黃土丘陵溝壑區(qū)淺溝發(fā)育動(dòng)態(tài)監(jiān)測與形態(tài)定量研究

徐錫蒙 鄭粉莉 覃 超 韓 勇

(1.黃河水利科學(xué)研究院水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450003；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

淺溝侵蝕是我國黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地的主要侵蝕類型，淺溝侵蝕帶是坡面主要侵蝕產(chǎn)沙帶[1-2]，淺溝分布面積占溝間地面積的35%左右，淺溝侵蝕量占溝間地侵蝕量的35%～70%[3-5]。因此，量化淺溝發(fā)育過程將為坡面侵蝕防治提供重要的理論支持。數(shù)十年來，淺溝侵蝕研究大多集中于淺溝侵蝕的野外調(diào)查[6-8]、淺溝發(fā)生的地形臨界[9-13]、基于模擬降雨試驗(yàn)和模擬徑流試驗(yàn)分析淺溝侵蝕的影響因素[14-17]、淺溝水流的水力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)特征等[18-19]。由于缺乏野外淺溝侵蝕長期定位監(jiān)測資料，再加上受研究技術(shù)手段的限制，淺溝形態(tài)及其動(dòng)態(tài)發(fā)育過程研究相對薄弱。

在淺溝侵蝕及形態(tài)參數(shù)測量方法方面，傳統(tǒng)方法主要有填土法[20]、測尺法[21-22]和測針板法[23-24]等。填土法測量精度高，但時(shí)間和工作成本較高；測尺法能夠獲取淺溝長、寬和深的數(shù)值特征，但不能獲取淺溝集水區(qū)全貌的基本侵蝕地形特征，也不能很好展示淺溝斷面形態(tài)；測針板法兼具精確性和方便、廉價(jià)，但仍然無法細(xì)致刻畫整個(gè)淺溝集水區(qū)以及淺溝溝槽形態(tài)。隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，高精度差分GPS[25]、三維激光掃描技術(shù)[26-28]和立體攝影測量技術(shù)[29]等為淺溝形態(tài)的精細(xì)化定量研究提供了契機(jī)。CHENG等[25]在黃土高原利用RTK GPS對49條淺溝形態(tài)進(jìn)行了定量研究，探究了淺溝的空間分布規(guī)律，定量研究了上方匯水面積和坡度等基本地形特征之間的關(guān)系，但未涉及淺溝橫斷面的發(fā)展以及淺溝溝槽形態(tài)研究；WU等[27]利用三維激光掃描技術(shù)在野外條件下對較大尺度上發(fā)育活躍期的切溝進(jìn)行了測量，為精確測量較大尺度的淺溝集水區(qū)的形態(tài)特征提供了方法支持；WELLS等[29]分別在室內(nèi)和室外建立了用攝影測量監(jiān)測小尺度內(nèi)淺溝溝槽形態(tài)特征的方法。

本文基于測尺法對野外淺溝發(fā)育過程進(jìn)行長歷時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，并結(jié)合三維激光掃描和立體攝影測量技術(shù)，定量刻畫野外天然降雨條件下自然坡面淺溝形態(tài)特征，以期為坡面淺溝侵蝕防治提供重要科學(xué)依據(jù)，并為包含淺溝侵蝕的坡面侵蝕預(yù)報(bào)模型建立提供理論支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

1.1 野外觀測站概況

野外觀測站位于陜西省延安市橋北林業(yè)局富縣任家臺(tái)林場(109°09′E，36°05′N)所轄的北洛河三級(jí)支流—瓦窯溝小流域[30-31]。觀測站所屬的地貌類型屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，海拔為920～1 683 m，相對高度差100～150 m，溝谷密度4.5 km/km2。觀測站年均氣溫為9℃，年均降水量576.7 mm，多集中在7、8、9月，占全年降水的60%以上，日最大降水量130 mm。根據(jù)中國土壤分類，觀測站的土壤類型為灰色黃土正常新成土[32]，其中沙粒占6.7%，粉粒占71.7%，粘粒占21.2%。

