延河流域溝壑密度統計學特征及影響因素分析

丁琳 劉輝

摘 要：為研究延河流域溝壑密度統計學特征，該文基于延河流域DEM數據及ArcGIS軟件，運用水文分析法及均值變點法提取最佳溝谷網絡，并在Excel中進行溝壑密度統計分析。結果表明：研究區總溝壑密度為1.16km/km2，各分區溝壑密度趨勢為D1區>D2區>D3區>D4區；不同分區，不同等級溝谷的平均長度及溝壑密度均存在較大差異；同一等級的溝谷在不同分區中的空間分布不同，溝壑密度也存在空間分異性；這些溝壑密度特征是地貌因素及土壤性質等耦合作用的結果。本研究將有助于揭示土壤侵蝕的空間差異性，深入理解溝壑密度的影響因素，從而為有針對性地提出水土保持綜合防治措施提供理論依據。

關鍵詞：溝壑密度；溝壑特征；影響因素；延河流域

中圖分類號 P931.6 文獻標識碼 A 文章編號 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

土壤侵蝕使土地資源遭到破壞，土壤肥力和質量下降，已成為全球性的重大環境問題之一[1]。定量評價區域的土壤侵蝕量、土壤侵蝕強度及其空間分布特征，對于采取相應措施減少水土流失、保護和合理利用土地資源具有重要意義[2]。土壤侵蝕強度除了可用土壤侵蝕模數和土壤侵蝕厚度評價外，還可以采用溝壑密度來定量描述。溝壑密度可用于描述地面切割破碎程度，以單位面積上的溝谷總長度來度量[3]。溝壑密度越大，地面越破碎，土壤侵蝕程度越大[4]。目前，關于溝壑密度的提取方法，主要有外業調查法、遙感圖像處理法、數字高程模型（DEM）法、地形圖量算法等[5-6]。隨著數字高程模型被廣泛應用于地形特征提取、流域水系分析等數字地形分析領域[7-8]，溝壑密度、溝壑切割深度等溝壑特征參數以及坡度、坡向、流域邊界、溝谷網絡、溝谷節點等地形特征參數皆可通過DEM提取[9-10]，操作簡便且提取精度較高，不失為一種高效處理數據的方法。

黃土高原是我國土壤侵蝕最嚴重、生態環境最脆弱的地區[11]，地面溝壑縱橫，支離破碎，切割程度極大，因而該區城溝壑特征的研究一直是土壤侵蝕研究領域的重點。本文以延河流域為研究對象，按高程大小將研究區劃分為4個小區，對比分析不同小區溝壑密度的統計學特征。研究結果不僅助于揭示土壤侵蝕的空間差異性，而且可深入理解溝壑密度的影響因素，從而為有針對性地提出水土保持綜合防治措施提供理論依據。

1 研究區概況

延河，黃河一級支流，全長286.9km，源于白于山附近，由西北向東南注入黃河，流域面積7 725km2，位于36°21′～37°19′N，108°38′～110°29′E。流域年平均氣溫為8.8～10.2℃，年平均降雨量為520mm，且集中于6—9月。土壤類型以黃綿土為主，質地均一，土質疏松，抗侵蝕能力差；地勢西北高、東南低，形態表現為以下3種類型，即：上游為峁梁丘陵溝壑區，梁多而峁小，河床比降大，植被稀少，侵蝕強烈；中游為峁狀丘陵溝壑區，梁窄峁小，河谷寬闊，階地發育；下游為破碎塬區，塬面窄小，沖溝發育。總體上黃土丘陵溝壑區面積約占90%，水土流失嚴重。

2 數據與方法

2.1 數據獲取 本文以地理空間數據云網站發布的DEM數字高程模型數據為基礎數據源，以WGS_1984_UTM_Zone_49N為空間參考，空間分辨率為30m×30m。

2.2 數據處理

2.2.1 延河流域的生成 在ArcGIS10.2軟件中首先對DEM源數據進行拼接處理，利用水文分析功能生成矢量河網數據，分水嶺工具生成集水流域，選擇、導出并合并延河流域干流及其支流所流經區域，利用合并后的延河流域面文件裁剪DEM源數據，獲得延河流域DEM數據，如圖1所示。

2.2.2 溝壑密度計算方法 溝壑密度也稱溝谷密度或溝道密度，是指單位面積內溝壑的總長度，單位一般以km/km2表示，數學表達式為：

[D=LA]

式中：D指溝壑密度；∑L指研究區域內的溝壑總長度（單位：km）；A指特定研究區域的面積（單位：km2）[12]。

2.2.3 延河流域溝谷網絡提取 在延河流域溝谷網絡提取過程中，匯流閾值的大小直接決定了溝壑密度的大小，故數據處理的關鍵在于設置合理的閾值。為了確定延河流域溝谷網絡的最佳閾值，在ArcGIS10.2軟件中建立水文分析模型，分別選取100、200、300…2 300、2 400、2 500等一系列閾值，運用圖解建模的方法依次運行模型（具體模型見圖2），當閾值位2 500時流域溝壑總長度趨于穩定。由圖3可看出，隨著匯流閾值的增加，流域溝壑總長度隨閾值增加總體呈冪函數減小，相關系數R2為0.999 4，擬合度較高，通過統計學檢驗。

