黄土丘陵沟壑区沟道流域的基本侵蚀地貌形态

黄土丘陵沟壑区沟道流域的基本侵蚀地貌形态

2008年10月6(5):21226中国水土保持科学ScienceofSoilandWaterConservation

Vol.6　No.5Oct.2008

基于GIS的次降雨分布式土壤侵蚀模型构建

———以晋西王家沟流域为例

刘前进1,蔡强国2,方海燕2

(1.临沂师范学院,276005,山东临沂;2.中国科学院地理科学与资源研究所,100101,北京)

摘要　利用野外试验小区观测与人工模拟降雨资料,在定量分析羊道沟小流域坡面—础上,建立了羊道沟小流域侵蚀产沙模型。借助GIS技术,40、40个沟坡地及它们组成的40个子流域和一个输水输沙通道。、耕作措施和土壤6,模型相应参数的修正系数,,。利用王家沟流域1963—1968年22,结果较为理想,预测精度达到55%。关键词　土壤侵蚀;erosionmodelforsinglestormsbasedonGIS:

AcasestudyintheWangjiagouCatchmentinWesternShanxiProvince

LiuQianjin1,CaiQiangguo2,FangHaiyan2

(1.LinyiNormalUniversity,276005,Linyi,Shandong;

2.InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofScience,100101,Beijing:China)

Abstract　AccordingtofieldobservationsandsimulatedrainfalldatainYangdaogouCatchment,therelationshipbetweentherunoffandsedimentyieldonthehillslopeandgullywasanalyzed,andthentheYangdaogousoilerosionmodelwasestablished.WithGIS,40hillslopes,40gullies,and40sub2geomorphicunitswereobtainedthoughpidingWangjiagouCatchment.Aftercomparisonthesixmainfactorsthatinfluencingsoilerosion,includingrainfall,relief,vegetationcoverage,tillage

measures,controlmeasures,andsoilinthecontextofspatialscale,inYangdaogouCatchmentandothersubcatchmentsofWangjiagou,http://www.77cn.com.cnbinedwiththesedimentdeliveryratioofthemaingullyofWangjiagou,adistributedsoilerosionmodelforsinglestormsbasedonGISwasestablished.Themodelwasvalidatedbythe22naturalrainfalldatafrom1963to1968intheWangjiagouCatchment,thepredictionprecisionofthemodelisreached55%.

Keywords　soilerosion;distributedmodel;GIS;Wangjiagou

　　黄土丘陵沟壑区沟道流域的基本侵蚀地貌形态

是以沟缘线为界,将流域系统划分为沟间地(坡面)和沟谷地(沟道)2部分。通过对黄土丘陵沟壑区不同小流域地貌和坡沟形态的定性与定量对比分析,可揭示其相似与差异的状况,为土壤侵蚀模型实验的原形分类提供参考依据[1]。承继诚[2]、陈永宗

等[3]的研究表明,坡面和沟道汇水面积与流域地表

的切割程度、沟谷密度具有密切关系。根据黄土丘陵沟壑区侵蚀产沙的垂直分带性,蔡强国等[4]在晋西羊道沟小流域建立了黄土丘陵区典型小流域侵蚀产沙过程模型,模型采用坡面、沟坡和沟道的模型结构,详细模拟了小流域侵蚀产沙过程,涉及到细沟侵

收稿日期:2007209213　修回日期:2008206223

(4063507)项目名称:国家自然科学基金“黄土区多尺度小流域土壤侵蚀动态过程模拟研究”

),男,硕士,副教授。主要研究方向:水土流失和GIS应用。E2mail:liuqj-79@http://www.77cn.com.cn第一作者简介:刘前进(1979—

