第四纪研究  2020, Vol.40 Issue (5): 1359-1370   PDF    
城市扩张对董志塬沟道侵蚀演化的影响
杨思齐1,2, 金钊1,3, 罗达1,2, 崔新盛4, 彭建兵4     
(1 中国科学院地球环境研究所, 黄土与第四纪地质国家重点实验室, 陕西 西安 710061;
2 中国科学院大学, 北京 100049;
3 中国科学院第四纪科学与全球变化卓越中心, 陕西 西安 710061;
4 长安大学地质工程与测绘学院, 陕西 西安 710054)
摘要:溯源侵蚀作为黄土高原最为活跃的沟谷侵蚀方式,是导致塬面萎缩和破碎化的主要原因,对黄土塬区的国土安全、民生安全和生态安全构成了严重威胁。董志塬是黄土高原面积最大、最为连续的塬面,但随着人类活动的不断增强尤其是城市化的快速发展,董志塬溯源侵蚀剧烈,完整的塬面被不断切割。本文以董志塬西峰城区火巷沟(35°44'24"N,107°39'03"E)为例,采用GIS与RS技术,通过对1964~2017年的7期高精度遥感影像进行解译分析,定量研究了1964年以来火巷沟沟头前进、后退和沟岸扩张的动态特征及其与城市发展和降雨因素的关系。研究结果表明:1)1964~1969年,火巷沟沟头平均每年以3.1 m的速度前进;1970~2002年,由于城区的发展和扩张,沟头因人工回填后退了359.8 m;2003~2017年,随着城市建设用地的进一步扩大,15年间沟头因回填后退了178.3 m;2)1964~2017年,火巷沟沟岸不断向两侧扩张。1964~1966年平均每年向外扩张1.1 m,1967~1969年每年扩张1.4 m,1970~2002年每年扩张1.1 m,2003~2008年每年扩张2.9 m,2009~2014年每年扩张8.0 m,2015~2017年每年扩张2.7 m;3)1964~2017年,西峰城区面积由2.1 km2扩大至19.8 km2,城区面积的不断扩大与火巷沟沟岸的扩张呈显著正相关关系;西峰城区与火巷沟沟头在早期接触面积较小,而现今随着城市的扩张,火巷沟沟头已被城区包围,致使沟道周围汇水能力增强冲刷沟岸,导致沟岸不断向外扩张;4)因受沟岸扩张和降雨数据时间分辨率的影响,本研究没有发现降雨与沟岸扩张之间存在明显的相关关系。本研究对深入认识黄土塬区城市化影响下沟头侵蚀演变特征和固沟保塬具有重要的参考意义。
关键词沟道侵蚀    遥感影像    城市发展    不透水层    黄土高原    
中图分类号     S152.1                     文献标识码    A

0 引言

沟道侵蚀演化是黄土塬区地貌演化的最主要特征,具有演化速度快、侵蚀类型多、空间差异性大等特点[1~2]。溯源侵蚀是黄土塬区最活跃的沟道侵蚀方式[3],其中重力侵蚀和水力冲刷是溯源侵蚀的两大基本动力因素[4]。溯源侵蚀对沟道边坡稳定性、地貌演变速率、水土流失等具有重要影响[5~6],且会诱发各种黄土灾变,促使沟道持续下切、沟岸扩张、沟头前进。受溯源侵蚀的影响,黄土塬被不断蚕食和切割,使得原本平坦的塬面变得支离破碎,大面积优质耕地被毁,居民点、道路、厂房等建筑设施受到威胁,严重影响了塬区的城市建设和生产生活安全[7]

自20世纪50年代以来,我国就已开展了黄土地区的沟道侵蚀研究。例如:朱显谟[8]在1956年研究发现,土壤类型对溯源侵蚀的发生具有重要影响,不同土壤类型具有不同的抗蚀性;唐克丽[9]指出,溯源侵蚀属于沟蚀的范畴,并总结了黄土高原现代沟谷侵蚀过程;伍永秋和刘宝元[10]认为,溯源侵蚀是切沟发展的主要方式之一,且严重威胁到沟道的安全;郑粉莉等[11]提出,沟道侵蚀包括沟头溯源侵蚀、沟壁崩塌和沟底下切等3个过程;姚文波[12]研究发现,硬化路面是影响溯源侵蚀发生的核心因素,沟头汇水区硬化面积越大,溯源侵蚀动力越强,侵蚀速度越快。近20年来,随着计算机、航空遥感和地理信息技术的发展,对沟道侵蚀演化的研究进入一个新的发展阶段。汤国安等[13]通过把传统的研究手段和DEM数字地形分析相结合,使得沟沿线的提取更加便捷,对沟道侵蚀的分析也更加方便和定量化;程琳等[14]则利用CSLE模型,在GIS的支持下高效客观地反映出土壤侵蚀情况及主要影响因子;江岭等[15]利用多期航片资料和地面测量资料,采用体积测量方法进行研究,使得沟头前进的测量更为简化;高姣姣[16]通过高精度无人机对黄土塬的沟道演化进行监测,并建立了溯源侵蚀解译标志。从目前的研究趋势来看,溯源侵蚀的定量表达是今后沟道侵蚀演化研究的重要内容[11]。在黄土塬区,溯源侵蚀的定量研究主要是通过沟沿线的动态监测来实现[17]。对沟沿线的时空变化特征进行定量分析,能够较好地揭示黄土塬区沟道地貌的演变特征和规律,对塬区的国土资源保护和水土流失治理能够起到较好的指导作用[18]

