2022年“7·13”暴雨下生產道路侵蝕強度調查
——以寧夏回族自治區西吉縣五十岔小流域為例

閻思宇李斌斌于坤霞叢佩娟戴 寧

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室,陜西 西安710048;2.水利部 水土保持監測中心,北京100053)

受全球氣候變化影響,中國暴雨發生頻率逐年增加,受暴雨影響,土壤結構遭到破壞、肥力下降,建筑設施遭到損毀[1-2],嚴重可威脅民眾生命財產安全[3],不僅如此,暴雨引發的洪水災害會導致地區發生嚴重的水土流失現象。生產道路是農田與非農田系統重要的基礎設施,在暴雨條件下是重要的泥沙來源[4-5],國內外諸多專家學者對生產道路侵蝕發生原因進行了研究探討,表明道路自身土壤特性及路面狀況會對道路侵蝕產生影響。Ziegler等[6]認為道路下墊面條件、道路邊坡、道路溝渠及侵蝕溝渠等4個道路特征是影響生產道路侵蝕的主要因素,并在研究中指出路面透水性會影響徑流系數,徑流系數越大,即使小雨強也可能產生徑流,對道路造成侵蝕[7];MacDonald等[8]總結了道路土壤性質及結構、透水性、壓實度等是影響道路侵蝕強弱的主要因素;張強等[9]分析了黃土區土質路與被草土質路侵蝕狀況,研究表明被草土質路侵蝕產沙量遠低于土質路面;曹世雄等[10]在黃土丘陵區土質路面開展實驗,表明種草不僅能美化環境,起到生態修復功效,還能有效防止道路水土流失的發生。

雖然國內外研究表明了影響道路侵蝕的主要因素,但不同區域、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]對暴雨后道路侵蝕量進行了試算,分析了產生道路侵蝕的原因及驅動因素,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構、蓄水保水、農田防護等基礎功能[12-14],也能夠在防洪減災中發揮重要作用[15],尤其是在中國水土流失最嚴重的黃土高原地區[16],多名學者[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象。為此,調查暴雨后水土保持措施發揮的效益具有重要的實踐和理論意義。

2022年7月13—16日,寧夏回族自治區西吉縣出現明顯降雨過程,馬蓮鄉、什字鄉出現局地強降水,有96站累計降雨量超過50 mm,有6站累計降雨量超過100 mm,在唐家河流域出現了淤地壩潰壩等安全事故,造成了嚴重的水土流失災害。為深入認識暴雨條件下土壤侵蝕規律與影響,了解此次暴雨水土流失狀況、土壤侵蝕強度及水土保持工程損毀狀況,評價暴雨條件下水土保持各項措施安全性和有效性。2022年7月25日至29日,水利部水土保持監測中心組織開展了寧夏西吉縣“7·13”暴雨水土保持綜合調查,對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行全面調查和分析。本文選取西吉縣唐家河流域五十岔小流域生產道路侵蝕狀況進行分析,對其生產道路侵蝕開展了實地調查和測量,并采用斷面法計算了五十岔小流域生產道路侵蝕模數,分析了生產道路侵蝕發生原因。

1 研究區概況及技術路線

1.1 研究區概況

五十岔小流域位于寧夏西吉縣東南將臺鄉李咀村,面積為1.07 km2,屬于大陸性季風氣候,位于半干旱區,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

小流域道路侵蝕調查工作主要分為內業及外業工作,內業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。外業工作主要是對道路進行實地勘測。對于道路調查及計算方法均參考以往暴雨調查經驗和專家學者方法[10-11],采用斷面法進行調查和侵蝕強度計算。

1.2.1 實地調查方法 在暴雨過后及時采用無人機對調查小流域進行影像拍攝工作,獲取基于無人機的正射影像圖(DOM)和精度為8 cm的數字地面模型(DSM),并生成三維遙感影像。通過對影像資料的解譯,提取小流域中所有道路的空間分布情況,從而得到整個小流域內道路總長為7.81 km,其中生產道路長度為7.62 km,占總道路長度的97.61%。按照道路主要土地管理措施(包含林地、草地和梯田)、高程和流域內分布情況作為抽樣依據,從圖中抽樣選出11條道路,抽樣道路總長為1.11 km,占流域道路總長的14.26%。流域道路分布情況及抽樣道路分布情況如圖1所示。調查時以10 m作為斷面間隔,對抽樣道路劃分n個斷面,并測量各斷面侵蝕溝的寬、深情況,如道路劃分斷面出現不足10 m間隔區間時,則舍棄該區間。分別在道路起始斷面、結束斷面和中間隨機斷面進行取樣,取樣體積為100 cm3,用以測量道路土壤容重。

