水土流失治理背景下小流域泥沙來源初探——以皇甫川流域西五色浪溝小流域為例

馬寧，趙幫元，王富貴，馬衛星，董亞維

(黃河上中游管理局，710021，西安)

水土流失治理背景下小流域泥沙來源初探
——以皇甫川流域西五色浪溝小流域為例

馬寧，趙幫元，王富貴，馬衛星，董亞維

(黃河上中游管理局，710021，西安)

以皇甫川流域西五色浪溝小流域為研究區，以高分辨率遙感影像為信息源，通過GIS技術，提取小流域溝緣線，將小流域分為溝谷地、溝間地2大地貌類型?；跍衔g和面蝕及其影響因子切割裂度、水土保持措施及土地利用方式、坡度、植被覆蓋度等數量和分布以及通過項目布設的雨量站、把口站和徑流場觀測資料2種方法對在水土流失治理背景下小流域泥沙來源進行比較。結果表明，2種方法均顯示，西五色浪溝小流域泥沙主要來源于溝谷地，溝谷地土壤侵蝕量約占流域侵蝕量的73%，是溝間地侵蝕量的2.73倍。

地理信息系統;溝蝕;面蝕;泥沙來源;皇甫川流域

皇甫川流域地處黃河中游多沙粗沙區，水土流失嚴重，多年平均向黃河輸送泥沙量約5 000萬t。20世紀80年代以來，皇甫川流域被列入國家水土流失重點治理區，隨著流域水土流失治理工作的進一步實施，有關流域水土流失問題及泥沙來源的研究越來越多。焦菊英等［1］探討了黃土丘陵區小流域溝谷地與溝間地徑流泥沙來量，表明小流域泥沙主要來源于溝谷地。冉大川等［2］從徑流泥沙來源、水沙特性、水沙變化趨勢等方面對皇甫川流域進行了分析和研究，認為溝谷地是徑流、泥沙的主要來源區，溝谷地產流量占流域總產流量的62.2%，溝谷地產沙量占流域總產沙量的67.2%。蔣德麒等［3］通過對小流域坡溝泥沙的分析認為，黃河中游小流域泥沙主要來源于溝道，但分析中未考慮坡面徑流通過溝坡時增加的泥沙。王曉［4］采用粒度分析法對砒砂巖不同侵蝕類型區小流域泥沙來源的分析表明，泥沙主要來源于溝谷地。近些年來，隨著“數字黃河”與“數字水?！钡奶岢?，遙感技術和地理信息技術在水土保持研究中得到了廣泛的應用［5-8］，并在多區域開展了土壤侵蝕強度等級評價研究［9-11］;但目前的研究，多以中低分辨率數據為基礎，相對比較宏觀。為此，筆者以高分辨率正射影像(DOM)和數字高程模型數據(DEM)為基礎，通過GIS空間數據采集、編輯、存儲、管理和分析等功能，以皇甫川流域西五色浪溝小流域為研究區，提取小流域溝緣線［12-13］，將流域地貌上分為溝谷地和溝間地2大類型，根據其水土流失特點和治理方式，從水土保持措施及土地利用、坡度、植被覆蓋度、土壤侵蝕(溝蝕和面蝕)等方面分析探討在水土流失治理背景下小流域的泥沙來源，研究結果對流域規劃及水土流失綜合治理具有重要的意義。

1 研究區概況

西五色浪溝小流域地處內蒙古準格爾旗東北部，屬皇甫川流域十里長川右岸的一條支溝，位于E 110°56'30″～111°04'15″，N 39°47'10″～39°54'30″之間，面積76.9 km2，屬黃土丘陵溝壑區，地理位置見圖1。小流域整體地形西高東低，海拔在1 122～1 309.8m之間，支溝上游區溝深而窄，干、支溝中下游區溝谷開闊，溝壑密度3.34 km/km2。小流域無常流水，為季節性河流，多年平均降水量約為412.5mm，汛期降水量占年降水量的63% ～69%，土壤侵蝕以水蝕為主，多年平均侵蝕模數0.9～1.1萬t/(km2·a)，屬極強烈侵蝕區。植被有油松(Pinus tabulaeformisCarr)、山杏(Prunus sibirica)、檸條(Caragana korshinskiiKom)、沙棘(Hippophae rhamnoidesLinn)等，人工草有苜蓿(Medicago sativaLinn)、羊柴(Hedysarum leave)、沙打旺(Astragalus adsurgensPall)等。小流域水土流失綜合治理措施有淤地壩、水庫等工程措施和喬木林、灌木林、人工草等植物措施。

