2022年“7·13”暴雨下生產(chǎn)道路侵蝕強(qiáng)度調(diào)查
——以寧夏回族自治區(qū)西吉縣五十岔小流域?yàn)槔?/h1>
2022-02-19 13:46:42閻思宇李斌斌于坤霞叢佩娟戴
水土保持通報(bào) 2022年6期
閻思宇李斌斌于坤霞叢佩娟戴 寧
(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710048;2.水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心,北京100053)
受全球氣候變化影響,中國(guó)暴雨發(fā)生頻率逐年增加,受暴雨影響,土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞、肥力下降,建筑設(shè)施遭到損毀[1-2],嚴(yán)重可威脅民眾生命財(cái)產(chǎn)安全[3],不僅如此,暴雨引發(fā)的洪水災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象。生產(chǎn)道路是農(nóng)田與非農(nóng)田系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施,在暴雨條件下是重要的泥沙來(lái)源[4-5],國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者對(duì)生產(chǎn)道路侵蝕發(fā)生原因進(jìn)行了研究探討,表明道路自身土壤特性及路面狀況會(huì)對(duì)道路侵蝕產(chǎn)生影響。Ziegler等[6]認(rèn)為道路下墊面條件、道路邊坡、道路溝渠及侵蝕溝渠等4個(gè)道路特征是影響生產(chǎn)道路侵蝕的主要因素,并在研究中指出路面透水性會(huì)影響徑流系數(shù),徑流系數(shù)越大,即使小雨強(qiáng)也可能產(chǎn)生徑流,對(duì)道路造成侵蝕[7];MacDonald等[8]總結(jié)了道路土壤性質(zhì)及結(jié)構(gòu)、透水性、壓實(shí)度等是影響道路侵蝕強(qiáng)弱的主要因素;張強(qiáng)等[9]分析了黃土區(qū)土質(zhì)路與被草土質(zhì)路侵蝕狀況,研究表明被草土質(zhì)路侵蝕產(chǎn)沙量遠(yuǎn)低于土質(zhì)路面;曹世雄等[10]在黃土丘陵區(qū)土質(zhì)路面開(kāi)展實(shí)驗(yàn),表明種草不僅能美化環(huán)境,起到生態(tài)修復(fù)功效,還能有效防止道路水土流失的發(fā)生。
雖然國(guó)內(nèi)外研究表明了影響道路侵蝕的主要因素,但不同區(qū)域、不同氣候條件、下墊面條件下,道路侵蝕量及道路侵蝕防治研究仍不足。Wang等[11]和Zhang等[4]對(duì)暴雨后道路侵蝕量進(jìn)行了試算,分析了產(chǎn)生道路侵蝕的原因及驅(qū)動(dòng)因素,并提出水土保持措施能有效減輕道路侵蝕。水土保持措施具有改善土壤結(jié)構(gòu)、蓄水保水、農(nóng)田防護(hù)等基礎(chǔ)功能[12-14],也能夠在防洪減災(zāi)中發(fā)揮重要作用[15],尤其是在中國(guó)水土流失最嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)[16],多名學(xué)者[17-20]研究表明,水土保持措施能夠有效減少黃土高原水土流失現(xiàn)象。為此,調(diào)查暴雨后水土保持措施發(fā)揮的效益具有重要的實(shí)踐和理論意義。
2022年7月13—16日,寧夏回族自治區(qū)西吉縣出現(xiàn)明顯降雨過(guò)程,馬蓮鄉(xiāng)、什字鄉(xiāng)出現(xiàn)局地強(qiáng)降水,有96站累計(jì)降雨量超過(guò)50 mm,有6站累計(jì)降雨量超過(guò)100 mm,在唐家河流域出現(xiàn)了淤地壩潰壩等安全事故,造成了嚴(yán)重的水土流失災(zāi)害。為深入認(rèn)識(shí)暴雨條件下土壤侵蝕規(guī)律與影響,了解此次暴雨水土流失狀況、土壤侵蝕強(qiáng)度及水土保持工程損毀狀況,評(píng)價(jià)暴雨條件下水土保持各項(xiàng)措施安全性和有效性。2022年7月25日至29日,水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心組織開(kāi)展了寧夏西吉縣“7·13”暴雨水土保持綜合調(diào)查,對(duì)寧夏西吉縣唐家河流域土壤侵蝕狀況、水土流失危害和水土保持措施效果進(jìn)行全面調(diào)查和分析。本文選取西吉縣唐家河流域五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕狀況進(jìn)行分析,對(duì)其生產(chǎn)道路侵蝕開(kāi)展了實(shí)地調(diào)查和測(cè)量,并采用斷面法計(jì)算了五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕模數(shù),分析了生產(chǎn)道路侵蝕發(fā)生原因。
1 研究區(qū)概況及技術(shù)路線
1.1 研究區(qū)概況
五十岔小流域位于寧夏西吉縣東南將臺(tái)鄉(xiāng)李咀村,面積為1.07 km2,屬于大陸性季風(fēng)氣候,位于半干旱區(qū),多年平均氣溫為5.81℃,多年平均降水量為460 mm,多年平均徑流深為42 mm,年徑流量為1.21×104m3,年輸沙量為4.58×105t。
1.2 研究方法
小流域道路侵蝕調(diào)查工作主要分為內(nèi)業(yè)及外業(yè)工作,內(nèi)業(yè)包括降雨前影像資料及降雨后影像資料的收集、解譯和抽樣工作。外業(yè)工作主要是對(duì)道路進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)。對(duì)于道路調(diào)查及計(jì)算方法均參考以往暴雨調(diào)查經(jīng)驗(yàn)和專家學(xué)者方法[10-11],采用斷面法進(jìn)行調(diào)查和侵蝕強(qiáng)度計(jì)算。
