延河流域沟壑密度统计学特征及影响因素分析

时间：2024-05-24

丁琳刘辉

摘要：为研究延河流域沟壑密度统计学特征，该文基于延河流域DEM数据及ArcGIS软件，运用水文分析法及均值变点法提取最佳沟谷网络，并在Excel中进行沟壑密度统计分析。结果表明：研究区总沟壑密度为1.16km/km2，各分区沟壑密度趋势为D1区>D2区>D3区>D4区；不同分区，不同等级沟谷的平均长度及沟壑密度均存在较大差异；同一等级的沟谷在不同分区中的空间分布不同，沟壑密度也存在空间分异性；这些沟壑密度特征是地貌因素及土壤性质等耦合作用的结果。本研究将有助于揭示土壤侵蚀的空间差异性，深入理解沟壑密度的影响因素，从而为有针对性地提出水土保持综合防治措施提供理论依据。

关键词：沟壑密度；沟壑特征；影响因素；延河流域

中图分类号 P931.6 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）14-0108-04

Abstract：In order to study the statistical characteristics of gully density in the Yanhe river basin，this paper based on DEM of Yanhe river basin and ArcGIS software，using hydrological analysis method and mean value change-point method to extract the best gully system，and analyzed gully density in Excel software.The results show that：the total gully density in study area is 1.16km/km2，and the trend of gully density in partition areas is D1area>D2area>D3area>D4area；in different partitions，the average lengths of gullies and gully density with different classes have great differences；the gullies with same classes in different partition areas have different space distribution，and spatial heterogeneity of gully density also exists；these gully density characteristics are the results of landform factors and soil properties and so on.The study will help to reveal the spatial differences of soil erosion，and understand deeply the influence factors of gully density，then provide theoretical basis for coming up with integrated control measures of soil and water conservation pertinently.

Key words：Gully density；Gully characteristics；Influence factors；Yanhe river basin

土壤侵蚀使土地资源遭到破坏，土壤肥力和质量下降，已成为全球性的重大环境问题之一[1]。定量评价区域的土壤侵蚀量、土壤侵蚀强度及其空间分布特征，对于采取相应措施减少水土流失、保护和合理利用土地资源具有重要意义[2]。土壤侵蚀强度除了可用土壤侵蚀模数和土壤侵蚀厚度评价外，还可以采用沟壑密度来定量描述。沟壑密度可用于描述地面切割破碎程度，以单位面积上的沟谷总长度来度量[3]。沟壑密度越大，地面越破碎，土壤侵蚀程度越大[4]。目前，关于沟壑密度的提取方法，主要有外业调查法、遥感图像处理法、数字高程模型（DEM）法、地形图量算法等[5-6]。随着数字高程模型被广泛应用于地形特征提取、流域水系分析等数字地形分析领域[7-8]，沟壑密度、沟壑切割深度等沟壑特征参数以及坡度、坡向、流域边界、沟谷网络、沟谷节点等地形特征参数皆可通过DEM提取[9-10]，操作简便且提取精度较高，不失为一种高效处理数据的方法。

黄土高原是我国土壤侵蚀最严重、生态环境最脆弱的地区[11]，地面沟壑纵横，支离破碎，切割程度极大，因而该区城沟壑特征的研究一直是土壤侵蚀研究领域的重点。本文以延河流域为研究对象，按高程大小将研究区划分为4个小区，对比分析不同小区沟壑密度的统计学特征。研究结果不仅助于揭示土壤侵蚀的空间差异性，而且可深入理解沟壑密度的影响因素，从而为有针对性地提出水土保持综合防治措施提供理论依据。

1 研究区概况

延河，黄河一级支流，全长286.9km，源于白于山附近，由西北向东南注入黄河，流域面积7 725km2，位于36°21′～37°19′N，108°38′～110°29′E。流域年平均气温为8.8～10.2℃，年平均降雨量为520mm，且集中于6—9月。土壤类型以黄绵土为主，质地均一，土质疏松，抗侵蚀能力差；地势西北高、东南低，形态表现为以下3种类型，即：上游为峁梁丘陵沟壑区，梁多而峁小，河床比降大，植被稀少，侵蚀强烈；中游为峁状丘陵沟壑区，梁窄峁小，河谷宽阔，阶地发育；下游为破碎塬区，塬面窄小，冲沟发育。总体上黄土丘陵沟壑区面积约占90%，水土流失严重。