2 材料與方法

2.1 材料

遙感監測材料主要包括2006年數字航攝0.36m分辨率的正射影像(DOM)、1m分辨率數字高程模型數據(DEM)和1∶1萬地形圖。

圖1 西五色浪溝小流域位置圖Fig．1 Locationmap of Xiwuselanggou Watershed

地面觀測資料包括降水、徑流泥沙。2007年把口站測流1次、徑流場測流1次，汛期降水時間52 d，總降水量249.3mm;2008年把口站測流4次、徑流場測流5次，汛期降水時間49 d，總降水量482.6mm。

2.2 土壤侵蝕因子提取方法

1)切割裂度(溝谷占坡面面積比例)：黃土丘陵溝壑區在地貌形態上可分為溝間地和溝谷地，這2大類型以溝緣線為界線，溝緣線以上為梁峁坡面和塬面，溝緣線以下屬于溝谷地，溝谷地面積與流域面積之比，稱為切割裂度［14］?；谘芯繀^DOM，應用ArcGIS軟件，采用人機交互方式在計算機上勾繪流域溝緣線及5 km2以上小流域界線(切割裂度計算單元)，生成溝緣線與計算單元專題圖，對其進行疊加運算生成溝壑裂度專題及dbf格式數據，通過計算得到切割裂度。

2)水土保持措施及土地利用因子：以研究區0.36m分辨率的DOM為信息源，應用ArcGIS軟件，采用人機交互解譯的方法，結合解譯人員專業知識，在計算機上勾繪水土保持措施及土地利用圖斑，并賦予屬性碼，生成其矢量數據。

3)植被覆蓋度因子：依據 SL190—2007［15］，地類因子主要包括非耕地林草覆蓋度和坡耕地2大類，其中非耕地林草覆蓋度劃分為6級，分別為高覆蓋度(＞75%)、中高覆蓋度(60% ～75%)、中覆蓋度(45% ～60%)、中低覆蓋度(30% ～45%)、低覆蓋度(10% ～30%)和裸地(＜10%)，結合項目水土保持措施及土地利用人機交互解譯完成。

4)坡度因子：基于 DEM數據提取坡度，按SL190—2007 要求劃分為 ＜ 5°、5°～8°、8°～ 15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞35°共 7 級。

2.3 土壤侵蝕判定及侵蝕模數換算方法

1)土壤侵蝕判定：依據SL190—2007，小流域水力侵蝕分為面蝕和溝蝕。應用ArcGIS軟件，將水土保持措施及土地利用、植被覆蓋度、坡度等侵蝕因子專題圖進行疊加，依據水力侵蝕強度面蝕(片蝕)分級判定指標，通過侵蝕因子專題圖層的運算生成面蝕數據;通過溝壑裂度專題，依據水力侵蝕強度溝蝕分級判定指標進行判定，生成溝蝕數據(本次研究將溝谷中淤地壩和水體作為圖層單獨提出并將侵蝕強度判定為微度和輕度侵蝕)，將面蝕和溝蝕數據合并為流域土壤侵蝕強度數據。

