东北典型黑土区不同级别沟道形态特征分析

Analysis of the Morphological Characteristics of Channels at Different Levels in a Typical Black Soil Region of Northeast China

摘要

目的 通过解析东北典型黑土区小流域沟系特征和不同级别沟道形态差异，探索侵蚀沟和河道划分方法。 方法 选取黑龙江省宾县典型黑土分布区的小流域（14.59 km²），基于无人机影像及其生成高精度数字高程模型，利用Strahler河网分级法对永久性沟道进行分级。 结果 小流域沟道线密度为3.87 km/km²，各级沟道数量随着等级增加呈指数递减趋势。1级沟道数量占比最高（64.60%），2级沟道的长度和面积占比最大（分别为37.62%和29.57%），4级以上沟宽明显增大，5~6级的沟长、沟宽和面积均明显高于低等级沟道，4~6级沟道沟深逐渐增加，1~3级沟道截面以“V”形和“V~U”形为主。1~3级沟道为切沟，5级和6级沟道均为河道，4级既有沟道也有河道。 结论 河网分级法可以用于划分黑土区小流域沟道级别，切沟和河道在形态上具有显著差异，研究结果可以为侵蚀分级分类提供参考。

Abstract

Objective This study aimed to analyze the channel characteristics in a typical small watershed in the black soil region in northeast China， and to explore the methods for distinguishing gullies and stream channels. Methods A small watershed （14.59 km²） in the typical black soil region of Bin County， Heilongjiang Province， was selected as the study area. Based on drone imagery and the high-resolution digital elevation model， the Strahler's stream order method was used to classify permanent channels. Results The channel density in the watershed was 3.87 km/km²， and the number of channels in the small watershed decreased exponentially as the stream order increased. The proportion of level 1 channels was the highest （64.60%）， while the length and area of level 2 channels accounted for the largest proportion， 37.62% and 29.57%， respectively. Channels at levels 4 and above had significantly greater width， length， and area than those at lower levels. Channel depth gradually increased from level 4 to level 6. The cross sections of channels at levels 1 to 3 were primarily "V"-shaped or "V"-"U"-shaped. All level 1 to 3 channels were classified as erosion gullies， and level 5 and 6 channels were classified as steam channels， while level 4 channels exhibited characteristics of both. Conclusion The Strahler stream order method is applicable for classifying channels in small watersheds of black soil regions. Erosion gullies and stream channels show distinct morphological differences. The findings provide a reference for erosion classification and management.

Graphical abstract

关键词

河网分级 / 沟道 / 切沟 / 河道 / 黑土区

Key words

river network classification / channel / erosion gully / stream channel / black soil region

东北黑土区是全球四大黑土区之一，因其肥沃的腐殖质表土层成为优质的耕地^［1］，是我国重要的粮食产业基地。然而近百年的大范围垦殖导致黑土地严重退化，造成土层剥蚀、养分流失及耕地破碎化等严重问题^［2］，东北黑土区正在从“生态功能区”向“生态脆弱区”转变^［3］。根据中国水土保持公报^［4］，50 m以上沟道多达66.67万条，总长度23.24万km，发展沟占比88.43%。因此，深入开展沟道发育特征研究对于东北黑土区水土保持具有重要意义。

受到冻融、降雨等自然因素的多重作用^［5-7］，以及长期耕作的影响，东北黑土区沟道主要分布在漫川漫岗和丘陵区，具有数量大、分布广等特点^［8］，沟道形态特征差异大，类型多样。关于东北黑土区沟道分类方法，刘从坦等^［9］使用深度、宽度、坡度等指标将沟道分为5类；姜芸等^［10］根据沟谷发育阶段、规模和纵剖面形态特征等，结合东北地区地形及耕作特点将沟道分为4类。不同学者的分析与评判角度不同，造成黑土区沟道的分类并没有形成统一标准。大部分公开发表的文献中只区分浅沟和切沟，对于黑土区是否存在冲沟也有争议。其中，有些研究^［11-12］并未严格区分切沟和河道，文献中的切沟涵盖沟长从几米到十几千米的沟道。关于分级方法，东北黑土区侵蚀沟调查按沟道长度分为7级^［4］。不同类型和级别的沟道发生、发育机理有所不同，危害程度和治理措施也不相同，科学的沟道分级分类方法是沟道调查、监测和精准治理的重要依据。

