徐 倩, 焦菊英,, 嚴晰芹, 陳玉蘭, 宗小天, 林 紅,3

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.西藏自治區(qū)山南市錯那縣自然資源局, 西藏 山南 856000)

土壤侵蝕是全球范圍內(nèi)亟待解決的環(huán)境問題[1]。自上個世紀以來，針對全球范圍內(nèi)的土壤侵蝕問題，各個國家實施一系列水土保持工程措施、農(nóng)業(yè)措施和生態(tài)措施，有效地改善了由于人類頻繁活動而引發(fā)的土壤侵蝕災害頻發(fā)態(tài)勢[2]。大量研究[3-6]表明，在全球總體生態(tài)環(huán)境得到優(yōu)化的同時，由于道路產(chǎn)生的劇烈侵蝕為生產(chǎn)生活帶來的危害也日益凸顯。道路是區(qū)域社會和經(jīng)濟高速發(fā)展的重要樞紐[7]。近年來為滿足人們?nèi)找嬖龆嗟霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源開發(fā)和經(jīng)濟活動的需求，道路數(shù)量始終呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢，人們生產(chǎn)生活在得到滿足和提升的同時，也伴隨著土地退化、環(huán)境破壞、噪聲污染等一系列問題[8-9]。道路侵蝕在流域內(nèi)普遍存在，且侵蝕效應顯著。尤其是在鄉(xiāng)村和偏遠地區(qū)，占比很大的土質低等級道路所引起的土壤侵蝕問題也不容小覷[10]。例如，次暴雨條件下黃土高原地區(qū)，溝坡道路的侵蝕模數(shù)達到450～640 t/hm2[11-12]，且流域內(nèi)85%的土質道路均有侵蝕發(fā)生[13]；美國維京群島不同使用程度的未硬化路面產(chǎn)沙率為57～580 t/(hm2·a)[14]。目前，道路侵蝕的治理已成為防治流域水土流失的重要內(nèi)容。為了有效治理流域水土流失、土地退化、水源污染等環(huán)境問題，目前，全世界的學者們對道路侵蝕進行了大量研究。本文通過總結國內(nèi)外道路侵蝕的研究進展，從道路侵蝕的界定、道路侵蝕的特征、影響道路侵蝕發(fā)生的因素以及現(xiàn)階段道路侵蝕的研究方法等方面進行了梳理，以此提出目前道路侵蝕研究中所存在的問題及未來亟需關注的研究方向，以期為未來道路侵蝕防治、流域水土流失治理及流域生態(tài)環(huán)境保護提供參考依據(jù)。

1 道路侵蝕的界定

道路作為一種線狀或網(wǎng)狀的土地利用方式，其土壤侵蝕過程和方式具有特殊性，由于復雜的侵蝕過程及眾多的影響因素，使得道路侵蝕多呈現(xiàn)為一種復合的侵蝕方式[15-16]。此外，由于道路的存在，也會改變流域內(nèi)部徑流泥沙輸移模式。早在上個世紀就有研究指出，道路侵蝕不僅僅是道路路面侵蝕，還包括道路邊坡、路塹和路基侵蝕[17]。Fu Baihua[18]認為道路侵蝕是指發(fā)生在道路不同部位(路面、路塹、道路配套溝渠及邊坡)表面的土壤被剝離、輸移(指徑流攜帶泥沙運移至河道網(wǎng)絡的過程)和沉積的過程。張科利[16]認為道路侵蝕是指流域中道路范圍內(nèi)所產(chǎn)生的多種侵蝕過程以及由于道路的存在改變流域徑流泥沙輸移方式而引起的流域侵蝕變化量。實質上，道路侵蝕不僅要考慮道路路域內(nèi)(路面、道路邊坡、路基、截排水溝)所產(chǎn)生的土壤侵蝕，還要確定流域路網(wǎng)作為一個系統(tǒng)的存在對流域的侵蝕效應，包括路網(wǎng)的擴展對流域徑流與泥沙連通性的促進或抑制效應。換言之，道路侵蝕不僅包括道路路域內(nèi)原位侵蝕，也要包括道路侵蝕的異位效應所引起的路域外部的土壤侵蝕。綜上所述，本研究將道路侵蝕定義為單個道路或多個道路組成的道路網(wǎng)絡不同部位的侵蝕過程，以及因其存在而引起發(fā)生在路域外的土壤侵蝕過程。