為了使提取的溝谷網絡更加接近真實溝谷形態，基于均值變點分析法，確定曲線由陡變緩的唯一點，即為最佳閾值點。由圖4可知，當匯流閾值為500時，所提取的溝谷網絡最接近真實溝谷形態，此時流域溝壑總長度為8 903.55km。

3.1 溝壑密度 研究區按高程大小可劃分為4個分區，即延河中游河谷平原區（H<600m）——1區、延河下游殘塬平梁溝壑區（600m1 550m）——4區[13]。本文將延河流域溝谷等級劃分為7級。研究區溝壑總長度為8 903.55km，總溝壑密度為1.16km/km2。由東南到西北方向，地表高程由低到高，1～4區的溝壑密度值分別為3.53km/km2、1.66km/km2、0.76km/km2、0.18km/km2，溝壑密度呈減小趨勢，即D1區>D2區>D3區>D4區。此外，不同分區不同等級的溝壑密度也大不相同。其中，1區僅有1級、2級、3級和7級溝谷，且7級溝谷的溝壑密度最大，為2.02km/km2，2級溝谷次之，其他等級的溝谷密度均較小；2區存在1～7等級的溝谷，且第1等級的溝壑密度最大，為0.79km/km2，占該區溝壑密度的47.59%，第6等級的溝壑密度最小；3區無6～7等級的溝谷，且1～5級的溝壑密度均較小；4區僅存在1～2級的溝谷，其溝壑密度分別為0.16km/km2和0.02km/km2，分別占該區溝壑密度的88.89%和11.11%。除第2等級溝谷外，其余6個等級溝谷的溝壑密度均呈現同一等級溝谷的溝壑密度D1區>D2區>D3區>D4區的特點，而第2等級溝谷的溝壑密度為D2區>D1區>D3區>D4區。

3.2 影響因素

3.2.1 地貌形態 地貌是組成自然環境的基本要素，一個地區的土壤侵蝕差異受到不同地貌形態的制約。一般來說，平原地區以堆積為主，山區和丘陵地區則以侵蝕為主[12]。溝壑密度的大小主要取決于溝谷的發育程度，在研究面積一定的條件下，其與溝谷總長度成正比。黃土高原的地貌類型主要有塬、梁、峁及各類溝谷，黃土塬部分地形較平坦，侵蝕較弱；梁峁區主要發育細溝、淺溝、切溝等多種形態的溝谷，且具有坡度大、坡度長、臨空面大的特點，有利于水流侵蝕和重力侵蝕的發展，故為黃土高原侵蝕最強烈、地形最破碎的地區[12]；山地區則多發育深切沖溝，切割深度較大，且大多已達侵蝕基準面，下切侵蝕與溯源侵蝕過程受到抑制，即溝谷發育過程受到限制，故雖土壤侵蝕強度較大，但地形破碎度較小，溝壑密度較小。研究區4個小區可進一步劃分為平原區（1區）、梁峁區（2、3區）和山地區（4區）。梁峁區的溝壑密度為2.43km/km2，較山地區（0.18km/km2）大，且山地區僅發育1、2級溝谷，溝谷類型較單一，梁峁區發育1～7級溝谷，溝谷類型復雜多樣，溝谷發育程度大，地形破碎，是水土保持綜合防治的重點區域。

3.2.2 土壤性質 土壤性質是影響溝谷發育的主要因素之一，在其他條件一定的情況下，地表組成物質越疏松，溝谷越發育。延河流域主要的土壤類型為黃綿土，土體結構疏松，有機質含量低，易受侵蝕，巖性主要為中生代的砂巖、砂頁巖。黃土的這些性質表現為其機械組成由西北向東南逐漸變細，物質越細、抗蝕能力越（下轉116頁）（上接110頁）強，故地表組成物質由西北向東南抗蝕能力增強[14]，從而影響了溝壑密度的空間分異。

4 結論與討論

通過以上分析可知，研究區各分區溝壑密度呈現出D1區>D2區>D3區>D4區的特點，3區和4區隨溝谷等級的增大，溝壑密度呈減小趨勢。1區7級溝谷的溝壑密度最大，為2.02km/km2，2區1級溝谷溝壑密度最大，為0.79km/km2。研究區總溝壑密度為1.16km/km2，景可[14]的研究結果表明，不同比例尺地形圖上，以不同起算點研究同一流域的河網密度，大小往往可相差5倍左右，其中延河流域溝壑密度大小介于0.41～1.45km/km2，與本文的研究結論一致。

本文通過對延河流域按高程進行分區，并且對不同分區的溝壑密度統計學特征進行分析，有助于認識不同地貌類型下溝壑密度的空間分異特征，從而進一步地反映了地表破碎度即土壤侵蝕強度的差異性，為提出有針對性的水土保持綜合防治對策提供理論依據。前人對黃土高原地區溝壑密度的研究多集中于其宏觀上的空間規律性以及不同流域、不同尺度地域之間溝壑密度特征的對比分析，而對同一流域按不同標準劃分分區，對比不同分區溝壑密度特征及空間分異性，揭示其影響因素的研究則較少，因此本研究具有一定的理論意義。

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（責編：張宏民）