甘肅省黃土高原典型小流域侵蝕溝道特征

石萬里, 王守俊, 張 富

(1.甘肅農業大學 林學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省水利廳水土保持局， 甘肅 蘭州 730000)

甘肅省黃土高原典型小流域侵蝕溝道特征

石萬里1, 王守俊2, 張 富1

(1.甘肅農業大學林學院,甘肅蘭州730070; 2.甘肅省水利廳水土保持局，甘肅蘭州730000)

[目的] 對甘肅省黃土高原典型小流域侵蝕溝道的分級分類進行簡要研究，為進一步推動該區水土保持和生態治理工作提供理論基礎。 [方法] 在甘肅省第一次全國水利普查結果的基礎上，運用GIS技術，采用地貌幾何定量數學模型分級方法，定量化分級溝道，并從地質、地貌、大小以及形狀對侵蝕溝道進行分類，由此來推斷黃土高原區侵蝕溝道的特征。 [結果] 甘肅黃土高原典型小流域侵蝕溝道主要以Ⅰ級溝道為主，其中丘陵溝壑區主要以半開析、中度割裂、半主溝型為主；高塬溝壑區主要以半開析、中度割裂、支溝型為主。 [結論] 丘陵溝壑區第五副區溝壑狹窄陡峭，溝道破碎化程度高，水土流失量高，治理難度大，溝道難以利用。

黃土高原; 小流域; 侵蝕溝道; 分級分類

文獻參數： 石萬里, 王守俊, 張富.甘肅省黃土高原典型小流域侵蝕溝道特征[J].水土保持通報，2017,37(4)：236-241.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.040； Shi Wanli, Wang shoujun, Zhang Fu. Characteristics of erosion gullies in small watershed scale on Loess Plateau in Gansu Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：236-241.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.040

黃土高原坡溝系統不但是區域侵蝕的沙源地，而且對控制水土流失、恢復和重建生態系統有著重要的作用。黃土高原主要的形成是由于在第四紀以來，黃土高原分水嶺區基本上一直以上升為主，是侵蝕、剝蝕區。梁、卯區也屬上升區，但曾接受沉積，有過相對下沉的時期。而塬區卻經歷了下降—緩慢上升—強烈上升幾個構造階段,導致古盆地逐漸抬高為高平原，最后終于一躍而成為著名的黃土高原[1]。對黃土高原溝坡系統侵蝕現象與規律的研究，始終是黃土高原環境整治中很重要的科學命題。對具有代表性的小流域進行溝道侵蝕特征研究對揭示區域侵蝕特征有著重要意義，并對更有效開展黃土高原地區水土保持工作有著重要的指導意義。在溝道治理之前首先要將小流域里的溝道進行分級，這是進行溝道治理的一項基礎工作。為了使溝道不但在級別上能夠反映其侵蝕規律，而且使其能夠進行同級之間的比較，進而能夠有利于壩系的布局。付明勝等[2-3]針對中國在溝道分級中存在的問題，采用美國地貌學家Hortun等[4]提出的地貌幾何定量數學模型分級方法，在1/108地形圖上進行了分級：一級水道是指在一個流域內，最小的不可分支的支溝；二級水道是指由2個一級水道匯合后組成的新的水道；三級水道是指由2個二級水道匯合后的水道；以此類推，直到將整個流域中的水道劃分完畢。付明勝等[2]運用這個方法分析了黃土丘陵溝壑區3條典型小流域的壩系現狀和壩系規劃，并達到了預期效果。在其研究中，根據不同的溝級設置了不同規模大小的工程，這樣可以使壩系布局具有合理性、科學性和規范性，同時使地貌研究呈定量化發展?？梢?，采用美國地貌幾何定量數學模型的分級方法具有很強的理論意義和實踐意義。國外有關溝道的分類主要是源于對泥石流和山洪產生過程的荒溪分類[5]。中國許多學者根據坡面侵蝕的形成原理將溝道劃分為指溝、細溝、淺溝、切溝、沖溝、溝道和河川等類型，指溝是指自分水線開始順坡向下流動的過程由于受到地形的制約，逐步向低處集中，開始沖成紋溝，進而發展成指溝，指溝形成在細溝之前[6]。劉增文等[7]對黃土殘塬區侵蝕溝道分類的研究表明，反映溝道特征的眾多指標中，溝道的地貌形態對治理開發最具實踐意義，他們運用1∶1萬地形圖對陜西省長武縣境內的溝道進行了隨機抽樣調查并選取了18條溝道進行系統的圖上測量和實地調查，并在其研究中按照溝道割裂狀況、溝道開析狀況和主支溝3個不同角度對溝道進行了分類。本文是在甘肅省第一次全國水利普查結果的基礎之上，在甘肅黃土高原區運用GIS技術，對侵蝕溝道采用地貌幾何定量數學模型分級方法，定量化分級溝道，并從地質、地貌、大小以及形狀對侵蝕溝道進行分類，從而為更好的在黃土高原地區開展水土保持和生態治理工作打下基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