2 道路侵蝕的特征

2.1 道路侵蝕強度

道路由于其特殊的理化性質，道路侵蝕普遍存在且強度遠遠高于其他土地利用類型，產(chǎn)流產(chǎn)沙模式也異于其他土地利用方式，極易產(chǎn)生侵蝕危害(表1—2)，流域面積占比較小的道路所產(chǎn)生的侵蝕效應較顯著。非硬化道路經(jīng)人類長期踐踏和農(nóng)用車具碾壓后，路面容重較大，入滲率較小，且鮮有道路防護措施，降雨后道路產(chǎn)流快，其路面漫流極易匯聚，形成股流進而對路面、路堤產(chǎn)生沖刷[19]。在強降雨條件下，路面易被沖斷或形成陷穴，阻礙交通，路塹和路堤處于滑坡與崩塌的高風險之中。而硬化道路由于其特殊的入滲性能，其路面成為良好的徑流泥沙輸移“中介”，導致大量徑流泥沙匯聚至路域附近的坡面，對路堤邊坡造成嚴重的侵蝕危害[20]。如，在次降雨條件下，黃土高原地區(qū)生產(chǎn)道路產(chǎn)沙強度為5～135 t/hm2[21]；西班牙Pyrenees山脈森林中僅供人類步行通過的小徑侵蝕速率高達151.3 t/(hm2·a)[22]。

表1 不同區(qū)域的不同類型道路年侵蝕強度

表2 不同區(qū)域的不同類型道路單次降雨事件下侵蝕強度

2.2 道路不同部位侵蝕特征

建設道路改變了原自然坡面形態(tài)，形成了路面、路塹邊坡、路堤邊坡、路基、排水設施等不同的侵蝕產(chǎn)沙部位，而每個部位下墊面性質差異較大，且侵蝕的驅動力也存在差別，這導致道路不同部位侵蝕方式差異較懸殊[43]。道路路面的侵蝕形式主要是溝蝕、陷穴；道路邊坡侵蝕形式主要以滑坡、崩塌、溝蝕為主；路基部位常發(fā)生塌陷、掏蝕，排水溝的侵蝕大都為溝蝕[44-45]。除侵蝕形式不同外，道路不同部位侵蝕營力也存在一定差異。道路路面和排水溝侵蝕的發(fā)生主要是由于降雨引起的，即多為水力侵蝕。而道路邊坡和路基的侵蝕多在水力與重力的共同作用下發(fā)生，即為復合侵蝕[41,46]。道路不同部位侵蝕形式和侵蝕營力不同，不同部位的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應也會互相作用。道路的存在改變了原始自然坡面的水文過程，具體表現(xiàn)為路面將攔截的徑流匯入道路排水溝或進一步輸移到主溝道，為排水溝、路基和路堤邊坡形成利于土壤侵蝕發(fā)育的環(huán)境[47-48]。路面對降雨響應速度快，在很低的降雨量下也能產(chǎn)生大量地表徑流，而排水溝作為徑流泥沙輸移路徑，在一定程度上減緩了路面集中流對路面的侵蝕作用[49]。然而在一些條件下，道路網(wǎng)絡和水文網(wǎng)絡間的連通性較差，路堤邊坡侵蝕溝是徑流的主要消散途徑。路堤邊坡侵蝕的徑流來源主要是降雨和路面匯水，極易形成坡面侵蝕溝，增加路堤邊坡的侵蝕產(chǎn)沙量[6,50]。在自然降雨條件下，降雨過程和路面匯水過程多同時發(fā)生，路面匯水一方面來自降雨，一方面由路塹邊坡輸送[6,51]，針對具有結構松散的路塹邊坡路段，即使在很小的降雨條件下路塹邊坡也會向路面提供徑流泥沙，這會造成了路面徑流過大，加劇了路面侵蝕風險。熱帶林區(qū)小流域的分析表明，道路土壤侵蝕的60%來自路面，40%來自填挖坡。由于路面將路塹和路堤邊坡連接成一個整體，因而路面對其產(chǎn)流和匯流的調(diào)控能力直接關系到整個道路系統(tǒng)的侵蝕發(fā)展過程[33]。