1.2.1 實(shí)地調(diào)查方法 在暴雨過(guò)后及時(shí)采用無(wú)人機(jī)對(duì)調(diào)查小流域進(jìn)行影像拍攝工作,獲取基于無(wú)人機(jī)的正射影像圖(DOM)和精度為8 cm的數(shù)字地面模型(DSM),并生成三維遙感影像。通過(guò)對(duì)影像資料的解譯,提取小流域中所有道路的空間分布情況,從而得到整個(gè)小流域內(nèi)道路總長(zhǎng)為7.81 km,其中生產(chǎn)道路長(zhǎng)度為7.62 km,占總道路長(zhǎng)度的97.61%。按照道路主要土地管理措施(包含林地、草地和梯田)、高程和流域內(nèi)分布情況作為抽樣依據(jù),從圖中抽樣選出11條道路,抽樣道路總長(zhǎng)為1.11 km,占流域道路總長(zhǎng)的14.26%。流域道路分布情況及抽樣道路分布情況如圖1所示。調(diào)查時(shí)以10 m作為斷面間隔,對(duì)抽樣道路劃分n個(gè)斷面,并測(cè)量各斷面侵蝕溝的寬、深情況,如道路劃分?jǐn)嗝娉霈F(xiàn)不足10 m間隔區(qū)間時(shí),則舍棄該區(qū)間。分別在道路起始斷面、結(jié)束斷面和中間隨機(jī)斷面進(jìn)行取樣,取樣體積為100 cm3,用以測(cè)量道路土壤容重。
圖1 五十岔小流域道路及抽樣道路分布
1.2.2 道路侵蝕強(qiáng)度計(jì)算方法 道路侵蝕強(qiáng)度計(jì)算
采用斷面法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算方法為:
式中:k表示抽樣道路編號(hào);n表示k道路的斷面數(shù);分別表示抽樣道路侵蝕溝的平均寬度和平均深度;wi,hi分別表示斷面侵蝕溝的寬度和深度;Qk表示k道路的侵蝕模數(shù);l表示斷面區(qū)間長(zhǎng),本文取10 m;Ak表示道路k的面積;Lk,Wk分別表示道路k的長(zhǎng)度和寬度;ρ表示土壤容重,經(jīng)取樣測(cè)量得到五十岔小流域道路土壤容重平均為1.43 g/cm3。同時(shí)采用無(wú)人機(jī)影像得到的三維影像數(shù)據(jù)對(duì)流域內(nèi)道路侵蝕進(jìn)行測(cè)量,以此得到的流域道路侵蝕總量作為實(shí)際道路侵蝕總量。
2 結(jié)果與分析
2.1 道路損毀情況
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕嚴(yán)重,大部分生產(chǎn)道路受到了不同程度的沖刷,部分道路完全損毀,僅有少部分橫向道路及覆被達(dá)90%以上的縱向道路斷面未受侵蝕。本次道路抽樣調(diào)查總長(zhǎng)為1.11 km,共調(diào)查斷面118個(gè),各抽樣道路斷面損毀統(tǒng)計(jì)狀況詳見(jiàn)表1。
表1 五十岔小流域抽樣道路損毀狀況統(tǒng)計(jì)
由表2統(tǒng)計(jì)可知,調(diào)查抽樣道路斷面總計(jì)118個(gè),63個(gè)斷面存在不同程度的侵蝕溝,占總斷面數(shù)的53.39%,其中如W1,W2,W11號(hào)道路各斷面均有切溝出現(xiàn),且切溝長(zhǎng)度較長(zhǎng)。根據(jù)道路損毀狀況進(jìn)行分級(jí),分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表2。對(duì)抽樣調(diào)查道路斷面區(qū)間侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)(表3)。
表2 道路損毀等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
表3 五十岔小流域抽樣道路侵蝕強(qiáng)度分級(jí)
調(diào)查發(fā)現(xiàn)抽樣道路侵蝕主要集中在W1,W2,W4,W11號(hào)道路,部分?jǐn)嗝娆F(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),抽樣道路中裸露黃土路面受到侵蝕狀況較為嚴(yán)重,如圖2a—2f所示,其中圖2c—2f展示了道路轉(zhuǎn)彎處形成的特大侵蝕溝,這些侵蝕溝深度達(dá)到3～4 m,對(duì)道路造成了嚴(yán)重破壞;圖2g—2h展示了覆被道路的侵蝕狀況,這些道路由于覆被率較高,基本不會(huì)形成侵蝕溝。
圖2 五十岔小流域部分調(diào)查斷面道路侵蝕現(xiàn)狀
2.2 道路侵蝕量計(jì)算及分析
抽樣道路侵蝕狀況計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。依據(jù)表4的推算成果,根據(jù)斷面法計(jì)算抽樣道路侵蝕總量為161.86 t,在此基礎(chǔ)上推算小流域的道路侵蝕總量為1 163.06 t,基于小流域的道路侵蝕模數(shù)為1 054.49 t/km2;利用無(wú)人機(jī)航拍影像建立的三維影像進(jìn)行道路侵蝕淺溝和切溝的提取和計(jì)算,可以得到抽樣道路的侵蝕總量為200.80 t,流域道路侵蝕總量為1 409.49 t,通過(guò)計(jì)算,可以得到流域內(nèi)的道路侵蝕模數(shù)為1 277.91 t/km2。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)斷面法量測(cè)與三維影像提取計(jì)算的結(jié)果存在偏差。以抽樣道路侵蝕總量為例,現(xiàn)場(chǎng)斷面法量測(cè)道路侵蝕總量較三維影像提取計(jì)算道路侵蝕總量低了19.39%,主要是由于斷面法以斷面近似替代區(qū)間侵蝕狀況,對(duì)侵蝕溝也是近似看作規(guī)則圖形進(jìn)行量測(cè)計(jì)算,若兩斷面間侵蝕狀況發(fā)生顯著變化,如斷面區(qū)間侵蝕狀況減弱,則計(jì)算結(jié)果可能偏大,斷面區(qū)間侵蝕增大,則計(jì)算結(jié)果可能偏小,而三維影像能夠較精確地量算出侵蝕溝體積,因此造成了兩種方法間存在偏差、傳統(tǒng)方法推算成果偏小的現(xiàn)象。
表4 五十岔小流域抽樣道路侵蝕總量結(jié)果
2.3 道路侵蝕強(qiáng)度影響因素
通過(guò)上文侵蝕量分析,各抽樣道路侵蝕總量各不相同,且在實(shí)際調(diào)查過(guò)程中所見(jiàn)各條道路的侵蝕狀況各有差異。道路侵蝕主要受到自然因素和人類活動(dòng)共同作用[21],五十岔小流域道路侵蝕的影響因素可歸結(jié)為降雨因素、道路特征和人類活動(dòng)3部分。
2.3.1 降雨因素 2022年7月13—16日,西吉縣受強(qiáng)對(duì)流天氣影響出現(xiàn)明顯降雨過(guò)程,其中96站累計(jì)降雨量超過(guò)50 mm,6站累計(jì)降雨量超過(guò)100 mm,其中7月15日降雨最為集中,具有短歷時(shí)、雨強(qiáng)大的特點(diǎn)。距五十岔小流域最近雨量站為什字水庫(kù)站,其最大1 h降雨、最大3 h降雨、最大6 h降雨分別為43.6,91.6和115.8 mm,分別為超10 a一遇、超50 a一遇和超100 a一遇暴雨。在如此暴雨條件下,暴雨在短時(shí)間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)換為地表徑流,對(duì)路面造成沖刷,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)侵蝕溝,是道路侵蝕發(fā)生的前置條件。