甘肅黃土高原區位于甘肅省中東部，屬西北黃土高原的西部，北接寧夏，南以迭山、西秦嶺分水嶺為界，東鄰陜西，西至烏鞘嶺和青海。地理位置位于北緯33°6′—37°39′，東經100°43′—108°42′。甘肅黃土高原區內除分布有少量的土石山區外，其余均為黃土覆蓋，黃土厚度一般在10—300 m，海拔高度在1 000～3 000 m，地勢由西北向東南傾斜，溝壑密度多在1.8～2.5 km/km2，平均為2.13 km/km2。研究區內以黃土丘陵溝壑第三、第五副區和黃土高塬溝壑區三個類型區面積最大。黃土丘陵溝壑第三副區(以下簡稱“丘三區”)位于隴中東南部，介于東經104°18′—106°21′，北緯34°23′—35°45′，總面積1.81×104km2，其中水土流失面積占96.8%，屬黃土高原嚴重流失區。黃土丘陵溝壑第五副區(以下簡稱“丘五區”)位于東經102°36′—105°20′，北緯35°21′—37°37′，總面積4.12×104km2。黃土高塬溝壑區位于甘肅省東部，北部與環縣、華池、慶城、固原一線的黃土丘陵溝壑第二副區鄰近，西南鄰近達溪河與丘三區相連，東靠子午嶺，西近六盤山，東南與陜西省長武縣相連，介于東經106°40′—108°25′，北緯34°37′—35°52′，總面積1.51×104km2。

1.2 典型小流域選取

基于甘肅省第一次全國水利普查的相關結果，在甘肅黃土高原丘三區、丘五區、高塬溝壑區，選擇羅玉溝、呂二溝、安家溝、高泉溝、稱溝河、南小河溝等典型試驗小流域和試點示范小流域，所選擇流域涵蓋了該區域有長時間監測數據的小流域，具體信息詳見表1。

表1 選取典型小流域信息

1.3 數據分析

1.3.1 溝道分級 利用衛星影像和DEM，1∶5萬數字地圖(DLG)，或者在1∶1萬地形圖，選擇不同類型區研究小流域，按照甘肅省第一次全國水利普查的要求，對溝道面積0～5 000 hm2，溝道長度大于等于500 m的溝道進行分級研究。在ArcGIS 9.3上采用Hortun-Strahler地貌幾何定量數學模型分級方法，對不同類型區所要研究的小流域進行分級[8-10]。第一級水道是指最小的且不可分支的支溝；二級水道是指由2個一級水道匯合后組成的新的水道；三級水道是指2個二級水道匯合后組成的水道；以此類推，直到整個流域水道劃分完畢。通過整個流域的水沙河槽為最高級水道，也就是這個小流域的流域等級[11]。另外指出，所有的間歇性水道和永久性水道，只要它們具有特征明顯的穩定性谷地，都可以根據序列的命名原則進行分級。

1.3.2 溝道分類 在典型小流域的地形圖或影像圖上對已經分級的溝道進行系統的實地調查和圖上量測。實地調查包括對流域界限和溝緣線的勾繪、溝道及溝頭的治理與利用情況調查等[12-16]；圖上量測包括對每條溝道的流域面積、溝壑面積、溝道長度(主溝長、各級支溝長和溝道全長)、溝壑密度、溝道相對高差等特征值的測算；然后根據以下公式計算每條溝道的開析度、地面割裂度和主支溝系數等地貌形態特征值[17]。

