江苏省平原区河岸边坡利用方式和特征分析

2022-04-08代梦梦田芷源郭红丽杨逸辉贺燕子

水土保持学报 2022年2期

代梦梦，梁音，田芷源，郭红丽，杨逸辉，李盟，郭伟，贺燕子

(1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2.中国科学院大学现代农业科学学院，北京 100049；3.江苏省水文水资源勘测局，南京 210029；4.江苏省水利厅农水处，南京 210029；5.江苏省水文水资源勘测局宿迁分局，江苏宿迁 223800)

河岸边坡是江苏省平原区发生水土流失的主要策源地，但是由于平原地区整体的坡度较缓，坡度因子接近于0，研究与监测工作往往忽略了平原区河岸边坡所发生的水土流失。边坡土体由于离河水近，地下水位高，除自上而下的雨水渗漏外，还受到来自河流横向水分渗漏的影响，因此土壤含水量普遍较高，而较高的土壤含水量会缩短降雨后的初始产流时间，从而增大地表径流量和土壤侵蚀量。此外，河岸土体的抗剪强度相对较低，在强降雨、地表径流等冲刷下，坡面易产生细沟、切沟侵蚀；在水流冲刷和船行波的扰动下，下部土体被掏蚀，上部土体由于失去支撑形成陡坡或倒坡，进一步发展成为严重的坍塌。由于平原区地势平坦，水流速度慢，河岸边坡发生水土流失后进入河流的泥沙会很快沉积下来，进而淤塞河道，削弱河道正常的引排水和调蓄等功能，导致洪涝等灾害。综合前人研究发现，河岸边坡水土流失的研究主要关注于河岸侵蚀的发生机理和影响因素，且国内研究主要集中在以长江为主的大江大河段，有关河岸边坡区域范围内水土流失整体情况的调查研究还未见报导。水土流失动态监测是对区域水土流失现状的宏观把控，但基于目前所使用地形图的空间分辨率，无法准确提取平原区河岸边坡的坡度因子，因此动态监测成果很难反映出平原区河岸边坡的水土流失现状。

土地利用方式是影响水土流失的重要因子之一，不同土地利用方式通过改变土壤水分、有机质含量和土壤抗蚀性等土壤理化性质，进而影响坡面侵蚀产流产沙过程。有研究表明，在坡面上耕地和裸地的单位面积产沙量显著大于水保林和自然草地。随着城市化进程加快，河岸边坡的自然生境遭到破坏，前人研究表明，平原区河岸边坡生态环境的干扰主要来自农业生产活动，人类活动显著改变了边坡原有的利用方式，严重威胁边坡土体及生态系统的稳定。鉴于上述情况，本研究以江苏省河岸边坡为研究对象，调查区域范围内河岸边坡利用格局，基于无人机航拍和野外实地考察，旨在了解河岸边坡整体的环境状况，以及不同区域的边坡利用特征，以期为国家和地方政府采取河岸边坡水土保持措施，制定水土流失治理方案等提供基础数据和科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

江苏省位于我国东部沿海地区，介于116°18′—121°57′E，30°45′—35°20′N，全省陆地总面积为10.72万km，地形以平原为主，境内湖泊众多，河网密布，水系发达，尤以太湖平原和里下河平原的河道最为密集。江苏省河道种类众多，全省现有河道2万多条，总长度高达11.11万km。研究区属于亚热带向暖温带的过渡区，气候温和，雨量适中，四季分明，全年平均气温在13～16 ℃，多年平均降水量为800～1 100 mm，但时空分布不均，降雨多集中在5—9月。江苏省经济发达，是长江三角洲的重要组成部分，目前已成为全国综合发展水平最高的省份，并率先开启对河岸边坡的水土流失整治工作。

1.2 数据来源与处理

本研究于2021年4月采用深圳市大疆创新科技有限公司的精灵4 RTK多旋翼无人机对河道及河岸边坡进行航拍。无人机飞行高度为80 m，航行重叠度为80%，旁向重叠度为70%，镜头垂直向下拍摄。航拍影像采用Pix4D软件进行拼接处理，输出可见光正射影像图(digital orthophoto map, DOM)，并使用ArcGIS软件对河岸边坡进行提取。