2.3.2 道路特征 許多專家學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)道路是否覆被、土壤質(zhì)地、走向、坡度等特征因素對(duì)道路侵蝕有著顯著影響[7,21-23]。五十岔小流域道路侵蝕均發(fā)生在未硬化的生產(chǎn)道路路面,道路兩側(cè)土地管理措施均為梯田,且道路均無(wú)排水措施,抽樣道路調(diào)查情況詳見(jiàn)表5所示。
表5 五十岔小流域抽樣道路路面及土地利用情況
(1)道路形態(tài)與土壤性質(zhì)。王天巍等[22]發(fā)現(xiàn)路面形態(tài)通過(guò)影響路面徑流的水力學(xué)特征進(jìn)而影響道路侵蝕,其中凹型路面產(chǎn)沙最多。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),五十岔小流域道路兩側(cè)均為梯田,因此大部分道路呈現(xiàn)兩邊高中間低的凹型形態(tài),這種匯聚型路面形態(tài)會(huì)使降雨徑流集中在低洼處,水量和水流動(dòng)能呈線性或指數(shù)倍增加[24],又由于道路平均比降較大,使得降雨徑流流速加快,侵蝕能力更強(qiáng),而調(diào)查發(fā)現(xiàn)土壤構(gòu)成主要為濕陷性黃土,其在天然狀態(tài)下有一定承載力,但受水沖刷后,其強(qiáng)度變低、承載力降低,結(jié)構(gòu)易受到破壞,發(fā)生沉陷,綜合兩種原因,使得五十岔小流域道路發(fā)生侵蝕。
(2)道路比降。抽樣調(diào)查的11條道路平均比降為0.12,統(tǒng)計(jì)調(diào)查抽樣道路侵蝕溝發(fā)生數(shù)與道路比降關(guān)系如圖3所示。隨道路比降增加,侵蝕溝發(fā)生個(gè)數(shù)呈先增后減的趨勢(shì),在比降為0.15～0.2區(qū)間時(shí)侵蝕溝發(fā)生數(shù)最多,占侵蝕溝發(fā)生總數(shù)的32.08%,0.2～0.25比降區(qū)間次之,占侵蝕溝發(fā)生總數(shù)的22.64%。圖3也反映了侵蝕量與道路比降的關(guān)系,各比降區(qū),侵蝕量為5 t以上的侵蝕溝主要集中發(fā)生于0.1～0.2比降區(qū)間,這些侵蝕溝主要出現(xiàn)在W1,W2,W4和W11號(hào)道路,通過(guò)前文分析,這些道路是位于流域上游的順徑流方向道路,周圍植被覆蓋率較差,比降普遍較大,因此受雨水沖刷后易出現(xiàn)嚴(yán)重的侵蝕溝。
圖3 五十岔小流域道路侵蝕與比降關(guān)系
(3)道路覆被。土壤表層植被能夠減弱徑流動(dòng)能,有效起到減弱水蝕的作用[25-26]。依據(jù)表2統(tǒng)計(jì)調(diào)查道路覆被情況結(jié)果顯示,僅有W5,W6和W9號(hào)道路路面有覆被。由表4可知,相較于植被覆蓋較差的W1,W2號(hào)道路,這些道路的侵蝕總量均較小,表明道路覆被和環(huán)境覆被能有效減少道路侵蝕的發(fā)生。盡管植被能有效減弱水蝕作用,但部分覆被較好的道路仍發(fā)生了較嚴(yán)重的侵蝕。部分道路覆被和環(huán)境覆被情況如圖4所示。其中W5號(hào)道路覆被主要在路中,道路兩側(cè)仍為裸露地表(如圖4所示),在道路兩側(cè)形成了侵蝕溝,而W9號(hào)道路因路面植被覆蓋率高,幾乎不發(fā)生侵蝕。表明植被覆蓋位置和蓋度不同,也會(huì)對(duì)道路侵蝕產(chǎn)生不同的影響,蓋度較低或植被未覆蓋的部分易發(fā)生道路侵蝕。
圖4 五十岔小流域道路覆被情況
2.3.3 人類活動(dòng)因素 五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕人類活動(dòng)影響主要體現(xiàn)在路旁土地管理措施和道路修建工程。調(diào)查發(fā)現(xiàn),五十岔小流域生產(chǎn)道路兩旁均為梯田,雖然梯田作為水土保持措施中重要的保水保土措施,能夠有效削減流域水土流失現(xiàn)象,但此次調(diào)查發(fā)現(xiàn),侵蝕量較大的道路旁的梯田基本處于未耕或育苗稀少的狀態(tài),使得土壤大面積裸露,而田面土層內(nèi)均采用了覆膜措施(如圖5a—5b所示),極大地增加了梯田田面的過(guò)流能力,使得這些梯田形成了天然的匯流過(guò)流平臺(tái),水流在重力作用下朝梯田田埂匯集,根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),田埂應(yīng)達(dá)到30 cm高,但通過(guò)對(duì)梯田損毀情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn),田埂高度均未達(dá)標(biāo),實(shí)際高度不足20 cm(如圖5c所示)。因此,水流極易沖毀田埂,匯集于道路上,通過(guò)前文分析,道路呈凹型路面,其水流不僅來(lái)自上游降雨徑流,還匯集了來(lái)自梯田的匯水,因此,導(dǎo)致道路侵蝕更易發(fā)生,侵蝕狀況急劇。五十岔小流域部分生產(chǎn)道路修建時(shí)有轉(zhuǎn)彎路面,調(diào)查中發(fā)現(xiàn)這些路面發(fā)生的侵蝕狀況比平直路面更為嚴(yán)重(如圖5d所示)。路面徑流在重力作用下順平直路面匯流,當(dāng)路面發(fā)生轉(zhuǎn)彎時(shí),徑流會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)彎外側(cè)路面產(chǎn)生沖刷后再順路面而下,因此,路面轉(zhuǎn)彎外側(cè)發(fā)生的侵蝕狀況往往較為嚴(yán)重。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),五十岔小流域生產(chǎn)道路均未修建排水措施(如圖5e所示),生產(chǎn)道路過(guò)流面均為道路路面。圖5f為調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的道路的侵蝕,侵蝕已掏空路基,其中發(fā)現(xiàn)道路埋管,這部分道路內(nèi)部土質(zhì)較為松散;而通過(guò)觀察現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的道路整修作業(yè)發(fā)現(xiàn),整修過(guò)程中僅對(duì)侵蝕路面進(jìn)行覆土填平,并沒(méi)有采用壓實(shí)工具對(duì)路面進(jìn)行壓實(shí)整平,未壓實(shí)路面存在浮土,滲透能力較低,即便雨強(qiáng)很小時(shí),也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生路面徑流進(jìn)而引發(fā)路面侵蝕[27]。