(1) 按溝道的開析狀況分類

K=D/H=1000A/(LH)

(1)

式中：K——溝道開析度；D——溝道平均寬(m)；H——溝道平均相對高差(m)；A——溝壑面積(km2)；L——溝道全長(km)。

(2) 按溝道的割裂狀況分類

G=(A/S)×100%

(2)

式中：G——地面割裂度(%)；A——溝壑面積(km2)；S——流域面積(km2)。

(3) 按溝道主支溝狀況分類

R=L0/L

(3)

式中：R——主支溝系數；L0——主溝道長(m)；L——溝道全長(m)。

2 結果與分析

2.1 侵蝕溝道分級研究

通過運用不同類型區典型流域的衛星影像圖和地形圖，對大于500 m的溝道進行系統的實地調查(主要包括流域界限和溝緣線的勾繪)和圖上測量(主要包括溝道流域面積、溝壑面積及溝道相對高差特征值的測量及計算，如圖1所示)。同時溝道的分級結果表明，3個類型區典型小流域的溝道基本可以分為5級，主要以Ⅰ級溝道為主。丘三區Ⅰ級溝道28條，平均溝長1 146.51 m，高差149.43 m，平均比降0.13%，平均溝道面積103.35 hm2，平均寬度864.92 m；Ⅱ級溝道4條，平均溝長1 943.00 m，高差219.50 m，平均比降0.15%，平均溝道面積139.50 hm2，平均寬度670.20 m；Ⅲ級溝道5條，平均溝長568.80 m，高差125.00 m，平均比降0.23%，平均溝道面積14.48 hm2，平均寬度222.81 m。該區域沒有Ⅳ或Ⅴ級溝道。丘五區Ⅰ級溝道80條，平均溝長1 219.46 m，高差178.38 m，平均比降16.28%，平均溝道面積21.46 hm2，平均寬度176.83 m；Ⅱ級溝道20條，平均溝長2 321.89 m，高差133.00 m，平均比降8.73%，平均溝道面積33.61 hm2，平均寬度135.08 m；Ⅲ級溝道9條，平均溝長5 056.25 m，高差226.67 m，平均比降5.24%，平均溝道面積71.78 hm2，平均寬度138.75 m；Ⅳ級溝道4條，平均溝長4 638.90 m，高差193.75 m，平均比降4.48%，平均溝道面積76.08 hm2，平均寬度168.94 m；Ⅴ級溝道1條，溝長1 175.41 m，高差215.00 m，比降19.29%，溝道面積60.62 hm2，寬度515.75 m。高塬溝壑區Ⅰ級溝道20條，平均溝長1 038.60 m，高差167.25 m，平均比降0.18%，平均溝道面積1.17 hm2，平均寬度312.30 m；Ⅱ級溝道2條，平均溝長1 005.50 m，高差165 m，比降0.16%，平均溝道面積0.95 hm2，平均寬度445 m；Ⅲ級溝道1條，溝長9 374 m，高差315 m，平均比降0.03%，溝道面積10.96 hm2，寬度871 m。該區域沒有Ⅳ或Ⅴ級溝道。由分析可知，丘三區溝道較寬且較為平緩，丘五區溝道細長陡峭，高塬溝壑區溝道細長而平緩。因此丘五區更容易發生河流侵蝕和降雨侵蝕[26-27]。

圖1 3個類型區典型流域侵蝕溝道分級信息

2.2 侵蝕溝道分類研究

2.2.1 按溝道的開析狀況分類 溝道的開析狀況是指溝道的開張程度，主要用來表示溝道宏觀地形開闊特征。一般情況下，溝道開析度越大，溝壑就越開闊，溝坡就越平緩，溝道的立地條件就越好，開發利用潛力愈大[28-29]。各類型區開析度K的劃分標準如表2所示，開析度分類見圖2。丘三區Ⅰ級溝道中，開析型2條，半開析型25條，深切型1條；Ⅱ級溝道中開析型1條，半開析型3條；Ⅲ級溝道中開析型1條，半開析型3條，深切型1條。丘五區Ⅰ級溝道中，開析型9條，半開析型67條，深切型4條；Ⅱ級溝道中開析型4條，半開析型14條，深切型12條；Ⅲ級溝道中半開析型7條，深切型2條；Ⅳ級溝道中開析型1，半開析型2條，深切型1條；Ⅴ級溝道中開析型1條。在高塬溝壑區Ⅰ級溝道中，開析型3條，半開析型15條，深切型2條；Ⅱ級溝道中開析型1條，半開析型1條；Ⅲ級溝道中開析型1條。分析可知，丘五區開析度K較丘三區和高塬溝壑區小，溝壑狹窄，溝坡陡峭，水土流失風險較大，不容易開發利用。

