（土壤学专业论文）三峡库区典型土质道路产流产沙特点研究.pdf

华中农业大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 摘要 土质道路是一种在山区分布广泛的道路类型，路面容重高，饱和入渗率低。这 种特性促使道路在较小的降雨强度下也能形成径流，是流域中形成超渗产流的主要 区域之一。因此，土质道路是一类不同于一般坡面、沟谷的特殊侵蚀环境，其水文 特性及侵蚀规律必然有自身的特点。三峡库区在生态环境建设与移民过程中修建了 大量道路，限于经济条件，大多为土质路面。鉴于水沙问题对三峡水库的重要性， 本文以三峡库区王家桥小流域为研究区，以村村、村镇两种典型土质道路为研究对 象，在o 5 、1 0r a m r a i n 两种人工模拟降雨强度下，定量研究土质道路径流泥沙特点， 以期阐明其产流产沙规律，为土质道路水土流失防治提供依据。主要研究结果如下： ( 1 ) 经过实地调查分析，受人为干扰强烈的土质道路砾石含量较高，土体容 重大，村镇道路普遍达到2 0g c 岔；饱和入渗率极低，最低可达1 6m m h “土体雨 前含水率也比一般坡面低1 0 个百分点；土粒排列紧密，土体抗冲性大：地表裸露， 仅村村道路存在杂草；人为扰动强烈，路面存在易随径流流失的浮土层，村镇道路 浮土重达0 4k g m 2 。 ( 2 ) 土质道路产流时间短，产流前累积降雨量小，o 5m m m i n 时，均在累积降 雨量达到4r a m 2 _ 前产流，当雨强为1 0m m m i n 时，累积降雨量 2i l l m 时均产流；径 流系数较大，均在7 0 以上。道路产流率在产流初期急剧增大，且短时间内趋于稳 定。双因素方差分析表明，雨强差异是影响地表径流的主要因素，道路类型差异仅 在0 5m m m i n 雨强下对村镇道路径流参数的影响达到显著；道路下垫面物理性状对 径流的影响较弱，与径流系数相关性分析表明，仅在0 5r a m r a i n 雨强下，村村( 厂= 0 8 5 9 * ) 、村镇( ，= 0 8 2 4 * ) 道路砾石含量达到了显著水平。 ( 3 ) 径流含沙量在产流初期即达峰值，随累积降雨量增加而下降，随后趋于稳 定，当累计雨量地0 础右时，含沙量又有所增加。1 0r a m r a i n 雨强下，产流初 期即达峰值，随后降低；而当雨强为o 5r a m r a i n 时，产流初期含沙量先增大至峰值 后减小。村镇道路含沙量峰值可达到2 8 5 8g l ，村村道路可达2 3 6 4g l ；累积降雨 量达9 衄时，村镇道路含沙量降幅达5 2 2 ，而村村道路亦达到了3 4 6 ；累积产沙 量变化曲线也随径流含沙量相应的变动。土质道路面浮土层是产流初期主要的泥沙 源，随径流的不断冲刷，浮土层逐渐消耗殆尽，土质路面成为主要的泥沙源。降雨 三峡库区典型土质道路产流产沙特点研究 ( f - - 7 3 8 2 * * ) 及道路类型( ，= 1 2 9 6 ) 差异均能够显著影响径流含沙量的变化。 道路下垫面物理性状与径流含沙量相关性分析表明：土体容重、单位面积浮土含量 的相关性均达到了显著；村镇道路砾石含量亦达到显著；杂草覆盖度在0 5r a m r a i n 的村村道路上达到了显著。 ( 4 ) 侵蚀率是坡面地表径流冲刷泥沙源的结果，产流初期，侵蚀率较大，后又 随泥沙源的变更、侵蚀类型的变化而有所减小并在一段时间内趋于稳定，在降雨后 期，随着径流侵蚀下切，侵蚀率又有所增加。0 5r a m r a i n 时，侵蚀率变动趋势比较 明显，当雨强为1 0m m m i n 时，这种趋势有所弱化。降雨( ，= 8 4 9 2 * ) 道路类型( f = 6 0 8 2 * * ) 对侵蚀率的影响均达到了显著；道路下垫面物理性状各因子与侵蚀率相 关性分析结果显示，土质道路土体容重、单位面积浮土重量均与侵蚀率显著相关， 杂草覆盖度与砾石含量亦表现出了较高的相关性。 关键词：村村道路；村镇道路；人工模拟降雨；径流；泥沙 2 华中农业大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 a bs t r a c t u n p a v e dr o a di nt h em o u n t a i n si sab r o a dd i s t r i b u t i o no ft h et y p eo fr o a d ，w h i c h b u l kd e n s k yi sh i g h , s a t u r a t e di n f i l t r a t i o nr a t ei sg e n e r a l l yl o w r u n o f fc a nb ef o r m e di n s m a l l e rr a i n f a l li n t e n s i t yo nt h eu n p a v e dr o a db e c a u s eo ft h es o i lp r o p e r t i e s s ou n p a v e d r o a di so n eo ft h em a i nr e g i o n a lf o r m i n gh o fi nt h ew a t e r s h e