董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕空間分布特征

王 佳 王婷婷 羅 鵬

（黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站，甘肅慶陽 745000）

黃土高原溝壑區(qū)坡陡溝深，土壤侵蝕類型多樣，水土流失十分嚴重。受地形和降雨等因素的共同作用，重力侵蝕在黃土高原溝壑區(qū)極為活躍，在流域產沙中貢獻較大。黃河水利委員會對西峰南小河溝、天水呂二溝、綏德韭園溝的調查表明，重力侵蝕占土壤流失量的比例分別達57.5%、68.0%和20.2%[1]。一般來說，黃土高原溝壑區(qū)重力侵蝕分為滑塌、崩塌、滑坡、泄溜和泥石流侵蝕5種類型。鐵道部科學研究院西北分院按照滑坡厚度將滑坡分為極深層黃土滑坡、深層黃土滑坡、中層黃土滑坡和淺層黃土滑坡[2]。喬平定等[3]按照不同厚度、不同產生時代、不同力源、不同出口與坡腳的關系以及不同誘因對滑坡進行了分類（巨厚層滑坡H>50 m，厚層滑坡H=20～50 m，中層滑坡H=6～20 m，淺層滑坡H<6 m）。本文提出的淺層滑泄侵蝕是指在黃土高原溝壑區(qū)相伴發(fā)生的淺層滑坡體和泄溜體，在遇到長歷時降雨后，土壤含水量過度飽和，形成塑態(tài)和流態(tài)沿坡面擁向溝床，為洪水搬運創(chuàng)造了極為有利的條件。這種侵蝕形態(tài)被稱為滑泄侵蝕。淺層滑泄侵蝕的發(fā)育和分布受地形因素影響較大，是流域產沙的重要來源。開展小流域淺層滑泄侵蝕空間分布特征研究，對于提高黃土高原溝壑區(qū)水土保持綜合治理效果、促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和高質量發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

董莊溝小流域屬黃土高原溝壑區(qū)，位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)后官寨鄉(xiāng)境內，系涇河流域蒲河水系東側的一條支毛溝，是黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站在1954年設立的以自然恢復為主的對比觀測小流域，流域面積1.12 km2，多年平均降水量537.7 mm，其中6—9月降水量占全年降水量的67.3%，多年平均洪水輸沙量為0.45萬t。平均氣溫9℃，最高溫度為39.6℃，最低溫度為-22.7℃，最大溫差62.2℃，無霜期150～180 d。

董莊溝小流域地貌主要由塬面、溝坡和溝谷組成，其中塬面占27.8%、溝坡和溝谷占72.2%。塬面平坦，坡度較緩，一般為0°～3°，是良好的農業(yè)生產基地，以片蝕、細溝侵蝕為主。溝坡地形破碎，多呈咀、梁、峁形，坡度多為25°～45°，為殘存的老溝谷地帶，在咀、梁、峁上部主要為細溝侵蝕，其下部常發(fā)生陷穴、沖溝等侵蝕。溝谷多陡坡懸崖，大部分坡度在45°以上，水力侵蝕和重力侵蝕活躍，主要侵蝕形式有溝谷擴展、溝頭前進以及溝床跌水延伸、擴寬、切深等。

董莊溝小流域地質構造單一，塬面、溝坡和溝谷全部為第四紀黃土覆蓋，干容重1.4 g/cm3，最深處達250 m，為粉砂壤土，黏粒含量較少，粒間為鈣質膠結，質地均勻且疏松，黃土內可溶鹽類空隙大，節(jié)理多，易因滲水淋洗而發(fā)生陷穴，黃土結構垂直壁立，易崩塌滑落。由于該流域為自然恢復對比觀測小流域，除溝沿線以下有零星分布老式梯田外，流域內無人工林、人工草、工程措施，陽坡多分布有白草、艾蒿、茵陳蒿、甘草、麻黃、旱蘆、沙蓬等天然植被群落，陰坡常見鐵桿蒿、馬牙草、四季青、狗尾草、草藤，流域植被覆蓋度為87.5%。

1.2 試驗方法

1.2.1 數據源。以2021年6月2 m高分分辨率數字正射影像為數據源，基于地理信息平臺，經過校正、信息增強、配準、融合、鑲嵌等處理后，采用人機交互方式解譯董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕圖斑。以1∶10 000地形數據為基礎，在ArcGIS下構建TIN，利用TIN生成董莊溝流域DEM，利用DEM提取坡度和坡向數據。

