干热河谷陷穴形态特征及成因分析_徐婷.pdf

第 37 卷第 2 期干旱区资源与环境Vol 37No 22023 年 2 月Journal of Arid Land esources and EnvironmentFeb 2023文章编号:1003 7578(2023)02 142 08doi:1013448/j cnki jalre2023045干热河谷陷穴形态特征及成因分析*徐婷1，2，3，杨丹1，2，3，舒成强1，2，3，冯建平1，2，3，张斌1，2，3，蒋良群1，2，3(1 西华师范大学地理科学学院，南充 637009;2 西华师范大学四川省干旱河谷土壤侵蚀监测与控制工程实验室，南充 637009;3 大小凉山干旱河谷土壤侵蚀与生态修复野外科学观测研究站，喜德 616753)提要:陷穴是干热河谷常见潜蚀地貌的类型之一，对侵蚀沟发育及工程建设均具有重要影响。为刻画干热河谷区陷穴的形态特征并探索其影响因素，文中基于野外实地调查，在建立陷穴形态指标体系的基础上，运用数理统计等方法分析了陷穴的平面及剖面形态特征，同时综合分析了土层性质、地形、气候等因素对陷穴发育的影响。结果表明:1)干热河谷典型陷穴平面形态以圆形和椭圆形为主，平面面积相对较小，但其形态复杂程度差异较大。2)陷穴主要以侧蚀为主，下蚀为辅，且剖面形态大都为 U 型，其中长轴剖面以上倾型为主，短轴剖面以右倾型为主。3)地层的层间差异，土壤的强崩性以及强分散性相似，为干热河谷以及黄土高原上陷穴的下伏的潜蚀管道提供了条件，使得两地陷穴的发育过程相似，从而导致平面形态相似;而影响两地陷穴发育的节理裂隙的主要类型不同，使得其发育规模有所差异;此外，干热河谷的地形和气候通过改变水动力条件直接或间接的影响着陷穴剖面形态的变化。文中研究结果有助于深入认识干热河谷陷穴的形态规律及其形成机制，为陷穴治理提供科学基础。关键词:陷穴;形态特征;成因分析;干热河谷中图分类号:P642文献标识码:A洞穴侵蚀是干旱半干旱地区独特且重要的土壤侵蚀方式之一，陷穴是洞穴侵蚀的一种1。陷穴常常造成严重的水土流失，对交通运输、各类地下输送管道、拦蓄水工程等建构筑物构成了不同程度威胁2 3。国内外对陷穴的研究主要集中在侵蚀成因、发育过程、形态特征等方面4 6。有关陷穴的侵蚀成因，大致分为以罗来兴等7 为代表的机械成因说和以陈传康等8 为代表的化学溶蚀成因说以及以陈永宗等9 为代表的多因素成因说。陷穴的发育具有明显的阶段特征，其中，不同学者根据影响因素在陷穴发育过程中发挥作用的先后和主次，对陷穴的发育阶段进行了不同的划分10 11，并发现不同发育阶段的陷穴，其形态特征和危害程度不同10 11，故针对不同发育阶段的陷穴采取对应的防治措施是有效降低陷穴侵蚀危害的重要手段。因此，定量研究陷穴形态特征已成为深入揭示陷穴发育过程、衡量评估其危害程度的重要方式。然而，目前有关陷穴侵蚀形态特征的研究主要集中在平面上，且大都使用平面周长、平面面积、扁率等参数来描述陷穴的平面形态11 12，仅少数学者从断面形态、发育深度等方面对陷穴的剖面形态进行初步研究2。综上所述，国内外有关陷穴侵蚀的研究主要集中在欧洲西部13 14、美国中西部干旱半干旱地区15 16 以及我国黄土高原地区17 18。干热河谷作为我国西南强侵蚀区，陷穴较为发育，但相关研究较少。已有的相关研究则主要借鉴黄土高原陷穴研究的方法，对干热河谷陷穴侵蚀的演化过程、形成条件和空间分布进行了研究，而对该区陷穴形态特征的研究主要集中在其平面形态的粗略描述11，19。剖面形态作为反映陷穴侵蚀强度和危害程度的重要指标，因其研究的复杂性和困难性，少有相关报道。因此，文中采用野外实地测量与摄影测量相结合的方法，定量分析了干热河谷典型陷穴的平面及剖面形态特征参数，并在此基础上综合分析了气候、土层性质、地形、植被等因素对陷穴形态特征的影响。研究结果有助于进一步明确*收稿日期:2022 6 22;修回日期:2022 10 27。