2.3 道路侵蝕對流域侵蝕產(chǎn)沙的影響

在流域尺度上，道路網(wǎng)絡的存在一定程度上改變了流域內(nèi)部徑流泥沙輸移模式，還會影響流域水文連通性和泥沙連通性，導致溝道、河流和水庫的泥沙淤積[33]。道路網(wǎng)絡與流域溝網(wǎng)的連接程度決定了道路對流域輸沙量的大小。一般來說道路與溝道的距離較近且輸移路徑連通性好，則道路輸沙潛力更大；反之，若路網(wǎng)與道路連接程度較小，二者距離較遠且輸移路徑阻力較大，則道路輸沙潛能較小[4,52]。有學者通過對美國科羅拉多州中北部的國家森林中不同類型道路徑流泥沙輸移路徑的實地監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)控制道路與河道的泥沙連通性強弱的關鍵因素為道路與河道的連接程度，道路廢棄前后泥沙連通性都較好的路段皆為距離河流10 m以內(nèi)的路段[40]；還有學者[53]通過對道路侵蝕特征調(diào)查及路域周圍淤積監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)流域大約53%的路網(wǎng)在水文上與河流相連接，這為道路侵蝕泥沙向河流轉移提供了直接渠道，也就是相比其他未與河網(wǎng)連接的道路，這些道路所產(chǎn)生的超過1/2的污染物都被運輸至河道。非硬化道路是流域高侵蝕率的景觀要素，是流域河流淤積泥沙的重要貢獻者[54]。如，巴西南部Arvorezinha流域中占比1%的非硬化道路對河流泥沙的相對貢獻率高達 36%[55]。美國東北部Winooski河流域每年平均約有16%的沉積物可能來自未硬化的道路[53]；通過對汛期伊朗德黑蘭北部Koohsar流域出口處泥沙來源的識別，發(fā)現(xiàn)非硬化道路是流域泥沙的重要來源[54]。除此之外，由于道路部分結構的不穩(wěn)定性，除道路路面外的部分也會向流域輸送大量泥沙。土質道路的路塹和路堤邊坡大都是土質堆積體，結構不穩(wěn)固，在小雨情況下邊坡就會形成出大量細溝。隨著降雨事件的增多，細溝逐步發(fā)育，路塹和路堤會處于滑坡與崩塌的高風險之中，而滑塌的土體積聚在路面又成為新的泥沙來源，向溝道輸送[56]?？梢姷缆返牟环€(wěn)定邊坡也在一定程度上增大了道路對流域泥沙的貢獻。

3 道路侵蝕影響因素

道路侵蝕是自然條件和人為活動共同作用的結果，其中自然條件主要有驅動力因素(降水、風力、重力等)、道路自身因素及其他因素(主要指人類對道路使用、維護等)。

3.1 驅動力因素

道路侵蝕的動力因素包括水力、風力、重力與凍融作用及其不同的組合。道路水蝕的發(fā)生則與當?shù)氐慕邓闆r緊密聯(lián)系，但并不是每一場降雨都會引發(fā)侵蝕，只有當雨滴擊濺侵蝕力和徑流侵蝕力大于土壤抗蝕力時，侵蝕才會發(fā)生[40,57]。降雨對道路的侵蝕作用主要是通過雨滴對道路的擊濺及降雨產(chǎn)生徑流匯集對道路的沖刷。降雨發(fā)生后，非硬化路面因其容重大、孔隙度小、徑流系數(shù)大、滲透性能差等特點，路面結構易被破壞，隨著徑流積累會造成更劇烈的侵蝕。降雨及其所形成的徑流匯聚至道路，引起道路各個部位泥沙遷移和侵蝕溝發(fā)育，嚴重時造成路段滑坡、崩塌和損毀。長時間持續(xù)性降雨會造成路面徑流累積，路面侵蝕風險增大[58]。在調(diào)查2019年臺風“利奇馬”暴雨所引起的道路侵蝕發(fā)現(xiàn)，無排水溝渠配置的非硬化路面作為地表徑流的輸排通道，在高強度降雨條件下侵蝕嚴重，部分道路基巖出露，其路面侵蝕溝均寬3.05 m，侵蝕溝均深為0.655 m。而硬化道路雖路面結構完整，但無漿砌石防護結構的路基多發(fā)生掏蝕現(xiàn)象，部分道路路基被沖毀[42]。路面匯水一方面由降雨直接形成，另一方面是承接道路上方坡面來水。道路上方來水是導致道路侵蝕的重要因素。道路上方大量水流匯集，會對位于低平處的道路產(chǎn)生嚴重的沖刷，極易形成侵蝕溝，長此以往路面會發(fā)育出長達數(shù)米的切溝，導致道路損毀[50]。有學者[37,59]通過對施工便道進行研究發(fā)現(xiàn)，當?shù)缆飞戏接衼硭畷r，土質道路極易發(fā)生溝蝕，因為道路的存在改變了原坡面的產(chǎn)匯流機制，可使徑流集中形成股流，對道路下坡處造成嚴重侵蝕形成切溝。此外，Chehlaf[37]研究摩洛哥北部山區(qū)公路水土流失情況表明，路塹邊坡水土流失與坡面徑流長度關系緊密，即道路上坡面來水大小會顯著影響道路侵蝕過程。重力因素對道路侵蝕的影響主要體現(xiàn)在，在強烈的地質活動或者暴雨條件下，道路路面塌陷、路基垮塌和道路邊坡崩塌、崩崗、滑坡和瀉溜[60]。道路的重力侵蝕環(huán)境是在前期降雨條件下發(fā)育而來，一般來說重力侵蝕并不是單獨作用于道路。除此之外，風力作用和凍融作用也會影響道路侵蝕的發(fā)生。風力作用主要包括路面浮土侵蝕、道路風沙掩蓋和渣土堆體在風力作用下的表土搬運。在風沙區(qū)，風力是導致區(qū)域內(nèi)公路和鐵路發(fā)生侵蝕的主要誘因，范慶春[61]利用風沙區(qū)輸沙能力與風速指標來分析鐵路和公路不同工程單元的侵蝕淤積特征。凍融作用會致使高寒地區(qū)道路侵蝕危險性加大。凍融導致道路侵蝕發(fā)生的原因是高寒地區(qū)由于溫度變化，冰雪融化和凍結的循環(huán)過程導致道路土壤內(nèi)部的凝聚力被破壞，土體穩(wěn)定性變差，冰雪融化后產(chǎn)生的徑流也對路體有沖刷作用。凍融區(qū)域道路侵蝕是結合水蝕和凍融侵蝕的混合侵蝕模式，且凍融侵蝕力與重力共同作用下可能會造成路基下陷和邊坡滑坡。徐憲立[38]為明確青藏地區(qū)道路邊坡的侵蝕規(guī)律，利用自然徑流觀測小區(qū)，估測公路邊坡的年侵蝕模數(shù)，包括降雨侵蝕和凍融侵蝕，分別為108.91 t/(hm2·a)和11.13 t/(hm2·a)。