1.2 野外試驗(yàn)布設(shè)

在野外觀測站共布設(shè)了不同面積、不同上方匯水和不同坡度條件下的3條淺溝集水區(qū)的侵蝕觀測場(表1)。1989年，為研究植被破壞等人類活動(dòng)對加速侵蝕過程的影響，進(jìn)行了野外淺溝侵蝕發(fā)育過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，在試驗(yàn)觀測站對林地進(jìn)行開墾，并建立淺溝集水區(qū)徑流和侵蝕觀測場[33]。在1989—2015年整個(gè)觀測期間，每年雨季(4月)前根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)整地方式對地表進(jìn)行橫向犁耕，犁耕深度為20 cm，然后在每年整個(gè)觀測期間(4—10月)保持地表為裸露休閑，且通過人工除草保證地表植被覆蓋小于5%，剔除植被對土壤侵蝕的影響。3條淺溝集水區(qū)徑流觀測場經(jīng)過10多年侵蝕和犁耕活動(dòng)后，土壤侵蝕嚴(yán)重，年均侵蝕模數(shù)達(dá)8 000～12 000 t/km2，導(dǎo)致土壤基本性質(zhì)與當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕地類同[30,34]，并形成了耕層和明顯犁底層共同存在的土層結(jié)構(gòu)。3條淺溝集水區(qū)的基本地形參數(shù)特征見表1。

表1 野外3條淺溝集水區(qū)的基本參數(shù)特征Tab.1 Topographic characteristics of three ephemeral gully catchments in field

1.3 淺溝形態(tài)測量方法

1.3.1基于測尺法的長期定位監(jiān)測

由于林地開墾初期尚未形成明顯的犁底層，所以未選取林地開墾后1989—2002年期間的野外觀測資料，而是選取形成明顯犁底層后2003—2015年期間的13年觀測資料。每年雨季結(jié)束后(10月底)用測尺法沿著淺溝溝長每隔1 m測量當(dāng)年淺溝溝槽的寬度和深度，用于分析淺溝發(fā)育的年際動(dòng)態(tài)變化。

1.3.2基于三維激光掃描技術(shù)的淺溝發(fā)育動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測

圖2 各淺溝集水區(qū)照片與三維激光掃描監(jiān)測Fig.2 Photos of each ephemeral gully catchment and LiDAR monitor

圖1 5個(gè)測站位置示意圖(EGC2)Fig.1 Sketch of five monitoring stations(EGC2)

在淺溝集水區(qū)，從坡頂分水嶺到溝緣線的土壤侵蝕具有明顯的垂直分帶性(片蝕為主的侵蝕帶、細(xì)溝侵蝕為主的侵蝕帶、淺溝侵蝕為主的侵蝕帶)，且不同侵蝕帶的坡度有明顯差異(表1)，在某一個(gè)固定的測站掃描無法獲得淺溝集水區(qū)的全貌。因此，在利用三維激光掃描技術(shù)對淺溝集水區(qū)進(jìn)行掃描時(shí)，需要進(jìn)行多站掃描。圖1展示了在2號(hào)淺溝集水區(qū)(EGC2)布設(shè)的5個(gè)測站位置。為了確保多個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)順利拼接，在淺溝集水區(qū)的四周設(shè)置了4個(gè)固定標(biāo)靶，其中兩個(gè)標(biāo)靶設(shè)置在細(xì)溝侵蝕帶和淺溝侵蝕帶的交界線上，另外兩個(gè)標(biāo)靶設(shè)置在淺溝侵蝕帶中部，以保證在掃描的每一站均能掃描到至少3個(gè)標(biāo)靶并確保拼接順利進(jìn)行。在設(shè)置好固定標(biāo)靶后，2013—2015年用三維激光掃描儀對3個(gè)淺溝集水區(qū)進(jìn)行連續(xù)定位監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間分別在春季犁耕后的4月下旬和雨季后的10月下旬，具體監(jiān)測時(shí)間為2013年11月—2015年11月。利用三維激光掃描技術(shù)測量淺溝集水區(qū)形態(tài)時(shí)，所選取的掃描密度為1 cm，每次監(jiān)測結(jié)束后，將三維激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用儀器自帶的Cyclone 6.0軟件進(jìn)行拼接、降噪等處理并生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN MESH)(圖2)，隨后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)以.txt的形式導(dǎo)入ArcGIS 10.4(ESRI Inc., Redlands, CA, 美國)軟件，生成1 cm分辨率的DEM后對淺溝形態(tài)進(jìn)行分析。