2)侵蝕模數換算：取各級土壤侵蝕強度等級侵蝕模數范圍中值，采用面積加權平均法換算得到小流域多年平均侵蝕模數。

2.4 水土流失觀測方法

1)輸沙量：通過布設把口站觀測小流域輸沙量。把口站布設在小流域出口王家塔村，距河口1 km處，集水面積74.4 km2，采用浮標法，測流斷面為梯形布設。

2)坡面和溝道徑流量：通過布設全坡面徑流場、溝坡(溝谷)和坡面(溝間)徑流場，觀測坡面和溝道徑流量。徑流場布設在把口站左岸坡面上2個相鄰的自然條件極為相似的自然侵蝕單元內。全坡面徑流場面積1 243m2，坡面部分679m2，坡長47.5m，坡度11°～19°，大部分為荒草坡干旱草原植被;溝道部分564m2，長37.5m，溝深6.2m，Ⅴ字形初級侵蝕溝，無人工治理措施，全部為牧荒地，地表覆蓋黃土。徑流場采用三級分水式徑流池觀測，蓄水池容積為108m3。

3)降水量：通過布設雨量站觀測降水量。在小流域中游周家塔村和下游王家塔徑流場附近各布設1個雨量站，采用固態存貯式雨量計觀測降雨情況。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕因子分析

1)切割裂度。經計算機處理，切割裂度分布如圖2所示?？芍?，小流域溝谷面積占小流域面積的49.6%，溝谷面積是溝間面積的0.984;切割裂度為35%～50%的面積占小流域面積的26.72%，切割裂度＞50%的面積占小流域面積的22.88%。

圖2 切割裂度圖Fig．2 map of cutting intensity

2)水土保持措施及土地利用。水土保持措施及土地利用方式面積占小流域面積比例見表1?？芍?，水土保持措施面積占小流域面積的37.83%，溝間地水土保持措施面積是溝谷地面積的3.47倍;溝谷地荒地面積占小流域面積的34.65%，占小流域荒地面積的83.29%;溝谷中分布的壩地和水地、林地、荒地、水域和其他用地面積分別占溝谷地面積的9.07%、7.98%、69.86%、6.77%和6.32%?？梢钥闯?，溝谷地水土保持措施分布少，70%的面積為荒地，隨降水易發生水土流失。

表1 水土保持措施及土地利用面積占小流域面積比例Tab．1 Proportion of the conservationmeasures and utilized land areas to the watershed area %

3)植被覆蓋度。各級植被覆蓋度面積占小流域面積比例見表2?？芍?，小流域植被覆蓋度為24.48%。植被覆蓋度超過30%的面積占小流域面積的37.3%，溝谷與溝間之比為0.097;植被覆蓋度低于30%的面積占小流域面積的53.71%，溝谷與溝間之比為3.51;耕地面積占小流域面積的8.99%，溝谷與溝間之比為1.002(溝谷中有3.34 hm2水地和1.16 hm2壩地)?？梢钥闯?，小流域溝谷地84.30%的面積植被覆蓋度低于30%，隨降水土壤易受侵蝕，容易發生水土流失。

表2 各級植被覆蓋度面積占小流域面積比例Tab．2 Proportion of various vegetation-covered areas to the watershed area %

4)坡度。各級坡度面積占小流域面積比例見表3?？芍?，小流域平均坡度20°，溝谷地與溝間地平均坡度之比為2;坡度25°以下面積占小流域面積的67.67%，溝谷與溝間之比為0.485;坡度25°以上面積占小流域面積的32.33%，溝谷與溝間之比為5.67?？梢钥闯?，溝谷地平均坡度大于25°，除去16.05%的溝底外，81.93%的面積坡度大于25°，一定范圍內坡度值越大，土壤侵蝕越劇烈。

表3 各級坡度面積占小流域面積比例Tab．3 Proportion of various slope areas to the watershed area %

3.2 土壤侵蝕強度分析

小流域水土流失面積70.26 km2，占小流域面積的91.37%。各級侵蝕強度等級面積占小流域面積比例及面積加權平均換算的多年平均侵蝕模數見表4，各級侵蝕強度等級分布見圖3?？芍?，小流域強烈及強烈以上級別土壤侵蝕面積占小流域面積的61.94%，溝蝕與面蝕之比為2.324;強烈以下級別土壤侵蝕面積占小流域面積的38.06%，溝蝕與面蝕之比為0.198;溝蝕中強烈及強烈以上級別侵蝕面積占溝蝕面積的87.31%?？梢钥闯?，溝谷地侵蝕比溝間地侵蝕嚴重，是泥沙的主要來源區。