d t h e r e f o r e ，t h eu n p a v e d r o a di sak i n do ft h es p e c i a le r o s i o ne n v i r o n m e n t ，w h i c hc h a r a c t e r i s t i c sa b o u th y d r o l o g y a n dt h ee r o s i o no fl a wi sd i f f e r e n tw i t ht h eg e n e r a ls l o p ea n dg u l l y t h eg o v e r n m e n th a s c o n s t r u c t e dal a r g en u m b e ro fr o a d si nt h ec o u r s eo fm i g r a t i o na n dp r o t e c t i n gt h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e m i nt h et h r e eg o r g e ss t o r e h o u s ed i s t r i c t h o w e v e r ，l i m i t e dt o p o o re c o n o m i cc o n d i t i o n s ，t h em o s tp a r tr o a d sa r en o tp a v e d i nv i e wo fe r o s i o na n d s e d i m e n ti s s u e si st h em o s ti m p o r t a n tt ot h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r i nt h i sp r o j e c t ，t h e w a n g j i a q i a ow a t e r s h e d , l o c a t e di nt h et h r e eg o r g e sa r e a , i su s e da sac a s es t u d ya r e at o u n d e r s t a n dt h ei m p a c t so fu n p a v e dr o a d so nh y d r o l o g i cp r o c e s s e s ，s e d i m e mt r a n s p o r t ， a n ds e d i m e n td e l i v e r ya ts m a l lw a t e r s h e ds c a l ef r o mam u l t i d i s c i p l i n a r yp e r s p e c t i v e i n t h i sp r o j e c t ，t h eu n p a v e dr o a di sc l a s s i f i e dt w ok i n d sf o rt h e i rd i f f e r e mr o a ds u r f a c e p h y s i c a lp r o p e r t i e s ：v i l l a g er o a da n dr u r a lr o a d t h ea r t i f i c i a lr a i n f a l li n t e n s i t yi s0 5a n d 1 0m m r n i nf o rt h ec o n t r o lo fm a n - m a d e t h em a i nr e s u k sa sf o f l o w s ： ( 1 ) t h eg r a v e lc o n c e n t r a t i o na n ds o i lc a p a c i t yo fu n p a v e dr o a d sa r eh i g h e rt h a nt h e o t h e rs l o p e m o s to fs o i lc a p a c i t yg e n e r a l l yr e a c h2 0g c mi nr u r a lr o a d s s a t u r a t e d i n f i l t r a t i o nr a t ei sv e r yl o w ，a sl o wa s1 6m m ks o i lm o i s t u r ec o n t e n ti sg e n e r a l l yl o w e r v e g e t a t i o nc o v e ri nu n p a v e dr o a di ss m a l l u n d e rt h ed i s t u r b a n c ef r o mh u m a nb e i n g ， t h e r ei sal a r g eo ff l o a t i n gd u s tw h i c hl o s se a s i l yb yr u n o f f s u c ha si t i s0 4k g mi