圖1 五十岔小流域道路及抽樣道路分布

1.2.2 道路侵蝕強度計算方法 道路侵蝕強度計算

采用斷面法進行計算,計算方法為:

式中:k表示抽樣道路編號;n表示k道路的斷面數;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;l表示斷面區間長,本文取10 m;Ak表示道路k的面積;Lk,Wk分別表示道路k的長度和寬度;ρ表示土壤容重,經取樣測量得到五十岔小流域道路土壤容重平均為1.43 g/cm3。同時采用無人機影像得到的三維影像數據對流域內道路侵蝕進行測量,以此得到的流域道路侵蝕總量作為實際道路侵蝕總量。

2 結果與分析

2.1 道路損毀情況

現場調查中發現,五十岔小流域生產道路侵蝕嚴重,大部分生產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90%以上的縱向道路斷面未受侵蝕。本次道路抽樣調查總長為1.11 km,共調查斷面118個,各抽樣道路斷面損毀統計狀況詳見表1。

表1 五十岔小流域抽樣道路損毀狀況統計

由表2統計可知,調查抽樣道路斷面總計118個,63個斷面存在不同程度的侵蝕溝,占總斷面數的53.39%,其中如W1,W2,W11號道路各斷面均有切溝出現,且切溝長度較長。根據道路損毀狀況進行分級,分級標準詳見表2。對抽樣調查道路斷面區間侵蝕強度進行分級(表3)。

表2 道路損毀等級分級標準

表3 五十岔小流域抽樣道路侵蝕強度分級

調查發現抽樣道路侵蝕主要集中在W1,W2,W4,W11號道路,部分斷面現場情況如圖2所示?，F場調查中發現,抽樣道路中裸露黃土路面受到侵蝕狀況較為嚴重,如圖2a—2f所示,其中圖2c—2f展示了道路轉彎處形成的特大侵蝕溝,這些侵蝕溝深度達到3～4 m,對道路造成了嚴重破壞;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,基本不會形成侵蝕溝。

圖2 五十岔小流域部分調查斷面道路侵蝕現狀

2.2 道路侵蝕量計算及分析

抽樣道路侵蝕狀況計算結果詳見表4。依據表4的推算成果,根據斷面法計算抽樣道路侵蝕總量為161.86 t,在此基礎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為1 054.49 t/km2;利用無人機航拍影像建立的三維影像進行道路侵蝕淺溝和切溝的提取和計算,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,通過計算,可以得到流域內的道路侵蝕模數為1 277.91 t/km2。通過計算發現,現場斷面法量測與三維影像提取計算的結果存在偏差。以抽樣道路侵蝕總量為例,現場斷面法量測道路侵蝕總量較三維影像提取計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間侵蝕狀況,對侵蝕溝也是近似看作規則圖形進行量測計算,若兩斷面間侵蝕狀況發生顯著變化,如斷面區間侵蝕狀況減弱,則計算結果可能偏大,斷面區間侵蝕增大,則計算結果可能偏小,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、傳統方法推算成果偏小的現象。

表4 五十岔小流域抽樣道路侵蝕總量結果

2.3 道路侵蝕強度影響因素

通過上文侵蝕量分析,各抽樣道路侵蝕總量各不相同,且在實際調查過程中所見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共同作用[21],五十岔小流域道路侵蝕的影響因素可歸結為降雨因素、道路特征和人類活動3部分。

2.3.1 降雨因素 2022年7月13—16日,西吉縣受強對流天氣影響出現明顯降雨過程,其中96站累計降雨量超過50 mm,6站累計降雨量超過100 mm,其中7月15日降雨最為集中,具有短歷時、雨強大的特點。距五十岔小流域最近雨量站為什字水庫站,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,暴雨在短時間內迅速轉換為地表徑流,對路面造成沖刷,嚴重時出現侵蝕溝,是道路侵蝕發生的前置條件。

