元謀干熱河谷強侵蝕區(qū)陷穴空間格局分析

何湘 舒成強 蔣良群

摘 要：陷穴是云南元謀干熱河谷強侵蝕區(qū)主要的潛蝕地貌之一，是一種可以導致水土流失的一種地質(zhì)災害類型。選取元謀干熱河谷具有典型性的強侵蝕區(qū)——沙地村范圍內(nèi)的陷穴作為研究目標，采取紙質(zhì)版影像圖與電子圖相結(jié)合的方式進行野外數(shù)據(jù)采集，基于ArcGIS10.2軟件的空間分析工具，對陷穴的最鄰近指數(shù)、二階性質(zhì)的K函數(shù)以及核密度進行定量研究，并對占據(jù)重要比重的串珠狀類型陷穴進行統(tǒng)計分析。研究結(jié)果顯示，沙地村餡穴總體上呈現(xiàn)為以233.72 m為半徑的范圍內(nèi)的聚集分布模型，在此范圍內(nèi)，陷穴的聚集模式呈現(xiàn)為先隨著半徑的增加而增加，當半徑為102.47 m時陷穴聚集程度達到峰值；之后隨著半徑進一步增加陷穴的聚集程度逐漸降低；當半徑超出233.72 m時，陷穴體現(xiàn)出分散的特征；總體而言，沙地村陷穴分為3個高密度區(qū)與3個低密度區(qū)，此類區(qū)域均為地形破碎的沖溝發(fā)育區(qū)；串珠狀陷穴占總陷穴數(shù)的58.7%，每串陷穴的陷穴數(shù)有3～6、9～11、14～15個，且多以3～5個為主，大多分布于沖溝內(nèi)部。研究結(jié)果揭示了干熱河谷強侵蝕區(qū)陷穴在一定的范圍內(nèi)具有較強的聚集性，往往與沖溝相伴生，多分布于沖溝中上游位置，特別是沖溝溝頭分布較為普遍。

關(guān)鍵詞：干熱河谷；潛蝕；陷穴；空間格局

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2018.07.015

Abstract： Sink hole is one of the main underground erosion landforms in the intensive erosion zone of Yuanmou dryhot valley in Yunnan， and a type of geological disaster that can cause water and soil loss. The sink holes of Shadi Village in the typical erosion area in Yuanmou dryhot valley， were selected as the research objectives， the field data was collected by both paper data image and electronic image. Based on the spatial analysis tools in ArcGIS10.2 software， we quantitatively studied the nearest neighbor index， the K function of the secondorder property and the nuclear density of the sink holes， and statistically analyzed the beadlike sinking holes which occupying an important proportion. The results showed that the sink holes in Shadi Village generally presented aggregated distribution within the radius of233.72 m. Within this range， the aggregation degree of sinking holes appeared to increase firstly as the radius increasing， and the aggregated degree peaked at102.47 m； then decreased with the increase of the radius， and showed the characteristics of dispersion when the radius exceeded233.72 m. In general， the sink holes in Shadi Village could be divided into 3 highdensity areas and 3 lowdensity areas， all of which were gully development areas with broken terrain. The beadlike sinking holes accounted for58.7% of the total， and the number of holes per string was 3-6， 9-11 or 14-15， largely 3-5， which mostly distributed inside the gully. The results revealed that the sink holes in the intensive erosion zone of the dryhot valley was with strong clustering character in a certain range， often associated with the gullies， and distributed largely in the middle and upper parts of the gully， especially the gully head.

Key words： Dryhot valley； underground erosion； sink hole； spatial pattern

潛蝕地貌是由于地表水局部集中，沿垂直節(jié)理、劈理、裂隙或洞穴等進入地下進行潛蝕作用所形成的一類地貌[1-2]。由潛蝕作用所形成的土壤管道是一種與土壤有關(guān)的自然災害，影響著地下徑流系統(tǒng)[3]。土壤的潛蝕能破壞各類工程設(shè)施，且破壞速度達到驚人的程度[4]。潛蝕作用在不同類型的氣候、地貌和土壤環(huán)境中都有分布，在山坡、沖溝以及耕地等微地貌上都存在[5-7]，并導致嚴重的水土流失。在某些地區(qū)潛蝕對于泥沙的貢獻可以達到3%～61%[8]，如在英國有近30%的土地是受到了潛蝕作用的影響[9]。

