青藏公路都蘭-格爾木段邊坡侵蝕溝調(diào)查

郭小雪, 田 鵬, 劉文民, 韓劍橋,3, 趙廣舉,3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

青藏公路東起青海省省會(huì)西寧，西經(jīng)格爾木，向南至西藏自治區(qū)首府拉薩，是我國G109國道的重要組成部分，全長(zhǎng)約1 937 km。其中格爾木至都蘭段是青藏公路青海湖以西路段，是連接西寧與青海中西部地區(qū)的重要通道。青藏公路對(duì)于開發(fā)柴達(dá)木盆地資源、推動(dòng)沿線城鎮(zhèn)化進(jìn)程和旅游業(yè)發(fā)展、支撐青海省社會(huì)和諧發(fā)展具有非常重要的作用[1]。然而，受青藏高原高寒氣候影響，公路邊坡長(zhǎng)期受到凍融、風(fēng)蝕影響，加之降雨沖刷，形成大量的侵蝕溝，其發(fā)生發(fā)展影響路基的穩(wěn)定性，導(dǎo)致道路破壞，威脅交通安全[2]。

目前國內(nèi)的眾多學(xué)者在南方紅壤區(qū)、季節(jié)性冰凍地區(qū)，尤其是黃土高原地區(qū)的公路邊坡侵蝕開展了大量的研究[3-6]。鐘立昌等[3]通過分析降雨對(duì)自然邊坡破壞的機(jī)理，結(jié)合黃土地區(qū)公路邊坡侵蝕特點(diǎn)分析了侵蝕的原因，提出防治黃土公路邊坡降雨侵蝕的對(duì)策。嚴(yán)超群等[5]針對(duì)黃土地區(qū)公路邊坡普遍受降雨侵蝕災(zāi)害的情況，分析其破壞機(jī)理，提出易損性評(píng)價(jià)方法。大部分研究基于人工降雨試驗(yàn)，缺少自然條件下道路侵蝕規(guī)律的研究[7]。張洪江等[8]通過野外布設(shè)試驗(yàn)小區(qū)，采用人工模擬降雨試驗(yàn)的方法研究不同降雨及不同防護(hù)措施條件下邊坡侵蝕溝的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。部分學(xué)者對(duì)路堤邊坡開展沖刷試驗(yàn)，評(píng)估道路邊坡的穩(wěn)定性[9-10]。單永體等[9]通過野外放水沖刷試驗(yàn)，研究了高寒高海拔地區(qū)公路邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙的特征，總結(jié)了邊坡侵蝕規(guī)律與防治策略。相比我國其他區(qū)域，青藏高原的公路邊坡侵蝕研究相對(duì)薄弱[11]，本文選擇青藏高原都蘭至格爾木段公路作為研究區(qū)段，通過野外實(shí)地調(diào)查，分析公路邊坡細(xì)溝侵蝕特征，探討自然條件下形成公路邊坡侵蝕溝的原因，提出針對(duì)青藏地區(qū)公路邊坡侵蝕的防治對(duì)策。

1 研究區(qū)概況

青藏公路都蘭至格爾木段，位于青海省格爾木市和都蘭縣境內(nèi)[12]，全長(zhǎng)約353 km，海拔2 780～3 276 m。研究路段屬高原大陸性氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季涼爽短暫[13]，年均氣溫為4.7℃。氣候干旱，降雨量少，蒸發(fā)量大，降雨多集中在6—8月份，多年平均降雨量42.4 mm，多年平均蒸發(fā)量1 495 mm[14-15]。地貌類型以山前平原為主，還包括帶狀河谷、風(fēng)積沙丘兩種地貌類型。研究路段沿線土壤類型主要分為灰棕漠土、棕鈣土、風(fēng)沙土，灰棕漠土。受氣候因素影響，研究路段植被類型變化較大，沿線主要以無植被覆蓋的裸露戈壁區(qū)域?yàn)橹鱗12]，有植被覆蓋路段的植被類型主要有小半灌木荒漠、灌木荒漠、鹽生草甸等[16-17]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 侵蝕溝測(cè)量及計(jì)算