2.3.2 道路特征 許多專家學者研究發現道路是否覆被、土壤質地、走向、坡度等特征因素對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生在未硬化的生產道路路面,道路兩側土地管理措施均為梯田,且道路均無排水措施,抽樣道路調查情況詳見表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)道路形態與土壤性質。王天巍等[22]發現路面形態通過影響路面徑流的水力學特征進而影響道路侵蝕,其中凹型路面產沙最多。通過調查發現,五十岔小流域道路兩側均為梯田,因此大部分道路呈現兩邊高中間低的凹型形態,這種匯聚型路面形態會使降雨徑流集中在低洼處,水量和水流動能呈線性或指數倍增加[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,而調查發現土壤構成主要為濕陷性黃土,其在天然狀態下有一定承載力,但受水沖刷后,其強度變低、承載力降低,結構易受到破壞,發生沉陷,綜合兩種原因,使得五十岔小流域道路發生侵蝕。

(2)道路比降。抽樣調查的11條道路平均比降為0.12,統計調查抽樣道路侵蝕溝發生數與道路比降關系如圖3所示。隨道路比降增加,侵蝕溝發生個數呈先增后減的趨勢,在比降為0.15～0.2區間時侵蝕溝發生數最多,占侵蝕溝發生總數的32.08%,0.2～0.25比降區間次之,占侵蝕溝發生總數的22.64%。圖3也反映了侵蝕量與道路比降的關系,各比降區,侵蝕量為5 t以上的侵蝕溝主要集中發生于0.1～0.2比降區間,這些侵蝕溝主要出現在W1,W2,W4和W11號道路,通過前文分析,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嚴重的侵蝕溝。

圖3 五十岔小流域道路侵蝕與比降關系

(3)道路覆被。土壤表層植被能夠減弱徑流動能,有效起到減弱水蝕的作用[25-26]。依據表2統計調查道路覆被情況結果顯示,僅有W5,W6和W9號道路路面有覆被。由表4可知,相較于植被覆蓋較差的W1,W2號道路,這些道路的侵蝕總量均較小,表明道路覆被和環境覆被能有效減少道路侵蝕的發生。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生了較嚴重的侵蝕。部分道路覆被和環境覆被情況如圖4所示。其中W5號道路覆被主要在路中,道路兩側仍為裸露地表(如圖4所示),在道路兩側形成了侵蝕溝,而W9號道路因路面植被覆蓋率高,幾乎不發生侵蝕。表明植被覆蓋位置和蓋度不同,也會對道路侵蝕產生不同的影響,蓋度較低或植被未覆蓋的部分易發生道路侵蝕。

圖4 五十岔小流域道路覆被情況

2.3.3 人類活動因素 五十岔小流域生產道路侵蝕人類活動影響主要體現在路旁土地管理措施和道路修建工程。調查發現,五十岔小流域生產道路兩旁均為梯田,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象,但此次調查發現,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,使得土壤大面積裸露,而田面土層內均采用了覆膜措施(如圖5a—5b所示),極大地增加了梯田田面的過流能力,使得這些梯田形成了天然的匯流過流平臺,水流在重力作用下朝梯田田埂匯集,根據設計標準,田埂應達到30 cm高,但通過對梯田損毀情況的調查發現,田埂高度均未達標,實際高度不足20 cm(如圖5c所示)。因此,水流極易沖毀田埂,匯集于道路上,通過前文分析,道路呈凹型路面,其水流不僅來自上游降雨徑流,還匯集了來自梯田的匯水,因此,導致道路侵蝕更易發生,侵蝕狀況急劇。五十岔小流域部分生產道路修建時有轉彎路面,調查中發現這些路面發生的侵蝕狀況比平直路面更為嚴重(如圖5d所示)。路面徑流在重力作用下順平直路面匯流,當路面發生轉彎時,徑流會對轉彎外側路面產生沖刷后再順路面而下,因此,路面轉彎外側發生的侵蝕狀況往往較為嚴重。通過調查發現,五十岔小流域生產道路均未修建排水措施(如圖5e所示),生產道路過流面均為道路路面。圖5f為調查過程中發現較嚴重的道路的侵蝕,侵蝕已掏空路基,其中發現道路埋管,這部分道路內部土質較為松散;而通過觀察現場進行的道路整修作業發現,整修過程中僅對侵蝕路面進行覆土填平,并沒有采用壓實工具對路面進行壓實整平,未壓實路面存在浮土,滲透能力較低,即便雨強很小時,也會在短時間內產生路面徑流進而引發路面侵蝕[27]。

