,將東南、南、西南稱為陽坡,西北、北、東北稱為陰坡,將東、西坡稱為半陽坡。在水土保持監(jiān)測和調(diào)查中常用坡向陰陽2分法,根據(jù)太陽入射角將北半球的東南坡、南坡、西南坡、西坡稱為陽坡,將西北坡、北坡、東北坡、東坡稱為陰坡[17],坡向的8分法、3分法和2分法的關(guān)系詳見圖1。

圖1 坡向8分法和2分法的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 Corresponding relationship between 8-slopeaspect and 2-slope-aspect

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理方法

數(shù)據(jù)來源包含2部分:1)1978年廣東省梅州市五華縣油田鎮(zhèn)1∶1萬地形圖和油田鎮(zhèn)邊界；2)已發(fā)表文獻(xiàn)中的各坡向崩崗數(shù)據(jù)。

五華縣位于廣東東北部,韓江上游,是全國崩崗分布最密集的地區(qū)；油田鎮(zhèn)位于五華縣中東部,與興寧市水口鎮(zhèn)接壤。 E 115°48′48″～115°55′16″,N 23°51′39″～23°58′37″,全鎮(zhèn)土地總面積 85.6 km2,土壤母質(zhì)主要是深厚的花崗巖風(fēng)化物。

首先,借助ArcGIS軟件數(shù)字化油田鎮(zhèn)地形圖的等高線、崩崗邊界、油田鎮(zhèn)邊界等要素,根據(jù)3種坡向劃分方法,計(jì)算并統(tǒng)計(jì)油田鎮(zhèn)各坡向的土地面積、每個(gè)崩崗的坡向和面積,并制作崩崗的坡向分布圖(圖2)。由于地形圖比例尺所限,面積較小的崩崗在圖上僅表示為一條線,無法統(tǒng)計(jì)面積,因此本文統(tǒng)計(jì)的崩崗不包含較小的崩崗。然后,將收集的已有崩崗坡向文獻(xiàn)根據(jù)前文確定的坡向劃分方法,重新統(tǒng)計(jì)各坡向崩崗的數(shù)量和面積,并計(jì)算數(shù)量和面積百分比。已有文獻(xiàn)共計(jì)11篇,研究區(qū)分布在廣東、福建和江西3省。所有數(shù)據(jù)使用Excel計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差,用SPSS13.0進(jìn)行方差分析,陰陽坡用t檢驗(yàn),方差分析中3分法用LSD事后檢驗(yàn),8分法用Tukey事后檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 油田鎮(zhèn)的坡向及崩崗分布

根據(jù)1∶1萬地形圖利用ArcGIS計(jì)算得到,油田鎮(zhèn)土地總面積為8 560.49 hm2,崩崗共計(jì)293個(gè),崩崗總面積89.79 hm2,崩崗占全鎮(zhèn)土地總面積的1.05%,平均每km23.4個(gè)崩崗,崩崗面積最小305 m2,最大17 065 m2,平均每個(gè)崩崗3 064 m2。根據(jù)油田鎮(zhèn)各坡向面積分布統(tǒng)計(jì)(圖2):2分法中陽坡面積占 44.2%,陰坡占 55.8%；3分法中陽坡占31.2%,陰坡占45.5%；8分法中北坡面積最大,占19.4%,南坡僅占10.3%。因此油田鎮(zhèn)陽坡土地面積大于陰坡,北坡土地面積大于南坡。

2.2 GIS與人工方法計(jì)算崩崗坡向角度的差異分析

比較GIS與人工方法計(jì)算的油田鎮(zhèn)每個(gè)崩崗的坡向角度的誤差(表1),結(jié)果表明,2種方法計(jì)算的崩崗坡向中有79個(gè)崩崗坡向存在差異,總面積25.11 hm2,占崩崗總數(shù)量的27%,占崩崗總面積的28%。坡向角度誤差＜30°的崩崗共44個(gè),占崩崗總數(shù)的15.0%,占總面積的15.8%,約占總誤差數(shù)量和面積誤差的均值的56%。誤差在30°～60°之間的崩崗占崩崗總數(shù)的8.2%、占崩崗總面積的9.6%,約占總誤差的32%。誤差＞60°的崩崗占崩崗總數(shù)的3.8%,占崩崗總面積的2.6%,約占總誤差的12%。因此,坡向角度誤差主要在30°以內(nèi)。產(chǎn)生誤差的崩崗有如下特征:范圍大、形狀細(xì)長且溝道有轉(zhuǎn)折、內(nèi)部形態(tài)破碎、溝頭發(fā)育越過山脊、處于坡面局部凹地等。GIS方法統(tǒng)計(jì)崩崗內(nèi)部坡向分布,復(fù)雜的內(nèi)部形態(tài)可能影響主坡向；而人工目視判讀先根據(jù)山脈走勢確定主坡向,再依水流方向確定精細(xì)走向,避免內(nèi)部變化對(duì)主坡向的影響。這是2種方法的計(jì)算過程產(chǎn)生的誤差。