道路邊坡侵蝕溝調(diào)查于2019年7月末開展，以青海省格爾木市G109國道公路樁號(hào)2711(S2711)為起點(diǎn)，每隔20 km選取60 m的樣方，至公路樁號(hào)2395為終點(diǎn)(S2395)，共16個(gè)樣區(qū)(圖1)。實(shí)地考察測(cè)量公路邊坡侵蝕溝特征，見圖2。主要測(cè)量并記錄侵蝕溝的深度、寬度、坡度等侵蝕溝的基本屬性特征。在實(shí)地測(cè)量時(shí)，考慮到細(xì)溝斷面的不規(guī)則性，為了便于計(jì)算，所有細(xì)溝斷面均按矩形斷面考慮。用GPS工具測(cè)量每個(gè)樣區(qū)坡面的坡度，用皮尺沿細(xì)溝中心線測(cè)量細(xì)溝溝長(zhǎng)，以通過中心線垂直地表的深度作為細(xì)溝深，以水平垂直中心線的寬度作為細(xì)溝寬。以此方法分別測(cè)量每條細(xì)溝的上部、中部、下部的深度與寬度，計(jì)算出每條細(xì)溝密度、平均深度及細(xì)溝體積[18-19]。S2465由于邊坡采用六棱磚防護(hù)措施并沒有發(fā)生溝蝕，所以該樣區(qū)沒有測(cè)量數(shù)據(jù)(第13個(gè)樣區(qū)，圖1灰色樣點(diǎn)所示)。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)

圖2 侵蝕溝形態(tài)特征

細(xì)溝密度(D)指每個(gè)樣區(qū)(60 m)內(nèi)細(xì)溝的總條數(shù)與樣區(qū)長(zhǎng)度的比值，計(jì)算公式如下：

(1)

式中:n為每個(gè)樣區(qū)內(nèi)細(xì)溝的總條數(shù)；l為每個(gè)樣區(qū)的長(zhǎng)度。

細(xì)溝平均深度(H)采用每個(gè)樣區(qū)內(nèi)所有細(xì)溝深度的加權(quán)平均值，其表達(dá)式為：

(2)

式中:Ai為樣區(qū)內(nèi)所有細(xì)溝的平面面積,其對(duì)應(yīng)的細(xì)溝深度為hi，i=1,2,3,…，n；i為自然數(shù)；n為樣區(qū)內(nèi)所有細(xì)溝的總條數(shù)。

細(xì)溝體積(Rvi)采用每條細(xì)溝的平均寬度(Rwi)、平均深度(Rhi)和細(xì)溝長(zhǎng)度(Rl)的乘積，計(jì)算公式如下：

Rvi=Rwi·Rhi·Rl

(3)

每個(gè)樣區(qū)內(nèi)的細(xì)溝體積為所有細(xì)溝體積的加和，即

(4)

式中:Rv為每個(gè)樣區(qū)內(nèi)所有細(xì)溝體積之和;Rvi為樣區(qū)內(nèi)每條細(xì)溝的體積;n為每個(gè)樣區(qū)內(nèi)細(xì)溝的總條數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

所選取的遙感數(shù)據(jù)為美國陸地衛(wèi)星Landsat8 OLI遙感影像，空間分辨率為30 m，影像過境時(shí)間為研究區(qū)植被生長(zhǎng)期2019年7月，云量覆蓋率小于10%。利用ENVI 5.1遙感軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，包括裁剪、輻射定標(biāo)、大氣校正和波段計(jì)算后在ArcGIS中提取每個(gè)采樣點(diǎn)的NDVI值。DEM數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)，分辨率為30 m。根據(jù)研究區(qū)域的地理位置，選取沿線附近的大柴旦、德令哈、剛察、格爾木和諾木洪5個(gè)具有代表性的雨量站1957—2015年的日降雨數(shù)據(jù)(來源于國家氣象局)。計(jì)算得到多年平均降雨量、降水集中指數(shù)(PCI)，并在ArcGIS中使用Kriging空間插值方法得到每個(gè)采樣點(diǎn)的降雨量和PCI(表1)。

表1 采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)信息

2.3 系統(tǒng)聚類分析

系統(tǒng)聚類法是目前最常用的一種聚類方法，也稱為層次聚類法。該方法首先將n個(gè)樣本各自看成一類，并規(guī)定樣本與樣本之間的距離和類與類之間的距離是相等的，然后選擇距離最小的兩類并成一個(gè)新類，重新計(jì)算新類和其他類之間的距離，再將距離最近的兩類進(jìn)行合并，直至所有的樣本都成一類為止[20]。