1.3.3基于立體攝影測量技術(shù)的淺溝溝槽形態(tài)監(jiān)測

攝影測量在每次三維激光掃描測量后進(jìn)行。首先分離出三維激光掃描存在的溝壁遮擋部位，然后根據(jù)其分布沿淺溝溝槽選取3～5段淺溝溝槽進(jìn)行測量，每段溝槽長度為1～2 m，以保證圖像可以包含選取溝槽的全部信息。在利用立體攝影測量技術(shù)監(jiān)測淺溝溝槽時(shí)，首先，在監(jiān)測點(diǎn)周圍布設(shè)10個(gè)黑白標(biāo)靶，并保證任意5個(gè)標(biāo)靶不在同一條直線上，在所有圖像拍攝過程中保持標(biāo)靶不移動(dòng)，用于拼接不同角度的圖像(圖3)。隨后，將具有手動(dòng)對焦功能的數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS 5D Mark Ⅱ)進(jìn)行設(shè)置，分辨率為相機(jī)的最大分辨率，調(diào)整相機(jī)模式為M手動(dòng)模式、光圈f/2.8、ISO感光度250和快門速度1/20 s，隨后自動(dòng)對焦至拍攝物體清晰可見，然后將對焦模式改為手動(dòng)對焦，并確保在每次監(jiān)測過程中相機(jī)焦距不發(fā)生變化，且任意兩幅圖像的重疊率大于90%[35]，最后圍繞拍攝物體即淺溝溝槽拍攝約10幅圖像。野外測量結(jié)束后，將圖像導(dǎo)入Agisoft Photoscan Professional 1.2.4軟件(Agisoft LLC, St. Petersburg, 俄羅斯)中，對圖像進(jìn)行校正和拼接，生成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，隨后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.4中進(jìn)行空間校正，生成TIN并得到DEM[35-36]，其分辨率為1 cm。最后建立淺溝溝槽跌坎鏈的三維模型(圖3)，并測量淺溝溝槽內(nèi)跌坎鏈的形態(tài)特征。

圖3 淺溝溝槽立體攝影測量監(jiān)測Fig.3 Ephemeral gully channel monitoring by photogrammetry

2 結(jié)果與分析

2.1 基于測尺法長期定位監(jiān)測的淺溝形態(tài)特征

由于2003年以后在淺溝集水區(qū)內(nèi)形成了明顯的耕層和犁底層土體構(gòu)型，所以基于2003—2015年觀測期間每年雨季結(jié)束后利用測尺法對淺溝溝槽長寬深的監(jiān)測結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析了2003—2015年13年的淺溝溝槽長寬深的動(dòng)態(tài)變化，定量描述淺溝發(fā)育特征(表2)。

表2 2003—2015年淺溝溝槽長寬深的統(tǒng)計(jì)特征Tab.2 Statistical characteristics of ephemeral gully channel morphology during 2003—2015

