基于三維激光掃描技術的喀斯特地表微地形特征及其侵蝕響應

張思琪, 馬芊紅, 朱 彤, 顧再柯, 張科利

(1.北京師范大學 地理科學學部, 北京 100875; 2.貴州省水土保持監測站, 貴陽 550002)

地表微地形是指在一定尺度范圍內地表微地貌的隨機性和不規則性[1]，可作為地表起伏變化和侵蝕程度的重要指標[2-3]。地表微地形會隨雨滴擊濺和徑流剪切引起的土壤分離、泥沙搬運等侵蝕過程發生變化。同時，微地形的變化反過來也會影響徑流的形成過程和產流量，進而影響侵蝕類型的發展演化及侵蝕結果[4-5]。降雨前后地表微地形的變化同產流產沙一樣，對于理解土壤侵蝕機理和分析侵蝕特征具有重要作用。目前，國內外學者主要是通過微地形因子的量化來表征地表微地形，從而分析微地形與土壤侵蝕間的關系。常用的微地形因子有地表粗糙度、地形起伏度、地表切割度和坑洼蓄積量[6]。其中，地表粗糙度可用于描述由耕作管理或侵蝕引起地表高低起伏的微地形特征[7]。吳發啟等[8]將地表粗糙度定義為地表在比降梯度最大方向上凹凸不平的狀態或起伏狀況。相關研究發現，地表粗糙度對侵蝕的影響表現出促進和阻滯兩種特性：一方面，粗糙地表抗蝕性強，坑洼面積大，地表蓄水能力強，可有效促進水分入滲[9]，從而延緩徑流形成[10]，削弱徑流的侵蝕動力；另一方面，地表粗糙度的增大會促進水流的橫向匯集，增大地表徑流的潛在沖刷力，更易發生細溝侵蝕[11]。地表粗糙度隨降雨過程的進行會不斷的發生變化，因此，分析地表微地形的變化有助于更好地理解坡面侵蝕過程。

中國西南喀斯特地區是世界上面積最大的喀斯特連續分布帶。區內土層淺薄，地形破碎，大面積基巖裸露，水土流失嚴重，人地矛盾極為尖銳[12]。開展喀斯特地區坡面土壤侵蝕研究對區域生態建設及水土資源合理利用具有重要價值。與其他侵蝕嚴重區相比，由于基巖出露普遍，喀斯特坡面形態更為復雜，微地形空間變異更大。現有喀斯特地區坡面土壤侵蝕研究多集中于坡面產流產沙的影響因素、過程及地表地下侵蝕特征分析[13-15]，對地表微地形與土壤侵蝕的關系研究較少。在區域尺度上，趙斯琦[16]和王恒松等[17]分別利用遙感影像數據和野外實地監測數據分析地形因子對土壤侵蝕的影響。在小生境條件下，殷清慧等[18]按坡形將微地形分為凸形、凹形和直形坡，得到微地形與土壤侵蝕顯著相關的結論。在坡面尺度上，Li等[19-20]開展了人工模擬降雨條件下含礫石坡面地表粗糙度對土壤侵蝕的影響研究，但由于礫石很小且是混合在土壤中的，與喀斯特石漠化坡面大塊基巖出露土壤特征大不相同。目前對喀斯特基巖出露坡面水蝕過程中的微地形變化及其與土壤侵蝕的關系研究未見報道。鑒于此，本文通過人工模擬降雨試驗，結合三維激光掃描技術，選取地表粗糙度和坑洼蓄積量兩個微地形因子，探討喀斯特地區不同塊石出露度坡面微地形因子的變化及其與土壤侵蝕的關系，旨在明確喀斯特塊石出露坡面產流產沙特征及地表微地形對降雨的響應。研究結論可為喀斯特地區坡面侵蝕規律研究和水土流失防治提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 小區布設

本試驗于2019年7月到9月在貴州省龍里水土保持科技示范園石漠化徑流小區開展，共設計4個不同塊石出露程度的徑流小區。試驗小區于2000年在天然坡面的基礎上用水泥修建的，小區邊壁高出土面40 cm，土壤厚度約1 m。坡面塊石是在研究區野外坡面，經過調查篩選后，選擇適宜的石塊搬運至小區。根據野外喀斯特石漠化坡面基巖出露特征，將形狀不規則、體積不等的石灰巖塊石隨機布設，埋入小區表土50 cm之下，塊石出露高度10～40 cm，坡面塊石數量分別為0，7，25，54塊。通過三維激光掃描得到坡面DEM數據，利用ArcGIS 10.2數字化及統計功能，測算小區塊石的出露面積，分別占小區垂直投影面積的0，5.4%，13.1%，42.9%，其中裸土小區為對照小區。各小區坡度均為25°，水平投影面積為10 m×2.2 m，土壤類型為黃壤，土壤容重為1.16 g/cm3，土壤質地為粉壤土，黏粒含量為6.02%，粉粒含量50.89%，砂粒含量43.10%。