2 研究方法

2.1 调查河段布设

依据《江苏省骨干河道名录表》，按河道主要功能、汇水面积和过水能力等划分，江苏省河道主要包括4类，分别为：流域性河道(Ⅰ)、区域性骨干河道(Ⅱ)、其他重要河道(Ⅲ)和县乡河道(Ⅳ)(表1)。其中流域性河道(Ⅰ)总长度为0.35万km，区域骨干河道(Ⅱ)0.55万km，其他重要河道(Ⅲ)1.25万km，县乡河道(Ⅳ)8.96万km。本研究在综合考虑江苏省水土保持区划(南方红壤区、北方土石山区)和土壤质地(沙性土、非沙性土)的基础上，依据河道类型选择各类河道共14条进行无人机航拍，其中7条河道位于南方红壤区，7条河道位于北方土石山区(图1)。同一河道内布设3条河段，共计42条河段，其中19条河段位于沙土区，23条河段位于非沙土区。研究设置Ⅰ类河道的3条河段之间间隔20 km，Ⅱ类间隔10 km，Ⅲ、Ⅳ类间隔5 km，每条河段沿河流方向拍摄影像500～700 m不等。

表1 调查河段的基本信息

图1 调查河段在研究区域的分布

2.2 河岸边坡影像提取

河岸边坡具体指河流水位以上的河道迎水侧边坡。结合野外调查的边坡宽度、利用类型等数据，通过对每条河段的正射影像进行分析以确定河岸边坡的影像特征，并利用ArcGIS软件对影像中的河岸边坡部分进行识别提取。以南六塘河的第2河段为例，见图2。

2.3 边坡利用类型划分

在《土地利用现状分类》的基础上，结合河岸边坡利用特点，本研究将河岸边坡的利用类型划分为草地、林地、耕地、裸地、护坡工程用地和其他用地6类(表2)。

表2 研究区河岸边坡利用现状分类

根据各类地物在无人机遥感影像上所反映的颜色、纹理、形状等特征，综合实地考察确定的河岸边坡特征(表3)，利用ArcGIS软件，采用目视解译和人工勾绘的方式对各类地物进行提取，获取边坡利用类型空间分布影像，见图2(c)。

表3 无人机影像解译河岸边坡标志

图2 南六塘河第2河段正射影像、提取的河岸边坡及边坡利用类型

2.4 统计分析方法

研究利用ArcGIS软件的分析工具，统计了各河段的河段长度、水面宽度、边坡宽度(单侧)及边坡面积(双侧)等，并利用Origin 2017软件对统计数据进行相关分析。由于无人机航拍成果为正射影像图，因此边坡面积实际是投影面积，边坡宽度是河岸边坡的水平宽度，当河岸垂直于水面时，边坡宽度为0 m，1个调查河段采用1个平均宽度作为该河段的边坡宽度。

(1)

(2)

式中：为水面宽度(m)；、、分别为在河段正射影像图中上、中、下3个位置的水面宽度(m)；为单侧的边坡宽度(m)；为双侧的边坡面积(m)；为河段长度(m)。

由于调查河段长度不一，为比较不同河段的边坡情况，需要先对河岸边坡的面积进行归一化处理，研究统一计算了每条河段沿河流100 m范围内各利用类型下的边坡面积(双侧)。

(3)

(4)

(5)

式中：为沿河道100 m内第条河段、第种利用类型的边坡面积(m/100 m)，取1～42，取1～6；为第条河段、第种利用类型统计面积(m)；为第条河段的河道长度(m)；为沿河道100 m内第种利用类型的平均边坡面积(m/100 m)；为调查河段个数；为研究区内所有河道边坡的面积(m/100 m)；表示类河道的河岸边坡面积(m/100 m)，取1～4；表示类河道长度占全省河道总长度的比例(%)。

3 结果与分析

3.1 河岸边坡宽度与水面宽度的关系

河岸作为河流向陆地过渡的缓冲带，边坡坡度、边坡宽度等微地形是影响其发生水力侵蚀的主要因素。本研究在野外调查中发现，边坡坡度主要集中在10°～30°，发生水土流失的风险较大。同时，调查发现河岸边坡宽度的差异较大，为探究边坡宽度与水面宽度的关系，研究计算了不同类别河道下各河段的水面宽度及边坡宽度，并统计了42条调查河段边坡宽度的基本统计学特征。结果表明，从流域性河道(Ⅰ)到县乡河道(Ⅳ)，平均边坡宽度总体上呈逐渐减小的趋势(表4)。其中Ⅰ类河道的边坡宽度最大，平均边坡宽度可达23.29 m，Ⅳ类河道的边坡宽度最小，平均边坡宽度为6.10 m，Ⅱ类和Ⅲ类河道的平均边坡宽度相近，分别为9.64，8.53 m，但二者的变异系数相差较大(表4)。4类河道的河岸边坡宽度的变异系数介于0.37～0.95，表现为中等程度变异性，但Ⅰ类和Ⅱ类河道的变异系数远大于Ⅲ类和Ⅳ类河道，这可能是由于大型河道两岸多采取硬质护岸等措施，隔绝自然条件下河流对边坡土体的冲刷，工程对河岸的改造作用较大，从而影响边坡宽度。值得注意的是，垂直护岸工程改变Ⅰ类和Ⅱ类河道的自然边坡结构，导致出现河岸边坡宽度为0 m的情况，造成边坡宽度的变异性较大。硬质护岸措施虽然保护边坡免受水流的冲刷，但也使得河岸边坡的自然生境遭到破坏，失去原有的生机。建议在护岸护坡工程建设中，可以结合河流的自然生境特点采用生态护坡模式，比如石笼生态护坡、土工格室制草护坡、浆砌片石骨架植草护坡等。采用线性函数进一步量化宽度>0 m 的河岸边坡宽度与水面宽度的关系发现，河岸边坡宽度随水面宽度的增大，大致呈逐渐增加的趋势(图3)，表明水流在河岸边坡的塑造中发挥重要作用。