圖5 五十岔小流域道路侵蝕人類活動影響因素

3 討論

許多專家學者對農村土質道路進行了產沙模擬試驗,表明土質道路受道路形態、坡度和壓實度等影響,入滲率較低,易發生侵蝕[22-23]。五十岔小流域生產道路均為未硬化的黃土道路,路面整體呈現凹型,均未修建排水措施,部分路段有地下埋管,道路壓實度較低,加之道路兩側梯田均未布設截排水設施,并且田面在耕作前鋪設了地膜,地膜影響了水量下滲,加劇產匯流過程,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道路發生了較為嚴重的侵蝕現象。

根據侵蝕量計算結果,由于斷面法以斷面近似替代區間侵蝕狀況,因此造成斷面法計算結果與三維影像測量結果存在一定偏差。在實際調查過程中,受人力、物力及時間限制,無法對全流域所有道路侵蝕溝進行詳細測量,采用抽樣調查和斷面法進行測量能節省人力、物力資源,并能在短時間內對抽樣樣本進行詳細測量,以此來表征五十岔小流域生產道路侵蝕狀況。在抽樣過程中,應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道路所包含的特征,才不會使斷面法進行侵蝕量計算時偏差過大,使得計算結果更接近實際侵蝕量,但斷面法仍存在不足,若斷面區間內侵蝕溝發育發生明顯變化,則以斷面表征區間內侵蝕狀況則會產生較大誤差。

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三方面共同作用,受到大雨強作用,地表徑流急劇增大,小流域內生產道路是主要的匯流路徑,同時,生產道路因其自身未硬化、坡度較大且呈凹型的路面形態,無排水、有地下埋管且未壓實的不完善的修建工程和不達標的梯田修建措施,使得生產道路匯水增加,流速增大,集中成股能力增強,導致徑流侵蝕力增大,對路面造成的侵蝕增大,致使小流域生產道路部分道路形成侵蝕量達5 t以上的侵蝕溝,而侵蝕溝在形態上與凹型路面相似,道路上的侵蝕溝作用于排水措施相似,徑流匯聚其中,加劇了侵蝕溝的發育,最終造成了嚴重的水土流失現象。

通過現場的調查發現,良好的水土保持措施和植被覆蓋能有效減少侵蝕現象的發生。五十岔小流域上下游、山頂和山腳植被覆蓋狀況、梯田內種植狀況均不相同,上游梯田內作物長勢較好,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的道路侵蝕量普遍較小,甚至不發生侵蝕;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,山腳植被覆蓋率較低,因此,小流域下游及山腳處的生產道路侵蝕量較大。

4 結論

(1)五十岔小流域生產道路侵蝕主要受到強降雨、生產道路自身特性和人類活動三方面因素影響,使得小流域內生產道路侵蝕狀況各異,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為1 054.49 t/km2,通過三維影像測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為1 277.91 t/km2,調查斷面損毀率達53.39%。

(3)本次調查結果反映出實施水土保持措施是必要且有效的,而且要進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象發生。結合本次暴雨調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。實地調查受限于時間緊、人力和物力資源短缺等因素,不能在短時間內對全流域全部道路展開詳細測量調查,因此,高精度影像資料的拍攝和分析能夠彌補實地調查的不足。通過高精度影像資料,可以清晰提取流域內各種要素,對生產道路侵蝕狀況進行全方位分析,以彌補斷面法產生的計算誤差。②暴雨過后及時開展暴雨水土保持調查是有必要且必須的。調查能夠及時發現暴雨造成的損毀情況,反饋水土保持措施發揮的功效。調查結果能對區域水土流失治理和優化調度提供參考,使得區域水土保持工作更加完善、高效。③在未來研究中,將進一步進行建模分析,采用不同雨強、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器學習模型,探究各因子對于道路侵蝕的貢獻度,為改善道路侵蝕,完善水土保持措施管理制度提供參考。