基金项目:国家自然科学基金(41807075);西华师范大学英才基金项目(17YC120);西华师范大学国家级一般培育项目(17C034);西华师范大学博士启动基金(14E003)资助。作者简介:徐婷(1997 )，女，汉族，四川仁寿人，硕士，主要从事自然地理学研究。E mail:624346896 qq com通讯作者:舒成强(1977 )，男，汉族，四川崇州人，副教授，主要从事第四纪地质与景观地学研究。E mail:sc_scq828126 com陷穴发生发育特点、深入认识陷穴侵蚀机理，可为该区域水土流失治理提供理论参考。图 1研究区区位与陷穴实景Figure 1 Location of the study area and pictures of sink holes1材料与方法1 1研究区概况研究区位于云南省中北部楚雄彝族自治州元谋盆地内，介于10135E 10206E、2523N 2606N 之间，地处金沙江一级支流龙川江下游河谷地带，海 拔 约 960m 1400m，地势东高西低。该区域多年平均气温21 5，年平均降水量656 8mm，平均蒸发量3640 5mm，属 于 典 型的南亚热带干热河谷气候20。境内主要以燥红土和变性土为主，广泛分布着元谋组地层，岩性松散，易侵蚀21，植被稀疏，以酸角树、扭黄茅、金合欢、密油枝等为主22。由于其独特的自然环境，使得该区域陷穴极为发育，土壤侵蚀严重，人地矛盾突出(图 1)。1 2研究方法1 2 1数据采集与处理文中研究于 2017 年 7 月、2018 年 1 月和 2021 年 7 月对干热河谷陷穴分布情况进行了详细的面上调查，并在此基础上选取了以沙地村和甘塘社区为代表的强侵蚀区作为重点研究区，进而选取了 50 个典型陷穴作为主要研究对象。文中主要采用实地测量和摄影测量相结合的方法获取陷穴的平面及剖面形态参数，同时在野外详细记录了陷穴周边的地形地貌和植被状况。其中，平面特征主要采用数码相机拍照获取高清图片，通过 Agisoft Metashape Professiona Pro1 7 4 对照片进行三维建模，并导出其正射影像图，使用Arcmap 10 2 提取陷穴的基本平面形态特征参数(图2)。陷穴的剖面形态则主要通过以下步骤获取:在目视判定陷穴的长短轴方向后，以陷穴长短轴所在平面为基准面，将分别垂直于长、短轴向下的截面作为陷穴的长、短轴剖面。如图 3 所示根据陷穴深度，做一条长轴/短轴与陷穴最深点的垂线 CC5，将陷穴长、短轴剖面等间距划分为 4 6 部分，使用激光测距仪(徕卡 D8)和钢卷尺相结合的方法测量垂线上各节点(C C5)到剖面左右边的距离(CA C4A4、CB C4B4)从而获得陷穴纵剖面轮廓线。1 2 2形态特征参数在借鉴舒成强等11 关于陷穴形态特征研究的基础上，选取了扁率()、平面面积(Sp)、平面周长 面积比(pa)等作为平面形态参数。扁率是指椭圆的长短半轴之差与长半轴的比值，其值介于 0 1 之间，因陷穴平面形似椭圆故以扁率来表示其扁平程度;平面面积代表陷穴在平面上的投影面积，该值越大则代表陷穴发育规模越大;周长 面积比主要用于表征景观斑块的边界效应，斑块面积越大，单位面积中的边界数量越少，斑块形状越不紧凑23，故采用周长 面积比来描述陷穴平面形态的复杂程度，当周长 面积比越大时，表明陷穴平面形态越复杂。由于目前关于陷穴剖面形态特征的研究较少，文中主要借鉴 Deng 等24 对侵蚀沟断面形态特征的研究结果，选取长深比(ld)、短深比(wd)、剖面凹度(c)、剖面面积不对称率(aa)等指标作为衡量陷穴剖面形态特征的参数。其中长深比和短深比分别表示长轴/短轴与深度的比值，通过长深比和短深比的大小可大致判断陷穴侧蚀和下蚀的相对程度;凹度表示剖面的下凹程度，在借鉴闵石头25 关于河流横剖面凹341第 2 期徐婷等干热河谷陷穴形态特征及成因分析度计算方法的基础之上，将凹度引入陷穴剖面的研究中，用于表示陷穴剖面的下凹程度;面积不对称率是通过剖面左右两侧侵蚀面积的不同，来描述剖面不对称性的指标，在借鉴邓青春等24 关于侵蚀沟横断面面积不对称率计算方法的基础之上，将其用于表示陷穴长短轴剖面左右/上下游方向上的侵蚀差异。