元谋干热河谷强侵蚀区陷穴空间格局分析

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  摘 要:陷穴是云南元谋干热河谷强侵蚀区主要的潜蚀地貌之一,是一种可以导致水土流失的一种地质灾害类型。选取元谋干热河谷具有典型性的强侵蚀区——沙地村范围内的陷穴作为研究目标,采取纸质版影像图与电子图相结合的方式进行野外数据采集,基于ArcGIS10.2软件的空间分析工具,对陷穴的最邻近指数、二阶性质的K函数以及核密度进行定量研究,并对占据重要比重的串珠状类型陷穴进行统计分析。研究结果显示,沙地村馅穴总体上呈现为以233.72 m为半径的范围内的聚集分布模型,在此范围内,陷穴的聚集模式呈现为先随着半径的增加而增加,当半径为102.47 m时陷穴聚集程度达到峰值;之后随着半径进一步增加陷穴的聚集程度逐渐降低;当半径超出233.72 m时,陷穴体现出分散的特征;总体而言,沙地村陷穴分为3个高密度区与3个低密度区,此类区域均为地形破碎的冲沟发育区;串珠状陷穴占总陷穴数的58.7%,每串陷穴的陷穴数有3~6、9~11、14~15个,且多以3~5个为主,大多分布于冲沟内部。研究结果揭示了干热河谷强侵蚀区陷穴在一定的范围内具有较强的聚集性,往往与冲沟相伴生,多分布于冲沟中上游位置,特别是冲沟沟头分布较为普遍。
  关键词:干热河谷;潜蚀;陷穴;空间格局
  DOI: 10.13651/j.cnki.fjnykj.2018.07.015
  Abstract: Sink hole is one of the main underground erosion landforms in the intensive erosion zone of Yuanmou dryhot valley in Yunnan, and a type of geological disaster that can cause water and soil loss. The sink holes of Shadi Village in the typical erosion area in Yuanmou dryhot valley, were selected as the research objectives, the field data was collected by both paper data image and electronic image. Based on the spatial analysis tools in ArcGIS10.2 software, we quantitatively studied the nearest neighbor index, the K function of the secondorder property and the nuclear density of the sink holes, and statistically analyzed the beadlike sinking holes which occupying an important proportion. The results showed that the sink holes in Shadi Village generally presented aggregated distribution within the radius of233.72 m. Within this range, the aggregation degree of sinking holes appeared to increase firstly as the radius increasing, and the aggregated degree peaked at102.47 m; then decreased with the increase of the radius, and showed the characteristics of dispersion when the radius exceeded233.72 m. In general, the sink holes in Shadi Village could be divided into 3 highdensity areas and 3 lowdensity areas, all of which were gully development areas with broken terrain. The beadlike sinking holes accounted for58.7% of the total, and the number of holes per string was 3-6, 9-11 or 14-15, largely 3-5, which mostly distributed inside the gully. The results revealed that the sink holes in the intensive erosion zone of the dryhot valley was with strong clustering character in a certain range, often associated with the gullies, and distributed largely in the middle and upper parts of the gully, especially the gully head.