表4 各級侵蝕強度等級面積占小流域面積比例Tab．4 Proportion of the areas with various erosion classes to the watershed area

圖3 土壤侵蝕圖Fig．3 map of soil erosion

溝谷地、溝間地和全流域各級土壤侵蝕強度等級面積換算成多年平均侵蝕模數分別為1萬5 808、5 628和1萬677 t/(km2·a)，溝谷地、溝間地和全流域多年平均侵蝕量分別為60萬、22萬和82萬t?？梢钥闯?，溝谷地侵蝕量是溝間地侵蝕量的2.73倍，是泥沙的主要來源區。

3.3 水土流失觀測數據分析

對把口站和徑流小區觀測數據，按年進行整編，結果見表5?？芍?，小流域2007和2008年平均降水量為365.95mm，比多年平均降水量少46.55mm，平均年輸沙模數為5 310 t/(km2·a);溝道、坡面平均侵蝕模數分別為7 924和2 856 t/(km2·a)，溝道平均年侵蝕模數是全流域的1.49倍，是坡面的2.77倍。根據小流域溝谷地和溝間地面積，計算得到2007和2008年小流域年均輸沙量為41萬t，其中溝谷地年均輸沙量30萬t，溝間地年均輸沙量11萬t，溝谷地輸沙量是溝間地的2.73倍，溝谷地輸沙量占總輸沙量的73%。

表5 地面觀測數據整編結果Tab．5 Summary table of surface observation data

4 結論

1)西五色浪溝小流域溝間地與溝谷地面積之比為1∶0.984;水土流失治理面積占小流域面積的37.83%，溝間地治理措施面積是溝谷地面積的3.47倍;溝谷地中荒地面積占70%，植被覆蓋度低于30%的面積占84.30%，坡度大于25°的面積占55.42%。由此得出結論，在水土流失治理背景下，隨著降水量的增加，溝谷地土壤更易遭受侵蝕，仍是發生水土流失的主要區域。

2)遙感方法溝谷地多年平均侵蝕模數是全流域的1.48倍，是溝間地的2.81倍，溝谷地侵蝕量占小流域總侵蝕量的73%，是溝間地的2.73倍。地面觀測方法溝谷地平均侵蝕模數是全流域的1.49倍，是溝間地的2.77倍，溝谷地輸沙量占小流域總輸沙量的73%，是溝間地的2.73倍。2種方法結論基本一致，充分說明在水土流失治理背景下，溝谷地仍是泥沙的主要來源區。

5 參考文獻

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Preliminary study on sediment sources of watershed under control of water loss and soil erosion：

Taking Xiwuselanggou Watershed of Huangfuchuan Basin as the examplema Ning，Zhao Bangyuan，Wang Fugui，Ma Weixing，Dong Yawei
(Upper andmiddle Yellow River Bureau，710021，Xi’an，China)

Based on the high-resolution images obtained from remote sensing，this study were conducted in Xiwuselanggou Watershed of Huangfuchuan Basin.GIS technology was applied to determine the upper edge line of the watershed.The watershed was divided into two relief types，i.e.the gully area and the inter-rill land.Sediment sources of the watershed，where control of water and soil loss is ongoing，were compared by two aspects.The first aspect was according to the amount and distribution of local gully erosion and surface erosion，and their influential factors including cutting intensity，as well as water and soil conservationmeasures and land usemode，gradient，and vegetation coverage，etc.;the second aspect was based on the observation data of the rainfall stations，port stations，and runoff plots distribution in the watershed.Both the two aspects showed that local sediment wasmainly produced from the gully area，and soil erosion amount of the gully area was 2.73 times asmuch as that of the inter-rill land，making up about 73%of the total erosion amount in the watershed.

GIS;gully erosion;surface erosion;sediment source;Huangfuchuan Basin

2011-04-07

2011-06-28

黃河中游多沙粗沙區重點支流水土保持動態監測項目

馬寧(1972—)，女，高級工程師。主要研究方向：水土保持監測。E-mail：hhmning@126.com

(責任編輯：宋如華)