董志塬是黄土高原面积最大的塬面,素有“天下黄土第一塬”之称。自秦汉以来,由于人类活动的不断加强,董志塬溯源侵蚀剧烈,完整的塬面被不断切割[19]。据资料记载,历史时期董志塬南北最长达110 km,东西平均宽约50 km;经过1300多年自然和人类活动的影响,董志塬被蚕食面积超过600 km2(约90万亩),南北长剩89 km,东西最宽仅剩18 km,最窄处不足50 m,许多区域随时都有腰斩的危险,严重威胁了城镇和农村生产生活的安全[20]。2000年以来,随着西部大开发战略的实施,董志塬的城镇化加速,城市范围不断扩大,西峰城区向北发展至驿马镇,向南发展至董志镇[21~22]。城市不透水层面积的扩大,使得塬面汇水能力显著增强,这为沟道的加速侵蚀提供了动力条件[23]。影像数据显示,马莲河一级支流火巷沟的沟头已经深入西峰城区腹地,如遇连续降雨和特大暴雨,沟头一次可前进几米甚至几十米[24]

当前,国内学者针对董志塬的溯源侵蚀已开展了一定的研究工作,对塬面保护起到了较好的指导作用[25],但目前有关沟道侵蚀演化的动态特征及其与城市扩张的关系的研究报道十分鲜见,这在很大程度上限制了深入认识人类活动影响下沟道侵蚀演化的规律。基于此,本文以位于董志塬西峰城区的火巷沟为例,利用1964~2017年的高精度遥感影像资料,重建火巷沟侵蚀演化的动态特征,分析火巷沟沟头变化和沟岸扩张与城市发展以及强降雨之间的关系,探索城市扩张对董志塬沟道侵蚀演化的影响。

1 材料与方法 1.1 研究区介绍

甘肃省庆阳市西峰区位于董志塬的中心地带,平均海拔1421 m,地势由东北向西南倾斜,塬面较为完整,地势平坦开阔,属于暖温带半干旱大陆性气候。冬春多风干燥,夏秋雨水较多,暴雨多集中在7月、8月份,年降雨量450~600 mm,年蒸发量691.8 mm,年平均气温10.03 ℃[26]。火巷沟位于西峰城区东部(35°44′24″N,107°39′03″E),属于黄土塬边冲沟,沟头延伸至城区(图 1)。沟道长约5.3 km,沟头自东向西延伸。沟头南岸距塬面果园最近处不足80 m,最远处仅有150 m,北岸距居民楼为35 m,沟头上方距建筑厂房仅有60 m,沟道东侧距离工厂仅有40 m。近十多年来,火巷沟塬边不断塌陷,沟岸不断扩张,严重威胁沟边人民群众的生命财产安全,使沟边原有的单位、居民陆续搬迁[25]。2013~2014年期间,火巷沟发生3次滑坡灾害,2016年9月庆阳市政府对火巷沟进行治理,实施了大规模的沟头回填工程。因此,以火巷沟为例开展研究,既可追踪人类活动较弱时期沟道的侵蚀演变规律,又可获得人类正面干预下(沟头回填)沟道的变化动态,能为实施的固沟保塬工程提供直接的数据支撑。

图 1 研究区位置示意图 (a)火巷沟地理位置;(b)董志塬地理位置;(c)2018年火巷沟沟头影像(数据来自91卫星图,影像精度为0.48 m) Fig. 1 The geographical location of the study area. (a)The geographical location of the Huoxiang gully; (b)The geographical location of the Dongzhi tableland; (c)The satellite image of the Huoxiang gully extracted from the 91 Satellite Map with a resolution of 0.48 m
1.2 数据源选择

本研究所采用的数据包括了高分辨率的历史航空影像、遥感影像和分辨率为7.76 m的DEM数据(数据来源于91卫星地图),其中1964~1970年的3期数据采用的是日本解密航飞影像(航片),解密航飞影像可以非常直观地了解不同时期的自然条件和发展状况[27]。2003~2017年的4期数据分别为快鸟影像(QuickBird)、WorldView-3和GeoEye-1,研究中所采用的影像资料具体介绍见表 1。所有的影像数据采用UTM投影和WGS-84坐标,其中4期高精度遥感影像数据在ENVI软件(美国Exelis Visual Information Solutions公司)中通过Gram-Schmidt波谱锐化方法将多光谱波段与全色波段进行融合,生成高空间分辨率的彩色影像[28]。本研究中所有影像数据根据需要都经过正射纠正、影像融合、裁剪等预处理工作。

表 1 影像数据时段和分辨率 Table 1 Time series of remote sensing images and their spatial resolution
1.3 研究方法

黄土高原的沟沿线是最能体现黄土地貌形态特征的地形结构线。沟沿线的形态结构、层次级别,空间展布、发育趋势,既是黄土地貌最显著的外在表象,又深刻映射着黄土地貌发育的内在机理[29]。沟沿线是一条明显的土壤侵蚀和土地利用分界线,在西峰区,塬面或梁、峁、坡与沟坡分界线为明显的陡崖,即为沟沿线,在实际生产生活中发挥着重要作用。对沟沿线进行准确、快速地提取,一直是黄土高原科学研究与生产建设十分重要的工作。沟沿线的提取当下有两种方法,第一种是直接利用地形图等高线或航空相片进行勾绘,为传统提取沟沿线方法,可以达到较高精度,但工作量较大。第二种是基于DEM数据,方便快捷,但也存在两个问题:一是沟沿线提取结果不连续;二是提取方法重形态轻机理、重局部轻全局[30]。由于本次研究缺少历史的DEM数据,且只有一条沟道,因此采用第一种传统直接勾绘的方式,对于不确定的点结合Google Earth三维视图以及实地考察,确保沟沿线提取的准确性,再通过ArcGIS软件(美国ESRI公司)对上述勾绘的多期沟沿线进行定量分析,得到火巷沟沟头的变化、沟岸的长度和沟道投影面积。由于无法定义沟岸的具体位置,因此本次研究沿沟道方向,每隔5~6 m作沟谷线的垂线,将沟沿线所截的垂线进行累加后再求平均值,记为沟道宽度,每两个时间点的沟道宽度相减除以时间长度即可得到沟岸扩张速率,沟道宽度和沟岸扩张速率可以反映出沟谷旁蚀过程。

