基于地形臨界的東北漫崗黑土區(qū)淺溝侵蝕預(yù)測模型

基于地形臨界的東北漫崗黑土區(qū)淺溝侵蝕預(yù)測模型

平溝侵蝕是農(nóng)田常見的侵蝕類型之一。在過去的20年里，人們逐漸意識到這是草地最重要的侵蝕類型之一。淺溝侵蝕與細溝侵蝕和切溝侵蝕既相似又有一定的區(qū)別,在一些地區(qū)可以說是細溝侵蝕向切溝侵蝕發(fā)展的過渡類型。淺溝侵蝕不僅造成土地生產(chǎn)力下降、不利于耕作,還會造成下游異地的泥沙和水質(zhì)問題。影響淺溝侵蝕的因素有土壤可蝕性、土地利用及耕作措施、降水和流域地形,其中流域地形特征是非常重要的因素。淺溝的形成和發(fā)展依賴于一定的徑流量和勢能,而上游匯水面積及坡度控制著徑流量和勢能的大小。由于缺乏徑流資料,在許多研究中通常用匯水面積來代替徑流量。一般認(rèn)為,在Horton坡面漫流為主的地區(qū),徑流量隨流域面積呈比例增加。許多研究者利用臨界坡度(S)和匯水面積(A)的關(guān)系預(yù)測淺溝、切溝侵蝕的溝頭位置以及淺溝的溝道。S-A關(guān)系可表示為通式S×Ab>a,其中S為坡度(m/m),A為上游集水區(qū)面積(hm2),b為相對面積指數(shù)(無量綱),a為臨界值。另外,也有學(xué)者研究了地形因子與淺溝侵蝕體積的關(guān)系。當(dāng)前東北黑土區(qū)的水土流失問題日益受到關(guān)注,但該區(qū)的淺溝侵蝕研究還較少。本文根據(jù)在黑龍江省鶴山農(nóng)場兩個小流域的淺溝侵蝕監(jiān)測數(shù)據(jù),關(guān)于流域地形因子對淺溝侵蝕的影響進行了探討,并嘗試建立預(yù)測淺溝侵蝕長度的回歸模型,以期為進一步研究黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕機理和制定流域水土保持措施提供依據(jù)。1dem和hydro文化分析方法研究區(qū)位于黑龍江省農(nóng)墾九三分局鶴山農(nóng)場六隊附近的兩個小流域(東經(jīng)125°16′,北緯48°58′),流域面積分別為3.6km2和2.8km2,土地利用方式主要是耕地,分別占90%和85%。該區(qū)地處小興安嶺西南麓丘陵漫崗地帶,為典型黑土區(qū),地形起伏和緩,坡度大多1°～5°,坡長較長,一般達500～4000m,海拔303～366m。年平均降水量在500mm左右,降雨年際變化大,集中于夏季。坡耕地上分布有間隔數(shù)百米、約1.5km長的人工防風(fēng)林帶,林帶方向有橫坡和順坡兩種。研究區(qū)具有明顯不同于我國其它地區(qū)的土壤侵蝕過程,一是典型的春季融雪侵蝕過程;二是在影響土壤侵蝕的地形因子中,長坡長的影響作用十分突出。數(shù)據(jù)獲取分為野外測量和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理兩部分。獲得淺溝發(fā)生部位后,即可獲取淺溝所在匯水單元的地形因子。地形因子選取匯水面積(A)、流域坡度(Sw)、淺溝坡度(S)和坡面長度(L)4個因子。匯水面積是淺溝所在集水區(qū)出口以上的面積,用1∶1萬地形圖生成的DEM(5m×5m)進行水文分析得到,所用的軟件為ArcGIS9.0(ESRI,Redlands,Calif.)的ArcHydro水文模塊。野外踏勘時發(fā)現(xiàn),防風(fēng)林帶阻礙了徑流向下坡流動,尤其是離分水嶺最近的林帶阻礙作用更大,因此在分析淺溝匯水面積時要考慮這種作用。