图3 边坡宽度随水面宽度的变化趋势

表4 4类河道的河岸边坡宽度统计学特征单位：m

3.2 4类河道的边坡利用类型与水土流失

利用ArcGIS软件对研究区内4类河道的河岸边坡面积进行统计，进而分析河道类别与边坡面积的关系。由表5可知，江苏省所有河道的平均边坡面积为1 467.50 m/100 m。从县乡河道(Ⅳ)到流域性河道(Ⅰ)，边坡面积总体上呈逐渐增大的趋势，其中流域性河道(Ⅰ)的边坡面积最大，为4 657.07 m/100 m，是区域性骨干河道(Ⅱ)的2.42倍，其他重要河道(Ⅲ)的2.09倍，县乡河道边坡(Ⅳ)的3.82倍(表5)。

表5 4类河道不同利用类型下的边坡面积统计单位：m2/100 m

对4类河道不同利用类型的河岸边坡面积占比进行统计(图4)可知，江苏省河岸边坡的利用类型以草地、林地和耕地为主，分别占边坡总面积的38.15%，34.45%和19.66%，而裸地、护坡工程用地和其他用地的面积占比较小，分别为6.10%，0.93%和0.70%。各类河道的河岸边坡土地利用结构特征不尽相同。其中流域性河道(Ⅰ)边坡利用类型以林地和草地为主，分别占总面积的43.91%和37.71%；区域性骨干河道(Ⅱ)以林地、耕地和草地为主，分别占总面积的32.83%，31.56%，28.20%；其他重要河道(Ⅲ)和县乡河道(Ⅳ)均以草地、林地、耕地为主，分别占总面积的39.05%，36.56%，14.77%和38.96%，32.74%，21.84%(图4)。

河岸边坡各利用类型在不同河道类别中存在差异。其中，草地和林地面积在各类河道的边坡中均占有较大的比重，但在流域性河道(Ⅰ)和区域性骨干河道(Ⅱ)为林地面积占比大于草地，而在其他重要河道(Ⅲ)和县乡河道(Ⅳ)为草地面积占比大于林地(图4)，这可能是由于在大型河道整治中岸坡防护林的建设提高了河岸边坡的林地面积占比。

图4 4类河道不同利用类型边坡面积占比

另外，耕地仅在流域性河道(Ⅰ)边坡中的面积占比较小，为4.62%，但在其他3个类型河道的边坡中均占有较大的比重，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类河道占比分别为31.56%，14.77%，21.88%(图4)。此外，由于耕地受到频繁的人为扰动，加剧坡面水土流失的程度。结果表明，研究区内的土地资源紧缺，群众在河岸边坡上开垦耕种的现象普遍存在。边坡耕地面积在Ⅰ类河道的占比较小，表明对大型河道的严格管理能有效控制边坡耕地面积。

在野外调查中发现，流域性河道(Ⅰ)和区域性骨干河道(Ⅱ)的裸地主要来自河道两侧的生产建设项目弃土，其他重要河道(Ⅲ)和县乡河道(Ⅳ)边坡的裸地则主要是因河道疏浚的弃土就地堆积，将原本的植被覆盖造成。由于缺少必要的植被覆盖，裸露的边坡在受到雨滴击溅后，快速形成地表结皮，减少雨水入渗，从而增大径流量，增强土壤侵蚀程度。统计结果显示，裸地面积占比在Ⅰ、Ⅱ类河道分别为1.96%和2.55%，在Ⅲ、Ⅳ类河道分别为8.55%和6.43%(图4)，表明生产建设活动对河岸边坡水土流失的影响程度较轻，但研究区内小型河道淤积问题比较突出。

护坡工程是为防止边坡侵蚀而修建，可以反映政府对于河道保护的投入程度。由图4可知，护坡工程用地面积占比从流域性河道(Ⅰ)到县乡河道(Ⅳ)呈逐渐降低的趋势，表明目前研究区内对大型河道边坡防护的重视程度较高，对小型河道边坡的关注度较低。其他用地(包括房屋与道路)面积占比从流域性河道(Ⅰ)到县乡河道(Ⅳ)也呈逐渐降低的趋势，但总体占比较小，均低于5%，对边坡的影响不明显。