沟道的精确分类和分级还依赖于高精度测量数据。无人机测量因其时效性强、灵活度高、数据分辨率高等优点^［13-14］，为构建高精度数字地形模型，精准提取沟道三维形态参数提供重要数据^［15］。

本研究选取东北典型黑土区的完整小流域（14.59 km²），基于无人机影像及其生成的高精度DEM数据（0.13 m）提取全部永久性沟道（不包括浅沟），参照Strahler河网分级法^［16］划分沟道级别，解析不同级别沟道数量、形态特征及切沟和河道的形态差异，力求为黑土区沟蚀的精准防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选取东北典型黑土分布区^［17］黑龙江省宾县马蛇子河流域的1个小流域作为研究区（图1）。小流域位于宾县宾安镇（45°41′03″~45°44′05″N，127°38′06″~127°42′01″E），面积14.59 km²。土地类型以耕地为主，沟道侵蚀呈现复杂性和多样性。宾县属于松花江流域，地形主要以漫山漫岗和低山丘陵为主^［18］，属于寒温带半湿润大陆性季风气候区，年平均气温-7~11 ℃，多年平均降水量570 mm，从影像上能确认研究流域有秸秆覆盖，耕作方式既有顺坡起垄也有横坡起垄，土壤类型以暗棕土、黑土为主，土壤母质发育于第四纪黄土状沉积物，发育深度为30~100 cm^［19］，小流域土地利用以耕地为主，主要种植玉米和大豆。

1.2 数据来源

多期无人机影像数据主要拍摄于2022年10月，2024年6月及2024年10月进行部分补拍。使用DJI大疆精灵无人机进行拍摄，为确保飞行稳定及良好的光照条件，选择在晴朗无风的天气进行拍摄。无人机在500 m的高度上飞行，横向和纵向重叠率都设置为70%，地面分辨率为0.13 m。得到航拍相片后，使用Pix4Dmapper无人机影像处理软件对其进行拼接，获得原始影像，经过图像预处理、空中三角测量、正射镶嵌3部分，得到正射影像（DOM）和数字表面模型（DSM），通过点云滤波去除植被干扰，得到分辨率为0.13 m的数字高程模型（DEM）。坐标系采用WGS_ 1984_UTM_Zone_52N，高斯-克吕格投影。

1.3 沟道分级方法

Strahler河网分级法是一种基于河流汇流结构的河流分类系统，旨在通过定义河流的等级来研究河流的水文特性^［16］。本研究以Strahler河网分级法的原理为基础，设没有支沟的沟道等级为1级，相同等级的沟道交汇时，交汇的沟道等级提升1级，若不同级别的沟道交汇，等级选取较高者，结果见图2。

1.4 沟道形态参数的提取与统计分析

对于浅沟和切沟的界定有明确的标准，而且耕地上的浅沟是暂时性沟道，可以被耕作消除，可能在原地重复出现^［20］。本文通过目视解译和对比不同时期的影像，只提取研究区的永久性沟道（包括切沟与河道）。采用Strahler河网分级法对沟道进行分级，统计不同级别的数量。

以无人机影像为基础，通过目视解译在研究区内提取沟道的沟缘线，计算沟道面积。使用ArcGIS 10.8软件提取沟道中心线，计算沟道沟长。

结合DEM，使用ArcGIS软件计算沟道纵比降（沟道沟头与沟尾高程差与沟长的比值）、宽深比等参数。利用ArcGIS 10.8软件在每条沟道上中下游分别截取3个剖面，使用3D Analys模块下的Profile Graph功能生成剖面图^［21］，分别测量每个沟道剖面的顶宽、底宽和沟深，进一步依据顶宽和底宽判断沟谷截面的形态。