n s o m er u r a lr o a d ( 2 ) r u n o f fa p p e a r sq u i c k l y t h ec u m u l a t i v er a i n f a l lb e f o r er u n of fi ss m a l l e r s u c ha s r u n o f fa l la p p e a r e da st h ec u m u l a t i v er a i n f a l l 4 衄w h e ni = 0 5m m m i n w h e ni = 1 0 r n m m i i l t h ec u m u l a t i v er a i n f a l l 2m mt h er u n o f fc o e f f i c i e n ti sa l ll a r g e rt h a n7 0 p e r c e n t t h er u n o f fc o e f f i c i e n to nu n p a v e dr o a d i s g e n e r a l l yl a r g e r t h er u n o f f c o e f f i c i e mi n c r e a s e sv e r yq u i c k l yi nt h ei n i t i a ls t a g eo ft h et e s t s a n dt h e ni tg r a d u a l l y b e c o m e ss t e a d yi nc o n t i n u e dr a i n f a l lp r o c e s s e s i nc o n t r a s tt or a i n f a l li n t e n s i t y ，t h et y p e 3 三峡库区典型土质道路产流产沙特点研究 o fu n p a v e dr o a di m p a c t sw e a k e rr u n o f f h o w e v e r ，w h e ni = 0 5r a m r a i n , t h e r ei sa s i g n i f i c a n ti n t e r a c t i o nb e t w e e ng r a v e lc o n c e n t r a t i o na n dr u n o f fc o e f f i c i e n t ( 3 ) t h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni sv e r yh i g hi nt h ei n i t i a ls t a g eo fs o i le r o s i o n p r o c e s s e sb yr u n o f fo nr o a d h o w e v e r ，t h ec o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e sv e r yq u i c k l y ，a n d t h e ng r a d u a l l yb e c o m e sr e l a t i v es t e a d yi nc o n t i n u e dr a i n f a l l p r o c e s s e s t h em a x s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni s2 8 5 8e e lo nr u r a lr o a di n1 0m m m i nw h e nt h er a i n f a l l a c c u m u l a t e d9r a m , t h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o no fr u r a lr o a d sd r o p p e d5 2 2 ，a n dt h e v i l l a g er o a d sh a v er e a c h e d3 4 6 t h em o s ts e d i m e n to nu n p a v e dr o a di s 丘o mf l o a t i n g d u s t w i t ht h ec u m u l a t i v er a i n f a l l i n c r e a s e d ，f l o a t i n g d u s td e p l e t i o n , u n p a v e dr o a d e r o s i o nb yr u n o f fa sa m a j o rs o u r c eo f s e d i m e n t ( 4 ) t h ee r o s i o nr a t ei m p a c t e db yr u n o f fa n dt h es c o u r c co fs e d i m e n t t h ev a r i a t i o n o fe r o s i o nr a t ew i t hr a i n f a l lp r o c