3.2 道路自身因素

路面形態(tài)、路表特征、走向、長度、坡度、邊坡配置等特征都顯著影響著道路侵蝕的發(fā)生。路面作為承接上坡來水并作為過渡構件連通道路下方坡面，是道路系統(tǒng)輸沙排水的重要通道，因此路面形態(tài)不同也決定了路面產(chǎn)匯流機制、產(chǎn)沙輸沙模式和路面水動力學特性的差異性[62]。

路面形態(tài)主要分為拱型、凹型、平直型和內(nèi)/外傾型4種。拱型路面由于其自身結構特性導致雨后徑流在路面上呈發(fā)散狀態(tài)難以形成股流，大多數(shù)徑流通過道路配套排水溝或自然排水溝排走，徑流流速緩慢，剝蝕搬運泥沙能力有限，在雨強較小的情況下拱型路面產(chǎn)沙量最低；凹型路面可以很好地將降雨徑流匯聚在低洼處，因存在坡度影響，徑流攜帶能量大，流速快，侵蝕能力強，故凹型路面為4種路面中產(chǎn)沙量最高的；內(nèi)傾型路面和外傾型路面由于有側向坡度存在，徑流運移方向與平直型路面有明顯差異，能量消耗較大，徑流流速較緩，一般情況下難以匯集，故產(chǎn)流產(chǎn)沙量介于凹型路面和拱型路面之間；平直型路面侵蝕具有較大隨機性，侵蝕強弱程度與路面上已存在的細溝數(shù)量和細溝走向有較大關聯(lián)性，且一旦細溝繼續(xù)發(fā)育，路面會向凹型路面轉變，造成更嚴重的侵蝕。此外，結構呈匯聚型的路面，由于長度增加，徑流總量和動能也呈線性增加，侵蝕效應顯著，嚴重時易形成大量沖溝毀壞道路。拱形等發(fā)散形路面，徑流較分散，路面徑流主要集中作用于溝道、路塹和路坡底部，而鮮少對路面造成嚴重破壞[11,63]。道路表面特征的差異也會導致不同類型路面滲透能力與產(chǎn)流能力有所不同。土壤質地與土壤抗蝕能力密切相關，是確定泥沙顆粒能否被剝蝕搬運的一個關鍵因素[51]。當土壤黏粒含量高于30%～35%時，土壤顆粒間膠結力增大，抵抗侵蝕能力增強[63]。一般來說當土壤中黏粒含量較少，粗顆粒較多時，土壤孔隙率大，垂向連通性較好，該類型土壤入滲量較大，而地表產(chǎn)流較少。