2.4 相關(guān)性分析

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法度量細(xì)溝體積與各影響因子之間的相關(guān)性程度。相關(guān)系數(shù)r(-1

(5)

式中:相關(guān)性系數(shù)r的范圍為-1～1,若r>0,則X,Y呈正相關(guān);反之；X,Y呈負(fù)相關(guān)。|r|大小表示兩個(gè)變量間線性相關(guān)程度；|r|越大表示變量間相關(guān)性越強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 格爾木至都蘭段邊坡侵蝕溝特征

分析格爾木至都蘭16個(gè)樣區(qū)的道路邊坡細(xì)溝特征指標(biāo)可知(圖3)，細(xì)溝密度與坡度在空間上并沒有呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，而細(xì)溝體積、平均深度、最大深度在空間上呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。在靠近格爾木的S2711—S2595樣區(qū)細(xì)溝體積、平均深度、最大深度3個(gè)指標(biāo)數(shù)值均較大，中間部分S2575—S2465樣區(qū)3個(gè)指標(biāo)數(shù)值均較小，靠近都蘭的S2437—S2395樣區(qū)3個(gè)指標(biāo)數(shù)值呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)。

圖3 都蘭-格爾木段道路邊坡侵蝕溝分布特征

選取細(xì)溝體積、平均深度和最大深度作為分析指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除量綱的影響，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，得到16個(gè)樣區(qū)聚類分析的譜系圖。從圖4的樹狀結(jié)構(gòu)可以看出，16個(gè)樣區(qū)可分為兩大類。第一類包括沿線中間路段S2676，S2575，S2555，S2535，S2515，S2495，S2465和S2437共8個(gè)樣區(qū)，第二類包括靠近格爾木的S2711，S2695，S2656，S2635，S2615，S2595和靠近都蘭的S2415，S2395共8個(gè)樣區(qū)。對(duì)每一類樣區(qū)的平均深度、最大深度、細(xì)溝體積和密度進(jìn)行簡(jiǎn)單的算術(shù)平均，在第一類樣區(qū)4個(gè)指標(biāo)數(shù)值均較小，平均值分別9.49 cm，13.50 cm，2.33 m3，0.24條/m。第二類樣區(qū)4個(gè)指標(biāo)的數(shù)值均較大，平均值分別為13.82 cm，24.04 cm，2.71 m3，0.30條/m。由于青藏公路在修建時(shí)，考慮到凍土影響，多采取提高路基高度的措施，所以沿線形成的高邊坡都是人工堆砌，整個(gè)研究路段坡度大多在23°～38°，平均值為30°。

圖4 都蘭-格爾木段道路邊坡侵蝕溝樣區(qū)聚類分析

3.2 邊坡侵蝕溝體積與影響因子的相關(guān)性

為分析道路邊坡細(xì)溝侵蝕發(fā)生的驅(qū)動(dòng)因素，本研究根據(jù)現(xiàn)有資料，選取邊坡侵蝕溝密度、平均深度、最大深度、細(xì)溝體積、坡度、NDVI、海拔、降雨量、降水集中指數(shù)(PCI)9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析。結(jié)果表明(表2)，細(xì)溝體積與平均深度、最大深度均呈現(xiàn)出高度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均為0.89。第一類樣區(qū)的細(xì)溝體積、平均深度和最大深度3個(gè)指標(biāo)的數(shù)值均較小，細(xì)溝侵蝕量較低，為弱侵蝕路段。第二類樣區(qū)3個(gè)指標(biāo)的數(shù)值均較大，細(xì)溝侵蝕量較高，為強(qiáng)烈侵蝕路段。細(xì)溝體積與坡度、植被狀況、海拔及降雨量未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，這可能是由于研究區(qū)地處十分干旱的礫石荒漠區(qū)，降雨較少，空間分異不顯著，植被覆蓋整體較差。同時(shí)由于地處高寒高海拔區(qū)，邊坡公路的侵蝕更易受到凍、融過程的影響。相關(guān)研究表明，公路邊坡細(xì)溝侵蝕與降雨量并沒有顯著的相關(guān)關(guān)系(這與本研究結(jié)論一致)，但是與降雨強(qiáng)度具有一定的相關(guān)性，降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的細(xì)溝侵蝕量越高[8，21]。