圖1 坡面徑流小區實拍及三維建模

1.2 試驗設計

人工模擬降雨設備由8臺Meyer槽式擺動下噴人工模擬降雨機組合而成，有效降雨高度2.55 m，雨滴均勻度>80%，雨滴降落地表的速度達到天然降雨的終點速度。試驗共設計30，60，90 mm/h 3個雨強，為保證每場試驗降雨侵蝕力相同，降雨量均為30 mm。為消除前期土壤含水量的影響，每場降雨試驗開始前用小雨(雨強5 mm/h)預濕潤小區30 min，覆上塑料布靜置12 h，保證土壤剖面中水分分布特征相同。降雨試驗開始后，觀察集流槽出水口處出現串狀水流立即記錄產流時間。坡面產流結束后，用精度為1 mm的尺子分別量測分流桶(7孔分流)和集流桶的水位3次，取平均值，計算總產流量和產流率。用1 000 ml采樣瓶收集分流桶和集流桶中各2個渾水樣，用飯盒收集集流槽內的泥沙，靜置2～3 d后，倒掉上層清液，將剩余的泥沙放入飯盒中置于105℃的烘箱中烘干24 h，計算總產沙量和產沙率。每場降雨試驗結束后，在附近農地取土，回填小區至最初的地表條件，回填土與小區原始土壤性質相同。

1.3 三維激光掃描

本研究采用的設備為手持式三維激光掃描儀(Creaform Handy SCAN 700)，由加拿大Creamform公司生產，其工作原理為將插座插入電源并連接到USB電纜，USB一端連接到計算機，另一端連接到掃描儀，啟動VXelements軟件設置參數成功后即可開始掃描。掃描儀發射激光到地表，可在計算機上自動生成連續表面，掃描精度高達0.03 mm，掃描分辨率為0.05 mm。降雨前獲取小區分段的地表點云數據，待降雨結束后，地表水分完全入滲，地面無積水時，再次進行掃描。在保證點云數據質量且能清晰地表示坡面侵蝕形態結構特征的前提下，將掃描精度設定為2 mm。在掃描過程中，應避免光線太強或太弱，保證數據精度。由于設備故障，未能獲取塊石出露度為42.9%小區90 mm/h場次降雨后的地表點云數據，因此共獲得15個地表點云數據，即各小區降雨前及每次降雨后的坡面點云數據。

1.4 數據處理

采用Geomagic Wrap軟件對掃描的點云數據進行拼接、粗對齊、去噪等初始處理，并建立在同一坐標系下生成坡面點云數據。將處理后的點云數據導入Cloud Compare軟件中進行精確對齊，再導入ArcGIS 10.2軟件，創建TIN文件后，轉換為分辨率1 mm×1 mm的柵格DEM數據，據此對坡面微地形進行定量分析。利用ArcGIS 10.2提取地表粗糙度、坑洼蓄積量指標來表征坡面微地形[21]。

(1) 地表粗糙度是地表起伏狀況和侵蝕程度的度量因子，可用地表單元的曲面面積與其投影面積的比值來表示。

R=1/cos(S×π/180)

(1)

式中：S為坡度(°)。

(2) 坑洼蓄積量指坡面洼地被填滿需要的雨水體積。運用J&D算法對原始DEM進行填洼，得到無洼地DEM，將無洼地DEM減去原始DEM，計算均值，再乘以小區的面積得到坑洼蓄積量，單位為L。

(3) 產流產沙特征參數計算。

Rr=V/(A·t)

(2)

Sr=W/(A·t)

(3)

式中：Rr為產流率[L/(m2·h)]；V為次降雨總產流量(L);Sr為產沙率[kg/(m2·h)]；W為次降雨總產沙量(kg)；A為小區面積(m2)；t為降雨時長(h)。