为了科学直观得出火巷沟沟头集水面积与城市发展关系,本文通过ArcGIS软件中的Hydrology工具包,采用D8(最大权落差)法对火巷沟沟头部分汇水面积进行提取,进一步分析沟道演化、城市发展、集水区面积之间的时空交汇关系。

为研究降雨因素与沟道侵蚀的相关关系,本文对1964~2017年西峰区降雨数据进行了整理分析。降雨数据通过中国气象数据网获得(http://data.cma.cn/),选取了4个降雨指数,即年均降雨量(Mean Annual Rainfall,简称MAR,单位mm/a)、单日最大降雨量(Maximum Daily Rainfall,简称MDR,单位mm/d)、强降雨天数(本研究将日降雨量大于20 mm定义为强降雨[31],简称ND20),以及年降雨量除以年降雨天数的比值(Rainy Day Normal,简称RND,单位mm/d)[32]。为了对应沟道演化的时间数据,本文将降雨数据按时间段分为1964~1966年、1967~1969年、1970~2002年、2003~2008年、2009~2014年、2015~2017年共6段(表 2)。

表 2 1964~2017年6个时间段火巷沟沟头动态变化 * Table 2 The dynamic speed of gully-head advance and retreat during the six periods between 1964 and 2017 in Huoxiang gully
2 研究结果 2.1 1964~2017年火巷沟沟头演变特征

沟头形态是沟谷侵蚀演化的最直观表现。由图 2可以看出,火巷沟的沟头先前进,后来由于人为填埋,沟头不断后退。1964~1966年沟头平均每年前进2.5 m,1967~1969年每年前进3.7 m,1970~2002年每年后退10.9 m,2003~2008年每年后退16.5 m,2009~2017年每年后退9.9 m(表 2)。总体来看,火巷沟的沟头发展可以分为3个阶段:1)1964~1969年,火巷沟受人为干预较弱,主要以溯源侵蚀为主,沟头以每年3.1 m的速度不断前进;2)1970~2002年,由于城区的发展和扩张,人工对火巷沟进行了回填,33年间沟头后退了359.8 m;3)2003~2017年,随着城市建设用地的进一步扩大,当地政府加大了对火巷沟的治理和回填力度,15年间沟头因回填后退了178.3 m。

图 2 1964~2017年火巷沟沟头侵蚀演化动态 Fig. 2 Dynamics of gully-head erosion and backfilling in the Huoxiang gully between 1964 and 2017
2.2 1964~2017年沟岸扩张情况

图 3可以看出,1964~2017年沟岸不断向两侧扩张,扩张速度为2.2 m/a。1964~1966年,沟岸平均每年向外扩张1.1 m;1967~1969年每年扩张1.4 m,1970~2002年每年扩张1.1 m,2003~2008年每年扩张2.9 m,2009~2014年每年扩张8.0 m,2015~2017年每年扩张2.7 m(表 3)。2009~2014年沟岸扩张速率的急剧增大,主要是因为在2013~2014年期间火巷沟左岸连续发生3次滑坡,使得沟岸扩张速度迅速增大。从沟岸扩张速率的变化可以看出,2003年是沟岸扩张速率加快的节点。2003年以后的沟岸扩张速率是2003年之前的4.3倍,且2009~2014年扩张速率最大。从沟道投影面积的变化可以看出,1964~1969年,沟头前进,沟岸扩张,因此沟道投影面积增加;1970~2002年和2015~2017年两个时段,沟道的投影面积有所减少,分别减少了737. 0 m2和579.2 m2,主要归因于人工对沟道进行了回填;但在2003~2014年,沟头后退,但投影面积增加,说明沟岸扩张对沟道投影面积的贡献大于沟头回填(表 2)。

图 3 1964~2017年火巷沟沟岸扩张动态(底图为1970年航片) Fig. 3 Dynamics of gully-shoulder expansion between 1964 and 2017(the reference map is the aerial image taken in 1970)

表 3 1964~2017年火巷沟沟岸动态变化 Table 3 The dynamic speed of gully-shoulder expansion between 1964 and 2017 in Huoxiang gully
2.3 1964~2017年西峰城区扩张状况

火巷沟沟头上方为西峰城区。从图 4可以看出,1964年火巷沟沟头靠近城市,沟岸两侧均为耕地,并无居民区;到2017年,整个火巷沟被城市包围。1964年西峰城区面积仅为2.1 km2,但到2017年,城区面积扩大至19.8 km2,增长了近9倍。分析发现,2003年以后城市面积的扩张速度是2003年之前的4.2倍(表 4)。西峰城区人口也不断增加。1983年西峰镇总人口数2.8万人,城镇用地规模仅有4.0 km2;截至2016年底,西峰区总人口数达到38.8万人,城镇化率为57.2 %,人口数量增加了11倍[33]。2003年是庆阳城区面积扩张和人口增长的一个转折点。2003年之前,庆阳城区位于庆阳市庆城县,2003之后,庆阳城区搬迁至西峰县(现在的西峰区),西峰由此成为庆阳市的政治、经济和文化中心,从而使得西峰城区面积快速扩大(表 4)。