2 数据与方法

2.1 数据获取本文以地理空间数据云网站发布的DEM数字高程模型数据为基础数据源，以WGS_1984_UTM_Zone_49N为空间参考，空间分辨率为30m×30m。

2.2 数据处理

2.2.1 延河流域的生成在ArcGIS10.2软件中首先对DEM源数据进行拼接处理，利用水文分析功能生成矢量河网数据，分水岭工具生成集水流域，选择、导出并合并延河流域干流及其支流所流经区域，利用合并后的延河流域面文件裁剪DEM源数据，获得延河流域DEM数据，如图1所示。

2.2.2 沟壑密度计算方法沟壑密度也称沟谷密度或沟道密度，是指单位面积内沟壑的总长度，单位一般以km/km2表示，数学表达式为：

[D=LA]

式中：D指沟壑密度；∑L指研究区域内的沟壑总长度（单位：km）；A指特定研究区域的面积（单位：km2）[12]。

2.2.3 延河流域沟谷网络提取在延河流域沟谷网络提取过程中，汇流阈值的大小直接决定了沟壑密度的大小，故数据处理的关键在于设置合理的阈值。为了确定延河流域沟谷网络的最佳阈值，在ArcGIS10.2软件中建立水文分析模型，分别选取100、200、300…2 300、2 400、2 500等一系列阈值，运用图解建模的方法依次运行模型（具体模型见图2），当阈值位2 500时流域沟壑总长度趋于稳定。由图3可看出，随着汇流阈值的增加，流域沟壑总长度随阈值增加总体呈幂函数减小，相关系数R2为0.999 4，拟合度较高，通过统计学检验。

为了使提取的沟谷网络更加接近真实沟谷形态，基于均值变点分析法，确定曲线由陡变缓的唯一点，即为最佳阈值点。由图4可知，当汇流阈值为500时，所提取的沟谷网络最接近真实沟谷形态，此时流域沟壑总长度为8 903.55km。

3.1 沟壑密度研究区按高程大小可划分为4个分区，即延河中游河谷平原区（H<600m）——1区、延河下游残塬平梁沟壑区（600m1 550m）——4区[13]。本文将延河流域沟谷等级划分为7级。研究区沟壑总长度为8 903.55km，总沟壑密度为1.16km/km2。由东南到西北方向，地表高程由低到高，1～4区的沟壑密度值分别为3.53km/km2、1.66km/km2、0.76km/km2、0.18km/km2，沟壑密度呈减小趋势，即D1区>D2区>D3区>D4区。此外，不同分区不同等级的沟壑密度也大不相同。其中，1区仅有1级、2级、3级和7级沟谷，且7级沟谷的沟壑密度最大，为2.02km/km2，2级沟谷次之，其他等级的沟谷密度均较小；2区存在1～7等级的沟谷，且第1等级的沟壑密度最大，为0.79km/km2，占该区沟壑密度的47.59%，第6等级的沟壑密度最小；3区无6～7等级的沟谷，且1～5级的沟壑密度均较小；4区仅存在1～2级的沟谷，其沟壑密度分别为0.16km/km2和0.02km/km2，分别占该区沟壑密度的88.89%和11.11%。除第2等级沟谷外，其余6个等级沟谷的沟壑密度均呈现同一等级沟谷的沟壑密度D1区>D2区>D3区>D4区的特点，而第2等级沟谷的沟壑密度为D2区>D1区>D3区>D4区。