具體做法是,用DEM分析得到每個淺溝的匯水單元后與林帶疊加,勾繪出分水嶺與最近林帶間的部分,二者之差即為淺溝的有效匯水面積。坡面長度是指沿淺溝方向從分水嶺到匯水出口的距離,用手持GPS(GPS12XL,Garmin,Olathe,KS)在野外定位確定。坡度包括流域坡度和淺溝坡度,是指沿淺溝方向上的平均坡度,采用坡度儀測量(±0.5°)。分析前對淺溝數(shù)據(jù)進行了選擇,去除了由車轍、林帶、排水溝等因素引起的淺溝以及春夏發(fā)生位置重復(fù)的淺溝,最后得到樣本21個。根據(jù)淺溝監(jiān)測數(shù)據(jù)(淺溝長度及淺溝侵蝕體積)和地形因子的計算結(jié)果,應(yīng)用SPSS11.0的相關(guān)分析和回歸分析模塊,分析地形因子與淺溝侵蝕的關(guān)系,顯著水平P<0.05。2結(jié)果與討論2.1淺溝侵蝕強度與坡度的關(guān)系淺溝長度與坡面長度呈顯著正相關(guān)(R=0.831),與匯水面積也有較好的相關(guān)關(guān)系(R=0.652),表明淺溝長度隨坡面長度、匯水面積的增大而增大。由圖1可以看出,坡面長度決定淺溝長度的71%。坡面長度和匯水面積的大小決定了發(fā)生徑流時坡面徑流量的多寡,也進而決定了淺溝侵蝕強度。淺溝侵蝕體積與坡面長度(R=0.712)、匯水面積(R=0.704)也有較好的相關(guān)性,而且相關(guān)系數(shù)幾近相等。這可能在于淺溝所在集水區(qū)的形狀多為狹長橢圓形,匯水面積與坡面長度顯著相關(guān)(R=0.841)。因此在用地形因子進行淺溝侵蝕預(yù)測時,可以在這兩個因子中選用相關(guān)系數(shù)較大的坡面長度作為參數(shù)。上述分析表明,在其他條件一定時,匯水面積和坡面長度淺溝形成與發(fā)展起到了決定性作用,可以作為估計淺溝侵蝕強度的指標(biāo)?？梢钥闯?無論是淺溝長度還是淺溝侵蝕體積與坡面長度的相關(guān)性都較顯著,這與該區(qū)坡長坡緩的地形特征吻合,體現(xiàn)了該區(qū)長坡侵蝕的特點。在利用地形因子對該區(qū)的淺溝進行預(yù)測時要考慮到這種特點。淺溝侵蝕是集中水流與土壤相互作用的結(jié)果,而匯水面積和坡面長度只能表示徑流因子。淺溝體積與匯水面積及坡面長度的關(guān)系不如淺溝長度與這兩因子間的相關(guān)性大,表明僅僅用徑流因子不能很好地解釋淺溝侵蝕,必須同時考慮土壤可蝕性因子。淺溝長度則不同,受徑流因子影響較大。匯水面積的增大意味著發(fā)生徑流時徑流量增加,在坡度較緩的情況下,淺溝長度隨之增加。淺溝長度與淺溝坡度(R=-0.504)、流域坡度(R=-0.708)均呈負(fù)相關(guān),其中淺溝長度與流域坡度的負(fù)相關(guān)還較顯著,這可能是由于坡面長度與流域坡度呈負(fù)相關(guān)(R=-0.516),也即坡度大的坡面坡長較短,而淺溝長度與坡面長度顯著正相關(guān),因此也表現(xiàn)出淺溝長度與流域坡度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。野外看到,坡度較陡的坡面,淺溝多形成于坡度突變的坡面下部,長度較短。淺溝侵蝕體積與淺溝坡度(R=-0.393)、流域坡度(R=-0.526)負(fù)相關(guān),原因在于淺溝侵蝕體積主要由其長度決定。