陷穴屬于潛蝕地貌類型之一，是特定地層條件下因浸水、積水而發(fā)生局部濕陷或各種管道在水流等侵蝕作用下進一步擴容、塌陷而形成的露出于地面的豎向洞穴，可以影響土壤的侵蝕，導致土地破壞，加速溝谷系統(tǒng)的發(fā)育[10-11]，是一種嚴重的地質(zhì)災害類型[12]。云南元謀干熱河谷位于長江中上游重要的生態(tài)屏障保護區(qū)，但干熱河谷內(nèi)溝壑縱橫，水土流失極為嚴重，特別是在強侵蝕區(qū)，潛蝕地貌分布極為廣泛，是區(qū)域溝谷發(fā)育、地形破壞的重要影響因素之一，但目前還不清楚此類地貌在侵蝕區(qū)的分布規(guī)律。因此，有必要對潛蝕地貌在侵蝕區(qū)的分布格局進行深入研究。本研究選取元謀干熱河谷具有代表性的強侵蝕區(qū)——沙地村的陷穴作為研究對象，通過野外調(diào)查結(jié)合遙感影像資料，利用ArcGIS10.2軟件空間分析工具分析了沙地村陷穴空間分布格局，以期能找出陷穴在強侵蝕區(qū)的分布規(guī)律及其原因，為干熱河谷水土流失治理及生態(tài)恢復提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

元謀干熱河谷位于滇中高原北面的龍川江河谷盆地內(nèi)（E 101°35′至E 102°25′，N 25°25′至N 26°07′），全縣國土面積2021.69 km2。元謀干熱河谷四周高、中間低，四周高山圍繞所形成的一個典型河谷盆地，境內(nèi)龍川江自南往北縱穿盆地，盆地內(nèi)高差懸殊，整個盆地自南向北呈傾斜的“筲箕凹”形[13]。元謀區(qū)內(nèi)最高處海拔2835.9 m，最低處海拔898 m，高差達到1937.9 m，相對高差大造成自然環(huán)境要素在垂直方向上分異明顯，從海拔最低處到海拔最高處可分為：寬谷平壩區(qū)、壩周低山丘陵區(qū)、中低山區(qū)和高中山區(qū)4個垂直地帶[14]。由于橫斷山脈的深度切割，加之河谷焚風效應顯著，氣候干熱，具有明顯干濕季交替的亞熱帶季風氣候型。年均降水量較少，僅615.1 mm，并且時間分配不均，一半以上的降水集中在6月至10月，蒸發(fā)量高達3640.5 mm，年平均氣溫21.8℃，年均日照時數(shù)2647 h，正常年無霜，被譽為“天然溫室”[15-16]。

本研究區(qū)域位于干熱河谷中部，元謀縣城附近的南東方向，該區(qū)域靠近人類聚居區(qū)，四周為人類活動較為頻繁的農(nóng)業(yè)種植區(qū)。研究區(qū)地形崎嶇，沖溝系統(tǒng)發(fā)育不完善，是元謀干熱河谷水土流失較為嚴重的強侵蝕區(qū)之一。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 影像資料 遙感影像主要來自于P星數(shù)據(jù)和Bigemap下載的衛(wèi)圖數(shù)據(jù)兩部分。兩者可以形成互補，有利于野外調(diào)查時和實際情況對比。

2.1.2 陷穴空間數(shù)據(jù)采集 以Bigemap下載的19級衛(wèi)圖（分辨率為0.51 m）為基礎(chǔ)圖件，采用華測LT600手持GPS平板電腦（亞米級）采集陷穴空間數(shù)據(jù)。在實際操作中，為了提高野外調(diào)查工作效率，并保證調(diào)查數(shù)據(jù)的精度，野外數(shù)據(jù)采集采用紙質(zhì)版影像圖與電子圖相結(jié)合的方法。首先在野外找到至少3處具有明顯參考性的地物標志，在紙質(zhì)圖中予以標注，同時在電子圖中找到該類標志物予以標注坐標，另外利用GPS平板自帶坐標系統(tǒng)進行該標志物的坐標標識，在Mapcloud office軟件中對兩組坐標進行配準校正，最后將校正后的影像圖導入平板電腦。處理后的圖像坐標系統(tǒng)與實際地理坐標具有極好的吻合度，在提高野外工作效率的同時也保證了數(shù)據(jù)采集的精度。