表1 GIS與人工方法計(jì)算崩崗坡向的角度差異____________________Tab.1 Angle error of slope aspect of collapsed gully by manual and GIS methods

2.3 GIS與人工方法下廣東五華油田鎮(zhèn)的崩崗分布比較

五華縣油田鎮(zhèn)各坡向崩崗面積比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2),GIS和人工2種方法計(jì)算的各坡向崩崗面積存在一定的誤差,2分法中GIS計(jì)算的陽坡崩崗面積為65.29 hm2,人工計(jì)算是60.55 hm2,相對(duì)誤差7%,陰坡相對(duì)誤差17%；在3分法中陽坡相對(duì)誤差2%,陰坡64%,半陽坡29%。但2種方法計(jì)算結(jié)果均表明分布在陽坡的崩崗面積遠(yuǎn)超陰坡,在2分法中陽坡崩崗面積占70.1%,3分法中陽坡占48.1%,陰坡占15.0%。8分法中,2種方法統(tǒng)計(jì)的各坡向(北坡、東南坡除外)崩崗面積相對(duì)誤差在24%～67%之間,多因素方差分析顯示,2種方法間、8個(gè)坡向間及交互作用下崩崗面積差異均不顯著。但2種方法計(jì)算的南坡山崩崗面積均明顯多于北坡,南坡崩崗面積均值占15.2%,北坡占1.1%。2種方法計(jì)算崩崗面積最大的坡向分別是西坡(GIS)和西南坡(人工),面積最小的均是北坡。根據(jù)五華縣油田鎮(zhèn)各坡向崩崗數(shù)量比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2),雖然GIS和人工2種方法計(jì)算的各坡向崩崗數(shù)量存在一定誤差,2分法中GIS計(jì)算陽坡崩崗數(shù)量196個(gè),人工173個(gè),相對(duì)誤差13%；陰坡相對(duì)誤差21%；3分法中陽坡相對(duì)誤差為10%,陰坡為47%,半陽坡為12%。但2種方法的計(jì)算結(jié)果一致表明陽坡崩崗數(shù)量多于陰坡,2分法中陽坡崩崗數(shù)量占63.0%,3分法中陽坡占43.0%,陰坡占18.8%。8分法中,2種方法統(tǒng)計(jì)的各坡向(北坡除外)崩崗數(shù)量相對(duì)誤差在5%～52%之間。雖然2種方法計(jì)算的崩崗數(shù)量最多的分別是西坡(67個(gè)GIS)、西南和西坡(各56個(gè)人工),但南坡崩崗數(shù)量均明顯多于北坡,南坡崩崗數(shù)量均值占12.5%,北坡占比最小,僅占1.6%。

2.4 已有文獻(xiàn)各坡向崩崗數(shù)據(jù)的再分析

以本文的坡向劃分方法重新統(tǒng)計(jì)已有研究中各坡向崩崗面積數(shù)據(jù)(表2),統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示不論是2分法還是3分法,陽坡崩崗面積均顯著大于陰坡。2分法中陽坡崩崗面積比例均值為69.2%,陰坡為30.8%(t=-4.345,Df=8,P=0.002)；3分法中陽坡崩崗面積比例均值為53.1%,陰坡為19.5%(F=7.783,P=0.007)。8分法中西南和南坡的崩崗面積比例均值最大,分別占21.5%和21.3%,其次是西、東、東南、西北和東北,北坡面積最小,僅占4.7%。方差分析顯示(F=5.586,P＜0.05),南與北、東北和西北的崩崗面積差異顯著,西南亦如此。