圖5 五十岔小流域道路侵蝕人類活動(dòng)影響因素
3 討論
許多專家學(xué)者對(duì)農(nóng)村土質(zhì)道路進(jìn)行了產(chǎn)沙模擬試驗(yàn),表明土質(zhì)道路受道路形態(tài)、坡度和壓實(shí)度等影響,入滲率較低,易發(fā)生侵蝕[22-23]。五十岔小流域生產(chǎn)道路均為未硬化的黃土道路,路面整體呈現(xiàn)凹型,均未修建排水措施,部分路段有地下埋管,道路壓實(shí)度較低,加之道路兩側(cè)梯田均未布設(shè)截排水設(shè)施,并且田面在耕作前鋪設(shè)了地膜,地膜影響了水量下滲,加劇產(chǎn)匯流過(guò)程,梯田匯水很容易沖毀田埂順邊坡匯入道路,綜合上述條件,五十岔小流域部分生產(chǎn)道路發(fā)生了較為嚴(yán)重的侵蝕現(xiàn)象。
根據(jù)侵蝕量計(jì)算結(jié)果,由于斷面法以斷面近似替代區(qū)間侵蝕狀況,因此造成斷面法計(jì)算結(jié)果與三維影像測(cè)量結(jié)果存在一定偏差。在實(shí)際調(diào)查過(guò)程中,受人力、物力及時(shí)間限制,無(wú)法對(duì)全流域所有道路侵蝕溝進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量,采用抽樣調(diào)查和斷面法進(jìn)行測(cè)量能節(jié)省人力、物力資源,并能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)抽樣樣本進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量,以此來(lái)表征五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕狀況。在抽樣過(guò)程中,應(yīng)全方位考慮土地管理措施、分布情況,盡可能使抽樣道路覆蓋流域內(nèi)道路所包含的特征,才不會(huì)使斷面法進(jìn)行侵蝕量計(jì)算時(shí)偏差過(guò)大,使得計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際侵蝕量,但斷面法仍存在不足,若斷面區(qū)間內(nèi)侵蝕溝發(fā)育發(fā)生明顯變化,則以斷面表征區(qū)間內(nèi)侵蝕狀況則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。
五十岔小流域道路侵蝕受到降雨因素、道路特征和人類活動(dòng)三方面共同作用,受到大雨強(qiáng)作用,地表徑流急劇增大,小流域內(nèi)生產(chǎn)道路是主要的匯流路徑,同時(shí),生產(chǎn)道路因其自身未硬化、坡度較大且呈凹型的路面形態(tài),無(wú)排水、有地下埋管且未壓實(shí)的不完善的修建工程和不達(dá)標(biāo)的梯田修建措施,使得生產(chǎn)道路匯水增加,流速增大,集中成股能力增強(qiáng),導(dǎo)致徑流侵蝕力增大,對(duì)路面造成的侵蝕增大,致使小流域生產(chǎn)道路部分道路形成侵蝕量達(dá)5 t以上的侵蝕溝,而侵蝕溝在形態(tài)上與凹型路面相似,道路上的侵蝕溝作用于排水措施相似,徑流匯聚其中,加劇了侵蝕溝的發(fā)育,最終造成了嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),良好的水土保持措施和植被覆蓋能有效減少侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生。五十岔小流域上下游、山頂和山腳植被覆蓋狀況、梯田內(nèi)種植狀況均不相同,上游梯田內(nèi)作物長(zhǎng)勢(shì)較好,植被覆蓋度較高,山頂采取了退耕還林還草措施,因此位于小流域上游和山頂?shù)牡缆非治g量普遍較小,甚至不發(fā)生侵蝕;而小流域下游梯田種植密度較為稀疏,部分梯田處于未耕作狀態(tài),山腳植被覆蓋率較低,因此,小流域下游及山腳處的生產(chǎn)道路侵蝕量較大。
4 結(jié)論
(1)五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕主要受到強(qiáng)降雨、生產(chǎn)道路自身特性和人類活動(dòng)三方面因素影響,使得小流域內(nèi)生產(chǎn)道路侵蝕狀況各異,其中位于小流域下游、順徑流方向且植被蓋度較低的道路侵蝕狀況較為嚴(yán)重。
(2)基于斷面法得到的流域道路侵蝕總量為1 163.06 t,基于流域道路侵蝕模數(shù)為1 054.49 t/km2,通過(guò)三維影像測(cè)量的流域道路侵蝕總量為1 409.49 t,基于流域的道路侵蝕模數(shù)為1 277.91 t/km2,調(diào)查斷面損毀率達(dá)53.39%。
(3)本次調(diào)查結(jié)果反映出實(shí)施水土保持措施是必要且有效的,而且要進(jìn)一步完善截排水措施,良好的水土保持措施和植被覆蓋能夠有效減少侵蝕現(xiàn)象發(fā)生。結(jié)合本次暴雨調(diào)查成果及本文的不足之處,提出以下展望:①高精度影像資料的覆蓋。實(shí)地調(diào)查受限于時(shí)間緊、人力和物力資源短缺等因素,不能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)全流域全部道路展開(kāi)詳細(xì)測(cè)量調(diào)查,因此,高精度影像資料的拍攝和分析能夠彌補(bǔ)實(shí)地調(diào)查的不足。通過(guò)高精度影像資料,可以清晰提取流域內(nèi)各種要素,對(duì)生產(chǎn)道路侵蝕狀況進(jìn)行全方位分析,以彌補(bǔ)斷面法產(chǎn)生的計(jì)算誤差。②暴雨過(guò)后及時(shí)開(kāi)展暴雨水土保持調(diào)查是有必要且必須的。調(diào)查能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)暴雨造成的損毀情況,反饋水土保持措施發(fā)揮的功效。調(diào)查結(jié)果能對(duì)區(qū)域水土流失治理和優(yōu)化調(diào)度提供參考,使得區(qū)域水土保持工作更加完善、高效。③在未來(lái)研究中,將進(jìn)一步進(jìn)行建模分析,采用不同雨強(qiáng)、坡度、土地利用、植被蓋度等因素與道路侵蝕量建立回歸模型及機(jī)器學(xué)習(xí)模型,探究各因子對(duì)于道路侵蝕的貢獻(xiàn)度,為改善道路侵蝕,完善水土保持措施管理制度提供參考。