未經(jīng)壓實的路面往往存在一定厚度的浮土，由于浮土其特殊理化性質，路面滲透能力較低，即使在雨強很小時，短時間內(nèi)也極易產(chǎn)生地表徑流并引發(fā)路面侵蝕[64]。而長期通行的道路被壓實，路面結構穩(wěn)定，一般情況下地表徑流難以匯集形成股流，較浮塵土路來說雖然壓實路面產(chǎn)流量較大，但就侵蝕量來說，浮塵土路遠大于壓實土路[65-66]。

道路各個部位表面有無植被覆蓋也是決定道路侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素。當土壤表層有植被覆蓋時，植被存在可以增大土表糙度，具有加強攔截徑流和減弱徑流動能的功能，可以有效地起到抵御水蝕的作用[67-69]。如對美國愛達荷州林區(qū)道路進行人工模擬降雨并監(jiān)測，重新開放的道路因其路面植被覆蓋減少而導致產(chǎn)沙量顯著增加[70]；Martínez-Zavala[71]的模擬降雨的結果表明土質道路的徑流系數(shù)和侵蝕速率顯著高于植被覆蓋道路。在日常道路施工時，一般通過增加道路各個部位的植被覆蓋，來維護道路結構，起到減弱侵蝕的作用[6,71]。道路本身走向在很大程度上改變了道路徑流泥沙輸移情況。當流域道路與徑流路徑重疊時，道路走向與徑流方向一致，會促進泥沙輸移，加劇道路侵蝕發(fā)生。反之，道路會起到攔蓄徑流與泥沙的作用，在一定程度上減弱了道路侵蝕。

道路長度和坡度是影響產(chǎn)沙和輸沙的主要因素，坡度是對道路產(chǎn)沙影響最強的因子，坡度愈大，地表徑流流速愈快，徑流挾沙能力和動能愈強，產(chǎn)沙量愈大。邱榮祖[72]通過對試驗和調(diào)查數(shù)據(jù)的回歸分析，建立了路面侵蝕量與時間、坡長、坡度的關系，并驗證道路坡度、長度與道路侵蝕產(chǎn)沙量極顯著相關。Black[73]利用道路輸沙量與距涵洞距離、道路坡度、土壤質地、路塹邊坡高度等關系，根據(jù)坡度和長度的線性組合，推測路段侵蝕產(chǎn)沙量與路段長度和坡度有很好的正相關，與路塹邊坡高度無關，強調(diào)了道路坡度對預測產(chǎn)沙的重要性。因此為減弱徑流對路體的沖刷和侵蝕，在道路在設計和建設過程中，要控制坡度在一定范圍內(nèi)，在保證道路排水通暢的前提下，防治徑流速度過大對道路邊坡造成的沖刷和侵蝕。

此外，道路修建過程中形成的填、挖坡，在降雨條件下也極易發(fā)生土壤侵蝕現(xiàn)象。邊坡土體分散不固定，大都是道路建設過程中產(chǎn)生的廢棄土渣，在降雨條件下極易發(fā)生侵蝕產(chǎn)沙，嚴重時堵塞路面，影響道路交通。不穩(wěn)定路塹邊坡易產(chǎn)生泥沙進入道路，從而增大路面可輸沙量，道路邊坡是流域長期重要的泥沙來源。Riley[74]的研究表明，道路修建造成路塹邊坡和填土斜坡的產(chǎn)沙量比自然山坡產(chǎn)沙量高10倍。還有研究發(fā)現(xiàn)道路填方坡的重力侵蝕是道路侵蝕泥沙的重要來源[75]。

3.3 其他因素

除了道路侵蝕驅動力因素和道路自身特征外，人類活動也會對道路侵蝕產(chǎn)沙造成深刻的影響。道路本身作為連接各個區(qū)域的樞紐，一般情況下通過車輛實現(xiàn)交通功能。而道路侵蝕產(chǎn)沙與道路交通量關系密切[40]。針對形態(tài)不穩(wěn)定的土質道路而言，交通頻繁路段，路面多存在大量車轍印，路面上車轍的存在是導致侵蝕加劇的重要原因。路面上有車轍的道路，即使在坡度很小時也會發(fā)生侵蝕，且形成固定形狀，中部呈凸起狀，兩邊為溝壑，當溝道下切嚴重時，道路交通會被阻斷甚至廢棄[76]。而針對硬化道路而言，交通量較大的路段常伴有路面龜裂、車轍、局部隆起、路基下陷等特點，長此以往道路結構被破壞，路面開裂，侵蝕加劇[77]。交通量高的路段的侵蝕產(chǎn)沙量顯著大于低交通量路段，Leslie[32]在克里爾沃特流域研究顯示，流域內(nèi)道路侵蝕量的80%都來自于交通頻繁的路段。同時，人類生產(chǎn)活動也會對路面產(chǎn)生深刻的影響，農(nóng)民耕作時農(nóng)用車輛和農(nóng)具的使用，會在路面上形成深淺不一的溝壑，溝壑易發(fā)育成下切嚴重的切溝，這也為路面侵蝕創(chuàng)造了適宜條件。