图 4 1964~2017年西峰城区面积扩展动态 Fig. 4 Dynamics of urban area expansion of the Xifeng District in Qingyang City between 1964 and 2017

表 4 1964~2017年西峰区城市面积变化 Table 4 Changes in urban area of the Xifeng District in Qingyang City between 1964 and 2017
2.4 1964~2017年西峰区降雨变化

1964~2017年整个时间段西峰区的年均降雨量为568.7 mm,最大年降雨量为828.3 mm(2003年),最小年降雨量为338.3 mm(1997年)。通过分析6个不同时段的降雨数据发现,1964~1966年的年平均降雨量最大,为668.6 mm/a;2015~2017年的RND(年降雨量与年降雨天数的比值)最大,为2.56 mm/d;1964~1966年的平均强降雨天数最多,平均每年有7.6场大于20 mm/d的强降雨,而单日最大降雨量发生在2006年,为115.9 mm(表 5)。

表 5 1964~2017年西峰区降雨特征* Table 5 Rainfall attributes during different time periods between 1964 and 2017 in the study area
3 讨论 3.1 城市发展对沟头变化的影响

侵蚀沟的发展形成需要一定的集水区域,且沟头前进的速度与流域面积大小、集水区域形状、比降、土质和植被状况等密切相关[34]。已有研究结果表明,董志塬沟道汇水面积与沟头前进长度呈幂函数关系,汇水面积越大,溯源侵蚀越严重[35]。本文用精度为7.76 m的DEM数据对火巷沟沟头进行了水文分析,得出沟头汇水区面积为4.9 km2。从图 5可以看出,在城市化较弱时期(1964~1969年),火巷沟沟头汇水区没有完全被西峰城区覆盖;随着城市面积的扩大(2003~2017年),西峰城区已经完全覆盖了整个沟头汇水区。大量研究表明,不同土地利用/覆被类型对溯源侵蚀速率的影响具有明显差异[36~38],其中裸地最快(1.46 m/a),耕地次之(0.30~0.86 m/a),林地(0.05~0.16 m/a)最慢[37]。因此,在1964~1969年期间,火巷沟沟头的溯源侵蚀主要受耕作活动影响,沟头平均每年以3.1 m的速度前进(图 2表 2)。1970~2002年,由于缺乏影像资料,无法掌握西峰城区的面积变化,但可以推断,随着经济的发展和人口的增长,西峰城区的范围在不断扩大,并且随着城市道路网的扩张,这期间对火巷沟进行了回填[39]。已有研究表明,城市和道路不透水层对于沟头溯源侵蚀具有重要影响[40~42]。随着城市的建设,路面被压实或硬化[43],降雨入渗率低或基本不入渗,很小的降雨量就能形成径流,使得城市路面汇水能力显著大于耕地[44],形成很强的水力冲刷作用,加速沟道的侵蚀发育。因此,1970年后西峰城区的进一步扩大可能加剧了火巷沟的侵蚀发育,从而影响到西峰城区的发展和安全。1970~2002年期间,当地政府对火巷沟进行了回填,使得沟头后退了359.8 m(图 2表 2)。2003年后,随着城市建设的加速,火巷沟的回填力度进一步加大,沟头后退的速度也不断加快。

图 5 火巷沟沟头汇水区与西峰城区扩张的关系 Fig. 5 The relationship between the area of the Huoxiang catchment and urban development of the Xifeng District in Qingyang City
3.2 城市发展对沟岸扩张的影响

沟蚀产生时,沟谷的溯源侵蚀、旁蚀和下蚀同时发生,初期主要为溯源侵蚀和下蚀,后期主要为旁蚀,即自然状况下侵蚀沟变得更长、更宽和更深[18]。沟道宽度增加表示沟蚀发育处于活跃阶段[45]。沟道宽度增加有两种方式,一是伴随着溯源侵蚀发生的沟头扩张,属于水力侵蚀,另一种是沟壁的崩塌使得侵蚀沟的宽度迅速增加,水力侵蚀与重力侵蚀伴生[46],且沟道的宽度沿沟长呈周期性变化[47]。本研究结果表明,火巷沟初期时为“细长型”;后期由于人类的正面干预,对沟头进行了回填,但沟岸不断扩张,变为“宽短型”。火巷沟的沟岸不断变宽,初期是由于沟头溯源侵蚀带动坡面上部的沟岸变宽,后来由于沟头被不断回填,但对沟岸没有采取很好的工程防护措施,沟岸依旧不断向外扩张。分析发现,火巷沟沟岸扩张速度与西峰城区扩张速度存在显著正相关关系(图 6)。1964~2002年,火巷沟沟岸扩张速度为1.2 m/a,2003~2017年沟岸扩张速度为5.1 m/a,2003年以后的沟岸扩张速度是2003年之前的4.3倍,这与城市面积的扩张速度完全一致。由此可见,2003年是火巷沟沟岸扩张速度变化的一个节点。1964年,火巷沟与西峰城区的接触面积较小,沟道周围多为耕地;但随着城市不断扩大,整个沟头被城市包围(图 5)。火巷沟作为西峰城区雨水的重要排放口[48],需要排泄塬面大量的硬地面积水,但在沟壁和沟底没有设计较好的防护措施,从而导致沟壁发生坍塌等二次侵蚀[7],加大了沟岸的侵蚀速率。此外,一些不恰当的工厂选址也会影响造成侵蚀。因此,对于火巷沟的治理,只从沟头出发是远远不够的,对于沟岸的防护也刻不容缓。