閻思宇李斌斌于坤霞叢佩娟戴 寧
(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710048;2.水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心,北京100053)
受全球氣候變化影響,中國(guó)暴雨發(fā)生頻率逐年增加,受暴雨影響,土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞、肥力下降,建筑設(shè)施遭到損毀[1-2],嚴(yán)重可威脅民眾生命財(cái)產(chǎn)安全[3],不僅如此,暴雨引發(fā)的洪水災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象。生產(chǎn)道路是農(nóng)田與非農(nóng)田系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施,在暴雨條件下是重要的泥沙來(lái)源[4-5],國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者對(duì)生產(chǎn)道路侵蝕發(fā)生原因進(jìn)行了研究探討,表明道路自身土壤特性及路面狀況會(huì)對(duì)道路侵蝕產(chǎn)生影響。Ziegler等[6]認(rèn)為道路下墊面條件、道路邊坡、道路溝渠及侵蝕溝渠等4個(gè)道路特征是影響生產(chǎn)道路侵蝕的主要因素,并在研究中指出路面透水性會(huì)影響徑流系數(shù),徑流系數(shù)越大,即使小雨強(qiáng)也可能產(chǎn)生徑流,對(duì)道路造成侵蝕[7];MacDonald等[8]總結(jié)了道路土壤性質(zhì)及結(jié)構(gòu)、透水性、壓實(shí)度等是影響道路侵蝕強(qiáng)弱的主要因素;張強(qiáng)等[9]分析了黃土區(qū)土質(zhì)路與被草土質(zhì)路侵蝕狀況,研究表明被草土質(zhì)路侵蝕產(chǎn)沙量遠(yuǎn)低于土質(zhì)路面;曹世雄等[10]在黃土丘陵區(qū)土質(zhì)路面開(kāi)展實(shí)驗(yàn),表明種草不僅能美化環(huán)境,起到生態(tài)修復(fù)功效,還能有效防止道路水土流失的發(fā)生。
雖然國(guó)內(nèi)外研究表明了影響道路侵蝕的主要因素,但不同區(qū)域、不同氣候條件、下墊面條件下,道路侵蝕量及道路侵蝕防治研究仍不足。Wang等[11]和Zhang等[4]對(duì)暴雨后道路侵蝕量進(jìn)行了試算,分析了產(chǎn)生道路侵蝕的原因及驅(qū)動(dòng)因素,并提出水土保持措施能有效減輕道路侵蝕。水土保持措施具有改善土壤結(jié)構(gòu)、蓄水保水、農(nóng)田防護(hù)等基礎(chǔ)功能[12-14],也能夠在防洪減災(zāi)中發(fā)揮重要作用[15],尤其是在中國(guó)水土流失最嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)[16],多名學(xué)者[17-20]研究表明,水土保持措施能夠有效減少黃土高原水土流失現(xiàn)象。為此,調(diào)查暴雨后水土保持措施發(fā)揮的效益具有重要的實(shí)踐和理論意義。
2022年7月13—16日,寧夏回族自治區(qū)西吉縣出現(xiàn)明顯降雨過(guò)程,馬蓮鄉(xiāng)、什字鄉(xiāng)出現(xiàn)局地強(qiáng)降水,有96站累計(jì)降雨量超過(guò)50 mm,有6站累計(jì)降雨量超過(guò)100 mm,在唐家河流域出現(xiàn)了淤地壩潰壩等安全事故,造成了嚴(yán)重的水土流失災(zāi)害。為深入認(rèn)識(shí)暴雨條件下土壤侵蝕規(guī)律與影響,了解此次暴雨水土流失狀況、土壤侵蝕強(qiáng)度及水土保持工程損毀狀況,評(píng)價(jià)暴雨條件下水土保持各項(xiàng)措施安全性和有效性。2022年7月25日至29日,水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心組織開(kāi)展了寧夏西吉縣“7·13”暴雨水土保持綜合調(diào)查,對(duì)寧夏西吉縣唐家河流域土壤侵蝕狀況、水土流失危害和水土保持措施效果進(jìn)行全面調(diào)查和分析。本文選取西吉縣唐家河流域五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕狀況進(jìn)行分析,對(duì)其生產(chǎn)道路侵蝕開(kāi)展了實(shí)地調(diào)查和測(cè)量,并采用斷面法計(jì)算了五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕模數(shù),分析了生產(chǎn)道路侵蝕發(fā)生原因。
1 研究區(qū)概況及技術(shù)路線
1.1 研究區(qū)概況
五十岔小流域位于寧夏西吉縣東南將臺(tái)鄉(xiāng)李咀村,面積為1.07 km2,屬于大陸性季風(fēng)氣候,位于半干旱區(qū),多年平均氣溫為5.81℃,多年平均降水量為460 mm,多年平均徑流深為42 mm,年徑流量為1.21×104m3,年輸沙量為4.58×105t。
1.2 研究方法
小流域道路侵蝕調(diào)查工作主要分為內(nèi)業(yè)及外業(yè)工作,內(nèi)業(yè)包括降雨前影像資料及降雨后影像資料的收集、解譯和抽樣工作。外業(yè)工作主要是對(duì)道路進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)。對(duì)于道路調(diào)查及計(jì)算方法均參考以往暴雨調(diào)查經(jīng)驗(yàn)和專家學(xué)者方法[10-11],采用斷面法進(jìn)行調(diào)查和侵蝕強(qiáng)度計(jì)算。
