青藏公路都蘭-格爾木段邊坡侵蝕溝調查

郭小雪, 田 鵬, 劉文民, 韓劍橋,3, 趙廣舉,3

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 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西寧，西經格爾木，向南至西藏自治區首府拉薩，是我國G109國道的重要組成部分，全長約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的重要通道。青藏公路對于開發柴達木盆地資源、推動沿線城鎮化進程和旅游業發展、支撐青海省社會和諧發展具有非常重要的作用[1]。然而，受青藏高原高寒氣候影響，公路邊坡長期受到凍融、風蝕影響，加之降雨沖刷，形成大量的侵蝕溝，其發生發展影響路基的穩定性，導致道路破壞，威脅交通安全[2]。

目前國內的眾多學者在南方紅壤區、季節性冰凍地區，尤其是黃土高原地區的公路邊坡侵蝕開展了大量的研究[3-6]。鐘立昌等[3]通過分析降雨對自然邊坡破壞的機理，結合黃土地區公路邊坡侵蝕特點分析了侵蝕的原因，提出防治黃土公路邊坡降雨侵蝕的對策。嚴超群等[5]針對黃土地區公路邊坡普遍受降雨侵蝕災害的情況，分析其破壞機理，提出易損性評價方法。大部分研究基于人工降雨試驗，缺少自然條件下道路侵蝕規律的研究[7]。張洪江等[8]通過野外布設試驗小區，采用人工模擬降雨試驗的方法研究不同降雨及不同防護措施條件下邊坡侵蝕溝的發生、發展規律。部分學者對路堤邊坡開展沖刷試驗，評估道路邊坡的穩定性[9-10]。單永體等[9]通過野外放水沖刷試驗，研究了高寒高海拔地區公路邊坡產流產沙的特征，總結了邊坡侵蝕規律與防治策略。相比我國其他區域，青藏高原的公路邊坡侵蝕研究相對薄弱[11]，本文選擇青藏高原都蘭至格爾木段公路作為研究區段，通過野外實地調查，分析公路邊坡細溝侵蝕特征，探討自然條件下形成公路邊坡侵蝕溝的原因，提出針對青藏地區公路邊坡侵蝕的防治對策。

1 研究區概況

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[12]，全長約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，夏季涼爽短暫[13]，年均氣溫為4.7℃。氣候干旱，降雨量少，蒸發量大，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域為主[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 數據來源與研究方法

2.1 侵蝕溝測量及計算

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

圖1 研究區地理位置及采樣點

圖2 侵蝕溝形態特征

細溝密度(D)指每個樣區(60 m)內細溝的總條數與樣區長度的比值，計算公式如下：

(1)

式中:n為每個樣區內細溝的總條數；l為每個樣區的長度。

細溝平均深度(H)采用每個樣區內所有細溝深度的加權平均值，其表達式為：

(2)

式中:Ai為樣區內所有細溝的平面面積,其對應的細溝深度為hi，i=1,2,3,…，n；i為自然數；n為樣區內所有細溝的總條數。

細溝體積(Rvi)采用每條細溝的平均寬度(Rwi)、平均深度(Rhi)和細溝長度(Rl)的乘積，計算公式如下：

Rvi=Rwi·Rhi·Rl

(3)

每個樣區內的細溝體積為所有細溝體積的加和，即

(4)

式中:Rv為每個樣區內所有細溝體積之和;Rvi為樣區內每條細溝的體積;n為每個樣區內細溝的總條數。

2.2 數據來源

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

表1 采樣點數據信息

2.3 系統聚類分析

系統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個樣本各自看成一類，并規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新類，重新計算新類和其他類之間的距離，再將距離最近的兩類進行合并，直至所有的樣本都成一類為止[20]。

2.4 相關性分析

采用皮爾遜相關系數法度量細溝體積與各影響因子之間的相關性程度。相關系數r(-1

(5)