3.3 沙土区和非沙土区河岸边坡利用特征

江苏省平原沙土区面积高达2万km，主要包括通南高沙土区、沿海平原沙土区和黄河故道高亢沙土区。沙土区内土壤以细沙和粉沙为主，土质松散，结构性较差，土壤抗蚀抗冲能力弱，沙性河岸边坡在地表径流的作用下，更易发生水土流失。为探究河岸边坡面积与土壤性质的关系，研究统计了各类河道在沙土区和非沙土区的河岸边坡面积。从表6可以看出，江苏省整体的沙土区边坡面积略大于非沙土区，但不同类别河道之间存在差异：Ⅰ、Ⅱ类河道的边坡面积为沙土区小于非沙土区，Ⅲ、Ⅳ类河道为沙土区大于非沙土区。这可能是由于沙性边坡土质疏松，在河流高水位的浸泡和冲刷下，容易形成更为宽阔的边坡。但在大型河道中水流和船行波作用强烈，松散的沙性土壤抗冲刷性能弱，边坡土体易随水流失，严重时甚至发生坍塌，造成最终形成的边坡宽度较窄。

表6 不同土壤性质下4类河道的河岸边坡利用类型面积统计单位：m2/100 m

为进一步探究河岸边坡土地利用特征与土壤性质的关系，研究统计了4类河道中各利用类型在沙土区和非沙土区的面积占比(图5)。结果表明，除区域性骨干河道(Ⅱ)外，草地面积占比在各类河道均为沙土区小于非沙土区，耕地面积占比均为沙土区大于非沙土区。林地面积占比总体上为沙土区大于非沙土区，可能是因为沙性边坡存在更大的水土流失的风险，因此边坡防护林的建设主要在沙土区。然而林地面积在各类河道之间存在差异：Ⅰ、Ⅱ类河道为沙土区小于非沙土区，Ⅲ、Ⅳ类河道为沙土区大于非沙土区。裸地面积占比在各类河道的河岸边坡中均为沙土区大于非沙土区，而护坡工程用地在沙土区的面积占比总体上小于非沙土区。综合分析可知，相较于非沙土区，沙土区林地、耕地和裸地面积占比更大，而草地、护坡工程用地面积占比更小，自然和人为因素都增大了沙土区水土流失的风险。

图5 4类河道不同利用类型在沙土区和非沙土区面积占比

3.4 不同水土保持区划河岸边坡利用特征

为探究河岸边坡面积在不同水土保持区划中的异同，将调查河段归类为南方红壤区(N)和北方土石山区(B)，分别统计各类河道不同利用类型的河岸边坡面积。从表7可以看出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类河道的边坡面积均是北方土石山区大于南方红壤区。流域性河道(Ⅰ)在北方土石山区的边坡面积为南方红壤区的5.46倍，区域性骨干河道(Ⅱ)为4.82倍，其他重要河道(Ⅲ)为1.49倍，而县乡河道(Ⅳ)在2个分区的面积相近，表明沿河流100 m范围内北方土石山区的边坡面积整体上大于南方红壤区，但从流域性河道(Ⅰ)到县乡河道(Ⅳ)，二者的差距逐渐减小。

表7 不同水土保持区划下4类河道的河岸边坡利用类型面积统计单位：m2/100 m

为进一步探究边坡利用特征对水土保持区划的响应，研究统计了4类河道不同河岸边坡利用类型在南方红壤区与北方土石山区的面积占比。从图6可以看出，草地和林地的边坡面积在南方红壤区和北方土石山区各类河道中均占有较大比重，但呈现出完全相反的规律：除流域性河道(Ⅰ)以外，草地面积占比均为南方红壤区小于北方土石山区，林地面积占比均为南方红壤区大于北方土石山区，这可能是因为南方红壤区充沛的水热条件更有利于乔灌木的生长。耕地面积占比总体上为南方红壤区大于北方土石山区，这可能是由于苏南地区经济发展迅速，土地资源紧缺，耕地进一步向河岸边坡扩张。护坡工程用地主要分布在流域性河道(Ⅰ)和区域性骨干河道(Ⅱ)，且在这2类河道的河岸边坡中面积占比均为南方红壤区大于北方土石山区，这种差异可能是由于苏南和苏北两区发展不平衡的经济造成。苏北地区经济发展水平与苏南存在着较大的差距，这导致耗费资金的护坡工程主要分布在苏南地区。除区域型骨干河道(Ⅱ)以外，裸地面积占比均为北方土石山区大于南方红壤区，由于裸露地表直接受到雨滴击溅和径流冲刷作用，极易被侵蚀，表明北方土石山区存在更大的水土流失风险。