e s si sg r e a ti nt h ei n i t i a ls t a g eo fs o i le r o s i o np r o c e s s e s b yr u n o f fo nr o a d , t h e ni t i sr e l a t i v e l ys t e a d y t h e r ei sas i g n i f i c a n ti n t e r a c t i o nb e t w e e n e r o s i o nr a t e ( p = 6 0 8 2 ) ，s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ( p 1 2 9 6 幸) a n dt h et y p e so fu n p a v e d r o a d t h er e l a t i v i t yo fs o i lb u l kd e n s i t y ，f l o a t i n gd u s ta n de r o s i o nr a t e si ss i g n i f i c a n t t h e r e l a t i v i t y o fv e g e t a t i o n , g r a v e lc o n c e n t r a t i o na n de r o s i o nr a t e si s h i g h , b u t n o t s i g n i f i c a n t k e yw o r d s ：v i l l a g er o a d s ，r u r a lr o a d s ，t h ea r t i f i c i a lr a i n f a l l , r u n o 丘s e d i m e n t 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 不 如需保密，解密时间年月 日 是否保密 以 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：衲妖春 时间：妒乎年乡月弦日 学位黻储擀衲脐导师鲐灶彳 签名日期：妒参年f 月i g 日 签名日期： 妒2 年月夕日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 1 引言 道路作为区域人流、物流、信息流的通道，是典型的人为活动产物，是连接不 同自然及社会单元的纽带，也是人们实现各种自然及社会目标的重要前提，人为干 扰频繁、干扰强度大，致使道路对许多地理一生态过程产生直接或间接的影响，影 响区人为的扩大了( z o n ge ta t ，2 0 0 3 ) 。据美国一项调查结果表明：占国土面积1 的道路影响区域面积可达了2 5 ( j o n e se ta 1 ，2 0 0 0 ：f o r m a ne ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 土质道路是一种在山区分布广泛的道路类型，处于村落、田块之间，以实现田 间生产、运输为主要目的而修建的农用交通线路。由于此种道路路面一般不做硬化 处理，经长期人畜践踏和车辆碾压，与耕地、林草地、荒地等相比，路面被高度压 实，容重达1 6 2 0g c m 3 ，土质道路的硬地面极大地降低了地表的入渗能力，饱和 入渗率比其非道路区要低一个甚至几个数量级( z i e g l e re ta 1 ，1 9 9 7 ) 。这是一类不 同于一般坡面、沟谷的特殊侵蚀环境，其水文特性及侵蚀规律必然有自身的特点( 宗 跃光等，2 0 0 3 ) 。 土质道路在流域内所占比例较小，但它却是流域中形成超渗产流的主要区域之 一，即使在较小的降雨强度下，路面也能形成径流( z i e g l e re ta 1 ，2 0 0 0 ) ，易于形 成坡面漫流。土质路面在行人、车辆等作用下，路面土壤结构破坏、地形下凹，抗 侵蚀能力降低，路面易形成粒径细小的浮土层，因降雨击溅或径流冲刷作用而造成 水土流失，导致路面径流的含沙量高( z i e g l e re ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 此外，山区道路多穿行于山谷河川之间，经常开挖边坡、路基压实、修建汇水 排水系统等改变了地表水和近路基地下水的流经路线，继而影响流域水沙的汇集与 传递( l u t ee ta t ，2 0 0 2 ) 。道路的排水系统还改变径流流动方式，往往在道路的下 坡向诱发切沟，切沟的形成不仅造成了大量的水土资源流失，而且成为泥沙源通往 沟道河流的便捷路径，向河流输送泥沙，影响河流水质，破坏水生生态环境。 同时从景观生态学角度看，道路不仅仅是连接相邻地域及社会单元的纽带，更 是一种屏障，起着分离和隔离作用，道路的分割使得景观破碎，将原有的完整自然 坡面切割成孤立地块，并带来一系列的生态问题( 傅伯杰等，2 0 0 0 ) ，在一定程度 上加剧了水土流失。 因此，道路侵蚀是区域土壤侵蚀的重要组成部分。其形成和发展是自然因素和 人为因素共同作用的结果，其实质是汇流于路面动能较大股流对道路冲刷而引起的 三峡库区典型土质道路产流产沙特点研究 水土流失过程( w e m p l ee t 札，2 0 0 2 ) 。 