對比表2中淺溝溝槽長寬深的平均值可知，上方匯水面積對淺溝發(fā)育有重要影響。EGC3和EGC1的上方匯水面積分別為188 m2和362 m2，EGC2的上方匯水面積為488 m2，后者分別是前二者的2.60、1.34倍；對應(yīng)的EGC3和EGC1的淺溝長度分別為22.8～29.5 m和40.5～51.2 m，而EGC2的淺溝長度為58.6～65.7 m，其分別是EGC3和EGC1淺溝長度的1.73～2.57倍和1.28～1.45倍；EGC3和EGC1的淺溝溝槽平均寬度分別為18.0～28.8 cm和27.1～41.9 cm，而EGC2的淺溝溝槽平均寬度為31.5～55.9 cm，其分別是前二者的1.75～1.94倍和1.16～1.33倍；EGC3和EGC1淺溝平均深度分別為8.5～13.1 cm和10.8～19.5 cm，而EGC2的淺溝平均深度為12.5～24.4 cm，其分別是前二者的1.47～1.86倍和1.15～1.25倍。

研究還發(fā)現(xiàn)，與EGC3相比，當(dāng)EGC1和EGC2的上方匯水面積分別增加34.8%和159.6%時(shí)，淺溝長度分別增加39.6%和138.8%，溝槽平均寬度分別增加19.7%和75.3%，溝槽平均深度分別增加32.4%和71.4%，說明了上方匯水面積對淺溝發(fā)育的重要影響。

淺溝長度和溝槽橫斷面面積是淺溝形態(tài)特征的重要指標(biāo)，也是表征淺溝侵蝕量的重要參數(shù)?；?003—2015年淺溝長度和溝槽橫斷面面積動(dòng)態(tài)變化的分析，進(jìn)一步討論淺溝發(fā)育的動(dòng)態(tài)變化。表3表明，與2003年相比，2015年EGC1、EGC2、EGC3的淺溝長度分別增加了26.4%、12.1%、29.4%，增加速率分別為0.82、0.55、0.52 m/a。淺溝溝槽橫斷面平均面積也呈逐年增加趨勢，與2003年相比，2015年EGC1、EGC2、EGC3的淺溝溝槽橫斷面平均面積分別增加了22.5%、65.1%、45.9%，增加速率分別為5.0、15.8、4.1 cm2/a。表3還表明，淺溝溝槽橫斷面平均面積的動(dòng)態(tài)變化也受上方匯水面積的影響。EGC2的淺溝溝槽橫斷面平均面積為288.9～618.7 cm2，而EGC1和EGC3的淺溝溝槽橫斷面面積分別為159.6～435.6 cm2和102.3～256.4 cm2，前者分別較后二者增加42.0%～81.0%和141.3%～182.4%。

表3 2003—2015年淺溝溝槽形態(tài)特征變化Tab.3 Ephemeral gully channel morphology changes during 2003—2015

圖4 3條淺溝集水區(qū)的淺溝形態(tài)對比(2013—2015)Fig.4 Morphology comparison of three ephemeral gully catchments (2013—2015)

表3還展現(xiàn)了極端降雨事件對淺溝發(fā)育過程的影響。如2013年3條淺溝集水區(qū)的溝槽橫斷面面積均為最大，這是因?yàn)楫?dāng)年7月21日發(fā)生了特大暴雨，其降雨量達(dá)到131.0 mm，最大30 min雨強(qiáng)(I30)達(dá)到1.50 mm/min[37]。對比各年的淺溝長度和溝槽橫斷面面積，發(fā)現(xiàn)淺溝長度和溝槽橫斷面面積總體皆呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢，這說明雖然每年的橫向犁耕可覆蓋淺溝溝槽痕跡，但往復(fù)的溝槽侵蝕和橫向犁耕循環(huán)依然促進(jìn)了淺溝的發(fā)育。

2.2 基于三維激光掃描的2013—2015年淺溝形態(tài)特征動(dòng)態(tài)變化

圖4為2013—2015年3條淺溝集水區(qū)淺溝發(fā)育的動(dòng)態(tài)變化過程。每年雨季后，淺溝溝槽加寬和加深，兩側(cè)坡面上發(fā)育了細(xì)溝網(wǎng)向淺溝溝槽匯流，而每年春季的橫向犁耕則覆蓋了淺溝溝槽，僅留下了淺洼地形(2014年4月和2015年4月)，并消除了淺溝溝槽兩側(cè)的細(xì)溝網(wǎng)；隨后其在下一輪雨季過程中受集中水流沖刷，又在相同位置重新開始了淺溝發(fā)育過程(2014年8月和2015年9月)。