黄土丘陵沟壑区沟道流域的基本侵蚀地貌形态

　22

中国水土保持科学2008年

蚀、表土结皮的抗蚀性、重力侵蚀和洞穴侵蚀等众多因素。唐政洪等[5]在黄土丘陵沟壑区侵蚀产沙过程模型原有的建模结构基础上,通过对过程模型中的坡面子模型进行简化,在GIS的支持下,建立了基于地块、次降雨、水沙运移的小流域侵蚀产沙模型。通过在小尺度流域应用表明,上述2个模型均具有较好模拟效果。由于土壤侵蚀过程的复杂性和人类认识的局限性,通过有限的定点观测、试验和模拟,难以掌握土壤侵蚀过程在不同地区的分布特征及其内在规律。作为一种可以将局部研究结果推广到更大区域上的重要方法和手段,尺度转换成为全面掌握区域土壤侵蚀状况的重要途径[6]。分析不同尺度上土壤侵蚀机制特征、影响因子和建模思路,,的建立和应用提供借鉴[7],自然时空过程,,是未来模型发展的方向[8210]。笔者拟在上述研究成果基础上,研究如何将在小流域建立的模型推广应用到较高一级流域。

土壤侵蚀模型———羊道沟小流域土壤侵蚀模型;用GIS技术,将王家沟流域划分为多个子流域,分析每

个子流域主要侵蚀产沙影响因子与羊道沟流域各因子的关系,对羊道沟小流域土壤侵蚀模型影响因子进行修正,计算得到每个子流域的土壤侵蚀状况;结合泥沙输移得到整个流域的侵蚀产沙量。

3　因子分析和模型建立

面、沟坡3,模沟坡侵蚀子模型和沟。3111　降雨因子　李长兴等[12]利用黄土地区雨量站网密集、控制条件较好的小流域资料,统计分析表明岔巴沟流域降雨的平均相关域为5～7km。王万忠等[13]通过研究南小河沟、文安驿川和砚瓦川3个流域得到在017的相关水平下,黄土高原次降雨的相关域为10km。王家沟流域主沟道长416km,因此,可以认为王家沟流域降雨的分布是均匀的。蔡强国等[4]的研究表明,时段降雨强度(It,最大分钟降雨强度,t取值为10、30和60min)与降雨总动能(E)或降雨量(P)的乘积与径流深(Q)和悬移质输沙模数(S)具有较好的拟合关系。利用王家沟流域1959—1970年间98次降雨数据分析表明,王家沟流域的降雨侵蚀力指标EI10与Q、S的相关性最好(表1),因此,选取EI10作为降雨侵蚀力指标;但鉴于有

1　研究区概况

王家沟流域地处山西省吕梁地区,是黄河一级

支流三川河的一条支沟,由东向西汇入三川河支流北川河,流域面积911km2,最高点海拔1355m,最低点1005m,总落差350m。主沟道长416km,平均纵比降716%。地面平均坡度30°,沟坡比例11724。王家沟小流域的地貌特征和侵蚀特点,在黄土丘陵沟壑区具有较强的代表性。

羊道沟小流域是王家沟流域上游左侧的一条支沟,未经治理,地形、地貌与土地利用均保持着自然的状态,流域面积01206km2,流域平均坡度31°,主沟长75315m,平均比降1217%,沟道下游较平坦,比降213%;中上游窄狭坡陡,比降2815%,沟坡比例01988,是侵蚀最为严重的地带,坡面侵蚀以细沟和浅沟侵蚀为主;在黄土质沟坡以冲沟、陷穴、滑塌、崩塌为主,红土沟坡除水力冲蚀外,另有风化泻溜侵蚀。

时降雨资料缺乏,且降雨动能的测量方法复杂,可以采用PI10对应公式进行估算。

表1　王家沟流域径流深、悬移质输沙模数与

降雨因子之间关系

Tab.1　Relationshipsbetweenrunoffandsedimentyield

andrainfallfactorforWangjiagouCatchment方程

Q=010068(EI)016989Q=010091(EI10)016336Q=010049(EI30)016506Q=010062(EI60)015869S=018405(EI)017371S=011279(EI10)019896S=010696(EI30)019683S=011438(EI60)018282

R

方程R

0.4171Q=011114(PI)0150080.5893Q=010050(PI10)0168090.5767Q=010294(PI30)0168070.5438Q=010356(PI60)0158760.2762S=261456(PI)0139220.

5780S=214125(PI10)0199210.5390S=114522(PI30)0193490.4818S=21399(PI60)017591

0.34230.60260.58120.53590.16820.55130.50120.4347

2　研究方法

构建在尺度转换中能很好利用小流域观测资

料、所涉及参数能在较大尺度流域容易获取的小流域概念模型[11];利用实验观测数据对模型参数进行量化,建立具有一定物理基础和过程的典型子流域