圖2 基于2分法(a)、3分法(b)和8分法(c)的油田鎮(zhèn)崩崗坡向分布圖Fig.2 Distribution of collapsed gullies by 2-slope-aspect(a),3-slope-aspect(b),and 8-slope-aspect(c)in Youtian town

表2 五華油田鎮(zhèn)及已有文獻(xiàn)各坡向崩崗的面積和數(shù)量比例Tab.2 Area and quantity percentage of collapsed gully on different slope aspects in Youtian town of Wuhua county and all former studies%

重新統(tǒng)計(jì)已有的研究中各坡向崩崗數(shù)量比例(表2),統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明不論是2分法還是3分法,陽坡崩崗數(shù)量均顯著多于陰坡。2分法中陽坡崩崗數(shù)量比例均值為71.3%,陰坡為28.7%(t=-6.370,Df=22,P＜0.05)；3分法中陽坡崩崗數(shù)量比例均值為53.9%,陰坡為19.3%(F=22.592,P＜0.05)。8分法中,各坡向崩崗數(shù)量比例均值是南坡最大,占20.1%；其次是西南、西、東南和東,比例為10% ～20%；然后是西北和東北坡,比例 ＜10%；北坡崩崗數(shù)量比例均值最小,僅為5.7%。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)雖然GIS和人工2種方法計(jì)算的五華縣油田鎮(zhèn)各個(gè)坡向崩崗的數(shù)量和面積比例均存在一定誤差,但2種方法得到的崩崗分布規(guī)律基本一致:陽坡崩崗多于陰坡,南坡崩崗多于北坡,在坡向2分法中陽坡崩崗占66.5%,陰坡占33.5%；在3分法中陽坡占45.0%,陰坡占16.9%；在8分法中南坡占13.8%,北坡占1.3%。油田鎮(zhèn)土地面積不論是2分法還是3分法均是陽坡土地面積小于陰坡,8分法中南坡土地面積小于北坡；因此五華油田崩崗分布存在坡向選擇性,這一規(guī)律與崩崗坡向的提取方法、劃分方法以及區(qū)域土地坡向分布無關(guān)。

2)以統(tǒng)一的坡向劃分方法重新統(tǒng)計(jì)已有文獻(xiàn)各坡向的崩崗數(shù)據(jù),結(jié)果表明崩崗分布存在坡向選擇性,陽坡崩崗數(shù)量和面積均顯著多于陰坡,南坡和西南坡崩崗數(shù)量和面積均多于北坡,北坡數(shù)量和面積均最少。崩崗分布的比例,在2分法中陽坡占70.3%,陰坡占29.7%；3分法中陽坡占53.5%,陰坡占19.4%；8分法中,南坡占20.7%,西南坡占20.2%,北坡占5.2%。這說明坡向是影響崩崗分布的重要因素,本研究實(shí)現(xiàn)了崩崗坡向選擇性的數(shù)值定量。

3.2 討論

坡向?qū)Ρ缻徢治g的影響是間接的、隱性的,并且非常復(fù)雜。南坡接受更多的太陽輻射[18]和降水[19],從而影響局地小氣候,造成母巖、土壤和植被等發(fā)生變化,引起土壤可蝕性、抗蝕性[20-21]和剝蝕率[22]的變化,最終導(dǎo)致崩崗侵蝕更多分布在陽坡和南坡。崩崗侵蝕的發(fā)生發(fā)育是多個(gè)環(huán)境因子共同作用的結(jié)果。降雨、母巖、植被等因素均在大尺度地帶性地影響崩崗侵蝕的分布,而坡向?qū)η治g的影響更多是在點(diǎn)的尺度得到體現(xiàn)。

本研究發(fā)現(xiàn)面積較大的崩崗形態(tài)復(fù)雜多變,GIS計(jì)算時(shí)容易產(chǎn)生較大誤差,因此地形復(fù)雜的崩崗,需開展專項(xiàng)研究改進(jìn)坡向提取方法。暫未查到安徽、湖南、湖北、廣西等4個(gè)省區(qū)的崩崗侵蝕分布資料,研究結(jié)論有待進(jìn)一步驗(yàn)證與完善。

審稿專家對(duì)本文提出重要修改意見,廣州地理研究所的梁國昭老師幫助修改全文,陳聰在數(shù)字化和制圖中給予大力幫助,在此謹(jǐn)表示感謝！

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