利用WEPP模型模擬涼水自然保護區(qū)部分道路侵蝕對河流泥沙含量影響特征

及瑩　蔡體久

摘要 利用WEPP（Water Erosion Prediction Project）侵蝕模型，模擬涼水自然保護區(qū)內(nèi)道路（包括林內(nèi)道路和柏油路）與河流的相交點的侵蝕特征，以及符合在道路長度50 m內(nèi)，與河流有1個以上相交點的共20個路段的侵蝕特征。結(jié)果表明，在與河流相交點的路段中，當?shù)缆菲露?6.19%，泥沙量顯著增長；20個模擬路段中，降雨徑流、融雪徑流、路面及路緣泥沙量、進入河流泥沙量4個模擬結(jié)果的最大值均出現(xiàn)在位于道路VI中的路段11；道路長度是影響道路泥沙量的主要因子。

關(guān)鍵詞 道路；WEPP模型；泥沙量；侵蝕；影響；特征

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）05-01479-03

Abstract The paper has simulated intersection points between rivers and roads and 20 road segments which have more than one intersections points in 50 meters by applying the WEPP model. The modeling results include rain runoff， snowmelt runoff， sediment on road surface and sediment into rivers that shows that the erosion has significant increase when the value of road slope over 6.19%. One segment that locates in the Road VI has the peak values of four modeling results in 20 simulated road segments. Road length is the predominant factor in sediment amount.

Key words Road； WEPP model； Sediment yield； Erosion； Influence； Features

林內(nèi)道路作為河流沉積物和泥沙的重要來源，其負面影響日益受到關(guān)注，其影響特征主要體現(xiàn)在對坡面水文過程的影響和對自然流域產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的改變。道路本身具有的低滲透率或不透水性，以及對道路表面徑流的匯集作用均讓道路產(chǎn)生大量徑流，從而將自身產(chǎn)生及坡面的泥沙輸移至臨近河流[1]，影響河流水質(zhì)，進而影響部分生物的棲息地環(huán)境[2]。不同位置的道路產(chǎn)流產(chǎn)沙特性不同，對流域侵蝕產(chǎn)沙也有不同的影響。

由于道路對流域自然水文和地貌過程的特殊作用，有效減少或避免林內(nèi)道路產(chǎn)生泥沙或沉積物對河流的影響具有重要意義[3]。國外對道路侵蝕以及對河流生態(tài)系統(tǒng)的研究起步較早，近些年來，隨著道路侵蝕日益嚴重及研究的深入，出現(xiàn)了一些坡面道路侵蝕預(yù)報模型[4]。同時道路獨特的產(chǎn)流產(chǎn)沙機制被越來越多的林業(yè)規(guī)劃設(shè)計者所認識，有關(guān)泥沙控制的眾多嘗試已融入于道路建設(shè)以及對森林地區(qū)的規(guī)劃中[5]。我國對林內(nèi)道路的研究主要集中在邊坡效應(yīng)，研究區(qū)域主要集中在黃土高原地區(qū)[4，6]。

筆者以涼水自然保護區(qū)道路為研究對象，將道路分為8條，分別用道路I、道路II…道路VIII表示，其中道路I～VII條分布在保護區(qū)內(nèi)，為土質(zhì)路面的林內(nèi)道路，道路VIII為帶嶺區(qū)到達保護區(qū)內(nèi)的柏油路（圖1）。通過降雨徑流、融雪徑流、脫離道路表面或路緣的泥沙量、進入河流中的泥沙量，研究道路侵蝕對河流泥沙含量的影響。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于黑龍江省伊春市涼水國家級自然保護區(qū)內(nèi)，保護區(qū)總面積1.2萬hm2，平均海拔400 m，整體地勢東高西低。多年平降水量676 mm，主要集中在5～9月，相對濕度78%，干濕指數(shù)為0.92～1.13，年均氣溫-0.3 ℃。地帶性土壤類型主要是暗棕壤，占保護區(qū)面積的85%以上[7]。

涼水國家級自然保護區(qū)的道路始建于20世紀50年代，總長約22.171 km，路網(wǎng)密度為1.239 km/km2，平均道路坡度為0.037%。道路按照水沙效應(yīng)可以分為2個級別。其中，從伊春市帶嶺區(qū)進入保護區(qū)內(nèi)的道路于1999年修建成柏油路面，為帶嶺區(qū)到達保護區(qū)的必經(jīng)之路，車流量不大，長度在5.721 km。位于保護區(qū)內(nèi)的林內(nèi)道路位置多臨近水系，是初期為運輸木材而鋪設(shè)，長度在16.449 km。1972年自然保護區(qū)建立，砍伐活動完全停止，道路被廢棄，路面經(jīng)自然恢復(fù)后被植被覆蓋，主要以灌木為主，高約15～40 cm。