CAPRA等[8]在意大利西西里島中部利用鋼尺監(jiān)測了3條典型淺溝形態(tài)18年的動(dòng)態(tài)變化，展示了淺溝寬度和深度不斷增加并緩慢向切溝演變的過程，但由于測量精度受限，每條橫斷面上只測量了4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，無法反映淺溝的真實(shí)形態(tài)。本文為了探究淺溝溝槽斷面在連續(xù)的侵蝕和犁耕循環(huán)中的形態(tài)變化，在EGC1坡長40、60 m處動(dòng)態(tài)監(jiān)測了2013—2015年的溝槽橫斷面隨侵蝕和耕作循環(huán)的變化(圖5)。

圖6 淺溝溝槽寬度和深度隨坡長的變化Fig.6 Changes of ephemeral gully width and depth with slope length

圖5 坡長40、60 m處橫斷面形態(tài)變化Fig.5 Cross section morphology changes at 40 m and 60 m slope length

圖5表明，經(jīng)過2013年雨季侵蝕過程后，當(dāng)年11月坡長40 m處淺溝溝槽寬度和深度分別為41、18 cm，坡長60 m處淺溝溝槽的寬度和深度分別為45、20 cm；2014年4月橫向犁耕后，淺溝溝槽被填平，僅留下了淺洼地，且由于淺溝溝槽兩側(cè)土壤在橫向犁耕過程中被帶入溝槽部位，溝槽兩側(cè)坡面的高度平均下降了2 cm。經(jīng)過2014年的雨季侵蝕過程后，淺溝溝槽在相同位置再次出現(xiàn)，2014年8月坡長40 m處溝槽寬度和深度分別為32、16 cm，坡長60 m處淺溝溝槽的寬度和深度分別為37、18 cm；在2015年4月橫向犁耕后，淺溝溝槽再次被橫向犁耕過程中溝槽兩側(cè)的土壤所填平，溝槽兩側(cè)坡面高度則相應(yīng)的再次平均下降了2 cm。2015年雨季后，坡長40 m處淺溝溝槽寬度和深度分別為27、12 cm，坡長60 m處淺溝溝槽寬度和深度分別為37、15 cm。與坡長40 m處淺溝溝槽寬度和深度相比，坡長60 m處淺溝溝槽的寬度和深度相比均較大，這說明淺溝溝槽的寬度和深度隨坡長的變化而變化。

表2僅統(tǒng)計(jì)了淺溝寬度和深度13年平均值的變化，而淺溝溝槽寬度和深度隨坡長的變化尚不清楚。為此，本文基于2013—2015年三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了2013—2015年淺溝形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程。首先將三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS平臺(tái)，獲得了2013年和2015年雨季結(jié)束后EGC1和EGC2淺溝溝槽寬度和深度隨坡長的變化數(shù)據(jù)(圖6)。由圖6a、6b可知，淺溝溝槽寬度隨坡長的增加呈先增大后減小的趨勢，其最大值出現(xiàn)在距坡底15～22 m處，而最小值出現(xiàn)在坡面溝頭位置處。對于EGC1和EGC2兩條淺溝集水區(qū)，2015年二者的淺溝長度均較2013年增加了1～3 m。而對于同一條淺溝溝槽，2013年和2015年的淺溝溝槽寬度差別較小。無論在2013年還是2015年，EGC2淺溝溝槽的寬度均大于EGC1淺溝溝槽的寬度，說明上方匯水面積的增加使溝槽流量增大，徑流侵蝕力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致淺溝溝槽寬度的增加。