1.2.1 實(shí)地調(diào)查方法 在暴雨過(guò)后及時(shí)采用無(wú)人機(jī)對(duì)調(diào)查小流域進(jìn)行影像拍攝工作,獲取基于無(wú)人機(jī)的正射影像圖(DOM)和精度為8 cm的數(shù)字地面模型(DSM),并生成三維遙感影像。通過(guò)對(duì)影像資料的解譯,提取小流域中所有道路的空間分布情況,從而得到整個(gè)小流域內(nèi)道路總長(zhǎng)為7.81 km,其中生產(chǎn)道路長(zhǎng)度為7.62 km,占總道路長(zhǎng)度的97.61%。按照道路主要土地管理措施(包含林地、草地和梯田)、高程和流域內(nèi)分布情況作為抽樣依據(jù),從圖中抽樣選出11條道路,抽樣道路總長(zhǎng)為1.11 km,占流域道路總長(zhǎng)的14.26%。流域道路分布情況及抽樣道路分布情況如圖1所示。調(diào)查時(shí)以10 m作為斷面間隔,對(duì)抽樣道路劃分n個(gè)斷面,并測(cè)量各斷面侵蝕溝的寬、深情況,如道路劃分?jǐn)嗝娉霈F(xiàn)不足10 m間隔區(qū)間時(shí),則舍棄該區(qū)間。分別在道路起始斷面、結(jié)束斷面和中間隨機(jī)斷面進(jìn)行取樣,取樣體積為100 cm3,用以測(cè)量道路土壤容重。
圖1 五十岔小流域道路及抽樣道路分布
1.2.2 道路侵蝕強(qiáng)度計(jì)算方法 道路侵蝕強(qiáng)度計(jì)算
采用斷面法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算方法為:
式中:k表示抽樣道路編號(hào);n表示k道路的斷面數(shù);分別表示抽樣道路侵蝕溝的平均寬度和平均深度;wi,hi分別表示斷面侵蝕溝的寬度和深度;Qk表示k道路的侵蝕模數(shù);l表示斷面區(qū)間長(zhǎng),本文取10 m;Ak表示道路k的面積;Lk,Wk分別表示道路k的長(zhǎng)度和寬度;ρ表示土壤容重,經(jīng)取樣測(cè)量得到五十岔小流域道路土壤容重平均為1.43 g/cm3。同時(shí)采用無(wú)人機(jī)影像得到的三維影像數(shù)據(jù)對(duì)流域內(nèi)道路侵蝕進(jìn)行測(cè)量,以此得到的流域道路侵蝕總量作為實(shí)際道路侵蝕總量。
2 結(jié)果與分析
2.1 道路損毀情況
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕嚴(yán)重,大部分生產(chǎn)道路受到了不同程度的沖刷,部分道路完全損毀,僅有少部分橫向道路及覆被達(dá)90%以上的縱向道路斷面未受侵蝕。本次道路抽樣調(diào)查總長(zhǎng)為1.11 km,共調(diào)查斷面118個(gè),各抽樣道路斷面損毀統(tǒng)計(jì)狀況詳見(jiàn)表1。
表1 五十岔小流域抽樣道路損毀狀況統(tǒng)計(jì)
由表2統(tǒng)計(jì)可知,調(diào)查抽樣道路斷面總計(jì)118個(gè),63個(gè)斷面存在不同程度的侵蝕溝,占總斷面數(shù)的53.39%,其中如W1,W2,W11號(hào)道路各斷面均有切溝出現(xiàn),且切溝長(zhǎng)度較長(zhǎng)。根據(jù)道路損毀狀況進(jìn)行分級(jí),分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表2。對(duì)抽樣調(diào)查道路斷面區(qū)間侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)(表3)。
表2 道路損毀等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
表3 五十岔小流域抽樣道路侵蝕強(qiáng)度分級(jí)
調(diào)查發(fā)現(xiàn)抽樣道路侵蝕主要集中在W1,W2,W4,W11號(hào)道路,部分?jǐn)嗝娆F(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),抽樣道路中裸露黃土路面受到侵蝕狀況較為嚴(yán)重,如圖2a—2f所示,其中圖2c—2f展示了道路轉(zhuǎn)彎處形成的特大侵蝕溝,這些侵蝕溝深度達(dá)到3～4 m,對(duì)道路造成了嚴(yán)重破壞;圖2g—2h展示了覆被道路的侵蝕狀況,這些道路由于覆被率較高,基本不會(huì)形成侵蝕溝。
圖2 五十岔小流域部分調(diào)查斷面道路侵蝕現(xiàn)狀
2.2 道路侵蝕量計(jì)算及分析
抽樣道路侵蝕狀況計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。依據(jù)表4的推算成果,根據(jù)斷面法計(jì)算抽樣道路侵蝕總量為161.86 t,在此基礎(chǔ)上推算小流域的道路侵蝕總量為1 163.06 t,基于小流域的道路侵蝕模數(shù)為1 054.49 t/km2;利用無(wú)人機(jī)航拍影像建立的三維影像進(jìn)行道路侵蝕淺溝和切溝的提取和計(jì)算,可以得到抽樣道路的侵蝕總量為200.80 t,流域道路侵蝕總量為1 409.49 t,通過(guò)計(jì)算,可以得到流域內(nèi)的道路侵蝕模數(shù)為1 277.91 t/km2。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)斷面法量測(cè)與三維影像提取計(jì)算的結(jié)果存在偏差。以抽樣道路侵蝕總量為例,現(xiàn)場(chǎng)斷面法量測(cè)道路侵蝕總量較三維影像提取計(jì)算道路侵蝕總量低了19.39%,主要是由于斷面法以斷面近似替代區(qū)間侵蝕狀況,對(duì)侵蝕溝也是近似看作規(guī)則圖形進(jìn)行量測(cè)計(jì)算,若兩斷面間侵蝕狀況發(fā)生顯著變化,如斷面區(qū)間侵蝕狀況減弱,則計(jì)算結(jié)果可能偏大,斷面區(qū)間侵蝕增大,則計(jì)算結(jié)果可能偏小,而三維影像能夠較精確地量算出侵蝕溝體積,因此造成了兩種方法間存在偏差、傳統(tǒng)方法推算成果偏小的現(xiàn)象。
表4 五十岔小流域抽樣道路侵蝕總量結(jié)果
2.3 道路侵蝕強(qiáng)度影響因素
通過(guò)上文侵蝕量分析,各抽樣道路侵蝕總量各不相同,且在實(shí)際調(diào)查過(guò)程中所見(jiàn)各條道路的侵蝕狀況各有差異。道路侵蝕主要受到自然因素和人類活動(dòng)共同作用[21],五十岔小流域道路侵蝕的影響因素可歸結(jié)為降雨因素、道路特征和人類活動(dòng)3部分。
2.3.1 降雨因素 2022年7月13—16日,西吉縣受強(qiáng)對(duì)流天氣影響出現(xiàn)明顯降雨過(guò)程,其中96站累計(jì)降雨量超過(guò)50 mm,6站累計(jì)降雨量超過(guò)100 mm,其中7月15日降雨最為集中,具有短歷時(shí)、雨強(qiáng)大的特點(diǎn)。距五十岔小流域最近雨量站為什字水庫(kù)站,其最大1 h降雨、最大3 h降雨、最大6 h降雨分別為43.6,91.6和115.8 mm,分別為超10 a一遇、超50 a一遇和超100 a一遇暴雨。在如此暴雨條件下,暴雨在短時(shí)間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)換為地表徑流,對(duì)路面造成沖刷,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)侵蝕溝,是道路侵蝕發(fā)生的前置條件。