2.2 研究方法

研究區(qū)域選擇在元謀縣附近的強侵蝕區(qū)——沙地村范圍內(nèi)。自2010-2018年對該地侵蝕地貌進行連續(xù)調(diào)查，為獲得最新的陷穴空間分布格局，本研究采用的數(shù)據(jù)為2017-2018年最新調(diào)查的數(shù)據(jù)，包括野外數(shù)據(jù)調(diào)查和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理兩部分：野外重點調(diào)查陷穴的空間分布特征，同時記錄陷穴之間的距離以及陷穴的平面形態(tài)特征。數(shù)據(jù)處理以ArcGIS10.2為工具，將陷穴看成是空間上一系列的點源數(shù)據(jù)，采用最鄰近指數(shù)、二階K函數(shù)以及核密度分析來分析判別陷穴的空間格局。

3 結(jié)果與分析

3.1 陷穴空間分布格局

3.1.1 陷穴的聚集分布 本研究以野外采集的252組陷穴坐標數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Arc GIS10.2的空間統(tǒng)計中最鄰近指數(shù)工具計算其最鄰近指數(shù)。從陷穴最鄰近指數(shù)計算結(jié)果（圖1）可知，陷穴間最鄰距離最小值為4.67，最大值為140.85，平均值為36.34。最鄰近指數(shù)為0.24<1，在空間上為聚集模式。對顯著性進行檢驗，得到的Z值為-23.51倍標準差。根據(jù)王遠飛的描述[17]，若Z值的符號為負，則模式趨向于聚集；若符號為正，則趨向于均勻分布。可知陷穴總體上是呈現(xiàn)聚集分布的模式。

3.1.2 不同尺度有不同的聚集模式 采用二階性質(zhì)的K函數(shù)方對陷穴的分布格局進行深入分析。研究結(jié)果表明，陷穴在以233.72 m為半徑的范圍內(nèi)呈聚集分布。在此范圍內(nèi)，陷穴的聚集模式呈現(xiàn)為先隨著半徑的增加聚集程度逐漸增加，在半徑為102.47 m時陷穴聚集程度達到峰值，隨著半徑進一步增加陷穴的聚集程度逐漸降低；當半徑超出233.72 m時，陷穴體現(xiàn)出分散的特征（圖2）。

3.1.3 陷穴的核密度分析 為了進一步分析陷穴分布的位置，采用核密度分析法計算了沙地村陷穴密集區(qū)域。研究結(jié)果顯示，沙地村陷穴分為3處高分布區(qū)和3處次低分布區(qū)（圖3）。其中，A1高密度區(qū)屬于風化殘余臺地，該臺地上植被稀疏，零星分布著小葉桉，地表土壤為燥紅土，開裂現(xiàn)象明顯，該臺地邊緣發(fā)育著處于幼年期的沖溝系統(tǒng)，溝內(nèi)陷穴多呈密集的串珠狀分布。A2陷穴高分布區(qū)地形較為破碎，臺地多為處于幼年期和青年期的沖溝所切割，沖溝下切和側(cè)蝕十分強烈。該處的沖溝有一個共同的特點：一側(cè)溝岸坡度較緩，另一側(cè)大致為直立形式。陷穴基本發(fā)育在直立溝岸的正下方，呈密集的串珠式分布。沖溝四周的植被稀少，零散分布有一些禾草類植物。此處的串珠陷穴之間大都已經(jīng)貫通，中間僅剩1個土橋，土橋橋面寬度10～40 cm。A3陷穴高分布區(qū)中間為臺地，臺地四周為發(fā)育短小沖溝所環(huán)繞。陷穴主要散落在短小的沖溝中及部分集中在一個小平臺上，平臺上的陷穴多為種植的灌木枯死遺留的樹坑發(fā)育而來。