淺溝長度、侵蝕體積與坡度負(fù)相關(guān),并不表明淺溝侵蝕強度隨坡度增加而減弱。這可能與研究區(qū)坡度緩、變化幅度小有關(guān),兩流域的坡耕地坡度大多在1°～5°之間,較陡的也只有7°,平均3°左右。而坡長較長,坡度的微小變化不能反映在淺溝侵蝕強度的變化上。因此,研究區(qū)坡度對淺溝侵蝕的影響有限,可以說是一個背景因素。這也表明在其他條件一定時,由于研究區(qū)的長坡地形特征,匯水面積較大,在較小的坡度條件下,也容易發(fā)生嚴(yán)重的淺溝侵蝕。鑒于坡面長度對淺溝侵蝕影響顯著,可以通過減少坡長、減少坡地徑流的水土保持耕作方法,減少坡長的有效值,防止溝蝕發(fā)生。研究區(qū)的防護林帶由于未考慮坡長和坡度的影響,橫坡林帶只起到有限的作用,而順坡林帶則加劇了土壤侵蝕。2.2淺溝和切溝的臨界面值淺溝若不加以治理會發(fā)展成切溝。野外觀察到,研究區(qū)坡耕地上的切溝往往由淺溝演化而來,形成坡上部是淺溝、下部是切溝的分布情形。2005年夏季監(jiān)測時發(fā)現(xiàn),在9條淺溝的下方形成8條切溝。這可能是淺溝侵蝕由于耕作活動而加劇,使坡面橫向起伏加大,匯水面積也漸漸增加,淺溝侵蝕進而加劇,在坡面下部演變成切溝侵蝕。研究區(qū)淺溝侵蝕向切溝侵蝕的轉(zhuǎn)變主要是通過局部突變的方式來實現(xiàn)。切溝溝頭往往在下坡的林帶下形成,8條切溝中,有4條緊挨著林帶下形成,這表明防風(fēng)林帶對淺溝向切溝轉(zhuǎn)變有相當(dāng)大影響。地形在淺溝和切溝的形成以及淺溝向切溝轉(zhuǎn)變中起著關(guān)鍵的作用,匯水面積(A)和臨界坡度(S)二者的關(guān)系經(jīng)常用于確定已有溝道侵蝕的溝頭,預(yù)測什么地方可能會發(fā)生溝蝕。根據(jù)監(jiān)測的淺溝和切溝數(shù)據(jù),將二者溝頭坡度與其上游集水區(qū)面積繪制在雙對數(shù)紙上,通過這些點的下限作直線(如圖2所示),分別得到淺溝與切溝的S-A臨界關(guān)系:SEG=0.052A?0.148EGEG-0.148和SG=0.072A?0.141GG-0.141,其中匯水面積(A)為淺(切)溝頭以上的匯水面積,坡度(S)為淺(切)溝頭處的坡度?？梢钥吹?S-A關(guān)系中,淺溝與切溝的相對面積指數(shù)b值幾近相等,在圖2上二者的直線也近乎平行,這是因為作為相對面積指數(shù)的b值與流域的降水、土壤、土地利用、植被有關(guān),而研究區(qū)的這些因素基本上一致。臨界值a的大小可用來判斷可能發(fā)生切溝侵蝕與淺溝侵蝕的部位,在圖2上,直線SEG=0.052AEG-0.148和SG=0.072A?0.141GG-0.141之間是可能發(fā)生淺溝侵蝕的區(qū)域,而在直線SG=0.072AG-0.141之上的區(qū)域則有可能發(fā)生切溝侵蝕。這里a值落在前人相關(guān)研究的范圍內(nèi),而b值則比他們的值小。本研究的SEG=0.052A?0.148EGEG-0.148和SG=0.072A?0.141GG-0.141可用來預(yù)測漫崗黑土區(qū)小流域內(nèi)可能發(fā)生淺溝侵蝕向切溝侵蝕轉(zhuǎn)變的部位。2.3預(yù)測方程的驗證要評價淺溝侵蝕對土地資源的危害,一方面要預(yù)測流域中可能發(fā)生淺溝侵蝕的部位;另一方面要確定其造成的侵蝕產(chǎn)沙量。