1.2 研究方法

WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型是新一代的用于土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報的計算機模型，是迄今為止描述水蝕相關(guān)參數(shù)最多的土壤侵蝕模型[7]。它可以根據(jù)土壤類型、氣候、地表覆蓋類型和地形，預(yù)測土壤侵蝕和泥沙量。其中，道路界面是WEPP模型中的一個模塊，用于預(yù)測道路（壓實的土壤、車轍、集材道，水泥路面）產(chǎn)生的泥沙量。在輸入界面，用戶可以選擇研究地區(qū)氣象參數(shù)、土壤類型、道路表面情況、道路和緩沖區(qū)的地形特點、道路寬度和表面是否有沙礫，進行以路段為單位的侵蝕模擬。

通過ArcGIS技術(shù)找出涼水自然保護區(qū)道路與河流的相交點，共57個，其中林內(nèi)道路49個，柏油道路8個（表1）。同時，選擇道路長度50 m內(nèi)，與河流有1個以上相交點，且道路與臨近河流的平均水平垂直距離小于4 m的路段，共20個，其中林內(nèi)道路17段、柏油道路3段（表2）。通過WEPP模型模擬結(jié)果（降雨徑流、融雪徑流、道路表面或路緣排水溝的泥沙量、進入河流中的泥沙量），分析不同位置林內(nèi)道路的侵蝕差異及林內(nèi)道路與柏油道路的侵蝕差異，并分析影響道路侵蝕主要的因素。

1.2.1 WEPP道路模型參數(shù)輸入。

WEPP道路模型的參數(shù)輸入可以大致分為氣象、土壤、道路設(shè)計以及道路基質(zhì)和使用情況4個組成部分。

涼水保護區(qū)地帶性土壤是暗棕壤[8]，占保護區(qū)土壤的85%以上，屬于壤土的亞類。道路設(shè)計選項中排水溝分為無（outsloped）和有（insloped）2種情況，有排水溝的道路，坡面和道路表面產(chǎn)生的泥沙會首先進入到排水溝中，再根據(jù)排水溝中是否鋪設(shè)了碎石進一步分為2種；無排水溝的道路，坡面和道路表面產(chǎn)生的泥沙會滯留于道路表面，再根據(jù)道路表面是否有車轍進一步劃分為2種。涼水自然保護區(qū)內(nèi)的林內(nèi)道路多分布于河谷中，側(cè)面有排水溝，道路表面及排水溝已被植被覆蓋。

從道路的功能和特征分析，道路侵蝕可分為自然道路和公路2個類型[9]，自然道路是指在不改變自然地形條件下的道路上發(fā)生的侵蝕產(chǎn)沙過程。初期修建的林內(nèi)道路多屬于自然道路，1999年后鋪設(shè)的由伊春市帶嶺區(qū)進入保護區(qū)內(nèi)的道路屬于柏油路。

地形數(shù)據(jù)的輸入主要有道路的坡度、長度、寬度以及填充（Fill）部分的坡度、長度和緩沖區(qū)（Buffer）的坡度、長度。其中填充區(qū)是指道路的修建改變了原始的地形。涼水自然保護區(qū)內(nèi)的道路基本上是順從地形分布，幾乎沒有挖掘和填充等改變原有地形的修建過程，僅有約1.5%～2.0%的流水坡，填充部分坡度統(tǒng)一輸入1.5%，填充長度為最小值1ft。WEPP中緩沖區(qū)的長度是指道路距離河流最短水平距離。文中道路與水系相交點，緩沖區(qū)坡度和長度為0。20個路段的緩沖區(qū)長度為道路距離河流的平均值，由ArcGIS技術(shù)測量獲得。

1.2.2 WEPP模型氣象數(shù)據(jù)本地化校正。

WEPP模塊中的氣象資料來自美國50個州的2 600多個氣象站，

選擇與研究區(qū)域經(jīng)緯度相同或相近的氣象站，分別比較每個氣象站氣象數(shù)據(jù)與當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的差異性，選擇差異性最小的氣象數(shù)據(jù)進行本地化數(shù)據(jù)的輸入，包括月均最高溫、月均最低溫、月均降水量、每月降水天數(shù)，同時要輸入的是海拔和經(jīng)緯度，需要注意的是單位的變化，WEPP模塊中的氣象數(shù)據(jù)溫度單位為華氏，雨量為吋，海拔為英尺，所以氣象數(shù)據(jù)本地化的輸入要換算單位后再輸入。輸入后對文件夾重命名，生成本地氣候數(shù)據(jù)，運行WEPP模型時可在氣候列表中選擇并運行。

與研究區(qū)域緯度最接近的氣象站有26個，經(jīng)過氣象數(shù)據(jù)的比較后，最接近的是位于MT州的Glendive氣象站，輸入當?shù)財?shù)據(jù)，生成‘YC文件夾，完成氣象數(shù)據(jù)本地化過程。