一方面人類頻繁的活動加速了道路侵蝕，增加道路損毀的風險，另一方面人類定期對道路的維護工作也會改善侵蝕現(xiàn)狀。針對土質路面，人類通過填平溝壑、壓實路面、鋪設礫石、開挖截排水溝、修建水窖等措施來改變路面徑流匯聚狀態(tài)，從而達到減弱侵蝕危害的目的。而硬化路面則通過人類對路面開展預防性養(yǎng)護、修復性養(yǎng)護、路面翻修、路面重建、修建徑流攔蓄設施、截水溝、排水溝、沉砂池、道路護坡等工作來防治道路侵蝕[78]。

4 道路侵蝕研究方法

4.1 實地監(jiān)測

在實地監(jiān)測方面，主要利用侵蝕針法、斷面法、徑流泥沙收集法，來研究不同路段的侵蝕產(chǎn)沙差異。

侵蝕針法是將測針垂直插入測量點的表層，分別記錄侵蝕前后測針出露高度，以測針高度差表征侵蝕深度，并據(jù)此計算侵蝕量大小。邱榮祖[72]利用侵蝕針法對林地道路邊坡的侵蝕進行監(jiān)測，研究結果表明一般挖方邊坡不發(fā)生溝蝕，填方邊坡的個別路段會形成侵蝕溝。Arnfiez[79]使用侵蝕針的方法監(jiān)測了伊比利亞西部的7種山地道路的侵蝕情況，并據(jù)此估算不同道路年侵蝕率和季侵蝕率。

斷面法是通過實測道路各部位侵蝕溝的長、寬、深來計算侵蝕溝體積，并結合道路容重來估算道路單位面積侵蝕量大小，以此研究不同類型道路侵蝕產(chǎn)沙差異的原因以及影響道路侵蝕產(chǎn)沙的主要因素。早在上個世紀就有學者利用斷面法來衡量道路侵蝕強度，發(fā)現(xiàn)道路坡度和坡長與侵蝕量的三者間表現(xiàn)為冪函數(shù)的關系[73]；Salesa[31]利用斷面法計算了地中海山區(qū)山坡小道平均土壤侵蝕率，結果表明隨坡度增大(6°～23°)，道路侵蝕有增大的趨勢，但當坡度處于24°～43°時，道路侵蝕的值具有很強的變異性，不遵循任何變化趨勢。

徑流泥沙收集法是利用截排水溝將路面徑流泥沙引入路旁已布設的徑流泥沙收集桶或人工修筑集水池，收集次降雨下路段產(chǎn)流產(chǎn)沙量，并據(jù)此分析不同類型道路產(chǎn)流產(chǎn)沙差異。如，Lima Farias[35]使用收集桶對不同類型路面在降雨條件下所產(chǎn)生的徑流泥沙進行收集，用含沙量大小來分析植被和交通量對道路侵蝕的影響。還有其他學者將不透水材料布設到道路溝道底部制作成泥沙沉淀池，以評估降水、降雨侵蝕力、坡度、地塊長度和植被覆蓋對產(chǎn)沙速率的影響[39]。

針對不同部位道路侵蝕采取不同的方法，邊坡部位利用侵蝕針進行侵蝕量的衡量，路面利用徑流泥沙收集器收集徑流泥沙，最后結合侵蝕特征調(diào)查(路面侵蝕溝特征、路基沖刷特征、排水溝侵蝕特征和泥沙輸移痕跡)來綜合評估道路侵蝕強度[80]。由于道路附近的排水溝是路域內(nèi)泥沙輸移的重要途徑，因此一些學者利用野外實測排水溝徑流量、含沙量、淤積量等長期監(jiān)測數(shù)據(jù)識別道路侵蝕熱點路段[32]。Takken[81]通過調(diào)查道路排水溝特征(長、寬、深、過水面積、距離河流距離、連通特征)，繪制道路徑流泥沙輸移路徑圖，進行風險評估，以突出高侵蝕風險路段，從而對不同道路進行修復評價。

