沂蒙山区冲沟形态特征及其体积估算模型研究

It has a typical "dual structure of soil and rock" in Yimeng mountain area. Gullies are widely developed and land degradation is serious. But, the study on quantitative simulation of erosion is seriously insufficient, such as the volume estimation model. It has restricted the evaluation and treatment of regional soil and water loss in Yimeng mountain area. This project aims to explore gully morphological characteristics, influencing factors and establish gully volume estimation model in Yimeng mountain area. Beigou, Qianshiwu and other typical watershed will be selected in Yimeng mountain area. High accuracy DEM and gully three-dimensional model will be obtained using unmanned aerial vehicle (uav) oblique photography technology. Combining with Quickbird image, field investigation and sampling, the accuracy of Quickbird image to extract gully shape parameters will be verify. Space-time characteristics and response to impact factors of gully morphology will be analyzed on large spatial scales. The relationship between morphological parameters and volume will be analyzed and parameters of gully volume model will be determined. The influences of the soil, topography, hydrology, and land use on the coefficient of gully volume model will be explored and the optimal volume model will be determined. The gully erosion amount will be estimated in the typical gully erosion area of Yimeng mountain area. The results have important application value in soil and water conservation, gully management and ecological restoration benefit evaluation in Yimeng mountain area, and provide scientific basis for regional soil and water conservation evaluation.

沂蒙山区具有典型的“土石二元结构”，冲沟广泛发育，土地退化严重，然而体积估算等侵蚀定量模拟研究严重不足，制约着区域水土流失评价与治理。本项目旨在探究沂蒙山区冲沟形态特征及其影响因子，建立冲沟体积估算模型。选取沂蒙山区北沟、前石屋等典型流域，利用无人机倾斜摄影技术获取的高精度DEM与冲沟三维模型，结合Quickbird影像、野外调查与采样等数据资料，验证Quickbird影像提取冲沟形态参数的精度，分析较大空间尺度的冲沟形态时空特征及其对影响因子的响应，分析形态参数与体积之间的关系，确定冲沟体积模型参数，并探究土壤、地形、水文及土地利用等对冲沟体积估算模型系数的影响，确定最佳体积模型，估算沂蒙山区典型沟蚀区冲沟侵蚀量。研究结果在沂蒙山区水土保持与沟道治理以及生态恢复效益评价等方面有重要的应用价值，为区域水土保持评价提供科学依据。

沂蒙山区冲沟侵蚀是淮河流域水土流失的主要方式之一。本项目旨在探究沂蒙山区冲沟形态特征及其影响因子，建立基于无人机获取的厘米级分辨率DEM及遥感影像的小流域尺度冲沟体积估算模型。本项目选取沂蒙山区沙沟流域作为研究区，利用无人机倾斜摄影技术扫描点云数据并生成厘米级分辨率的DEM及正射影像，结合已购买的高分遥感立体像对影像（2014、2021年，0.5m分辨率），提取并探究小流域尺度冲沟长、宽、深、沟头及剖面形态参数特征，开展参数精度验证，进而探究土壤、地形及土地利用等对冲沟侵蚀的影响机理。研究结果表明：（1）一维和二维参数中，冲沟周长（P）、面积（A）、沟底直线长度（L1）、沟底曲线长度（L2）的平均相对误差主要集中在10%以内，沟顶宽（TW）的平均相对误差主要在20%以内。三维参数中，冲沟体积（V）和沟深（D）的平均相对误差主要在50%以内。（2）经过参数校正后，无人机数据与高分辨率遥感立体像对影像数据计算得到的参数L、TW、D、A的平均相对误差降至0.005%以下。（3）TW/D的平均值为5.20，沟面侧向侵蚀的发展远远大于下切侵蚀的发展。2014－2021年沟谷的逆行侵蚀速率为0.01－0.83m/a(平均为0.23m/a)，侧向侵蚀速率为0.01－0.68m/a(平均为0.25m/a)，下切侵蚀速率为0.01－0.19m/a(平均为0.09m/a)。（4）沟壑区体积-面积(V-A)模型是最优模型(P<0.01, R2=0.944)。2014－2021年沟谷侵蚀速率为0.42－399.39m³/a，侵蚀总量为3181.56m3/a，占沟谷体积的90.7%。研究成果可为具有大尺度“土-岩二元结构”的水蚀区沟谷侵蚀定量模拟提供依据。（5）沟间地和沟谷地的植被覆盖度与冲沟的平均宽度变化率呈较强的负相关性，植被覆盖度大于60%时对冲沟面积的发展有一定抑制作用，随着植被覆盖度的减少，冲沟沟长呈现增长的趋势；2－5mm粒径的砾石含量对小型冲沟（面积<0.2hm2）的周长变化呈显著的正相关关系，与中型冲沟（面积在0.2－2.0hm2）的体积、宽深比呈显著的负相关关系。研究结果在沂蒙山区水土保持与沟道治理以及生态恢复效益评价等方面有重要的应用价值，为区域水土保持评价提供科学依据。