  Key words: Dryhot valley; underground erosion; sink hole; spatial pattern
  潛蚀地貌是由于地表水局部集中,沿垂直节理、劈理、裂隙或洞穴等进入地下进行潜蚀作用所形成的一类地貌[1-2]。由潜蚀作用所形成的土壤管道是一种与土壤有关的自然灾害,影响着地下径流系统[3]。土壤的潜蚀能破坏各类工程设施,且破坏速度达到惊人的程度[4]。潜蚀作用在不同类型的气候、地貌和土壤环境中都有分布,在山坡、冲沟以及耕地等微地貌上都存在[5-7],并导致严重的水土流失。在某些地区潜蚀对于泥沙的贡献可以达到3%~61%[8],如在英国有近30%的土地是受到了潜蚀作用的影响[9]。   陷穴属于潜蚀地貌类型之一,是特定地层条件下因浸水、积水而发生局部湿陷或各种管道在水流等侵蚀作用下进一步扩容、塌陷而形成的露出于地面的竖向洞穴,可以影响土壤的侵蚀,导致土地破坏,加速沟谷系统的发育[10-11],是一种严重的地质灾害类型[12]。云南元谋干热河谷位于长江中上游重要的生态屏障保护区,但干热河谷内沟壑纵横,水土流失极为严重,特别是在强侵蚀区,潜蚀地貌分布极为广泛,是区域沟谷发育、地形破坏的重要影响因素之一,但目前还不清楚此类地貌在侵蚀区的分布规律。因此,有必要对潜蚀地貌在侵蚀区的分布格局进行深入研究。本研究选取元谋干热河谷具有代表性的强侵蚀区——沙地村的陷穴作为研究对象,通过野外调查结合遥感影像资料,利用ArcGIS10.2软件空间分析工具分析了沙地村陷穴空间分布格局,以期能找出陷穴在强侵蚀区的分布规律及其原因,为干热河谷水土流失治理及生态恢复提供理论依据。
  1 研究区概况
  元谋干热河谷位于滇中高原北面的龙川江河谷盆地内(E 101°35′至E 102°25′,N 25°25′至N 26°07′),全县国土面积2021.69 km2。元谋干热河谷四周高、中间低,四周高山围绕所形成的一个典型河谷盆地,境内龙川江自南往北纵穿盆地,盆地内高差悬殊,整个盆地自南向北呈倾斜的“筲箕凹”形[13]。元谋区内最高处海拔2835.9 m,最低处海拔898 m,高差达到1937.9 m,相对高差大造成自然环境要素在垂直方向上分异明显,从海拔最低处到海拔最高处可分为:宽谷平坝区、坝周低山丘陵区、中低山区和高中山区4个垂直地带[14]。由于横断山脉的深度切割,加之河谷焚风效应显著,气候干热,具有明显干湿季交替的亚热带季风气候型。年均降水量较少,仅615.1 mm,并且时间分配不均,一半以上的降水集中在6月至10月,蒸发量高达3640.5 mm,年平均气温21.8℃,年均日照时数2647 h,正常年无霜,被誉为“天然温室”[15-16]。
  本研究区域位于干热河谷中部,元谋县城附近的南东方向,该区域靠近人类聚居区,四周为人类活动较为频繁的农业种植区。研究区地形崎岖,冲沟系统发育不完善,是元谋干热河谷水土流失较为严重的强侵蚀区之一。
  2 材料与方法
  2.1 数据来源
  2.1.1 影像资料 遥感影像主要来自于P星数据和Bigemap下载的卫图数据两部分。两者可以形成互补,有利于野外调查时和实际情况对比。
  2.1.2 陷穴空间数据采集 以Bigemap下载的19级卫图(分辨率为0.51 m)为基础图件,采用华测LT600手持GPS平板电脑(亚米级)采集陷穴空间数据。在实际操作中,为了提高野外调查工作效率,并保证调查数据的精度,野外数据采集采用纸质版影像图与电子图相结合的方法。首先在野外找到至少3处具有明显参考性的地物标志,在纸质图中予以标注,同时在电子图中找到该类标志物予以标注坐标,另外利用GPS平板自带坐标系统进行该标志物的坐标标识,在Mapcloud office软件中对两组坐标进行配准校正,最后将校正后的影像图导入平板电脑。处理后的图像坐标系统与实际地理坐标具有极好的吻合度,在提高野外工作效率的同时也保证了数据采集的精度。
  2.2 研究方法
  研究区域选择在元谋县附近的强侵蚀区——沙地村范围内。自2010-2018年对该地侵蚀地貌进行连续调查,为获得最新的陷穴空间分布格局,本研究采用的数据为2017-2018年最新调查的数据,包括野外数据调查和室内数据处理两部分:野外重点调查陷穴的空间分布特征,同时记录陷穴之间的距离以及陷穴的平面形态特征。数据处理以ArcGIS10.2为工具,将陷穴看成是空间上一系列的点源数据,采用最邻近指数、二阶K函数以及核密度分析来分析判别陷穴的空间格局。
  3 结果与分析
  3.1 陷穴空间分布格局
