红壤区典型小流域土质道路侵蚀特征与水沙效应模拟研究

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我国南方低山丘陵林区存在众多的土质简易道路,其侵蚀特征不同于传统坡地。在坡面水土流失得到有效治理和控制的情形下,以往被忽视的土质道路侵蚀问题日益凸显,但相关研究报道甚少,尤其在发生机理及其影响因素方面更亟待开展进一步的研究。基于为道路侵蚀防治提供理论依据的宗旨,本研究选择福建省长汀县河田镇竹坝小流域(面积2.22km2)为研究对象,通过野外调查和测量,在ArcGIS平台支持下揭示了路网空间分布和道路侵蚀特征;通过变坡水槽冲刷试验和模拟降雨试验,初步探明了道路侵蚀发生机理,获取了过程模型参数;利用GeoWEPP系列模型模拟了道路侵蚀的水沙效应,揭示了路网对流域径流泥沙量的影响。  本研究的主要结论如下:  (1)小流域道路侵蚀特征  实地调查表明,竹坝小流域土壤类型以花岗岩发育的红壤为主,土质道路总长22.81km,密度为10.05km/km2,侵蚀形式以路面沟蚀为主。实地调查了33个土质路段,平均侵蚀沟密度为333.54m/km,单位路长侵蚀量为47.22m3/km,路面平均侵蚀模数为11607t/(km2·a),达到了极强烈侵蚀标准。  路段侵蚀量与路段的长度、路段拦截的坡面汇水面积呈显著的线性正相关关系,与路段坡度呈显著幂函数正相关关系。路段偏长和坡度偏大是导致流域内路面沟蚀严重的主要原因。路段的坡比大于10%时,路段侵蚀量随坡比增加而急剧增加。因此,基于防止水土流失的考虑,山区土质道路的坡比应控制在10%以内。  (2)道路侵蚀过程模拟与参数估算  模拟不同水力条件下土壤分离速率的变坡水槽冲刷试验结果表明:水流剪切力、水流功率和单位水流功率的幂函数都能较好地估算路面土壤分离速率,其中水流剪切力效果最好;水流剪切力、水流功率和单位水流功率的线性函数均能很好地估算边坡土壤分离速率。根据WEPP细沟侵蚀模型建立的路面和边坡的细沟土壤分离速率估算模型表明,路面和边坡土壤细沟可蚀性参数分别为0.001s/m和0.026s/m,临界剪切力参数分别为8.44Pa和7.67Pa。  不同坡度和流量条件下的降雨侵蚀过程的模拟降雨试验结果表明:路面土壤流失率随坡度、雨强增大而增大,土壤流失率与坡度、雨强之间具有较好的正向线性关系。路面降雨侵蚀强度与雨强、坡度之间呈显著的幂函数关系(Di=0.005I2.726S0.776,R2=0.81)。WEPP细沟间侵蚀模型构建的侵蚀速率线性回归方程表明,路面和边坡土壤细沟间可蚀性分别为213876kg·s/m4和888463kg·s/m4。  (3)路段尺度侵蚀产沙模拟  基于实地调查测量获得的路段地形参数和模拟试验获取的土壤参数,利用WEPP流域版模型对流域内33个路段的侵蚀量进行了模拟,模拟的路段侵蚀量介于0.2~52.5t/a,平均为7.64t/a,与实测值(0.16~49.42t/a)接近。模型有效系数为0.61,模拟精度较高,表明WEPP流域版模型能适用于道路这种特殊的侵蚀单元。  (4)流域尺度路网水沙效应模拟  GIS水文分析对路网影响流域水系的模拟结果表明:路网叠加后明显改变了道路附近的水流路径,使径流在路面汇集并在道路下方集中下泄,导致水系密度增大,其增幅介于12.09%~20.45%;路网对流域水系的影响主要集中在上游,水系上游一级支沟的密度增幅介于19.38~26.04%。  GeoWEPP模型模拟路网对流域产流产沙效应结果表明:路网叠加后,产生径流的降雨频数增加了44.56%,但流域径流总量变化甚小;产生侵蚀的降雨频数增加45.61%,流域侵蚀模数增加了72.67%,其中坡面侵蚀增加1.20%,沟道侵蚀增加86.68%,表明沟道侵蚀的加剧是流域侵蚀量增大的原因;流域输沙模数从520t/(km2·a)增加到2010t/(km2·a),提升了2.87倍。
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