4.2 模擬降雨/沖刷試驗

人工模擬降雨/沖刷試驗一般通過室內(nèi)人工布設徑流小區(qū)或者設置自然徑流小區(qū)來模擬道路實況，在人工模擬降雨/徑流條件下分別分析不同雨強、坡度、坡長等條件下，不同類型道路產(chǎn)流產(chǎn)沙差異性[82]。通過模擬道路不同類型路面、不同道路路形、植被措施、工程措施對道路侵蝕產(chǎn)沙量的影響，為道路侵蝕路面防治、道路配置改善提供合理依據(jù)[19]。國內(nèi)外學者在此方面進行了大量工作，Sosa-Pérez[4]在模擬降雨條件下監(jiān)測不同使用情況的道路，分析影響產(chǎn)生路面侵蝕的主要因素；王保一[83]通過設置不同雨強和徑流小區(qū)坡度，模擬公路路基邊坡的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應，結果表明雨強相同的情況下，坡度對坡面侵蝕的影響隨雨強大小的變化而改變；小雨強時坡度是影響侵蝕產(chǎn)沙的主要因素，大雨強時降雨則成為主要因素。目前國內(nèi)外模擬試驗的技術具有方法成熟，數(shù)據(jù)獲取周期短的優(yōu)勢，但至今模擬小區(qū)的邊界效應未能消除，且研究局限于坡面尺度，以坡面數(shù)據(jù)為基礎外推到更大尺度的方法并不可靠。

4.3 模型模擬

為更便捷地了解流域整個道路系統(tǒng)的侵蝕狀況，學者們嘗試利用已有大量監(jiān)測調(diào)查和模擬試驗的數(shù)據(jù)來建立道路侵蝕模型，通過設置不同模型參數(shù)來模擬不同區(qū)域的道路侵蝕發(fā)生過程[18]。道路產(chǎn)沙模型分為經(jīng)驗統(tǒng)計模型與物理模型，經(jīng)驗統(tǒng)計模型源于大量的經(jīng)驗總結，是基于響應和自變量的統(tǒng)計關系，對監(jiān)測資料的統(tǒng)計分析，確定出影響因素，并得出道路侵蝕產(chǎn)沙特征與各因素關系；而物理模型則是在物理方程和水文學的基礎上，用來描述道路泥沙產(chǎn)生的具體過程，各項物理參數(shù)可通過測量得來[84-85]。常見的經(jīng)驗模型有WARSEM，SEDMODL，ROADMOD，STJ-EROS，USLE等，物理模型有WEPP，KINEROS，DHSVM等。隨著模型研究的深入，模型已成為學者們研究道路侵蝕的主要方法，且為保證模型精度，學者們也開展了大量的模型優(yōu)化工作(表3—4)。如，史志華[86]通過比較實地監(jiān)測數(shù)據(jù)和KINEROS2模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)湖北王家橋小流域內(nèi)低級土質道路模擬效果優(yōu)于村際道路，且侵蝕量與徑流量的模擬精度皆80%以上。Skaugset[84]研究發(fā)現(xiàn)，WARSEM，SEDMODL，RUSLE，WEPP 4種模型所計算出的道路產(chǎn)沙量為實際道路產(chǎn)沙量的2～8倍，不同模型輸入?yún)?shù)差異較大，導致其輸出結果也存在顯著差別。及瑩[87]進行WEPP模型氣象數(shù)據(jù)本地化后，模擬涼山自然保護區(qū)內(nèi)20個路段的侵蝕特征，發(fā)現(xiàn)道路產(chǎn)沙量與道路長度具有顯著相關性。還有其他學者利用ArcGIS平臺和SEDMODEL模型來預測和確定森林道路侵蝕風險區(qū)域并計算道路產(chǎn)沙量，再結合野外人工模擬降雨所獲的產(chǎn)沙數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行修正[88]。