3.2 影响因素

3.2.1 地貌形态地貌是组成自然环境的基本要素，一个地区的土壤侵蚀差异受到不同地貌形态的制约。一般来说，平原地区以堆积为主，山区和丘陵地区则以侵蚀为主[12]。沟壑密度的大小主要取决于沟谷的发育程度，在研究面积一定的条件下，其与沟谷总长度成正比。黄土高原的地貌类型主要有塬、梁、峁及各类沟谷，黄土塬部分地形较平坦，侵蚀较弱；梁峁区主要发育细沟、浅沟、切沟等多种形态的沟谷，且具有坡度大、坡度长、临空面大的特点，有利于水流侵蚀和重力侵蚀的发展，故为黄土高原侵蚀最强烈、地形最破碎的地区[12]；山地区则多发育深切冲沟，切割深度较大，且大多已达侵蚀基准面，下切侵蚀与溯源侵蚀过程受到抑制，即沟谷发育过程受到限制，故虽土壤侵蚀强度较大，但地形破碎度较小，沟壑密度较小。研究区4个小区可进一步划分为平原区（1区）、梁峁区（2、3区）和山地区（4区）。梁峁区的沟壑密度为2.43km/km2，较山地区（0.18km/km2）大，且山地区仅发育1、2级沟谷，沟谷类型较单一，梁峁区发育1～7级沟谷，沟谷类型复杂多样，沟谷发育程度大，地形破碎，是水土保持综合防治的重点区域。

3.2.2 土壤性质土壤性质是影响沟谷发育的主要因素之一，在其他条件一定的情况下，地表组成物质越疏松，沟谷越发育。延河流域主要的土壤类型为黄绵土，土体结构疏松，有机质含量低，易受侵蚀，岩性主要为中生代的砂岩、砂页岩。黄土的这些性质表现为其机械组成由西北向东南逐渐变细，物质越细、抗蚀能力越（下转116页）（上接110页）强，故地表组成物质由西北向东南抗蚀能力增强[14]，从而影响了沟壑密度的空间分异。

4 结论与讨论

通过以上分析可知，研究区各分区沟壑密度呈现出D1区>D2区>D3区>D4区的特点，3区和4区随沟谷等级的增大，沟壑密度呈减小趋势。1区7级沟谷的沟壑密度最大，为2.02km/km2，2区1级沟谷沟壑密度最大，为0.79km/km2。研究区总沟壑密度为1.16km/km2，景可[14]的研究结果表明，不同比例尺地形图上，以不同起算点研究同一流域的河网密度，大小往往可相差5倍左右，其中延河流域沟壑密度大小介于0.41～1.45km/km2，与本文的研究结论一致。

本文通过对延河流域按高程进行分区，并且对不同分区的沟壑密度统计学特征进行分析，有助于认识不同地貌类型下沟壑密度的空间分异特征，从而进一步地反映了地表破碎度即土壤侵蚀强度的差异性，为提出有针对性的水土保持综合防治对策提供理论依据。前人对黄土高原地区沟壑密度的研究多集中于其宏观上的空间规律性以及不同流域、不同尺度地域之间沟壑密度特征的对比分析，而对同一流域按不同标准划分分区，对比不同分区沟壑密度特征及空间分异性，揭示其影响因素的研究则较少，因此本研究具有一定的理论意义。

参考文献

[1]赵晓丽，张增祥，周全斌，等.中国土壤侵蚀现状及综合防治对策研究[J].水土保持学报，2002，16（01）：40-43，46.

[2]王晓慧，陈永富，陈尔学，等.基于遥感和GIS的黄土高原中阳县土壤侵蚀评价[J].山地学报，2011，29（4）：442-448.

[3]韦中亚，周贵云，罗万勤.一种基于数学形态学的沟壑密度提取算法[J].地理学与国土研究，2001，17（2）：24-27.

[4]代灵燕.黄土高原严重水土流失区多尺度DEM地形因子分析[D].西安：陕西师范大学，2012.

[5]党福江，戈素芬.沟壑密度调查应采取水文网络法[J].水土保持通报，1998，18（6）：34-36.

[6]郭兰勤，丑述仁.基于DEM不同路径算法的沟壑密度提取[J].地下水，2011，33（6）：145-147.

[7]李丽，郝振纯.基于DEM的流域特征提取综述[J].地球科学进展，2003，18（2）：251-256.

[8]谢顺平，都金康，罗维佳，等.基于DEM的复杂地形流域特征提取[J].地理研究，2006，25（1）：96-102，87.

[9]朱红春，刘海英，张继贤，等.基于DEM的流域地形因子提取与量化关系研究——以陕北黄土高原的实验为例[J].测绘科学，2007，32（2）：138-140，182.

[10]李俊，汤国安，张婷，等.利用DEM提取陕北黄土高原沟谷网络的汇流阈值研究[J].水土保持通报，2007，27（2）：75-78.

[11]陈伯让.黄土高原水土保持综合治理的实践[J].中国水土保持，2005（12）：3-4.