图 6 火巷沟沟岸扩张与西峰城区面积变化的关系 Fig. 6 The relationship between gully-shoulder expansion of the Huoxiang gully and urban development of the Xifeng District in Qingyang City
3.3 强降雨与沟岸扩张的关系分析

本研究结果表明,城市扩张对沟道侵蚀演化具有重要影响。强降雨是影响沟道侵蚀演化的重要动力因素,强降雨与沟道侵蚀演化的关系需要进行深入分析[49]。Piest等[50]通过7年的研究发现,暴雨对于沟道侵蚀的贡献率达40 %;杨文璐等[51]认为,在黄土丘陵区同等土地利用/覆被下,日降雨量越大则更容易造成山体滑坡、沟壁崩塌;Bocco[52]则认为,沟道侵蚀速率的主要影响因素根据研究案例的不同而不同,沟道扩张是一个复杂的、充满不确定性的侵蚀过程,降雨是其中不容忽视的因素。本研究结果表明:1964~2002年,沟岸扩张速率为1.2 m/a,同期平均年降雨量为595.4 mm,平均每年有6天强降雨;2003~2008年每年扩张2.9 m,同期平均年降雨量为551.1 mm,平均每年有6.7天的强降雨;2009~2014年每年扩张8.0 m,同期平均年降雨量为568.1 mm,平均每年有7.3天的强降雨;2015~2017年沟岸以每年2.7 m的速度向外扩张,同期平均年降雨量为506.7 mm,平均每年有4天的强降雨(图 7)。通过对比沟岸扩张速率、年均强降雨天数和平均年降雨量的联动关系,本研究没有发现沟岸扩张与降雨因素之间存在明显的相关关系。水力侵蚀和崩塌是火巷沟的主要侵蚀方式,因此降雨因素对火巷沟的沟岸扩张肯定存在影响,但由于强降雨的瞬时性和沟岸崩塌的随机性,因此很难捕捉二者的关系[53~54]。由于受研究资料的限制,本研究获取的沟岸扩张速率的数据分辨率较粗,无法刻画单次侵蚀事件的发生,因此也无法获得沟岸扩张速率与降雨变化的关系。但本研究获得的结论是肯定的,即城市扩张加速了沟道的侵蚀演化,尤其是沟岸扩张的速率。在未来的研究中,需要获取更高精度的影像数据和降雨数据,用以分析降雨与沟道侵蚀的关系。

图 7 火巷沟沟岸扩张与降雨因素动态关系 Fig. 7 The dynamic relationship between gully-bank expansion and rainfall attributes of the Huoxiang gully
4 结论

研究结果表明,城市扩张对火巷沟沟头和沟岸演化具有重要影响。在溯源侵蚀和人工回填的作用下,火巷沟沟头经历了先前进(1964~1969年)、再后退(1970~2017年)的演变特征。在城市化较弱时期(1964~1969年),由于受农业活动影响,火巷沟沟头每年以3.1 m的速度前进;随着城区面积不断扩大(1970~2002年),火巷沟的侵蚀演化可能影响到西峰城区的发展和安全,当地政府开始对火巷沟进行回填,33年间共回填了359.8 m;随着城市建设的快速发展(2003~2017年),火巷沟进行了更大规模的回填活动,15年间回填后退了178.3 m。1964~2017年间,火巷沟沟岸不断向两侧扩张,每年向外扩张2.2 m,2009~2014年每年的扩张速率达到8.0 m/a。随着城市的发展,沟岸两边均为城市用地,汇水能力增强并不断冲刷沟岸,从而使得沟岸不断向外扩张。当前,本研究获取的数据分辨率较低,无法获得单次沟道侵蚀事件与降雨因素之间的相关关系。

致谢: 感谢审稿专家建设性的修改意见!