2 结果与分析

2.1 沟道数量特征

小流域永久性沟道总数为147条（表1），主沟支沟比（流域内主沟道长度与总沟道长度之比）为1∶8.3。1级沟道数量最大，占总沟道数量的64.60%，明显高于其他等级沟道。随着等级上升，沟道数量占呈指数递减，5级和6级均只有1条，仅占0.7%。2级沟道占沟道总长度和总面积的比例最大，总长度为21.26 km，总面积9.88 hm²，分别占比37.62%和29.57%，表明该流域正处于壮年期侵蚀阶段。2级沟道作为主干支流，既继承1级沟道的溯源侵蚀特征，又通过侧蚀扩张形成规模优势。4级沟道的长度和面积占比均最低，为规模分布的转折点，可能对应着流域内切沟与河道的过渡。6级沟道虽然只有1条，但长度和面积占比分别为11.97%和27.66%，说明高级别沟道具有更显著的横向扩展能力。小流域总的沟道密度为3.87 km/km²，其中，2级沟道的线密度最高，为1.42 km/km²。4级沟道的线密度最低，为0.19 km/km²。

2.2 不同级别沟道形态参数比较

随着沟道等级的增加，平均沟长和面积显著增大（表2和图3）。1级沟道的平均沟长最短，平均面积最小，与更高级别的沟道差异很大。2级、3级沟道的平均沟长和面积差异不大。4级沟道相较于2级、3级沟道长度和面积进一步增大。1级到3级的沟长和面积的变异系数逐级递减。1级沟道的沟长和面积变异系数高达85%和112%，高度离散。2级和3级沟道的规模接近但变异系数下降，表明沟道侵蚀进入稳定扩展期。4级以上沟道数量少，难以反映真实的离散程度。

由图3可知，2级沟道的平均沟深大于1、3和4级，沟头溯源切割强烈。3级沟道沟深显著小于1级和2级，且变异系数最小，为29%，可能因沟底淤积使表观深度减小，4~6级沟道样本数少，但平均沟深逐级增大。沟道宽深比呈逐级递增趋势，表明沟道形态由深窄型向宽浅型逐渐演化，进入横向扩展成熟期。从沟道纵比降来看，1~3级逐级递增，4级沟道平均比降最小，4~6级又是逐级递增，原因有待进一步研究。

总体来看，沟宽随等级的增加而增大。1~3级的沟宽集中分布于较低范围，其中3级沟道变异系数为0.31，分布最为集中，反映流域中低等级沟道的形成条件相对一致。但从4级开始，沟宽平均值明显增大，特别是5级与6级的沟宽远高于1~4级，符合常见的侵蚀过程，随着侵蚀加剧，沟道逐渐扩展。随着沟道级别的升高，顶宽和底宽均逐渐增大（图4）。1~3级沟道沟顶宽大部分<4.0 m，4~6级沟道中，顶宽6~8 m的比例逐级增大。在1~3级沟道中，约80%的沟底宽<1.5 m，4级沟道沟底宽均超过1.0 m，5级沟道底宽为2.72 m，6级沟道底宽达到7.66 m。沟道的底宽顶宽比是沟道截面形态的重要指标，能反映沟蚀过程的环境特征。根据底宽顶宽比可将截面形态分为“V”形（0~0.4）、“V~U”形（0.4~0.6）和“U”形（0.6~1.0）^［22］。由图5可知，1、2级沟道的“V”形比例接近40%，“U”形较少；3级沟道中“V”形比例只有20%，“V~U”形占比近70%；4级沟道3种类型各有1条；5级沟道上游为“V~U”形，下游为“U”形；6级沟道为“U”形。