1.2.2 坡度、坡向分級?；贏rcGIS的柵格重分類工具，將坡度柵格數據分為≤15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、45°～55°、55°～65°、＞65°6 個坡度。 按不同方位，將坡向柵格數據劃分為北偏東（0°～45°）、東偏北（45°～90°）、東偏南（90°～135°）、南偏東（135°～180°）、南偏西（180°～225°）、西偏南（225°～270°）、西偏北（270°～315°）、北偏西（315°～360°）、正北（0°和 360°）、正東（90°）、正南（180°）、正西（270°）12 個方位。

1.2.3 空間分布特征分析。利用ArcGIS的Spatial Analyst工具提取淺層滑泄侵蝕圖斑對應的平均坡度、坡向特征數據，在實地調查的基礎上，統(tǒng)計淺層滑泄侵蝕圖斑在坡面不同坡度、坡位及流域上、中、下游的分布數量和比例，分析淺層滑泄侵蝕圖斑不同坡度、坡位、坡向及流域位置的空間分布特征。

2 結果與分析

2.1 數據樣本分析

通過實地調查和目視解譯，共獲得董莊溝小流域128個淺層滑泄侵蝕圖斑數據樣本。利用數字地形分析和數理統(tǒng)計分析方法，繪制董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕數量分布與坡度、坡向、坡位及流域位置統(tǒng)計圖。在128個淺層滑泄侵蝕圖斑樣本數據中，最大圖斑面積為3 329 m2，面積＜1 000 m2的圖斑數量為114個，占樣本總數的89.06%；面積＜500 m2淺層滑泄侵蝕圖斑較多，為87個；面積＞2 000 m2的淺層滑泄侵蝕圖斑樣本數據最少，為3個。

2.2 坡度和坡向組成

由圖1可知：董莊溝小流域坡度≤15°的面積達0.34 km2，占流域面積的 30.09%；坡度為 15°～25°的面積為0.15 km2，占流域面積的13.27%；坡度為25°～35°的面積為0.26 km2，占流域面積的23.01%；坡度為35°～45°的面積為 0.22 km2， 占流域面積的 19.47%；坡度為 45°～55°的面積為 0.11 km2， 占流域面積的9.73%；坡度＞55°的面積為 0.05 km2，占流域面積的4.42%。除塬面外，董莊溝小流域主要坡度集中分布在 15°～45°，面積為 0.63 km2，占流域面積的 55.75%。

由圖2可知：董莊溝小流域坡向0°～45°的面積為 0.19 km2，占流域面積的 16.81%；坡向 45°～90°的面積為0.23 km2，占流域面積的20.35%；坡向90°～135°的面積為0.09 km2，占流域面積的7.96%；坡向135°～180°的面積為 0.02 km2，占流域面積的 1.77%；坡向 180°～225°的面積為 0.06 km2， 占流域面積的5.31%；坡向 225°～270°的面積為 0.27 km2，占流域面積的 23.89%；坡向 270°～315°的面積為 0.13 km2，占流域面積的 11.50%；坡向 315°～360°的面積為 0.14 km2，占流域面積的12.39%。綜上所述，董莊溝小流域坡向集中分布在 0°～90°、225°～360°，面積分別為 0.42、0.54 km2，分別占流域面積的37.16%、47.78%。

2.3 淺層滑泄侵蝕在不同坡度上的分布特征

坡度顯著影響土壤應力分布，對滑坡發(fā)育具有重要作用。統(tǒng)計結果表明，董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕在平均坡度15°～65°上均有不同程度的發(fā)育，其中：15°～20°2 個，占總圖斑數量的 1.56%；20°～25°7 個，占總圖斑數量的 5.47%；25°～30°11 個，占總圖斑數量的 8.59%；30°～35°24個， 占總圖斑數量的18.75%；35°～40°28 個，占總圖斑數量的 21.88%；40°～45°25 個，占總圖斑數量的 19.53%；45°～50°14 個，占總圖斑數量的 10.94%；50°～55°12 個，占總圖斑數量的 9.38%；55°～60°3 個，占總圖斑數量的 2.34%；60°～65°2個，占總圖斑數量的1.56%。董莊溝小流域平均坡度與滑泄數量的分布曲線呈正偏態(tài)分布。由此可見，董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕以30°～45°發(fā)育最多（77 個）， 占總圖斑數量的 60.16%，＜15°和＞65°淺層滑泄侵蝕發(fā)育很少，詳見圖3。