圖6c、6d表明，淺溝溝槽深度隨著坡長的增加也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，溝槽深度同樣在距坡底約20 m處達(dá)到最大值，2013年EGC2淺溝深度甚至達(dá)到了54 cm，這可能與該年內(nèi)的極端降雨事件有關(guān)。對于EGC1和EGC2兩條淺溝集水區(qū)，2013年的淺溝溝槽深度明顯大于2015年的淺溝溝槽深度，這說明在野外自然條件下，降雨和地表匯流主要通過增加淺溝深度增加淺溝侵蝕量。因此，在進(jìn)行淺溝測量及根據(jù)淺溝形態(tài)估算淺溝侵蝕量時(shí)，需要精確測量淺溝溝槽深度的變化，提高估算精度。另外，淺溝上方匯水面積的差異，也是導(dǎo)致淺溝溝槽深度增加的原因。如EGC2的上方匯水面積大于EGC1的上方匯水面積，所以EGC2淺溝溝槽深度均大于EGC1淺溝溝槽深度。

2.3 基于攝影測量技術(shù)的淺溝溝槽跌坎鏈形態(tài)特征分析

淺溝溝槽是集中水流侵蝕的結(jié)果，而集中水流的能量聚集和消散過程也會(huì)在淺溝溝槽內(nèi)形成反饋。在每年降雨結(jié)束后，淺溝溝槽內(nèi)都會(huì)形成一系列相互連接的跌坎，這一系列跌坎的組合形成了淺溝溝槽的跌坎鏈?；诮⒌臏\溝溝槽跌坎鏈的三維模型(圖3)測量了跌坎間距和跌坎處的坡度，統(tǒng)計(jì)了跌坎間距和坡度的頻數(shù)分布(圖7)。

圖7 淺溝溝槽跌坎間距和坡度的頻數(shù)分布Fig.7 Frequency distribution of drop-sills distance and slope gradient in ephemeral gully channel

淺溝溝槽跌坎間距主要分布在10～35 cm之間，且70%的跌坎間距均分布在10～25 cm之間。鄭粉莉等[38]對野外自然降雨和人工模擬降雨條件下細(xì)溝發(fā)育坡面上的跌坎間距進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，野外觀測中超過70%的跌坎間距分布在40～60 cm之間，而室內(nèi)人工模擬試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)，超過80%的跌坎間距分布在30～60 cm之間。與細(xì)溝侵蝕為主坡面上的跌坎間距相比，淺溝溝槽跌坎間距相對較小，這主要與兩者的水流能量差別有關(guān)。在以細(xì)溝侵蝕為主的坡面上，細(xì)溝水流流速和侵蝕能力較小；而在淺溝溝槽跌坎處，集中水流的流速和侵蝕能力較大[16-18]，因而跌坎間距相應(yīng)減小。結(jié)果還表明，跌坎處坡度主要分布在15°～40°之間，這與前人的研究結(jié)果類似[4]。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了跌坎間距與坡度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著跌坎處坡度增大，跌坎間距呈減小趨勢(圖8)。建立了跌坎間距與坡度的關(guān)系，二者呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，R2為0.903 2。這表明當(dāng)淺溝溝槽處坡度較小時(shí)，水流勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的速度較慢，因此水流需要較長的跌坎間距匯集足夠的侵蝕能量。相反，當(dāng)淺溝溝槽處坡度較大時(shí)，淺溝溝槽的水流能匯集足夠的侵蝕能量形成下一個(gè)跌坎，導(dǎo)致跌坎間距相應(yīng)地變短。

圖8 跌坎處跌坎間距與坡度的關(guān)系Fig.8 Relationship of distance between two drop-sills and slope gradient

圖8還表明，當(dāng)坡度大于30°時(shí)，跌坎間距大致變化于13～18 cm之間，這說明形成淺溝溝槽跌坎需要一定的水流能量，而水流能量的匯集需要一定的跌坎長度。在淺溝溝槽形成的階梯狀跌坎鏈反映了水流能量的轉(zhuǎn)換和消耗過程[39]。