我国是一个山区占陆地面积6 9 的多山国家。为了开发山区、发展山区经济， 提高人民生活水平，交通便利是一个必要的条件。近年来，我国山区路网络得到了 快速发展。仅在2 0 世纪的后5 0 年里，围绕农村经济建设，特别是山区水土保持和农 田基本建设，修筑了各种用途的农田作业道路3 0 0 多万k m ，占地约1 3 0 万h i l l 2 ( 曹世 雄等，2 0 0 5 ) 。限制于经济实力，不可能把广大山区的土质道路都改建成柏油或水 泥路面；并且山区的农田作业道路改建成柏油或水泥路面也不符合“接近自然”的现 代生态观和景观生态学的基本要求( 傅伯杰等，2 0 0 1 ) 。因此，随着广大山区逐步 实现“退耕还林、植树造林”，山区坡耕地面积逐渐减小的形势下，山区土质道路 的裸露路面就成为流域水土流失的重要来源。 因此，开展土质道路的水文特性及其对流域水沙汇集与传递过程影响的研究， 对进一步认识流域径流形成机制、洪水过程和泥沙输移规律，并据此对流域生态环 境建设中的土质道路设计与维护、道路网络合理规划有重要的实用价值；同时，也 可进一步深化流域水文学研究内容、拓展土壤侵蚀研究范围，促进流域水文学和土 壤侵蚀学科的发展。 6 华中农业大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 2 文献综述 2 1 土壤侵蚀 土壤侵蚀是指在水力、风力、重力、冻融等应力作用下，土壤、土壤母质及其 它地面组成物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程( 史德明，1 9 9 0 ) 。 土壤侵蚀分为自然侵蚀和加速侵蚀。自然侵蚀( 又称正常侵蚀) 为起因于自然 作用的侵蚀过程，不受人为活动的影响，即土壤在自然外营力作用下发生的破坏分 离和转运过程。自然侵蚀的速度非常缓慢，小于或等于成土速度。据美国水土保持 专家b e n n e r 推算( 史德明，1 9 9 8 ) ，在无破坏的自然条件下形成1c m 土壤约需 1 2 0 4 0 0a ，但在耕作条件下，大约3 0a 可形成同样厚度的土壤。陆地表面的土壤绝 对不受侵蚀是不可能的，从保持土壤肥力的角度，将长时间内保持土壤肥力和生产 力不下降情况下的最大流失量定义为土壤允许流失量。通常把成土速率作为允许土 壤流失量的指标。 加速侵蚀即通常所称的土壤侵蚀( 水土流失) ，由人为不当的经济活动如滥伐 森林、开垦陡坡、过度放牧、不合理耕作及开矿、修路、采石、建房而未注意水土 保持引起的一种破坏性侵蚀现象。在加速侵蚀中，人为活动加剧了自然侵蚀速率， 它的速度远远超过了土壤成土速度( 史德明，1 9 9 8 ) 。凡自然生态平衡遭人为活动 破坏情况下的侵蚀，均属于人为加速侵蚀。 侵蚀过程中，降雨与下垫面条件是影响水土流失的两方面因素，降雨条件中， 降雨量和降雨强度是两个主要的影响参数；下垫面条件则涉及较多因素，主要与流 域地形的几何特征、地表岩性和物质、植被及其覆盖度等有关。人类活动通过对不 同方式的土地利用，在一定程度上影响地区水土流失进程( 袁再健等，2 0 0 6 ) 。因 此，研究下垫面土地利用类型与产流产沙的关系，对于水土流失特征研究与治理， 意义十分重要。 多年来，许多学者一直致力于不同土地利用类型土壤侵蚀机理及其水土保持措 施研究，取得了极有价值的研究成果( z i e g l e re ta l ，1 9 9 7 ) 。在众多人为加速侵蚀 研究中，出于坡耕地侵蚀的严重性、直观性及其地位的特殊性等考虑，研究人员一 直将坡耕地侵蚀规律和防治探究作为土壤侵蚀研究的重心( a r m e z ，2 0 0 4 ：z i e g l e r ， 7 三峡库区典型土质道路产流产沙特点研究 2 0 0 1 ) o 近年来，随着研究的不断深入，研究领域尺度的不断扩大，道路作为一种不同 于坡耕地、林地等用地类型的人为线状地物，其在景观、功能、侵蚀特点等方面独 特性逐渐得以凸现，道路在流域侵蚀方面的重要性也得到了研究者的重视，众多的 试验数据说明，道路网络在流域自然排水系统上的叠加对自然流域水文特性的改变， 能够加速流域侵蚀的发生。因此，土质道路网络成为促进流域侵蚀重要区域之一， 为了从根本上削弱道路侵蚀对流域的影响，必须开展道路侵蚀研究，阐明其侵蚀机 理，探索防治措施，减少水土流失。， 2 2 道路侵蚀的基本概念 目前，国内外对道路侵蚀的研究主要侧重于在林地生态系统道路改变流域水文 形成过程。具体研究内容包括：沿着路面扩张的地表径流( h o f ) ，被深入土层路 基拦截的地下径流或壤中流( s s s f ) ，还有被道路排水系统改变前进路线的径流( 沟 渠、交叉排水沟、涵洞、水坝、水车等) 等；并在此基础上提出了研究尺度变异( 路 域、流域和多变的时间尺度) 对流域水文的影响。 2 2 1 地下径流 切入土层、质地紧实的道路路基拦截来自坡面上部的地下水或壤中流( s s s f ) ， 改变其流动方式，由缓慢的地下径流转化为流速较快的地表径流，以此增加流域地 表径流量。这种观点得到了l u c e 在美国俄勒冈州( o r e g o n ) 试验数据的支持，研 究表明：在这一地区，道路截取了超过9 0 的地下径流，并转换为地表径流，汇入 河道。