表2 各類型區典型小流域開析狀況劃分標準

圖2 各類型區典型小流域溝道開析度

2.2.2 按溝道的割裂狀況分類 溝道的割裂狀況用地面割裂度G來反映。在一定的地域范圍內，地面割裂度G值越高，說明溝壑面積越大，溝谷面積越小，地形越破碎，水土流失面積越大，治理任務也越艱巨，開發利用程度也越難，治理措施更需要加強配置[28-29]。各類型區割裂度G的劃分標準詳見表3，割裂狀況分類如圖3所示。丘三區Ⅰ級溝道中，強度割裂型3條，中度割裂型19條，輕度割裂型7條；Ⅱ級溝道中強度割裂型2條，中度割裂型2條；Ⅲ級溝道中強度割裂型2條，中度割裂型3條。丘五區Ⅰ級溝道中，強度割裂型1條，中度割裂型27條，輕度割裂型52條；Ⅱ級溝道中強度割裂型3條，中度割裂型14條，輕度割裂型3條；Ⅲ級溝道中強度割裂型4條，中度割裂型3條，輕度割裂型2條；Ⅳ級溝道中強度割裂型2條，中度割裂型2條；Ⅴ級溝道中強度割裂型1條。高塬溝壑區Ⅰ級溝道中，強度割裂型3條，中度割裂型12條，輕度割裂型5條；Ⅱ級溝道中中度割裂型1條；Ⅲ級溝道中強度割裂型1條。3個類型區中丘三區和高塬溝壑區的割裂度G值較大，說明這兩個區域溝谷面積小，地形破碎。

表3 各類型區典型小流域割裂狀況劃分標準

圖3 各類型區典型小流域溝道割裂度

2.2.3 按溝道主支溝狀況分類 溝道主支溝狀況反映了溝道的支溝發育程度和數量，同時也間接的反映了流域溝道切割的破碎程度，對反映溝道的地形狀況及溝道治理具有指導作用[30]。各類型區的主支溝系數R的劃分標準如表4所示，主支溝系數分類見圖4。丘三區Ⅰ級溝道中，主溝型2條，半主溝型23條，支溝型3條；Ⅱ級溝道主溝型4條；Ⅲ級溝道主溝型5條。丘五區Ⅰ級溝道中，主溝型21條，半主溝型54條，支溝型5條；Ⅱ級溝道中半主溝型12條，支溝型8條；Ⅲ級溝道中半主溝型1條，支溝型8條；Ⅳ級溝道支溝型4條；Ⅴ級溝道半主溝型1條。高塬溝壑區Ⅰ級溝道支溝型20條；Ⅱ級溝道支溝型2條；Ⅲ級溝道主溝型1條。三個類型區中以丘五區主支溝系數最大，說明區域溝道切割較大，破碎程度較高。

表4 各類型區典型小流域主支溝狀況劃分標準

圖4 各類型區典型小流域溝道主支溝系數

3 討論與結論

(1) 丘三區的Ⅰ級溝道中，Ⅰ14型(半開析+中度割裂+半主溝型)的溝道所占比例最高，占總溝道條數的39.5%，占總面積的44.38%；在Ⅱ級溝道中，以Ⅱ10型(半開析+強度割裂+主溝型)最高，占總溝道條數的比例為5.3%，占總面積的6.02%；在Ⅲ級溝道中以Ⅲ10型(半開析+強度割裂+主溝型)為最高，占總溝道條數的比例為5.3%，占總面積的0.13%。