2 結(jié)果與分析

2.1 林內(nèi)道路-河流交叉點模擬結(jié)果 將20個路段與河流的相交點的模擬結(jié)果按照道路坡度由小到大進行排序。其中，所有相交點的降雪徑流模擬值是相等的，均是0.508 cm/a，降雨徑流模擬值變化趨勢也基本保持平穩(wěn)，最大值為4.318 cm/a；在道路坡度為0%時，路面及路緣泥沙量值為0.213 kg/a，進入河流中的泥沙量值為0.077 kg/a，當坡度>1%時，有了顯著增長；道路坡度值在1%～6.19%范圍內(nèi)時，路面及路緣泥沙量值增長緩慢，當坡度>6.19%時，增幅明顯。進入河流泥沙量模擬值變化幅度很小，最大值為0.760 kg/a（圖2）；道路VIII（柏油路）與河流的3個相交路段所產(chǎn)生的泥沙量均為0 kg/a?？梢?，涼水自然保護區(qū)內(nèi)道路與河流相交點對河流泥沙含量的影響并不大。

2.2 路段模擬結(jié)果

20個路段的模擬結(jié)果（圖3）顯示，路面及路緣泥沙量與進入河流中的泥沙量趨勢基本一致，泥沙量的最大值均出現(xiàn)在位于道路VI的路段11，路面泥沙量達48.80 kg/a，進入河流泥沙量為26.66 kg/a；林內(nèi)道路中進入河流的泥沙的最小值為0 kg/a，路面及路緣泥沙量的最小值為0.23 kg/a，分屬于路段8和路段7。說明路段11對臨近河流泥沙含量的影響最大。

林內(nèi)道路中，降雨徑流和融雪徑流的最大值與泥沙量的最大值屬于同一路段，位于道路VI的路段11，降雨徑流為9.73 cm/a，融雪徑流為2.21 cm/a，降雨徑流和融雪徑流的最小值出現(xiàn)在位于道路I中的路段3。由于與河流相交的林內(nèi)道路坡度很低（<6%），且被廢棄多年，路面經(jīng)自然恢復(fù)后被植被覆蓋，所以到達森林路面的降水大多被植被自然吸收，年均徑流值整體較小。

道路VIII（柏油路）的表面具有不透水性，導(dǎo)致降雨和融雪徑流值相對較大。路面及路緣泥沙量和進入河流的泥沙量模擬值均為0 kg/a，主要是因為道路的交通量較小，僅夏季有少量車輛通過。模擬結(jié)果說明道路VIII（柏油路）中對臨近河流泥沙含量的影響較小。

2.3 道路侵蝕敏感因子分析

為找出影響道路侵蝕的敏感因子，筆者分別分析道路長度、道路坡度、緩沖區(qū)坡度及道路與緩沖區(qū)坡度差絕對值與泥沙量變化的關(guān)系。同時，利用每一個系數(shù)的平均值分別作為固定值，其他系數(shù)不變的情況下再次進行模擬，之后用逐步回歸的方法，計算其他輸入系數(shù)對模擬結(jié)果的影響。由圖4可見，道路坡度、緩沖區(qū)坡度及兩者之間差值的絕對值與泥沙量的變化趨勢不相同，而道路長度與泥沙量趨勢相關(guān)性非常高，隨道路長度的增加，泥沙量也呈上升趨勢。逐步回歸的結(jié)果中，對路面及路緣泥沙量和進入河流的泥沙量影響最顯著的同樣是道路長度，相關(guān)系數(shù)值為0.86～0.95。道路坡度、緩沖區(qū)坡度及兩者之間差值的絕對值對泥沙量的影響不顯著。道路長度與泥沙量的關(guān)系結(jié)果與逐步回歸結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

道路作為一種人為干擾形式，對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)因侵蝕產(chǎn)生的泥沙進入河道[10]，影響河流的水化學(xué)性質(zhì)，進而影響河流中的生物生境[11]。不同位置的道路具有不同的侵蝕特征和強度，對臨近水生生態(tài)系統(tǒng)的影響也因此產(chǎn)生差異性。筆者利用WEPP侵蝕模型模擬涼水自然保護區(qū)內(nèi)道路與河流的相交點，以及符合在道路長度50 m內(nèi)，與河流有1個以上相交點的共20個路段的侵蝕泥沙量。結(jié)果表明在與河流的相交點中，當?shù)缆菲露仍?%～6.19%時，泥沙量增幅緩慢，當?shù)缆菲露?6.19%時，泥沙量有了顯著增長，道路VIII（柏油路）與河流的3個交流點的泥沙量均為0 kg/a。20個模擬路段中，降雨徑流、融雪徑流、路面及路緣泥沙量、進入河流泥沙量4個模擬值的最大值均出現(xiàn)在位于道路VI的路段11，說明對臨近河流泥沙含量影響較大。由于道路VIII（柏油路）車流量較小，因此路段模擬值中泥沙量為0 kg/a，但柏油路表面具有不透水性，所以徑流值較大，對臨近河流泥沙含量影響較小。通過分別分析道路長度、緩沖區(qū)長度、道路坡度和緩沖區(qū)坡度與泥沙量變化的關(guān)系及逐步回歸法找到影響河流泥沙量的因子，結(jié)果顯示道路長度與泥沙量有很高的相關(guān)性。

參考文獻

[1] FORSYTH A R，BUBB K A，COX M E.Runoff，sediment loss and water quality from forest roads in a southeast Queensland coastal plain< i> Pinus