路基切入土层较浅或道路修建在阶地( 有较厚的土层) 上的流域，由于地下 水位较深，很少发生这种现象。 2 2 2 地表径流 地表径流( h o f ) 是降雨强度大于土壤入渗率时持续降雨的结果。没有下渗的 降雨汇聚于地表，形成地表径流( h o r t o n ，1 9 3 3 ) 。在植被覆盖度大，外界干扰较 小，土壤入渗率大的区域，例如荒草地、林地、坡耕地等用地类型，形成地表径流 华中农业大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 的时间较长，地表径流量小；但是，在受人类活动( 植被被破坏或者土层被压实) 影响较大，土壤质地紧实，入渗率较小的区域( 包括土质道路在内的各种硬地面) 均能够显著缩短地表径流形成时间，增加地表径流量。z i e g l e r 于1 9 9 7 - 2 0 0 1 年在泰 国北部山区小流域研究结果显示：耕作便道占8 的径流小区与单一耕地小区相比， 径流系数高出6 倍，产流时间缩短8 5 。 z i e g l e r 在泰国北部模拟降雨试验数据显示：受到研究尺度、研究区域土层厚度 或者地下水系的影响，土质道路在降雨过程中所形成的地表径流成为小流域径流泥 沙的主要影响因子( z i e g l e r ，1 9 9 7 ) 。在短时小雨强下，占地面积 5 的道路网对 小流域径流及含沙量的贡献率分别达到了5 9 、8 2 ( w e m p l e ，2 0 0 1 ) 。 由于地表径流的直观性，地表径流( h o f ) 对整个小流域径流量的贡献率远高 于地下拦截流( s s s f ) ；道路路面径流是流域径流量增加，流域土壤侵蚀加剧的主 要影响因子。 2 2 3 研究尺度 研究尺度的变异是近年来国内外学术界关注的热点。路域尺度研究是基础，流 域尺度研究不仅仅是在路域尺度简单叠加。由于道路作为一种占地面积较小的线状 景观，在路域尺度下，人为的把道路切割成段状，道路的线状景观特性无法充分体 现，得到的数据是不完整的，不足以反映道路在流域研究尺度的重要作用。在路域 尺度侵蚀的显著性要小于流域尺度，如何在宏观的角度研究道路侵蚀是目前学术界 普遍关注的重点。 9 三峡库区典型土质道路产流产沙特点研究 2 3 道路侵蚀研究进展 2 3 1 国外研究 2 3 1 1 研究方法 由于道路研究尺度及研究侧重点的差异，国内外学者采用的研究方法亦不一 致。就路域尺度研究而言，仍采用模拟降雨、观测径流小区，实地调查等坡耕地侵 蚀研究的常规方法，本文不再赘述。在流域尺度研究上，常采用以下3 种方法来研 究流域尺度的道路侵蚀，分别是连通度法、双流域对比法以及建立物理模型。 ( 1 ) 连通度 根据实地观测，汇集于道路网的坡面径流及道路路基截获的地下径流均可快速 输入河道。故有学者提出用流域道路网与河网的连通度来衡量道路对流域径流及含 沙量的影响。在流域内，影响连通度的因素是多种多样的，包括流域内的坡面状况、 道路设计、地貌、土壤的特性和地质概况等。由于年降雨量与流域河网密度相互影 响，所以流域的连通度与年降雨量亦存在一定的相关性。 ( 2 ) 双流域对比法 有学者研究结果显示，流域内的道路、植被、洪峰流量及河水流量之间存在一 定的联系。j o n e s 等根据来自o r e g o n 西部的h ja n d r e w s 试验林地的观测数据，采 用双流域对比法( p a i r w a t e r s h e d ) ，对比林木砍伐率达到2 5 、有道路网的流域和 完全砍伐、没有道路的流域，结果表明：存在道路网的流域有较高的洪峰流量、河 水流量及泥沙含量，分析认为出现这种现象的主要机理在于道路网的存在改变了流 域的水文特性，促使大量泥沙进入河道( j o n e s ，1 9 9 6 ) 。k i n g 在i d a h o 北中部的双 流域对比试验研究的数据表明：由于a 流域地下水资源丰富，道路路基拦截了大量 的地下径流，并将其转换为地表径流，洪峰峰值及河水流量在2 5 年内分别升高了 3 l 、2 5 个百分点：但是在另一个面积一致无道路网的b 流域，洪峰流量及河水流 量分别减少了1 9 、2 9 ( k i n g ，1 9 8 4 ) 。 t h o m a s 、m e g a h a n 均对这种分析方法提出质疑：双流域对比法未考虑流域水文 网及道路下垫面的差异，试验预处理校准周期较短，未对经过处理的流域进行重复 试验；综合统计分析洪峰流量时，使用的统计方法不合理。导致试验数据的说服力 i o 华中农业大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 较低，使用双流域对比法来说明道路网存在致使流域洪峰流量、河水流量及泥沙含 量增加是不严谨的( t h o m a s ，2 0 0 0 ) 。w e m p l e 对位于c a f i f o r n i a 西北海岸的c a s p a r c r e e k 的双流域对比法研究表明：流域内的道路未对洪峰流量产生显著影响 ( w e m p l e ，2 0 0 1 ) 。b e s c h t a 于2 0 0 0 年根据实验设定的三维数据模型，亦未得出相 似的结论( b e s c h t a ，2 0 0 1 ) 。 ( 3 ) 物理模型研究 由于双流域对比法试验研究存在种种缺点，现在研究者试图通过使用物理模型 来解释道路对流域水文响应的作用机理。路域尺度的小范围水文响应可通过模型和 大范围流域尺度相链接。需要特别指出的是，d h v s m 模型已被证实在预测林地道 路引起洪峰峰值及河水流量响应方面非常有效，但对于就径流泥沙的响应还未经试 验检验。以下是根据这个模型得出的结论： 1 ) 路面坡度和道路到河道的距离可以很好的解释流域内道路连通度。 2 ) 流域内的道路能够使年均洪水量增加2 1 2 。 3 ) 虽然流域内道路的减少能够使径流出现了间断性的增加，但其增加量仍然 是1 0 年来最大洪峰流量的3 1 2 。 4 ) 流域内的道路能够使洪峰滞后2 2 0h 。 5 ) 流域内的道路侵蚀量和林木砍伐率是附加关系而非相互促进。 尽管这些来源于d h v s m 物理模型的结论尚未经过实地试验来证实，但是，在 流域尺度研究道路对流域水文响应作用机理时，这些模型仍然是非常有效的。 2 3 1 2 流域尺度 f o r m a n 从生态学的角度研究了道路对流域的影响。道路是景观中的廊道，具有 通道、屏障或过滤、生境、源和汇5 个基本功能，作为典型的人工廊道还有其特殊 性，道路廊道本身对流域景观格局就有一定的生态影响，其完全连通，所以其通道 和屏障能力作用尤为突出，并且在景观中形成道路网，扩大了对流域生态的影响。 同时，道路作为深入景观的途径，利于人类的土地开发和利用，更强烈地改变景观 格局和过程( f o r m a n ，1 9 9 8 ) 。 ( 1 ) 下垫面 b u r r o u g h s 等于1 9 8 4 年在南亚山区的研究表明，道路可以导致流域生态环境遭 到破坏而退化；道路的位置，道路类型，路面情况和使用情况均对流域径流泥沙输 三峡库区典型土质道路产流产沙特点研究 移产生重要的影响( z i e g l e r ，1 9 9 7 ) 。据h o o v e r 在美国北卡罗莱纳州林区观测， 近9 0 的河流泥沙来自道路。d u n n e 和d i e t r i c h ( 19 8 2 ) 在热带流域k e n y a 的试验 结果显示，约占流域面积的2 的道路网贡献了5 6 的泥沙量。m j s d i j k 和b r u i j n z e e l 在印度尼西亚，j a v a 东部得到了相似的结论。所以对流域尺度而言，道路和坡耕地 一样，是重要的泥沙来源。 道路排水是流域沟蚀发生和扩展的重要诱因，调查结果显示，质地紧实的土质 道路普遍地势较低，流域地表径流极易汇集于道路，形成流量大，流速高的地表径 流，有利于冲沟的发展。w 如h 的研究表明：流域沟谷密度在3 年内增长了6 3 9 ( w r a l s h ，1 9 9 8 ) 。c r o k e 在澳大利亚新南威尔士州的调查表明，受道路排水系统的 影响，流域沟谷密度在2 4 年间增加了6 ( c r o k e ，2 0 0 1 ) 。w e m p l e 等人的研究表 明，道路使流域沟壑密度增加2 1 以上( w e m p l e ，1 9 9 6 ) 。 众多学者针对这些现象展开了道路对流域水文响应作用机理的研究。z i e g l e r 的 研究表明：土质道路通过4 种方式影响流域水文响应： 1 ) 高度紧实的路面和道路对其附近区域的干扰，减少了雨水的下渗，产生地 表径流并汇集于道路，快速进入河道。 2 ) 道路路基可以截获浅层地下径流，改变其流动方式，转换成流速较快的路 面径流，进入河道。 3 ) 道路排水沟渠和涵洞可以截获地表径流和地下径流，缩短进入河道的时间。 4 ) 道路路面侵蚀细沟可以截获地表径流并改变其路线。 道路网的存在显著扩展了流域径流渠道网，构造了流域降雨至河道有效的输送 机制，减少径流汇集时间，增大流域径流系数，洪峰流量显著增加；路表径流产生 时间短、流速高，改变了坡面径流进入河道的同步性，促使河流洪峰提前( h a i g h ， 1 9 8 8 ；r i e s ，2 0 0 0 ；j o n e s ，1 9 9 6 ；p r a n s u t j a r i t ，1 9 8 3 ) ；影响流域侵蚀过程，改变流 域水文形成过程( m o n t g o m e r y ，19 9 4 ) 。 ( 2 ) 降雨类型 z i e g l e r 从降雨强度的不同来研究道路对流域水文响应的作用机理。在泰国北部 山区的模拟降雨试验结果显示：道路是流域地表径流及泥沙重要的来源。在小雨强 条件下，小流域道路相对于其他用地类型能够显著增加地表径流量及泥沙量，而大 雨强条件下，由于雨滴动能较大，流域非道路部分表土层土壤微观结构被破坏，土 壤孔隙减少，入渗率降低，能够在短时间内产生地表径流，占地面积相对较小的道 1 2 华中农业大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 路对流域的影响被削弱，相关性虽高，但未达显著水平。由于面积上的优势，非道 路部分( 农用地、荒草地以及林地等) 在大雨强条件下对流域水文变化的影响要大 于道路。这个研究结论得到了a r n a e z a 等在s p a i n 东北部的模拟降雨试验结果的支 持。 2 3 1 3 路域尺度 宏观尺度研究不是大量微观单元研究的简单加和，但仍需要众多微观单元的数 据支持。