2 結果與分析

2.1 坡面產流產沙特征

坡面產流產沙特征見表1，同一坡面產流時長均隨著雨強的增大而減小。降雨前的預濕潤過程保證小區坡面前期含水量一致，由于坡面土壤入滲能力一定，雨強越大，越容易達到土壤的入滲能力，則所需的產流時間越短。塊石出露度指在垂直投影下坡面塊石出露的面積占徑流小區面積的百分比。在30 mm/h雨強下，裸土坡面的初始產流時間大于塊石出露坡面，這是由于坡面塊石的出露增大了不透水面積，使得坡面容許入滲面積減小，更有利于產流，所以產流時間較短，塊石出露坡面比裸土坡面產流時間提前18.0%～57.2%。在60 mm/h雨強下，各塊石出露度坡面初始產流時長較30 mm/h雨強有大幅度的減小，減小幅度在33.5%～64.7%。當雨強增大至90 mm/h時，不同塊石出露度坡面的初始產流時長較60 mm/h有小幅度的降低，減小幅度在21.1%～36.4%。這是由于在大雨強下坡面的產流方式由蓄滿產流轉變為超滲產流，單位時間內坡面接收的雨量超過土壤的入滲能力，此時坡面出露塊石的不透水性對產流的影響弱化，因此坡面能快速產流且不同塊石出露度坡面的產流時長差異較小。

表1 塊石出露坡面產流產沙特征

塊石的出露既能促進匯流同時又會削減徑流的能量，從而改變坡面的侵蝕過程。在小雨強下，少量的塊石出露對于坡面匯流主要表現為促進作用，使得坡面徑流的集中程度更高，對坡面的侵蝕程度更強。然而，當坡面塊石出露面積增大到一定程度時，坡面徑流的能量因塊石的阻擋而被削減，此時坡面塊石對于徑流的作用主要表現為攔截作用，增加入滲，延緩地表徑流的流速，可在一定程度上減弱土壤侵蝕。在30 mm/h雨強下，坡面產流率、產沙率、總產流量和總產沙量隨塊石出露度的增大先增后減，且拐點處塊石出露度為5.4%。當雨強增大至60，90 mm/h時，雨滴能量增大，徑流剪切力極大的增強，即使坡面塊石出露度達13.1%時，坡面徑流仍能克服巖石阻力做功，攜帶大量的泥沙流出小區。據試驗現場觀察發現，在大雨強條件下，13.1%塊石出露度坡面細溝發育程度較高，入滲量減少，坡面產流量和產沙量值較大。但當塊石出露度達到42.9%時，在各個雨強條件下，產流率、產沙率、總產流量和總產沙量都大幅減小。這是由于當塊石出露度較小時，坡面微地貌較為完整，此時地表徑流所受到的阻力較小，且坡面可供侵蝕的面積大，然而當塊石出露度增加到42.9%時，坡面大量的塊石出露使得地表微地形破碎程度高，極大地分散了徑流的能量，促進泥沙的沉積。同時土石軟硬界面大大增加，促進入滲，減少地表徑流。由于塊石出露程度高，坡面可供侵蝕的面積小，此時出露塊石對土壤的保護作用遠超過徑流對土壤的沖刷作用，因而在一定程度上也限制了坡面的產沙量[22]。

2.2 坡面微地形特征

2.2.1 全坡面微地形變化特征 地表粗糙度能夠反映坡面微地形起伏狀況，坑洼蓄積量的產生是由于坡面地表有起伏，坑洼處具有一定的蓄水能力，因此坑洼蓄積量與地表粗糙度關系密切。降雨前后地表粗糙度和坑洼蓄積量的變化是降雨以及坡面徑流泥沙搬運的結果，可有效表征坡面侵蝕形態的變化特征。坡面地表粗糙度和坑洼蓄積量變化情況見圖2，地表粗糙度隨塊石出露度的增大而增大。經歷30，60，90 mm/h降雨后，隨塊石出露度的增大，坡面地表粗糙度較降雨前的變幅分別為-0.01%～4.55%，1.53%～8.46%，3.97%～16.55%，3.89%～15.68%。坑洼蓄積量變化趨勢與地表粗糙度相似，但變化幅度大于地表粗糙度。在30，60，90 mm/h雨強下，坑洼蓄積量在裸土坡面為17.77～52.63 L，較降雨前增加20.67～63.18倍；在5.4%塊石出露度坡面為27.47～55.24 L，較降雨前增加14.88～30.93倍；在13.1%塊石出露度坡面為37.38～62.21 L，較降雨前增加10.50～18.14倍；在42.9%塊石出露度坡面為49.86～70.89 L，較降雨前增加了7.67～11.32倍。