2.4 淺層滑泄侵蝕在不同坡向上的分布特征

坡向通過影響太陽輻射和水汽分布，造成差異化風化與侵蝕，進而影響滑坡發(fā)育[4]，坡向是形成淺層滑泄侵蝕的重要條件。統(tǒng)計結果表明，董莊溝小流域滑泄侵蝕在溝坡的不同坡向均有發(fā)育。其中：0°～45°7 個，占總圖斑數量的 5.47%；45°～90°32 個，占總圖斑數量的 25.00%；90°～135°13 個，占總圖斑數量的10.16%；135°～180°13 個， 占總圖斑數量的 10.16%；180°～225°9 個， 占總圖斑數量的 7.03%；225°～270°20 個， 占總圖斑數量的 15.62%；270°～315°18 個，占總圖斑數量的 14.06%；315°～360°16 個，占總圖斑數量的12.50%。由此可見，董莊溝小流域滑泄侵蝕在北偏東方位（45°～90°）滑泄發(fā)育數量最多（32 個），占總圖斑數量的25.00%，其他方位滑泄侵蝕發(fā)育數量和比例差別不大。詳見圖4。

2.5 淺層滑泄侵蝕在不同坡位上的分布特征

按照上坡位、中坡位和下坡位3種類型，對淺層滑泄侵蝕圖斑在坡面的不同坡位上的分布進行分析。結果顯示：董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕主要分布在下坡位（84個），占總圖斑數量的65.62%；中坡位（37個）次之，占總圖斑數量的28.91%；上坡位淺層滑泄侵蝕發(fā)育最少（7個），僅占總圖斑數量的5.47%。由此可見，董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕主要分布在溝坡的下坡位和中坡位（121個），占總圖斑數量的94.53%，詳見圖5。

2.6 淺層滑泄侵蝕在流域內的分布特征

按照上游、中游和下游3種類型，對淺層滑泄侵蝕圖斑在流域內的分布特征進行分析。淺層滑泄侵蝕發(fā)生與侵蝕溝發(fā)育的階段性有密切關系，董莊溝小流域中游和下游已進入河谷階段，中上游和上游處于沖溝階段。結果顯示：董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕主要分布在流域中游（82個），占總圖斑數量的64.06%；在流域下游分布較少（23個），占總圖斑數量的17.97%；在流域下游分布也為23個，占總圖斑數量的17.97%。與坡度相同，董莊溝小流域滑泄在流域不同位置的分布曲線呈正偏態(tài)分布。由此可見，董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕主要發(fā)育在流域中游（82個），占總圖斑數量的64.06%，詳見圖6。

3 結論與討論

黃土高原溝壑區(qū)重力侵蝕成因和機理復雜，影響因素眾多，室外定點觀測難度大、精度低，獲取數據周期長，室內模擬難度較大。目前，國內關于重力侵蝕定量研究的主要方法是實地調查法、模擬試驗法和“3S”法。本研究只選取坡度、坡向、坡位和流域位置等4個對淺層滑泄侵蝕空間分布有重要影響的地形因子，對其空間分布特征進行了分析，后續(xù)研究中應加強坡長、降雨、土壤結構及其含水率等因子對淺層滑泄侵蝕影響的定量分析研究。

受數據源限制，本研究未對淺層滑泄侵蝕的“滑泄體”方量及其對流域產沙貢獻進行分析。隨著科學技術的進步，應積極探索InSAR及三維激光掃描儀等在淺層滑泄侵蝕方面的應用研究，以便更好地揭示淺層滑泄侵蝕機理。

董莊溝小流域是黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站在1954年設立的以自然恢復措施為主的對比觀測小流域，流域內以天然植被群落為主。從實地調查結果來看，依靠單純的自然恢復措施進行水土流失防治有其局限性，由于草被根系淺，固土作用有限，一旦遇到長歷時降雨，土壤含水率多度飽和，極易發(fā)生淺層滑泄侵蝕。筆者認為淺層滑泄侵蝕的治理應該因地制宜地采取分段固定辦法，設法將“滑泄體”或“滑泄裙”在坡腳和溝底的泥沙攔截于溝底，其中生物固溝是減少淺層滑泄侵蝕對流域產沙貢獻較有效的措施之一。

本研究發(fā)現董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕廣泛存在，在平均坡度30°～45°上發(fā)育最多，占總圖斑數量的 60.16%，＜15°和＞65°淺層滑泄侵蝕發(fā)育很少。董莊溝小流域平均坡度與滑泄數量的分布曲線呈正偏態(tài)分布。董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕主要分布在坡面的中坡位和下坡位，占總圖斑數量的94.53%，坡面的上坡位發(fā)育最少。董莊溝小流域淺層滑泄侵蝕主要分布在流域中游，占總圖斑數量的64.06%，董莊溝小流域滑泄數量在流域不同位置的分布曲線也呈正偏態(tài)分布。黃土高原溝壑區(qū)小流域淺層滑泄侵蝕的發(fā)育和分布受地形因素影響較大，是流域產沙的重要來源。溝床為洪水、常流水匯集之處，沖刷嚴重，導致溝底下切、溝床兩岸沖掏，淺層滑泄侵蝕與溝床下切關系密切。因此，防止溝床下切是防治淺層滑泄侵蝕的基本途徑。