参考文献(References)
[1]
Leger M. Loess landforms[J]. Quaternary International, 1990, 7: 53-61. DOI:10.1016/1040-6182(90)90038-6
[2]
Lu H, Mason J A, Stevens T, et al. Response of surface processes to climatic change in the dunefields and Loess Plateau of North China during the Late Quaternary[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2011, 36(12): 1590-1603. DOI:10.1002/esp.2168
[3]
陈永宗, 景可, 蔡国强. 黄土高原现代侵蚀与治理[M]. 北京: 科学出版社, 1988: 42-62.
Chen Yongzong, Jing Ke, Cai Guoqiang. Modern Erosion and Control in the Loess Plateau[M]. Beijing: Science Press, 1988: 42-62.
[4]
王光谦, 薛海, 李铁键. 黄土高原沟坡重力侵蚀的理论模型[J]. 应用基础与工程科学学报, 2005, 13(4): 335-344.
Wang Guangqian, Xue Hai, Li Tiejian. Mechanical model for gravitational erosion in gully area[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2005, 13(4): 335-344.
[5]
Terzariol R E, Rocca R J, Zeballos M E. Suffusion in compacted loessial silts interaction with granular filters[M]//Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Paris, 2013: 2-4.
[6]
Hessel R, Van Asch T. Modelling gully erosion for a small catchment on the Chinese Loess Plateau[J]. Catena, 2003, 54: 131-146. DOI:10.1016/S0341-8162(03)00061-4
[7]
陈绍宇, 许建民, 王文龙, 等. 黄土高塬沟壑区董志塬沟头溯源侵蚀特征及其防治途径[J]. 水土保持通报, 2009, 29(4): 37-41.
Chen Shaoyu, Xu Jianmin, Wang Wenlong, et al. Erosion features of head-cut and its control measures on Dongzhiyuan of the Loess Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2009, 29(4): 37-41.
[8]
朱显谟. 黄土区土壤侵蚀的分类[J]. 土壤学报, 1956, 4(2): 99-105.
Zhu Xianmo. Classification of soil erosion in loess areas[J]. Acta Pedologica Sinica, 1956, 4(2): 99-105.
[9]
唐克丽. 中国水土保持[M]. 北京: 科学出版社, 2004: 35-26.
Tang Keli. Soil and Water Conservation in China[M]. Beijing: Science Press, 2004: 35-26.
[10]
伍永秋, 刘宝元. 切沟、切沟侵蚀与预报[J]. 应用基础与工程科学学报, 2000, 8(2): 134-142.
Wu Yongqiu, Liu Baoyuan. Gully, gully erosion and prediction[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2000, 8(2): 134-142.
[11]
郑粉莉, 徐锡蒙, 覃超. 沟蚀过程研究进展[J]. 农业机械学报, 2016, 47(8): 48-59.
Zheng Fenli, Xu Ximeng, Qin Chao. A review of gully erosion process research[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(8): 48-59.
[12]
姚文波. 硬化地面与黄土高原水土流失[J]. 地理研究, 2007, 26(6): 1097-1199.
Yao Wenbo. The harden ground and soil and water loss on the Loess Plateau[J]. Geographical Research, 2007, 26(6): 1097-1199.
[13]
汤国安, 杨勤科, 张勇, 等. 不同比例尺DEM提取地面坡度的精度研究——以在黄土丘陵沟壑区的试验为例[J]. 水土保持通报, 2001, 21(1): 53-56.
Tang Guo'an, Yang Qinke, Zhang Yong, et al. Research on accuracy of slope derived from DEMs of different map scales[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2001, 21(1): 53-56.
[14]
程琳, 杨勤科, 谢红霞, 等. 基于GIS和CSLE的陕西省土壤侵蚀定量评价方法研究[J]. 水土保持学报, 2009, 23(5): 61-66.
Cheng Lin, Yang Qinke, Xie Hongxia, et al. GIS and CSLE based quantitative assessment of soil erosion in Shaanxi[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(5): 61-66.
[15]
江岭, 汤国安, 赵明伟, 等. 顾及地貌结构特征的黄土沟头提取及分析[J]. 地理研究, 2013, 32(11): 2153-2162.
Jiang Lin, Tang Guo'an, Zhao Mingwei, et al. Extraction and analysis of loess gully heads considering geomorphological structures[J]. Geographical Research, 2013, 32(11): 2153-2162.
[16]
高姣姣.高精度无人机遥感地质灾害调查应用研究[D].北京: 北京交通大学硕士学位论文, 2010: 23-29.
Gao Jiaojiao. Application of High Precision UAV Remote Sensing in Geological Disaster Investigation[D]. Beijing: The Master's Dissertation of Beijing Jiaotong University, 2010: 23-29.
[17]
康宏亮.黄土高塬沟壑区土地利用方式对沟头溯源侵蚀过程的影响[D].西安: 西北农林科技大学硕士学位论文, 2017: 43-53.
Kang Hongliang. Effect of Land-use on Gully Headward Erosion Process in the Gully Region of the Loess Plateau[D]. Xi'an: The Master's Dissertation of Northwest A & F University, 2017: 43-53.
[18]
常瑞雪.基于沟沿线的黄土高原沟蚀程度评价及分区研究[D].南京: 南京师范大学硕士学位论文, 2015: 52-60.
Chang Ruixue. Studies on Gully Erosion Assessment and Partition in Loess Plateau Based on Shoulder Lines[D]. Nanjing: The Master's Dissertation of Nanjing Normal University, 2015: 52-60.
[19]
姚文波.历史时期董志塬地貌演变过程及其成因[D].西安: 陕西师范大学博士学位论文, 2009: 42-54.
Yao Wenbo. Geomorphological Evolution and Its Causes of Dong Zhiyuan in Historical Period[D]. Xi'an: The Doctoral Dissertation of Shaanxi Normal University, Doctoral Dissertation, 2009: 42-54.
[20]
史念海. 历史时期黄土高原沟壑的演变[J]. 中国历史地理论丛, 1987(2): 3-54.
Shi Nianhai. Evolution of gully on Loess Plateau in historical period[J]. Journal of Chinese Historical Geography, 1987(2): 3-54.
[21]
孟应昕.董志塬典型地坑聚落研究[D].西安: 西安建筑科技大学硕士学位论文, 2013: 34-45.
Meng Yingxin. DongZhi Tableland Typical Pit Settlement Research[D]. Xi'an: The Master's Dissertation of Xi'an University of Architecture and Technology, 2013: 34-45.
[22]
杨思齐, 金钊, 余云龙, 等. 1975-2015年董志塬土地利用/覆被变化及人类活动影响[J]. 第四纪研究, 2019, 39(6): 1433-1442.
Yang Siqi, Jin Zhao, Yu Yunlong, et al. Analysis of the spatial-temporal characteristics of LUCC from 1975 to 2015 in the Dongzhi loess tableland[J]. Quaternary Sciences, 2019, 39(6): 1433-1442.
[23]
王振.陕北地区河谷型城市边缘区规划研究[D].西安: 西北大学硕士学位论文, 2007: 23-34.
Wang Zhen. A Study on the Planning of Urban Fringe Area of Northern Shaanxi Valley[J]. Xi'an: The Master's Dissertation of Northwest University, 2007: 23-34.
[24]
于汉学.黄土高原沟壑区人居环境生态化理论与规划设计方法研究[D].西安: 西安建筑科技大学博士学位论文, 2007: 24-43.
Yu Hanxue. A Study of Ecologic Theory and Plan-Designing Methods for Human Habitat in Gully Region on Loess Plateau[D]. Xi'an: The Doctoral Dissertation of Xi'an University of Architecture and Technology, 2007: 24-43.
[25]
陈绍宇.高塬沟壑区溯源侵蚀发生发育规律研究[D].西安: 中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)硕士学位论文, 2009: 2-86.
Chen Shaoyu. Study of the Development Law of Head-cut Erosion on Loess Plateau-Taking Dongzhiyuan As An Example[D]. Xi'an: The Master's Dissertation of Graduate School of Chinese Academy of Sciences(Institute of Soil and Water Conservation), 2009: 2-86.
[26]
Sun Qian, Liu Xuelu. Ecological vulnerability evaluation in Xifeng District of Qingyang City[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2012, 47(6): 129-133.
[27]
北京拓普视野有限公司.解密航飞影像介绍. 2008.
Beijing Top View Technology Co L. Image Introduction. 2008.
[28]
刘怀鹏, 安慧君. WorldView-Ⅱ影像3种融合方法效果评价[J]. 内蒙古农业大学学报(自然科学版), 2014, 35(5): 38-42.
Liu Huaipeng, An Huijun. The effect assessment of Worldview-Ⅱ images through three fusion method[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University(Natural Science Edition), 2014, 35(5): 38-42.