(2) 在丘五區的Ⅰ級溝道中，Ⅰ15型(半開析+輕度割裂+半主溝型)的溝道所占比例最高，占總溝道條數的27.9%，占總面積的20.41%；在Ⅱ級溝道中為Ⅱ14型(半開析+中度割裂+半主溝型)占總溝道條數的6.1%，占總面積的6.67%；在Ⅲ級溝道中Ⅲ16型(半開析+強度割裂+支溝型)、Ⅲ17型(半開析+中度割裂+支溝型)、Ⅲ25型(深切析+強度割裂+支溝型)、Ⅲ18型(開析+輕度割裂+支溝型)的溝道條數所占比例均為1.8%，而半開析+中度割裂+支溝型所占的面積最大，占總面積的8.74%；在Ⅳ級溝道中，各個類型的溝道條數所占比例均為總條數的0.9%，而開析+中割裂度+支溝型的溝道面積最大，占總面積的4.26%；在Ⅴ級溝道中，僅有Ⅴ4型(開析+強度割裂+半主溝型)一種類型，占溝道總條數的0.9%，占總面積的1.78%。

(3) 在高塬溝壑區的Ⅰ級溝道中，Ⅰ17型(半開析+中度割裂+支溝型)溝道所占比例最高，占總溝道條數的34.7%，占總面積的17.34%；在Ⅱ級溝道中Ⅱ17型(半開析+中度割裂+支溝型)與Ⅱ8型(開析+中度割裂+支溝型)的溝道條數所占比例相同，為總溝道條數的4.4%，分別占總面積的1.9%與3.92%；在Ⅲ級溝道中，Ⅲ1型(開析+強度割裂+主溝型)的溝道占總溝道條數的4.4%，占總面積的51.56%。

(4) 丘陵溝壑區第五副區溝壑狹窄陡峭，地形破碎，坡陡溝深，溝道破碎化程度高，水土流失量高，治理難度大，溝道難以利用，應加強該區域水土流失的研究和治理。

[1] 閡隆瑞,范蕙.中國黃土高原的形成及其黃土成因的探討[J].科學通報,1988,33(9):690-692.

[2] 付明勝,任兆選,白平良.地貌幾何數學模型在黃土高原溝道分級和壩系規劃中的應用[J].中國水土保持科學,2003,1(4):25-27.

[3] 付強,彭紅,楊紅新,等.基于ArcGIS Hydrology工具的溝道分級特征值選取[J].中國水土保持,2009(3):55-57.

[4] 王曉朋,潘懋,任群智.基于流域系統地貌信息熵的泥石流危險性定量評價[J].北京大學學報:自然科學版,2007,43(2):211-215.

[5] 王禮先.流域管理學[M].北京:中國林業出版社,1999:181-195.

[6] 關君蔚.水土保持原理[M].北京:中國林業出版社,1996:1-10.

[7] 劉增文,李雅素.黃土殘塬區侵蝕溝道分類研究[J].中國水土保持,2003(9):28-30.

[8] 蔣德麒,趙誠信,陳章霖.黃河中游小流域徑流泥沙來源初步分析[J].地理學報,1966,32(1):20-36.

[9] 陳浩,王開章.黃河中游小流域坡溝侵蝕關系研究[J].地理研究,1999,18(4):363-372.

[10] 馬寧,趙幫元,王富貴,等.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[J].中國水土保持科學,2011,9(5):15-19.

[11] 姚文藝,肖培青.黃土高原土壤侵蝕規律研究方向與途徑[J].水利水電科技進展,2012,32(2):73-78.

[12] 陸中臣.流域侵蝕產沙和物質轉移[J].地理研究,1989,8(2):101-111.

[13] 景可,陳永宗.我國土壤侵蝕與地理環境的關系[J].地理研究,1990,9(2):29-38.

[14] 陳浩.降雨特征和上坡來水對產沙的綜合影響[J].水土保持學報,1992,6(2):17-23.

[15] 陳浩.流域系統水沙過程變異規律研究進展[J].水土保持學報,2001,15(5):102-107.

[16] 肖培青,鄭粉莉,姚文藝.坡溝產沙關系及其侵蝕機理研究進展[J].水土保持研究,2004,11(4):101-104.