2.3.2 道路特征 許多專家學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)道路是否覆被、土壤質(zhì)地、走向、坡度等特征因素對(duì)道路侵蝕有著顯著影響[7,21-23]。五十岔小流域道路侵蝕均發(fā)生在未硬化的生產(chǎn)道路路面,道路兩側(cè)土地管理措施均為梯田,且道路均無(wú)排水措施,抽樣道路調(diào)查情況詳見(jiàn)表5所示。
表5 五十岔小流域抽樣道路路面及土地利用情況
(1)道路形態(tài)與土壤性質(zhì)。王天巍等[22]發(fā)現(xiàn)路面形態(tài)通過(guò)影響路面徑流的水力學(xué)特征進(jìn)而影響道路侵蝕,其中凹型路面產(chǎn)沙最多。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),五十岔小流域道路兩側(cè)均為梯田,因此大部分道路呈現(xiàn)兩邊高中間低的凹型形態(tài),這種匯聚型路面形態(tài)會(huì)使降雨徑流集中在低洼處,水量和水流動(dòng)能呈線性或指數(shù)倍增加[24],又由于道路平均比降較大,使得降雨徑流流速加快,侵蝕能力更強(qiáng),而調(diào)查發(fā)現(xiàn)土壤構(gòu)成主要為濕陷性黃土,其在天然狀態(tài)下有一定承載力,但受水沖刷后,其強(qiáng)度變低、承載力降低,結(jié)構(gòu)易受到破壞,發(fā)生沉陷,綜合兩種原因,使得五十岔小流域道路發(fā)生侵蝕。
(2)道路比降。抽樣調(diào)查的11條道路平均比降為0.12,統(tǒng)計(jì)調(diào)查抽樣道路侵蝕溝發(fā)生數(shù)與道路比降關(guān)系如圖3所示。隨道路比降增加,侵蝕溝發(fā)生個(gè)數(shù)呈先增后減的趨勢(shì),在比降為0.15～0.2區(qū)間時(shí)侵蝕溝發(fā)生數(shù)最多,占侵蝕溝發(fā)生總數(shù)的32.08%,0.2～0.25比降區(qū)間次之,占侵蝕溝發(fā)生總數(shù)的22.64%。圖3也反映了侵蝕量與道路比降的關(guān)系,各比降區(qū),侵蝕量為5 t以上的侵蝕溝主要集中發(fā)生于0.1～0.2比降區(qū)間,這些侵蝕溝主要出現(xiàn)在W1,W2,W4和W11號(hào)道路,通過(guò)前文分析,這些道路是位于流域上游的順徑流方向道路,周圍植被覆蓋率較差,比降普遍較大,因此受雨水沖刷后易出現(xiàn)嚴(yán)重的侵蝕溝。
圖3 五十岔小流域道路侵蝕與比降關(guān)系
(3)道路覆被。土壤表層植被能夠減弱徑流動(dòng)能,有效起到減弱水蝕的作用[25-26]。依據(jù)表2統(tǒng)計(jì)調(diào)查道路覆被情況結(jié)果顯示,僅有W5,W6和W9號(hào)道路路面有覆被。由表4可知,相較于植被覆蓋較差的W1,W2號(hào)道路,這些道路的侵蝕總量均較小,表明道路覆被和環(huán)境覆被能有效減少道路侵蝕的發(fā)生。盡管植被能有效減弱水蝕作用,但部分覆被較好的道路仍發(fā)生了較嚴(yán)重的侵蝕。部分道路覆被和環(huán)境覆被情況如圖4所示。其中W5號(hào)道路覆被主要在路中,道路兩側(cè)仍為裸露地表(如圖4所示),在道路兩側(cè)形成了侵蝕溝,而W9號(hào)道路因路面植被覆蓋率高,幾乎不發(fā)生侵蝕。表明植被覆蓋位置和蓋度不同,也會(huì)對(duì)道路侵蝕產(chǎn)生不同的影響,蓋度較低或植被未覆蓋的部分易發(fā)生道路侵蝕。
圖4 五十岔小流域道路覆被情況
2.3.3 人類活動(dòng)因素 五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕人類活動(dòng)影響主要體現(xiàn)在路旁土地管理措施和道路修建工程。調(diào)查發(fā)現(xiàn),五十岔小流域生產(chǎn)道路兩旁均為梯田,雖然梯田作為水土保持措施中重要的保水保土措施,能夠有效削減流域水土流失現(xiàn)象,但此次調(diào)查發(fā)現(xiàn),侵蝕量較大的道路旁的梯田基本處于未耕或育苗稀少的狀態(tài),使得土壤大面積裸露,而田面土層內(nèi)均采用了覆膜措施(如圖5a—5b所示),極大地增加了梯田田面的過(guò)流能力,使得這些梯田形成了天然的匯流過(guò)流平臺(tái),水流在重力作用下朝梯田田埂匯集,根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),田埂應(yīng)達(dá)到30 cm高,但通過(guò)對(duì)梯田損毀情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn),田埂高度均未達(dá)標(biāo),實(shí)際高度不足20 cm(如圖5c所示)。因此,水流極易沖毀田埂,匯集于道路上,通過(guò)前文分析,道路呈凹型路面,其水流不僅來(lái)自上游降雨徑流,還匯集了來(lái)自梯田的匯水,因此,導(dǎo)致道路侵蝕更易發(fā)生,侵蝕狀況急劇。五十岔小流域部分生產(chǎn)道路修建時(shí)有轉(zhuǎn)彎路面,調(diào)查中發(fā)現(xiàn)這些路面發(fā)生的侵蝕狀況比平直路面更為嚴(yán)重(如圖5d所示)。路面徑流在重力作用下順平直路面匯流,當(dāng)路面發(fā)生轉(zhuǎn)彎時(shí),徑流會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)彎外側(cè)路面產(chǎn)生沖刷后再順路面而下,因此,路面轉(zhuǎn)彎外側(cè)發(fā)生的侵蝕狀況往往較為嚴(yán)重。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),五十岔小流域生產(chǎn)道路均未修建排水措施(如圖5e所示),生產(chǎn)道路過(guò)流面均為道路路面。圖5f為調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的道路的侵蝕,侵蝕已掏空路基,其中發(fā)現(xiàn)道路埋管,這部分道路內(nèi)部土質(zhì)較為松散;而通過(guò)觀察現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的道路整修作業(yè)發(fā)現(xiàn),整修過(guò)程中僅對(duì)侵蝕路面進(jìn)行覆土填平,并沒(méi)有采用壓實(shí)工具對(duì)路面進(jìn)行壓實(shí)整平,未壓實(shí)路面存在浮土,滲透能力較低,即便雨強(qiáng)很小時(shí),也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生路面徑流進(jìn)而引發(fā)路面侵蝕[27]。