[29]
张磊, 汤国安, 李发源, 等. 黄土地貌沟沿线研究综述[J]. 地理与地理信息科学, 2012, 28(6): 44-48.
Zhang Lei, Tang Guo'an, Li Fayuan, et al. A review on research of loess shoulder-line[J]. Geography and Geo-Information Science, 2012, 28(6): 44-18.
[30]
汤国安.黄土高原丘陵区地面坡度分级及其制图的方法研究——以绥德县辛店沟流域为例[D].西安: 西北大学硕士学位论文, 1987: 3-52.
Tang Guo'an. Study on the Method of Land Slope Classification and Mapping in the Hilly Area of the Loess Plateau[D]. Xi'an: The Master's Dissertation of Northwestern University, 1987: 3-52.
[31]
Sultan D, Tsunekawa A, Haregeweyn N, et al. Efficiency of soil and water conservation practices in different agro-ecological environments in the Upper Blue Nile Basin of Ethiopia[J]. Journal of Arid Land, 2018, 10(2): 249-263. DOI:10.1007/s40333-018-0097-8
[32]
Wilson R C, Jayko A S. Preliminary maps showing rainfall thresholds for debris-flow activity, San Francisco Bay region, California[R]. US Dept. of the Interior, US Geological Survey, 1997: 1258-2331. doi: 10.3133/ofr97745F.
[33]
刘萍凝.西峰城区面积40年扩张7.44倍人口增长11.42倍[N].陇东报, 2018.
Liu Pingyi. the Urbanization of the Xifeng District[N]. Longdong Newspaper, 2018.
[34]
Poesen J W, Wilcox B, Boardman J, et al. Water erosion monitoring and experimentation for global change studies[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1996, 51(5): 386-390.
[35]
车小力.黄土高塬沟壑区董志塬沟头溯源侵蚀分布特征及其演化[D].西安: 西北农林科技大学硕士学位论文, 2012: 56-62.
Che Xiaoli. Study of the Distribution Characteristic and Evolution of Headward Erosion on Dongzhiyuan of Loess Gully Region[D]. Xi'an: The Master's Dissertation of Northwest A & F University, 2012: 56-62.
[36]
Poesen J, Nachtergaele J, Verstraeten G, et al. Gully erosion and environmental change:Importance and research needs[J]. Catena, 2003, 50(2): 91-133.
[37]
范建容, 刘淑珍, 周从斌, 等. 元谋盆地土地利用/土地覆盖对冲沟侵蚀的影响[J]. 水土保持学报, 2004, 18(2): 130-132.
Fan Jianrong, Liu Shuzhen, Zhou Congbin, et al. Impacts of LUCC on gully erosion in Yuanmou Basin of Jinshajiang arid-hot valley[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2004, 18(2): 130-132.
[38]
Vanwalleghem T, Poesen J, Nachtergaele J, et al. Characteristics, controlling factors and importance of deep gullies under cropland on loess-derived soils[J]. Geomorphology, 2005, 69(1): 76-91.
[39]
Xu Qiang, Kou Pinglang, Wang Cuilin, et al. Evaluation of gully head retreat and fill rates based on high resolution satellite images in the loess region of China[J]. Environmental Earth Sciences, 2019, 78(15): 465. DOI:10.1007/s12665-019-8483-x
[40]
Gómez Gutiérrez Á, Schnabel S, Lavado Contador F. Gully erosion, land use and topographical thresholds during the last 60 years in a small rangeland catchment in SW Spain[J]. Land Degradation & Development, 2010, 20(5): 535-550.
[41]
Jungerius P D, Matundura J, Ancker J. Road construction and gully erosion in West Pokot, Kenya[J]. Earth Surface Processes & Landforms, 2010, 27(11): 1237-1247.
[42]
Mukai S. Gully erosion rates and analysis of determining factors:A case study from the semi-arid main ethiopian rift valley:Gully erosion rate and its determining factors[J]. Land Degradation & Development, 2017, 28(2): 602-615.
[43]
刘窑军, 王天巍, 蔡崇法, 等. 植被措施与路面汇水对三峡库区土质道路边坡侵蚀影响[J]. 水科学进展, 2014, 25(1): 98-105.
Liu Yaojun, Wang Tianwei, Cai Chongfa, et al. Impacts of vegetation and pavement runoff concentration on rural roadside slope erosions in Three Gorge Reservoir area[J]. Advances in Water Science, 2014, 25(1): 98-105.
[44]
Ziegler A D, Giambelluca T W. Importance of rural roads as source areas for runoff in mountainous areas of Northern Thailand[J]. Journal of Hydrology, 1997, 196(1): 204-229.
[45]
覃超.基于立体摄影技术的黄土坡面细沟侵蚀发育过程量化研究[D].西安: 西北农林科技大学博士学位论文, 2018: 22-32.
Qin Chao. Quantitative Research on Rill Development on Loessial Hillslope Based on Photogrammetry[D]. Xi'an: The Doctoral Dissertation of Northwest A & F University, Doctoral Dissertation, 2018: 22-32.
[46]
张姣. LIDAR技术动态监测沟蚀发育过程研究[D].西安: 西北农林科技大学硕士学位论文, 2011: 10-35.
Zhang Jiao. Dynamic Monitoring of Gully Erosion Development by Lidar[D]. Xi'an: The Master's Dissertation of Northwest A & F University, 2011: 10-35.
[47]
雷廷武, Nearing M A. 侵蚀细沟水力学特性及细沟侵蚀与形态特征的试验研究[J]. 水利学报, 2000, 31(9): 49-54.
Lei Tingwu, Nearing M A. Flume experiments for determining rill hydraulic characteristic erosion and rill patterns[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2000, 31(9): 49-54.
[48]
杨晨雨.火巷沟的新生[N].陇东报, 2007.
Yang Chenyu. The rebirth of Huoxiang gully[N]. Longdong Newspaper, 2007.
[49]
Valentin C, Poesen J, Li Y. Gully erosion:Impacts, factors and control[J]. Catena, 2005, 63(2-3): 145-153.
[50]
Piest R F, Bradford J M, Spomer R G. Mechanisms of erosion and sediment movement from gullies[M]//Present and Prospective Technology for Predicting Sediment Yields and Sources. Washington DA: US Department of Agriculture, ARS-S-40, 1975: 162-176.
[51]
杨文璐, 邱海军, 裴艳茜, 等. 典型黄土丘陵区浅层黄土滑坡稳定性评价——以延安市志丹县为例[J]. 第四纪研究, 2019, 39(2): 408-419.
Yang Wenlu, Qiu Haijun, Pei Yanqian, et al. Evalution of shallow loess landslide stability in typical loess hilly region:A case study of Zhidan County in Yan'an area of Shaanxi Province[J]. Quaternary Sciences, 2019, 39(2): 408-419.
[52]
Bocco G. Gully erosion:Processes and models[J]. Progress in physical Geography, 1991, 15(4): 392-406. DOI:10.1177/030913339101500403
[53]
Oliveira P T S, Wendland E, Nearing M A, et al. Rainfall erosivity in Brazil:A review[J]. Catena, 2013, 100(1): 139-147.
[54]
Marzolff I, Ries J B, Poesen J. Short-term versus medium-term monitoring for detecting gully-erosion variability in a Mediterranean environment[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2011, 36(12): 1604-1623. DOI:10.1002/esp.2172
Effects of urban expansion on gully landform evolution in the Dongzhiyuan loess tableland of the Chinese Loess Plateau
Yang Siqi1,2, Jin Zhao1,3, Luo Da1,2, Cui Xinsheng4, Peng Jianbin4     
(1 State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710061, Shaanxi;
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
3 CAS Center for Excellence in Quaternary Science and Global Change, Xi'an 710061, Shaanxi;
4 College of Geological Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710054, Shaanxi)