圖2 全坡面地表粗糙度和坑洼蓄積量變化特征

由于小雨強(30 mm/h)條件下雨滴動能小，對坡面的打擊力度小，坡面上方出現鱗片狀小坑，坡面形成的薄層水流搬運能力弱，細溝發育不明顯。當雨強增大至60 mm/h及以上時，雨滴對坡面的打擊能力增強，徑流能量增大，坡面細溝發育程度提高，細溝的下切和橫向作用增強，坡面地形起伏度增大，地表蓄水能力增強，因此地表粗糙度和坑洼蓄積量相對于降雨前的增幅隨雨強的增大而增大。相同降雨條件下，裸土坡面粗糙度增幅小于有塊石出露的坡面，這可能是由于裸土坡面徑流較為分散，侵蝕動力弱，而在有塊石出露的坡面，塊石的攔截作用使得徑流比較集中，徑流能量大，搬運能力強，因此整個坡面地表粗糙度較降雨前的變幅比裸土坡面稍大。坡面塊石出露使得地表微地形破碎程度提高，土壤與塊石相間分布，微地形起伏度較大。降雨前坡面坑洼蓄積量隨塊石出露度的增大分別為0.82，1.73，3.25，5.75 L，塊石出露坡面坑洼蓄積量分別為裸土坡面的2.11，3.96，7.01倍。降雨過程中塊石對徑流的聚集作用使得塊石間形成臨時的局部洼地，可儲蓄一定的水量，因此相同雨強下，坑洼蓄積量隨坡面塊石出露度的增大而增大，但與降雨前相比，其增幅隨塊石出露度的增大而減小。

2.2.2 不同坡位微地形及其變化特征 圖3表示不同坡位地表粗糙度和坑洼蓄積量的變化。由圖3可以看出，裸土坡面地表粗糙度沿坡上到坡下逐漸增大，不同坡位地表粗糙度較降雨前的變化有所差異。坡上、坡中、坡下地表粗糙度較降雨前的變幅，在30 mm/h雨強下分別為-2.72%，0.93%，0.91%，在60 mm/h雨強下分別為-0.90%，3.70%，4.54%，在90 mm/h雨強下分別為0.91%，5.56%，9.09%。對于有塊石出露的坡面來說，由于出露塊石隨機分散布設，使得地表粗糙度沿坡面的變化受塊石出露的主導作用較強，結合圖1可以看出，不同坡位地表粗糙度與該坡位塊石出露情況密切相關。總體上塊石出露坡面不同坡位地表粗糙度較降雨前的變幅大于裸土坡面。如塊石出露度5.4%坡面的坡上、坡中、坡下地表粗糙度較降雨前的變幅在30 mm/h雨強下分別為4.31%，3.28%，3.20%，在60 mm/h雨強下依次為14.66%，5.74%，1.60%，在90 mm/h雨強下依次為12.07%，9.83%，12.00%。不同塊石出露度坡面地表粗糙度沿坡面的變化與主要與該坡面塊石分布情況有關。塊石出露度13.1%坡面的坡上、坡中、坡下地表粗糙度較降雨前的變幅在30 mm/h雨強下分別為9.87%，4.80%，0.63%，在60 mm/h雨強下依次為12.50%，8.00%，1.25%，在90 mm/h雨強依次為15.13%，14.40%，8.17%。相比于5.4%塊石出露度坡面，總體上13.1%塊石出露度坡面在相同雨強下地表粗糙度變幅在坡上和坡中部較大，在坡下部較小。這是由于塊石出露度13.1%坡面的坡下方塊石出露高度和面積大，對于上方來水來沙的攔截作用強，促進泥沙在坡下方的沉積，因此地表粗糙度變幅較小。

當降雨發生后，坡面上部位于坡面的集水區，主要是發生雨滴擊濺侵蝕，土壤團聚體被破壞，地表夯實，地面的光滑程度有所提高；在雨滴打擊和徑流沖刷的共同作用下，坡中侵蝕強度增大，微地形起伏程度較降雨前有所增大；坡下部位的匯水面積大，徑流剪切力大，徑流量和流速遠大于坡面上部，坡面細溝優先在坡面下部形成，并隨降雨過程的進行不斷向坡上部延伸[23]。細溝的形成，增大地表粗糙度，同時部分較大的土塊在坡下部沉積也會增大地形起伏度，因此裸土坡面地表粗糙度沿坡上到坡下呈逐漸增大的趨勢。相比于裸土坡面，塊石出露度13.1%的坡面坡上部的基巖出露度較高，在降雨過程中使坡面產流時間提前，產流位置上移，因此坡上部的地表粗糙度變幅較裸土坡面大。坡面坑洼蓄積量與地表粗糙度密切相關，地表起伏程度增大，坡面蓄水能力增強，相同降雨條件下，各塊石出露度坡面坑洼蓄積量總體上也表現為由坡上到坡下逐漸增大。從圖3中可發現一個特殊情況，即塊石出露度13.1%的坡面在60 mm/h和90 mm/h雨強下，坡中的坑洼蓄積量大于坡下。據現場觀察主要是坡中部橫向分布的塊石對于徑流的攔蓄作用使徑流的運移路徑集中分布于塊石兩側，由于集中徑流的能量大，在巖石兩側的下方形成較大的侵蝕穴，從而使得坡中的坑洼蓄積量大于坡下。