主要的陷穴形态特征参数计算公式(表 1)。图 2陷穴平面形态示意图Figure 2 Schematic diagram showingplane morphology of sink holes注:L 代表长轴，W 代表短轴图 3陷穴剖面测量示意图Figure 3 Schematic diagram of the sinkholes profile measurement注:L 代表长轴，W 代表短轴，Sl(Su)代表剖面左边(上游方向)面积，Sr(Sd)代表剖面右边(下游方向)面积表 1 陷穴形态特征参数Table 1 Characteristic parameters of sink hole morphology指标计算方法含义扁率=(L W)/L 表示扁率、L 表示长轴、W 表示短轴。文中参照曹明达等26 有关壶穴的研究结果，使用 01 和 0 5 作为判定陷穴平面形态扁平程度的阈值。其中，当 =0时，陷穴平面形态为圆形，介于 0 01 之间时，为近圆形，在 0 1 0 5 范围内，为椭圆形，05 时，为极椭圆形。长(短)深比ld(wd)=L(W)/Dld表示长轴与深度的比值、wd表示短轴与深度的比值，D 表示深度。当 ld1，wd1 时，表示陷穴的侧蚀程度小于下蚀程度。当 ld 1，wd 1 时，表示陷穴的侧蚀程度大于下蚀程度。陷穴平面周长 面积比pa=Pp/Sp其中 pa表示陷穴平面周长 面积比，Pp表示陷穴平面周长，Sp表示陷穴平面面积。剖面左边(上游方向)面积Sl(Su)即以陷穴剖面的最深点与陷穴表面做垂线，垂线与左边(上游方向)剖面线围成的面积即为剖面左边(上游方向)面积。剖面右边(下游方向)面积Sr(Sd)即以陷穴剖面的最深点与陷穴表面做垂线，垂线与右边(下游方向)剖面线围成的面积即为剖面右边(下游方向)面积。剖面凹度cts=(Sl+Sr)/SABFE(Sl+Sr)cls=(Su+Sd)/SABFE(Su+Sd)c 表示剖面凹度，cts表示陷穴短轴剖面凹度，cls表示陷穴长轴剖面凹度，SABFE表示剖面最小外切矩形的面积。当 c1 时，表明陷穴剖面为 V 型，此时陷穴处于明显的下蚀阶段;当 c1 时，陷穴剖面为 U 型，表明其侧蚀作用较 V 型剖面更强。剖面面积不对称率aw=Sl/Sral=Su/Sda 表示陷穴剖面面积不对称率，aw表示陷穴短轴剖面面积不对称率，al表示陷穴长轴剖面面积不对称率。使用 0 9 与 1 1 为阈值分别将陷穴短轴剖面和长轴剖面划分为三类:左倾形(aw09)、准对称形(0 9 aw 1 1)、右倾形(aw11)、下倾形(al09)、准对称形(09 al11)、上倾形(al11)。2结果与分析2 1陷穴的平面形态特征2 1 1扁率图4 显示了干热河谷典型陷穴扁率()的分布情况。其中，介于0 0 1 之间的近圆形陷穴有9 个，占比为18%;介于0 1 0 5 之间的椭圆形陷穴有34 个，占比为72%;介于0 5 1 0 之间的极椭圆形陷穴有 5 个，占比为 10%。进一步分析发现，陷穴数量随着 的增大有先增大后减小的趋势，其中以 介于 0 2 0 3 之间的陷穴数量最多，为 14 个，占陷穴总量的 28%。当 在 0 0 3 之间时，陷穴数量与 呈正相关关系(r=0 993，p=0 073);而当 0 3 时，陷穴的数量与 之间没有明确的相关关系(r=441干旱区资源与环境第 37 卷图 4陷穴扁率分布Figure 4 Distribution of the sink hole oblateness0 500，p=0 667)。综上所述，干热河谷强侵蚀区陷穴平面形态以圆形和椭圆形为主，并以椭圆形为主要代表，仅有少部分陷穴为极椭圆形，这与金珊等27 对黄土高原上陷穴的平面形