Abstract

Gully erosion has been recognized as one of the most impactful processes in sediment production and land degradation in a wide range of environments. To quantitatively characterize the dynamics of gully erosion and elucidate the impacts of urban expansion and rainfall, a typical eroded gully near the urban area of Qingyang City (35°44'24"N, 107°39'03"E) in the Dongzhi tableland of the Chinese Loess Plateau was selected. Seven aerial and satellite imageries between 1964 and 2017 were obtained and the techniques of GIS and RS were applied to analyze the geometry of the gully landform based on these images. Moreover, the relationships between gully erosion, urban expansion and rainfall were analyzed. Results showed that: (1) The studied gully (Huoxiang gully) advanced 3.1 m annually during the period of 1964~1969, and that change was mostly caused by agricultural activities. During the period of 1970~2002, the gully head retreated 359.8 m, which caused by backfilling the gully channel. In 2003~2017, the gully channel was further backfilled due to urban development, which led to the gully head retreated 178.3 m; (2) Although gully headcut has been prevented through human intervention, the gully banks have continuously expanded on both sides. In the period of 1964~1966, the average rate of gully bank expansion was 1.1 m/a, and it was 1.4 m/a in 1967~1969. In 1970~2002, the gully bank expansion rate was 1.1 m/a and then increased to 2.9 m/a in 2003~2008. In 2009~2014, the expansion rate increased to 8.0 m/a, and it was 2.7 m/a in 2015~2017; (3) There was a significant positive relationship between gully bank expansion and urban area development. In 1964, the urban area of the Xifeng District was only 2.1 km2 and increased to 19.8 km2 in 2017, which was a 9-fold increase during the 54-year period. Moreover, the contact area between the gully head and the urban was small in 1964, while the gully was totally surrounded by the urban area in 2017, which indicates that the increase of impervious land surface in the urban area would profoundly increase the surface runoff and thus increase the erosion of the gully banks; (4) Based on the current data, we did not find significant relationship between rainfall and gully bank erosion, while acquiring high-resolution time series of gully bank erosion and rainfall data is crucially important in the future research. Results of this study have improved our understanding of gully landform evolution and the effects of urbanization on the tableland area of the CLP.
Key words: gully erosion    remote sense image    urban expansion    impervious surface    Chinese Loess Plateau