2.3 切沟和河道划分

准确区分切沟和河道对于侵蚀沟调查和治理具有重要意义，但切沟和河道在形态参数上没有明确的区分标准。根据THWAITES等^［23］提出的指标：河道是由流动的水（季节性或常年性）通过侵蚀和沉积形成的永久性特征，存在河床、河流阶地和河漫滩等；切沟与河道相比较短，且可以独立存在；河道宽深比>1。本研究中的沟道宽深比数据均>1，无法依据宽深比区分切沟和河道。按照单一指标（季节性或常年性流水）分类，1~3级沟道均为切沟，5、6级沟道均为河道。在3条4级沟道中有1条为河道（图2中最长的4级沟道），截面形态为“U”形，明显不同于另外2条切沟，其沟长、面积和宽深比均远大于同级的2条切沟。

3 讨 论

黑土区沟蚀危害严重，沟道分级和分类是沟蚀监测和防治的重要依据。切沟是最活跃的侵蚀沟，是沟蚀防治的重点，而河道属于河网系统，区分切沟和河道对于提高侵蚀沟防治的针对性十分必要。受地域差异的影响，黑土区并不能完全照搬黄土区的侵蚀沟分类体系，到目前为止还没有形成统一的分级分类标准。难点在于切沟的规模和形态差异巨大^［24-25］，导致较大的切沟与河道难以区分。

李全峰等^［26］使用面积、长度和宽度等指标建立耕地侵蚀沟“类+等+型”的分类定级方法，揭示耕地侵蚀沟的形态特征及其危害情况。河网分级方法对沟道的分类有重要的启示作用^［27］，优势是能够反映不同级别沟道的发展阶段，结合沟道流水特征明确区分切沟和河道。研究区1~3级沟道全部为切沟，尤其是1级沟道数量大，进一步发育的风险较大，应作为重点监测和治理对象。本研究可为东北黑土区沟道分级、分类及侵蚀沟治理提供参考。

在黄土区，坡面上的侵蚀沟可能呈现上坡为细沟、中坡为浅沟、下坡为切沟的特点，即一条侵蚀沟可以具备多种类型^［28］。黑土区类似情况。从沟蚀治理的角度，如果一条沟道的不同区段形态差异明显，理论上应该划分为不同类型。冲沟是黄土高原典型的沟道类型，对黄土高原的土壤侵蚀调查和治理十分重要，但在其他地区很难一一对应^［29］，在黑土区是否存在冲沟还需要进一步研究。

4 结 论

1）研究流域的沟道划分为6级，各级数量随着等级增加呈指数递减趋势。1级沟道数量占比最高，达64.60%。2级沟道在长度和面积上占比最大，分别为37.62%和29.57%。流域沟道总密度为3.87 km/km²，2级沟道的线密度为1.42 km/km²，明显高于其他级别沟道，在区域水土流失中占有重要地位。

2）各级沟道形态逐级演化。1级沟道的平均沟长和面积最小。2、3级沟道的平均沟长和面积差异不大。1~3级的沟宽较小，4级以上沟宽明显增大。1~3级沟道中90%属于“V”形和“V~U”形，但“V”形逐级递减。“U”形逐级增加，5级沟道上游为“V~U”形，下游为“U”形，6级沟道为“U”形。沟道宽深比和纵比降逐级递增，显示出沟道形态的逐步演化过程。特别是4级以上的沟道，呈明显的河道特征，其宽度和深度的增加表明沟道的成熟与稳定性逐渐增强。

3）1~3级沟道全部为切沟，4级中1/3为河道，5、6级沟道均为河道。切沟与河道在沟长、沟宽、宽深比和截面形态等方面差异明显，在流域演化过程中的转变明显。

4）1级沟道数量大，但沟长和面积较小，进一步发育的风险较大，应作为重点监测和治理对象；2级沟道在长度和面积上占比最大，是小流域水土流失的主要策源地，应采取有效的措施加以防控。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2024YFD1501200)