[17] 曾伯慶.晉西黃土丘陵溝壑區水土流失規律及治理效益[J].人民黃河,1980(2):20-25.

[18] 焦菊英,劉元保,唐克麗.小流域溝間與溝谷地徑流泥沙來量的探討[J].水土保持學報,1992,6(2):24-28.

[19] 吳淑芳,吳普特,宋維秀,等.坡面調控措施下的水沙輸出過程及減流減沙效應研究[J].水利學報,2010,41(7):870-875.

[20] Horton R E, Leach H R, Vliet R V. Laminar sheet-flow[J]. Eos Transactions American Geophysical Union, 1934,15(2):393-404.

[21] Horton R E. Erosional development of streams and their drainage basins: Hydrophysical approach to quantitative morphology[J]. Geological Society of America Bulletin, 1945,56(3):275-370.

[22] 張學雷,陳杰.德國土壤科學的研究進展[J].土壤通報,2003,34(6):558-561.

[23] 鄭粉莉,王占禮,楊勤科.土壤侵蝕學科發展戰略[J].水土保持研究,2004,11(4):1-10.

[24] 張松柏.慶陽市董志塬水土保持對策研究[J].西北農林科技大學學報:社會科學版,2012,12(2):67-72.

[25] 楊曉珍,高春河,朱嫣.寧南山區水土保持工程固溝模式探索[J].中國水土保持,2010(2):47-48.

[26] 劉會源,宋錦霞,牛萍.黃土高原地區溝道工程的水保作用與防洪功效[J].水土保持研究,2004,11(3):204-207.

[27] 王萬忠,焦菊英,馬麗梅,等.黃土高原不同侵蝕類型區侵蝕產沙強度變化及其治理目標[J].水土保持通報,2012,32(5):1-7.

[28] 張勝利,崔云鵬.渭北高原溝壑區溝道治理工程體系配置優化研究[J].西北林學院學報,1995,10(S1):39-46.

[29] 高鵬,蔣定生.黃土高原丘陵溝壑區溝道水資源利用模式初探[J].水土保持研究,2000,7(2):77-79.

[30] 雷阿林,唐克麗,王文龍.土壤侵蝕鏈概念的科學意義及其特征[J].水土保持學報,2000,14(3):79-83.

Characteristics of Erosion Gullies in Small Watershed Scale on Loess Plateau in Gansu Province

SHI Wanli1, WANG Shoujun2, ZHANG Fu1

(1.Forestry College, Gansu Agricultural University, Lanzhou， Gansu 730070， China; 2.Gansu Soil and Water Conservation Bureau， Lanzhou， Gansu 730000， China)

[Objective] The paper studied the classification of the erode gullies in small typical watersheds on the loess plateau in Gansu Province aimed to lay foundation for the better development of soil and water conservation and ecological management in the Loess Plateau. [Methods] Based on the results of the first national water resources and water power investigation, using GIS technology and math model of physiognomy geometry ration, the gullies were graded quantitatively and erosion gullies are classified from geology, geomorphology, size, and shape. Therethrough, the characteristics of erosion gullies in the Loess Plateau were inferred from. [Results] The results showed that in small watershed scale on Loess Plateau in Gansu Province, most of the erosion gullies are those, in hilly and gully regions, that have semi-opened, moderate fragmented and semi-main groove typed characteristics; In Loess gully regions, that have semi-opened, moderate fragmented and branch gully typed characteristics. [Conclusion] In the hilly and gully region, the fifth gully is narrow and steep, the gully fragmentation is high and the amount of soil erosion is great. It is difficult to manage and use the gullies.

LoessPlateau;watershed;erosiongullies;classification

A

： 1000-288X(2017)04-0236-06

： S157.1

2016-12-15

：2017-01-03

甘肅省水利普查科研專項“甘肅黃土高原侵蝕溝道特征與水沙資源保護利用研究”

石萬里(1980—),男(漢族)，甘肅省慶陽市人,碩士，講師,主要從事水土保持學方面的研究。E-mail:shiwl@gsau.edu.cn。

張富(1961—),男(漢族)，甘肅省定西市人,博士，研究員,主要從事水土保持配置及環境整治與生態修復研究。E-mail:fuzhang001@163。