此外還有3個比較集中的次低分布區(qū)，分別為圖3中的B1、B2、B3三處。B1和B2處分布陷穴數(shù)量不多，相對較為零散；B3處及其周圍區(qū)域較之B1和B2處，陷穴數(shù)量多，分布范圍廣，在核心區(qū)相對集中。陷穴次低分布區(qū)地貌類型主要為發(fā)展處于穩(wěn)定期的沖溝。這類沖溝形態(tài)上體現(xiàn)為溝道寬闊，以淺 “U” 型溝為主， 溝底多為沖積物所覆蓋，溝底多呈平坦狀，低矮草本植被生長良好。

3.2 串珠狀陷穴空間分布格局

串珠狀陷穴一般由幾個連續(xù)的陷穴組成（圖4），在研究區(qū)占有較大的比重。沙地村的串珠狀陷穴主要有以下幾種類型：3個1串、4個1串、5個1串、6個1串、9個1串、10個1串、11個1串、14個1串、15個1串，每種類型都有一定的數(shù)量并占總陷穴數(shù)量一定比例。從調(diào)查結(jié)果（表1）可知，串珠狀陷穴總數(shù)共有148個，占總陷穴數(shù)量（252個）的58.7 %。其中以3個、4個、5個1串為主要串珠組，共有20個，占總串珠組（27個）的74.0%；3～5個串珠狀陷穴共有77個，占串珠陷穴總數(shù)（148個）的52.0%。3個、4個1串的陷穴主要分布于元馬鎮(zhèn)翠峰小學后方的沖溝群中，即次低分布區(qū)的B3區(qū)域及其周圍；而5個以上成1串的陷穴多分布于A1區(qū)和A2區(qū)周圍區(qū)域（圖4）。這類區(qū)域的沖溝多數(shù)比較短小，溝內(nèi)植被覆蓋度低，多為裸地，側(cè)蝕和下切強烈，沖溝兩岸的直線距離小。

4 結(jié)論與討論

（1）陷穴總體上呈現(xiàn)為以233.72 m為半徑的范圍內(nèi)的聚集分布模型。在此范圍內(nèi)，陷穴的聚集模式呈現(xiàn)為先隨著半徑的增加而增加，當半徑為102.47 m時陷穴聚集程度達到峰值；之后，隨著半徑進一步增加陷穴的聚集程度逐漸降低；當半徑超出233.72 m時，陷穴體現(xiàn)出分散的特征。

（2）陷穴核密度分析結(jié)果顯示，沙地村陷穴分為3處高密度區(qū)和3處次低分布區(qū)。高密度分布區(qū)地形總體特征為風化殘余臺地、地形破碎嚴重，陷穴主要分布于沖溝系統(tǒng)內(nèi)部，另一部分由于發(fā)育于枯死灌木遺留洞坑而分布與殘留臺地。次低分布區(qū)陷穴主要分布于發(fā)育穩(wěn)定的沖溝系統(tǒng)內(nèi)，該類溝谷以淺“U”型溝為主，溝底多為沖積物所覆蓋，溝底多呈平坦狀，低矮草本植被生長良好。

（3）陷穴在元謀干熱河谷分布范圍廣，在沖溝發(fā)育的強侵蝕區(qū)有著廣泛的分布；在非強侵蝕區(qū)，諸如工礦分布區(qū)、農(nóng)業(yè)耕作區(qū)等也都有分布。研究陷穴在更大范圍內(nèi)的空間分布格局，弄清陷穴空間分布格局的影響因素對于在干熱河谷有效開展社會經(jīng)濟活動及對于金沙江流域生態(tài)環(huán)境保護具有較強的理論指導意義。關(guān)于陷穴在更大范圍內(nèi)的空間分布格局有待于下一步研究。

（4）快速獲取陷穴的分布數(shù)據(jù)是高效開展研究的必須手段。本研究陷穴形態(tài)尺度較小，難以采用遙感影像獲取精確的位置信息，而地面調(diào)查又受限于人力及地形可達性影響，不能高效、全面地完成野外數(shù)據(jù)調(diào)查。因此，未來采用小型無人機結(jié)合地面測量是解決目前難以高效采集野外數(shù)據(jù)的一個有效手段。

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（責任編輯：林玲娜）