圖5 五十岔小流域道路侵蝕人類活動(dòng)影響因素
3 討論
許多專家學(xué)者對(duì)農(nóng)村土質(zhì)道路進(jìn)行了產(chǎn)沙模擬試驗(yàn),表明土質(zhì)道路受道路形態(tài)、坡度和壓實(shí)度等影響,入滲率較低,易發(fā)生侵蝕[22-23]。五十岔小流域生產(chǎn)道路均為未硬化的黃土道路,路面整體呈現(xiàn)凹型,均未修建排水措施,部分路段有地下埋管,道路壓實(shí)度較低,加之道路兩側(cè)梯田均未布設(shè)截排水設(shè)施,并且田面在耕作前鋪設(shè)了地膜,地膜影響了水量下滲,加劇產(chǎn)匯流過(guò)程,梯田匯水很容易沖毀田埂順邊坡匯入道路,綜合上述條件,五十岔小流域部分生產(chǎn)道路發(fā)生了較為嚴(yán)重的侵蝕現(xiàn)象。
根據(jù)侵蝕量計(jì)算結(jié)果,由于斷面法以斷面近似替代區(qū)間侵蝕狀況,因此造成斷面法計(jì)算結(jié)果與三維影像測(cè)量結(jié)果存在一定偏差。在實(shí)際調(diào)查過(guò)程中,受人力、物力及時(shí)間限制,無(wú)法對(duì)全流域所有道路侵蝕溝進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量,采用抽樣調(diào)查和斷面法進(jìn)行測(cè)量能節(jié)省人力、物力資源,并能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)抽樣樣本進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量,以此來(lái)表征五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕狀況。在抽樣過(guò)程中,應(yīng)全方位考慮土地管理措施、分布情況,盡可能使抽樣道路覆蓋流域內(nèi)道路所包含的特征,才不會(huì)使斷面法進(jìn)行侵蝕量計(jì)算時(shí)偏差過(guò)大,使得計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際侵蝕量,但斷面法仍存在不足,若斷面區(qū)間內(nèi)侵蝕溝發(fā)育發(fā)生明顯變化,則以斷面表征區(qū)間內(nèi)侵蝕狀況則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。
五十岔小流域道路侵蝕受到降雨因素、道路特征和人類活動(dòng)三方面共同作用,受到大雨強(qiáng)作用,地表徑流急劇增大,小流域內(nèi)生產(chǎn)道路是主要的匯流路徑,同時(shí),生產(chǎn)道路因其自身未硬化、坡度較大且呈凹型的路面形態(tài),無(wú)排水、有地下埋管且未壓實(shí)的不完善的修建工程和不達(dá)標(biāo)的梯田修建措施,使得生產(chǎn)道路匯水增加,流速增大,集中成股能力增強(qiáng),導(dǎo)致徑流侵蝕力增大,對(duì)路面造成的侵蝕增大,致使小流域生產(chǎn)道路部分道路形成侵蝕量達(dá)5 t以上的侵蝕溝,而侵蝕溝在形態(tài)上與凹型路面相似,道路上的侵蝕溝作用于排水措施相似,徑流匯聚其中,加劇了侵蝕溝的發(fā)育,最終造成了嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),良好的水土保持措施和植被覆蓋能有效減少侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生。五十岔小流域上下游、山頂和山腳植被覆蓋狀況、梯田內(nèi)種植狀況均不相同,上游梯田內(nèi)作物長(zhǎng)勢(shì)較好,植被覆蓋度較高,山頂采取了退耕還林還草措施,因此位于小流域上游和山頂?shù)牡缆非治g量普遍較小,甚至不發(fā)生侵蝕;而小流域下游梯田種植密度較為稀疏,部分梯田處于未耕作狀態(tài),山腳植被覆蓋率較低,因此,小流域下游及山腳處的生產(chǎn)道路侵蝕量較大。
4 結(jié)論
(1)五十岔小流域生產(chǎn)道路侵蝕主要受到強(qiáng)降雨、生產(chǎn)道路自身特性和人類活動(dòng)三方面因素影響,使得小流域內(nèi)生產(chǎn)道路侵蝕狀況各異,其中位于小流域下游、順徑流方向且植被蓋度較低的道路侵蝕狀況較為嚴(yán)重。
(2)基于斷面法得到的流域道路侵蝕總量為1 163.06 t,基于流域道路侵蝕模數(shù)為1 054.49 t/km2,通過(guò)三維影像測(cè)量的流域道路侵蝕總量為1 409.49 t,基于流域的道路侵蝕模數(shù)為1 277.91 t/km2,調(diào)查斷面損毀率達(dá)53.39%。
(3)本次調(diào)查結(jié)果反映出實(shí)施水土保持措施是必要且有效的,而且要進(jìn)一步完善截排水措施,良好的水土保持措施和植被覆蓋能夠有效減少侵蝕現(xiàn)象發(fā)生。結(jié)合本次暴雨調(diào)查成果及本文的不足之處,提出以下展望:①高精度影像資料的覆蓋。實(shí)地調(diào)查受限于時(shí)間緊、人力和物力資源短缺等因素,不能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)全流域全部道路展開(kāi)詳細(xì)測(cè)量調(diào)查,因此,高精度影像資料的拍攝和分析能夠彌補(bǔ)實(shí)地調(diào)查的不足。通過(guò)高精度影像資料,可以清晰提取流域內(nèi)各種要素,對(duì)生產(chǎn)道路侵蝕狀況進(jìn)行全方位分析,以彌補(bǔ)斷面法產(chǎn)生的計(jì)算誤差。②暴雨過(guò)后及時(shí)開(kāi)展暴雨水土保持調(diào)查是有必要且必須的。調(diào)查能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)暴雨造成的損毀情況,反饋水土保持措施發(fā)揮的功效。調(diào)查結(jié)果能對(duì)區(qū)域水土流失治理和優(yōu)化調(diào)度提供參考,使得區(qū)域水土保持工作更加完善、高效。③在未來(lái)研究中,將進(jìn)一步進(jìn)行建模分析,采用不同雨強(qiáng)、坡度、土地利用、植被蓋度等因素與道路侵蝕量建立回歸模型及機(jī)器學(xué)習(xí)模型,探究各因子對(duì)于道路侵蝕的貢獻(xiàn)度,為改善道路侵蝕,完善水土保持措施管理制度提供參考。