前人研究表明淺溝長度與淺溝侵蝕體積顯著相關(guān),淺溝長度可以決定其體積的82%～91%。通過預(yù)測淺溝長度來代替預(yù)測淺溝體積精度也較高,用地形臨界理論預(yù)測淺溝長度也具有一定的可行性。從上面的分析知道,坡面長度和匯水面積對淺溝侵蝕有顯著的影響。本文嘗試從地形角度建立預(yù)測淺溝長度的模型。這里我們利用多元逐步回歸方法對淺溝長度(L)與匯水面積(A)、淺溝坡面長度(Lw)、淺溝坡度(SEG)、流域坡度(Sw)以及它們之間的組合Sw×L,A×Sw,A×Sw×Lw進行分析,最后只有坡面長度被選擇。最好的回歸方程是(P<0.05):L=26.13+0.4LwR2=0.71(1)L=26.13+0.4LwR2=0.71(1)對于一個流域,可通過上式估計淺溝侵蝕長度,然后通過淺溝長度與體積的關(guān)系得到淺溝侵蝕量。由于樣本較少,為了判斷預(yù)測方程的優(yōu)劣,我們采用交叉驗證方法對其進行檢驗,即逐個移去淺溝監(jiān)測數(shù)據(jù),用其它的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合后去估計去除點的值,然后與實測值進行比較驗證估計精度。對于淺溝數(shù)據(jù),逐個做了交叉驗證,誤差情況如表1所示。從單個淺溝長度的預(yù)測來看,模型預(yù)測精度不高(表1)。預(yù)測淺溝長度中有13個大于實測值,8個小于實測值;絕對誤差在5.1～133.2m之間,平均57.0m;相對誤差在2.3%～109.5%之間,平均37.0%。但從預(yù)測的淺溝總長度來看,預(yù)測淺溝總長度為4183.8m,與實測淺溝總長度4198.0m非常接近。因此,用該預(yù)測方程來估計流域淺溝總長度可行性較大。淺溝長度與侵蝕體積有顯著的冪函數(shù)關(guān)系(V=aLb)?；诖?對21條淺溝的侵蝕體積與長度進行擬合,得到方程(2),a和b值分別為0.015和1.429,a值落在前人相關(guān)研究的范圍內(nèi),b值則較大。V=0.015?L1.429R2=0.67(2)V=0.015?L1.429R2=0.67(2)式中:V——淺溝體積(m3);L——淺溝長度(m)。為了進一步驗證方程(1)的預(yù)測效果,對上述21條淺溝將其實測長度和預(yù)測長度代入方程(2)求出相應(yīng)的淺溝侵蝕總體積,然后與實測侵蝕總體積進行比較。由實測長度計算得到的總體積為682.5m3,與實測總體積(702.0m3)的誤差為3%;而由預(yù)測長度估計的流域淺溝侵蝕總體積為659.8m3,與實測總體積的誤差是6%,這說明該預(yù)測方程在淺溝侵蝕總量方面的精度較高。但由于數(shù)據(jù)有限,只進行了交叉驗證,因此還需要用其他流域的淺溝侵蝕資料來檢驗。另外,除地形因素外,凍融、土地利用及耕作措施、降水對淺溝侵蝕都有較大的影響,因此下一步工作需要考慮把土壤表面特征、植被覆蓋及降水因素整合進來。3淺溝和切溝侵蝕的s-a臨界關(guān)系首先對地形因子與淺溝侵蝕進行了相關(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),與匯水面積也有較好的相關(guān)關(guān)系,表明淺溝侵蝕強度隨坡面長度、匯水面積的增大而增大。淺溝長度、侵蝕體積與流域坡度呈負(fù)相關(guān),原因在于研究區(qū)坡度大的坡面坡長較短。