黄土丘陵区切沟形态特征及体积估算模型研究

Morphological characteristics of gully are important not only for representing environmental factor of gully development，but also for understanding erosion dynamics. Gully volume is a key parameter representing gully erosion amount, and the issue of modeling volume is the basic problem and plays an important part in gully erosion research. However, little research on characterizing gully morphology and modeling gully volume has been published in the hilly Loess region, which have restricted the Regional Soil Erosion Survey and Evaluation. The objective of this study is to explore morphology characteristics of gully and its controlling factors, and build a model to assess gully volume with gully parameters that may be determined from high resolution satellite images. The project, a 3-D scanner was used to measure valley bank gully morphological parameters, will explore morphological features and controlling factors of gully in different surrounding environment, and investigate the relationships between cross section and volume of gullies, and then build a model parameter to assess gully volume and access the effect of some watershed, topography, soil, land use and some morphometric characteristics of gully on the model. Finally, a model will be determined which can be widely applied in the Loess Hilly region. Our results have a number of potential applications in modeling and mapping gully erosion over a large scale，and will be great help in soil and water conservation assessment.

切沟形态特征不仅能反映切沟发育的环境因子，亦有助于深入理解切沟侵蚀机制。切沟体积是表征侵蚀量的关键参数，切沟体积估算模型也成为切沟侵蚀研究的基础核心问题。但在黄土丘陵区关于切沟形态特征及体积估算模型的研究鲜有报道，制约着区域水土流失普查与评价。本项目旨在探究黄土丘陵区切沟形态特征及影响因子，建立基于高分辨率遥感影像的切沟体积估算模型。本项目利用三维激光扫描仪监测黄土丘陵区发育在沟间地与沟谷地过渡地带上的切沟，探究不同环境条件下切沟的形态特征及其响应，分析横剖面与切沟体积之间的关系，确定切沟体积估算的模型参数，进而探究水文、地形、土壤、土地利用等对模型的影响机制，最终建立具有一定适用性的切沟体积估算模型。研究结果在较大空间尺度进行切沟侵蚀定量模拟、空间分布制图上有重要的应用价值，也为区域水土保持评价提供科学依据。

切沟形态特征是各环境因子共同作用的结果，反映沟蚀强度；体积是表征切沟侵蚀量的关键参数，建立体积估算模型对大空间尺度切沟侵蚀定量研究有重要意义。本项目选择黄土丘陵区典型样区，利用三维激光扫描仪、高分遥感影像等，开展切沟体积的测算方法构建、切沟形态特征及其对环境的响应、切沟断面特征与体积关系、切沟体积估算模型建立等研究内容。本课题取得的主要进展和结论概况如下：（1）与三维激光地形数据相比，断面法获取切沟体积误差在4.74~16.31%范围；较均匀间距断面法，非均匀间距更具适用性。（2）切沟断面参数值从沟头、沟中到沟口均逐渐增大，仅沟深差异不显著；沟头以U型为主，沟口主要呈V型；切沟横向侵蚀速率大于沟底下切速率；切沟沟长、沟宽及面积均随坡度增加呈先增大后减小的趋势，在30～40°范围最大，坡向上呈现阴坡大于阳坡；与农地和草地小流域相比，林地小流域以大型切沟为主，但数量最少；较草地，集水区为灌草结合的切沟断面以U型为主。（3）U型和V型切沟之间的底宽及宽深比均存在显著性差异；除了沟深，U型切沟具有更大的断面参数值；建立了切沟体积（V）与断面面积（CSA）之间的回归方程：V=0.6643*CSA^1.6694。（4）分别建立了沟长（L）、面积（A）与切沟体积之间的关系模型：V=5.4433*L^1.6641和V=1.7097*A^1.1356，其中，V-A关系模型更具有适应性。体积测算方法影响模型精度，3D法建立的模型精度更好；不同体积测算方法建立的模型（V=a*X^b），与b相比，结果对模型参数a影响更大；断面形状亦影响模型参数，和V-A相比，断面形状对V-L模型参数b影响更大。相比其他区域，黄土高原区V-L关系模型中参数b值更大，表明黄土高原切沟断面尺寸更大，更易侵蚀；V-A关系中，与陕北黄土区相比（b=1.3971），由于晋西黄土区切沟由沟头到沟口的深度几近不变，参数b值更小。研究结果可应用于较大空间尺度的切沟侵蚀定量模拟、空间分布制图，亦有利于沟蚀防治。