流域侵蚀研究结果显示：土质道路高度紧实裸露的土壤表面和受其扰动影 响的附近区域成为改变流域水文响应的根源；由于道路独特的线状景观，在流域尺 度才能凸现其独特的侵蚀作用，但作为基础性路域尺度的研究同样也是必不可少。 许多学者针对道路侵蚀路域尺度展开了大量关于道路侵蚀机理的研究，以探究道路 自身的侵蚀特点。 w e m p l e 的研究表明，土质道路的侵蚀过程和其他用地类型相似，同样是受到 雨滴溅蚀和表面径流冲刷的影响。b u r r o u g h s 等于1 9 8 4 年在南亚山区的研究表明， 径流泥沙来源区域与土质道路密切相关，路边的废弃物，地表风化物，在路面径流 的冲刷下进入河道，成为径流泥沙的主要来源：路面自身也是径流泥沙的一个来源， 由于机动车的使用而造成的车辙，细沟，牲畜的使用，还有其他一些生物活动等都 为径流泥沙的产生创造了条件( z i e g l e r ，1 9 9 7 ) 。 ( 1 ) 道路不同部位 道路建设是对地形的改造，开挖以及填埋等扰动活动，会在原来地貌上形成不 同的微地形，它们各有特点，形成不同的侵蚀特征( 如图2 1 ) 。开挖地貌，形成 挖方坡，山坡的坡面产流以及壤中流被截断，流到路堑或直接流到路面上，增加径 流。在冻融地区，挖方坡在冻融力的作用下，容易剥落，进入路堑或堆积在路面， 成为侵蚀的物质源。填埋会形成填方坡，由于坡度大，堆积物质松散，容易流失。 道路不同部位影响因子差异引起侵蚀特征不同，其侵蚀的程度亦有所不同。 w e m p l e 等人调查认为，填方坡的重力侵蚀是道路侵蚀泥沙的主要来源( w e m p l e ， 2 0 0 1 ) 。s i d l e 对林区流域的实地调查表明，道路土壤侵蚀6 0 来自路面，4 0 来自 填挖坡( s i d l e ，2 0 0 4 ) 。a r n a e z a 在西班牙( s p a i n ) 东北部通过人工降雨的方式分 析对比了公路填方坡、挖方坡以及路面产流产沙的差异，并试图从微观角度解释道 路侵蚀机理( a r m 7 e t _ ae ta l ，2 0 0 4 ) ，结果表明： 1 3 三峡库区典型土质道路产流产沙特点研究 如黢 j 旋穷教& _ 0 ”瓢 、 图2 1 道路不同部位对径流的影响 ( a ) 截断壤中流( b ) 路面产流( c ) 通过路堑流入河道( d ) 沿河面进入河道 ( e ) 沿切沟进入河流( 引自文献2 7 ) f i g 2 - 1f i v et y p e so f i n t e r a c t i o n si n v o l v i n gw a t e rb e t w e e nam i d s l o p er o a dp a r a l l e lt o c o n t o u ra n da s t r e a m ( b e a v ys o l i dl i n e ) ( a ) s u b s u r f a c e f l o wi n t e r c e p t i o n ，b s u r f a c e f l o wo nr o a d s , 旧f l o wr o u 矗n ga l o n g d i t c h e st os t r e a m s , ( 1 ) ) f l o wa l o n gr o a ds u r f a c et o s t r e a m s , a n d ( e ) f l o wi ng u l l i e st os t r e a m s 1 ) 在降雨过程中，质地紧实的路面，降低了入渗率，落在路面的降雨大部分 没有渗进土壤，产生大量地表径流；降雨类型对这一过程影响不显著( z i e g l e r ， 1 9 9 7 ) ；雨滴溅蚀不能分离紧实的路面，只能够提供少量的泥沙沉积物，产沙量小。 2 ) 在产流初期，路面碎屑较多，径流泥沙含量较高，但随着易流失碎屑逐渐 减少和面状水流抵消了雨滴溅蚀力的冲击破坏作用，径流泥沙含量迅速减少。 3 ) 径流的切割作用能够促进路面细沟和微型切沟的形成，诱发路面侵蚀，随 径流移动的泥沙促使径流摩擦力增大，加大了细沟和微型切沟的下切力度，加剧侵 蚀。车辙和暴雨均可以促进细沟和切沟的发展。 4 ) 道路挖方坡产流产沙量最大，土壤流失量大概是路面及填方坡路面的1 0 倍。 5 ) 与非道路区域相比较，土质道路路面产流时间显著缩短；在降雨开始后3 5 r a i n ，路面表土层饱和入渗率即达稳定( r e i d ，1 9 8 4 ) 。 ( 2 ) 下垫面因子 1 4 华中农业大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文 在影响坡面产流产沙规律的众多因素中，坡面表层土体容重及其导水能力是两 个重要因素，对坡地土壤的入渗性能和抗侵蚀能力具有重要的影响( z i e g l e r ，2 0 0 1 ) ， 因此研究试验小区内表层土体容重及饱和入渗率在坡面的空间分布特征将有助于 坡地产流产沙和土壤侵蚀规律研究的深入。 1 ) 土体容重 大量的研究表明，道路路面与其他用地类型最本质的区别在于，道路路面和受 扰动道路周边区域的土体容重由于处于压紧状态，土体容重显著大于坡耕地、林地、 荒草地等用地类型。z i e g l e