2.4 測尺法、三維激光掃描和攝影測量技術(shù)在淺溝形態(tài)定量研究中的作用

淺溝集水區(qū)的特殊地形條件決定了其形態(tài)特征定量研究的特殊性，傳統(tǒng)的測尺法可以測量其長寬深等基本形態(tài)特征指標(biāo)，因此被應(yīng)用在了前期的淺溝發(fā)育動(dòng)態(tài)監(jiān)測過程[34]。但測尺法的測量精度有限，不能獲取精確的沿坡長變化的淺溝溝槽寬度以及淺溝斷面形態(tài)特征等[8,22]，需要尋求現(xiàn)代先進(jìn)的測量手段監(jiān)測淺溝集水區(qū)的侵蝕形態(tài)特征的動(dòng)態(tài)變化。通過前人研究和長期的定位監(jiān)測實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描技術(shù)可以快速地獲取整個(gè)淺溝集水區(qū)的侵蝕形態(tài)特征[26-28]。但對于某些特殊部位例如淺溝溝槽跌坎鏈，由于掃描距離較遠(yuǎn)和溝壁遮擋等因素，三維激光掃描技術(shù)很難在溝槽底部獲取稠密的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并刻畫溝槽形態(tài)。而攝影測量技術(shù)可以很好地彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)[29,35-36]，其技術(shù)可通過不同角度的攝影圖像快速獲取淺溝溝槽的形態(tài)特征[40]。因此，在淺溝形態(tài)的定量研究過程中，攝影測量可以彌補(bǔ)三維激光掃描測量的不足。

3 結(jié)論

(1)在2003—2015年監(jiān)測期間內(nèi)，當(dāng)上方匯水面積分別增加34.8%和159.6%時(shí)，淺溝長度分別增加39.6%和138.8%，溝槽平均寬度分別增加19.7%和75.3%，溝槽平均深度分別增加32.4%和71.4%。與2003年相比，2015年不同匯水面積下的3條淺溝長度分別增加26.4%、12.1%、29.4%，增加速率為0.82、0.55、0.52 m/a；淺溝溝槽斷面面積分別增加22.5%、65.1%、45.9%，增加速率分別為5.0、15.8、4.1 cm2/a。

(2)三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取整個(gè)淺溝集水區(qū)的形態(tài)特征。結(jié)果表明，淺溝橫斷面隨著侵蝕和耕作循環(huán)不斷變化，雨季侵蝕后，淺溝溝槽在同一位置重復(fù)出現(xiàn)，溝槽寬度和深度在不同年間隨降雨條件而改變；而橫向犁耕則將溝槽兩側(cè)的表層土壤帶入溝槽，溝槽兩側(cè)坡面高度每年平均下降2 cm。淺溝溝槽寬度隨坡長增加呈先增大后減小的趨勢，其最大值出現(xiàn)在距坡底15～22 m處，而最小值出現(xiàn)在坡面溝頭位置處。淺溝溝槽深度隨著坡長的增大也呈先增大后減小的趨勢，溝槽深度在距坡底約20 m處達(dá)到最大值。而由于上方匯水面積的差異，上方匯水面積較大的EGC2淺溝溝槽深度均大于EGC1淺溝溝槽深度。

(3)立體攝影測量可用于快速精細(xì)監(jiān)測淺溝溝槽的跌坎特征，淺溝溝槽跌坎間距主要分布在10～35 cm之間，且70%的跌坎間距均分布在10～25 cm之間，與細(xì)溝溝槽相比，淺溝溝槽的跌坎間距明顯減小，這與淺溝溝槽內(nèi)較大的徑流能量有關(guān)。淺溝溝槽坡度主要分布在15°～40°之間，跌坎間距和坡度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，R2為0.903 2。當(dāng)坡度大于30°時(shí)，跌坎間距大致變化于13～18 cm之間，這說明形成淺溝溝槽跌坎，需要一定的水流能量，而水流能量的匯集需要一定的跌坎長度。