  3.1.1 陷穴的聚集分布 本研究以野外采集的252组陷穴坐标数据为基础,利用Arc GIS10.2的空间统计中最邻近指数工具计算其最邻近指数。从陷穴最邻近指数计算结果(图1)可知,陷穴间最邻距离最小值为4.67,最大值为140.85,平均值为36.34。最邻近指数为0.24<1,在空间上为聚集模式。对显著性进行检验,得到的Z值为-23.51倍标准差。根据王远飞的描述[17],若Z值的符号为负,则模式趋向于聚集;若符号为正,则趋向于均匀分布。可知陷穴总体上是呈现聚集分布的模式。
  3.1.2 不同尺度有不同的聚集模式 采用二阶性质的K函数方对陷穴的分布格局进行深入分析。研究结果表明,陷穴在以233.72 m为半径的范围内呈聚集分布。在此范围内,陷穴的聚集模式呈现为先随着半径的增加聚集程度逐渐增加,在半径为102.47 m時陷穴聚集程度达到峰值,随着半径进一步增加陷穴的聚集程度逐渐降低;当半径超出233.72 m时,陷穴体现出分散的特征(图2)。
  3.1.3 陷穴的核密度分析 为了进一步分析陷穴分布的位置,采用核密度分析法计算了沙地村陷穴密集区域。研究结果显示,沙地村陷穴分为3处高分布区和3处次低分布区(图3)。其中,A1高密度区属于风化残余台地,该台地上植被稀疏,零星分布着小叶桉,地表土壤为燥红土,开裂现象明显,该台地边缘发育着处于幼年期的冲沟系统,沟内陷穴多呈密集的串珠状分布。A2陷穴高分布区地形较为破碎,台地多为处于幼年期和青年期的冲沟所切割,冲沟下切和侧蚀十分强烈。该处的冲沟有一个共同的特点:一侧沟岸坡度较缓,另一侧大致为直立形式。陷穴基本发育在直立沟岸的正下方,呈密集的串珠式分布。冲沟四周的植被稀少,零散分布有一些禾草类植物。此处的串珠陷穴之间大都已经贯通,中间仅剩1个土桥,土桥桥面宽度10~40 cm。A3陷穴高分布区中间为台地,台地四周为发育短小冲沟所环绕。陷穴主要散落在短小的冲沟中及部分集中在一个小平台上,平台上的陷穴多为种植的灌木枯死遗留的树坑发育而来。   此外还有3个比较集中的次低分布区,分别为图3中的B1、B2、B3三处。B1和B2处分布陷穴数量不多,相对较为零散;B3处及其周围区域较之B1和B2处,陷穴数量多,分布范围广,在核心区相对集中。陷穴次低分布区地貌类型主要为发展处于稳定期的冲沟。这类冲沟形态上体现为沟道宽阔,以浅 “U” 型沟为主, 沟底多为冲积物所覆盖,沟底多呈平坦状,低矮草本植被生长良好。
  3.2 串珠状陷穴空间分布格局
  串珠状陷穴一般由几个连续的陷穴组成(图4),在研究区占有较大的比重。沙地村的串珠状陷穴主要有以下几种类型:3个1串、4个1串、5个1串、6个1串、9个1串、10个1串、11个1串、14个1串、15个1串,每种类型都有一定的数量并占总陷穴数量一定比例。从调查结果(表1)可知,串珠状陷穴总数共有148个,占总陷穴数量(252个)的58.7 %。其中以3个、4个、5个1串为主要串珠组,共有20个,占总串珠组(27个)的74.0%;3~5个串珠状陷穴共有77个,占串珠陷穴总数(148个)的52.0%。3个、4个1串的陷穴主要分布于元马镇翠峰小学后方的冲沟群中,即次低分布区的B3区域及其周围;而5个以上成1串的陷穴多分布于A1区和A2区周围区域(图4)。这类区域的冲沟多数比较短小,沟內植被覆盖度低,多为裸地,侧蚀和下切强烈,冲沟两岸的直线距离小。
  4 结论与讨论
  (1)陷穴总体上呈现为以233.72 m为半径的范围内的聚集分布模型。在此范围内,陷穴的聚集模式呈现为先随着半径的增加而增加,当半径为102.47 m时陷穴聚集程度达到峰值;之后,随着半径进一步增加陷穴的聚集程度逐渐降低;当半径超出233.72 m时,陷穴体现出分散的特征。
  (2)陷穴核密度分析结果显示,沙地村陷穴分为3处高密度区和3处次低分布区。高密度分布区地形总体特征为风化残余台地、地形破碎严重,陷穴主要分布于冲沟系统内部,另一部分由于发育于枯死灌木遗留洞坑而分布与残留台地。次低分布区陷穴主要分布于发育稳定的冲沟系统内,该类沟谷以浅“U”型沟为主,沟底多为冲积物所覆盖,沟底多呈平坦状,低矮草本植被生长良好。
  (3)陷穴在元谋干热河谷分布范围广,在冲沟发育的强侵蚀区有着广泛的分布;在非强侵蚀区,诸如工矿分布区、农业耕作区等也都有分布。研究陷穴在更大范围内的空间分布格局,弄清陷穴空间分布格局的影响因素对于在干热河谷有效开展社会经济活动及对于金沙江流域生态环境保护具有较强的理论指导意义。关于陷穴在更大范围内的空间分布格局有待于下一步研究。
  (4)快速获取陷穴的分布数据是高效开展研究的必须手段。本研究陷穴形态尺度较小,难以采用遥感影像获取精确的位置信息,而地面调查又受限于人力及地形可达性影响,不能高效、全面地完成野外数据调查。因此,未来采用小型无人机结合地面测量是解决目前难以高效采集野外数据的一个有效手段。
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  (责任编辑:林玲娜)
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