表3 不同土壤侵蝕模型子模塊在道路侵蝕中的應用

表4 不同類型道路侵蝕輸移模型的應用

除上述幾種方法之外，近年來指紋識別技術也被廣泛應用于土壤侵蝕研究之中，其主要原理是篩選不同潛在泥沙源物質中差異明顯的指紋因子，通過對比指紋因子的方法確定泥沙匯與潛在泥沙源的對應關系，分析匯集區(qū)域泥沙的來源和泥沙源區(qū)土壤運移的動態(tài)過程，并以泥沙源區(qū)指紋因子的損失率或泥沙匯集區(qū)指紋因子的富集率來確定區(qū)域土壤侵蝕量或沉積量[89]。目前已有研究利用該技術，對流域出口處的淤積泥沙進行來源追溯，來評估未硬化道路對流域侵蝕產(chǎn)沙的貢獻度[63]。但實際流域內(nèi)部泥沙運移過程受地形、人為活動等因素影響，這使泥沙路徑具有不連續(xù)和發(fā)散的特點，因此指紋識別技術在確定道路產(chǎn)沙量大小和道路泥沙的輸移機制方面具有一定的缺陷性。且由于流域道路類型眾多，不同類型道路泥沙來源有明顯差異，實地監(jiān)測和后續(xù)泥沙分析工作繁重，故該技術在道路侵蝕研究中的應用尚在起步階段。

5 研究展望

(1) 道路侵蝕研究方法方面，國內(nèi)大部分研究都基于人工模擬降雨試驗，長期的野外定位觀測較少。人工降雨模擬道路侵蝕試驗都是處于一種理想化狀態(tài)，與實際道路侵蝕過程差異較大。而國外近些年致力于道路產(chǎn)沙模型的創(chuàng)建和修正，但目前的道路侵蝕輸移模型多針對不同類型道路路面侵蝕的模擬，鮮少涉及到道路路堤、路塹和路基產(chǎn)沙情況，且多數(shù)模型具有明顯的地域性，加之模型開發(fā)過程中所使用的原始數(shù)據(jù)都來源于某一特定的研究區(qū)域，模型可推廣性較差。指紋識別技術無法量化流域道路侵蝕程度，未能對道路個體的產(chǎn)沙情況和輸沙路徑進行分析，只考慮了整個路網(wǎng)系統(tǒng)對流域產(chǎn)沙的總體影響。故對道路侵蝕的研究應在改進研究方法的基礎上加強野外監(jiān)測工作，在大量野外監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上，對原有道路侵蝕輸移模型進行修正與改進，選擇更合適的道路侵蝕模型參數(shù)，提高模型的適用性和精準性。此外，利用獲取數(shù)據(jù)便捷的無人機航拍技術與遙感技術來快速提取模型建模數(shù)據(jù)，可嘗試將侵蝕模型推廣到更大尺度的道路侵蝕研究中。同時，為進一步探究道路侵蝕所產(chǎn)生的泥沙在流域內(nèi)部的輸移動態(tài)，可利用指紋識別技術并結合泥沙連通性概念來確定泥沙輸移的潛在路徑，以此達到識別道路泥沙實際運移路徑和量化道路存在對流域泥沙輸移的促進(阻礙)程度。

(2) 道路侵蝕研究對象方面，國內(nèi)外的研究多集中于對單個道路路段或其某個部位，尚未充分考慮道路作為一個整體與流域的交互作用和由于道路的存在對流域內(nèi)部泥沙輸移和水文過程的影響。且長期以來缺乏對道路除路面以外部分(路塹、路堤和路基)的針對性研究，未能對道路侵蝕系統(tǒng)有全面的認識和理解。因此，今后的研究要關注道路除路面外其他部位的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，需加強對道路個體不同部位侵蝕的監(jiān)測與分析研究。既要研究單個路段侵蝕特征與過程，探明道路不同部位的侵蝕發(fā)生的原因和侵蝕差異性，還要從整體分析路網(wǎng)存在對整個流域侵蝕過程的影響，明確道路單獨個體和道路網(wǎng)絡整個系統(tǒng)在流域中對徑流泥沙輸移的“開關”作用，揭示道路對流域水文和泥沙連通性的影響機制。

(3) 道路侵蝕防治方面，目前的防治措施主要是先確定主導道路發(fā)生侵蝕的影響因素和侵蝕高發(fā)部位，再通過實施工程和植物措施，攔截路面徑流泥沙來抑制侵蝕，最終目的是為流域管理提供合理的道路防蝕措施和服務于水土保持方案編制。而且考慮到時間和經(jīng)濟成本，現(xiàn)階段防治性研究開展多數(shù)是圍繞硬化道路進行，而應用于低級土質道路的防治措施較少。未來道路侵蝕防治工作不局限于機理性研究，應注重將道路侵蝕防治理論運用實際道路建設之中，不僅要重點保護硬化道路免遭侵蝕，也要因地制宜地提出防治低級土質道路水土流失的措施和方法并推廣應用，以此為保障道路系統(tǒng)安全、流域生態(tài)環(huán)境優(yōu)化和社會穩(wěn)固發(fā)展提供重要的工作基礎。