圖3 不同坡位地表粗糙度和坑洼蓄積量變化特征

2.3 微地形變化與產流產沙的關系

由前面的分析可知，坑洼蓄積量可在一定程度上反映坡面的侵蝕結果。通過相關分析得到坑洼蓄積量與坡面產流率、產沙率顯著相關(R2>0.90，p<0.05)，因此可將各塊石出露度坡面次降雨后坡面坑洼蓄積量與產流率、產沙率進行回歸擬合，分析微地形與產流產沙間的關系。將4個坡面數據全部參與擬合時，與坑洼蓄積量擬合關系很差，方程不顯著，這是由于當塊石出露度增大到42.9%時，坡面微地形極為破碎，產流率和產沙率的變化都出現拐點，侵蝕規律與低石漠化坡面不同。當剔除塊石出露度42.9%坡面數據后，將各次降雨結束后坡面坑洼蓄積量與產流率、產沙率進行回歸分析，擬合結果良好，結果見圖4。坑洼蓄積量和產流率、產沙率呈線性關系，坑洼蓄積量與產流率的關系式為y=1.47x-26.70(R2=0.81)；坑洼蓄積量與產沙率的關系式為y=0.17x-3.29(R2=0.80)。徑流作為坡面侵蝕的動力和泥沙運移的載體，對坡面微地形的演化具有重要影響。當坡面產流后，徑流運移過程中會攜帶泥沙流出小區，從而增大坡面的地形起伏度。尤其在大雨強下，雨滴的打擊密度和徑流強度增大，坡面的土塊更易被擊散和搬運，坡面細溝發育程度提高，產流率和產沙率增大，坡面坑洼處的面積增大，地表蓄水能力增強。由此可以看出，坑洼蓄積量可作為坡面侵蝕結果預測的一個重要參數。

圖4 坑洼蓄積量與產流率、產沙率的關系

根據熊康寧[24]、蔣忠誠[25]等以裸巖率劃分石漠化強度等級標準的結果，認為裸巖率至少達30%時坡面才算發生輕度石漠化。本研究中塊石出露度為42.9%時坡面坑洼蓄積量和產流率、產沙率的關系不好，可能是因為喀斯特石漠化坡面地形高度破碎，土層不連續，坡面的產流產沙過程較為復雜，因此無石漠化或潛在石漠化坡面所得結果在石漠化程度較高的坡面并不適用。由于條件限制，在本次試驗中設置的4個塊石出露度均小于50%，未達到嚴重石漠化程度，在今后的試驗中，應考慮增設更高的塊石出露度坡面以深入探討喀斯特石漠化坡面土壤侵蝕機理。

3 結 論

(1) 塊石出露在小雨強下可促進產流，明顯縮短產流時間，但在大雨強下對坡面產流時間的影響不明顯。相同降雨條件下坡面產流率和產沙率隨塊石出露度的增大先增后減，最大值處塊石出露度在30 mm/h雨強下為5.4%～13.1%，在60 mm/h和90 mm/h雨強下為13.1%～42.9%。

(2) 裸土坡面地表粗糙度和坑洼蓄積量由坡上到坡下逐漸增大，塊石出露坡面地表粗糙度沿坡面的變化與塊石的出露分布情況有關。總體上，塊石出露坡面不同坡位地表粗糙度較雨前變幅大于裸土坡面，坑洼蓄積量整體沿坡上到坡下逐漸增大。同一雨強下，塊石出露坡面地表粗糙度較雨前的變幅大于裸土坡面，坑洼蓄積量較雨前增大的倍數隨塊石出露度的增大而減小。

(3) 當坡面塊石出露度小于42.9%時，坑洼體積變化與坡面產流率和產沙率有良好的線性關系，可以通過測定坑洼體積來估算坡面侵蝕量。這一結果對特大暴雨過程中常規方法出現漏測時的數據補救提供了理論支撐。