表2 采樣區(qū)侵蝕溝指標(biāo)與潛在影響因子相關(guān)性分析

細(xì)溝體積與PCI的相關(guān)系數(shù)為0.46，沒有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，但由于公路兩邊填方坡的土壤主要是通過機(jī)械堆砌，松散的結(jié)構(gòu)組成導(dǎo)致抗蝕能力較弱，加上公路路面的匯水作用，極易導(dǎo)致邊坡發(fā)生細(xì)溝侵蝕。一般情況下，坡面匯水區(qū)域越大，造成邊坡侵蝕程度也越大[22]。

4 青藏高原道路邊坡侵蝕防護(hù)對(duì)策

(1) 降低邊坡坡度。通過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)格爾木—都蘭段公路邊坡平均坡度為30°，有研究表明，當(dāng)坡度在30°～57°時(shí)公路邊坡容易產(chǎn)生溝蝕[4]，故在公路邊坡進(jìn)行覆土?xí)r使坡度盡量小于30°，并且在公路進(jìn)行邊坡覆土?xí)r，應(yīng)提高土壤容重，通過增加壓實(shí)的方法增加土體的最大干密度，提高土壤抗蝕性，減少邊坡土壤侵蝕[23]。

(2) 完善坡面排水。排水系統(tǒng)可將匯集在坡面的水流排走，在一定程度上防止水流沖刷對(duì)土體造成破壞。對(duì)于路堤邊坡，采用攔水帶和集流槽組合的方式引排坡面徑流可有效地減弱路堤坡面沖刷。對(duì)于青藏高原高寒高海拔地區(qū)，還應(yīng)采取防凍、防滲措施，以防水流沖刷引起滑塌[24]。

(3) 進(jìn)行坡面防護(hù)。坡面侵蝕細(xì)溝對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定的影響，侵蝕細(xì)溝發(fā)展越嚴(yán)重，其對(duì)邊坡的危害越大。為防止坡面產(chǎn)生細(xì)溝侵蝕，采用六棱磚防護(hù)措施進(jìn)行邊坡防護(hù)，不僅改變坡面水流的流動(dòng)途徑，同時(shí)可以分散坡面徑流，減緩坡面流速，控制侵蝕溝深度，使水流侵蝕作用相對(duì)減弱[3]。

5 結(jié) 論

格爾木—都蘭段16個(gè)樣區(qū)的邊坡侵蝕溝的細(xì)溝體積、平均深度、最大深度在空間上呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。在靠近格爾木S271—S2595樣區(qū)細(xì)溝體積、平均深度、最大深度3個(gè)指標(biāo)數(shù)值均較大，中間部分S2575—S2465樣區(qū)3個(gè)指標(biāo)數(shù)值均較小，靠近都蘭S2437—S2395樣區(qū)3個(gè)指標(biāo)數(shù)值呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)。通過聚類分析將16個(gè)樣區(qū)分為了兩大類：第一類樣區(qū)平均深度、最大深度、細(xì)溝體積和密度4個(gè)指標(biāo)的數(shù)值均較小，為弱侵蝕路段。第二類樣區(qū)為4個(gè)指標(biāo)的數(shù)值均較大，為強(qiáng)烈侵蝕路段。

通過對(duì)邊坡侵蝕溝分布密度、平均深度、最大深度、細(xì)溝體積、坡度、NDVI、海拔、降雨量、降水集中指數(shù)(PCI)9個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性分析表明，溝蝕量與降雨量并沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，而與降雨強(qiáng)度具有一定的相關(guān)性，降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的溝蝕量越高。

本文分析了青藏公路格爾木—都蘭段邊坡侵蝕溝特點(diǎn)，提出了針對(duì)公路邊坡侵蝕的防治對(duì)策，青藏公路邊坡細(xì)溝侵蝕防治可以從降低邊坡坡度、完善坡面排水、開展坡面防護(hù)3個(gè)方面入手，有效避免公路邊坡產(chǎn)生細(xì)溝侵蝕。