式中:相關性系數r的范圍為-1～1,若r>0,則X,Y呈正相關;反之；X,Y呈負相關。|r|大小表示兩個變量間線性相關程度；|r|越大表示變量間相關性越強。

3 結果與分析

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個樣區的道路邊坡細溝特征指標可知(圖3)，細溝密度與坡度在空間上并沒有呈現出規律性的變化，而細溝體積、平均深度、最大深度在空間上呈現出相似的規律。在靠近格爾木的S2711—S2595樣區細溝體積、平均深度、最大深度3個指標數值均較大，中間部分S2575—S2465樣區3個指標數值均較小，靠近都蘭的S2437—S2395樣區3個指標數值呈現出逐漸上升的趨勢。

圖3 都蘭-格爾木段道路邊坡侵蝕溝分布特征

選取細溝體積、平均深度和最大深度作為分析指標對其進行標準化處理，以消除量綱的影響，對標準化后的數據進行聚類分析，得到16個樣區聚類分析的譜系圖。從圖4的樹狀結構可以看出，16個樣區可分為兩大類。第一類包括沿線中間路段S2676，S2575，S2555，S2535，S2515，S2495，S2465和S2437共8個樣區，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個樣區。對每一類樣區的平均深度、最大深度、細溝體積和密度進行簡單的算術平均，在第一類樣區4個指標數值均較小，平均值分別9.49 cm，13.50 cm，2.33 m3，0.24條/m。第二類樣區4個指標的數值均較大，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，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聚類分析

3.2 邊坡侵蝕溝體積與影響因子的相關性

為分析道路邊坡細溝侵蝕發生的驅動因素，本研究根據現有資料，選取邊坡侵蝕溝密度、平均深度、最大深度、細溝體積、坡度、NDVI、海拔、降雨量、降水集中指數(PCI)9個指標進行皮爾遜相關性分析。結果表明(表2)，細溝體積與平均深度、最大深度均呈現出高度正相關，相關系數均為0.89。第一類樣區的細溝體積、平均深度和最大深度3個指標的數值均較小，細溝侵蝕量較低，為弱侵蝕路段。第二類樣區3個指標的數值均較大，細溝侵蝕量較高，為強烈侵蝕路段。細溝體積與坡度、植被狀況、海拔及降雨量未表現出顯著的相關性，這可能是由于研究區地處十分干旱的礫石荒漠區，降雨較少，空間分異不顯著，植被覆蓋整體較差。同時由于地處高寒高海拔區，邊坡公路的侵蝕更易受到凍、融過程的影響。相關研究表明，公路邊坡細溝侵蝕與降雨量并沒有顯著的相關關系(這與本研究結論一致)，但是與降雨強度具有一定的相關性，降雨強度越大，產生的細溝侵蝕量越高[8，21]。

表2 采樣區侵蝕溝指標與潛在影響因子相關性分析

細溝體積與PCI的相關系數為0.46，沒有表現出顯著的相關性，但由于公路兩邊填方坡的土壤主要是通過機械堆砌，松散的結構組成導致抗蝕能力較弱，加上公路路面的匯水作用，極易導致邊坡發生細溝侵蝕。一般情況下，坡面匯水區域越大，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對策

(1) 降低邊坡坡度。通過實地考察發現格爾木—都蘭段公路邊坡平均坡度為30°，有研究表明，當坡度在30°～57°時公路邊坡容易產生溝蝕[4]，故在公路邊坡進行覆土時使坡度盡量小于30°，并且在公路進行邊坡覆土時，應提高土壤容重，通過增加壓實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土體造成破壞。對于路堤邊坡，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。對于青藏高原高寒高海拔地區，還應采取防凍、防滲措施，以防水流沖刷引起滑塌[24]。

(3) 進行坡面防護。坡面侵蝕細溝對邊坡穩定性有一定的影響，侵蝕細溝發展越嚴重，其對邊坡的危害越大。為防止坡面產生細溝侵蝕，采用六棱磚防護措施進行邊坡防護，不僅改變坡面水流的流動途徑，同時可以分散坡面徑流，減緩坡面流速，控制侵蝕溝深度，使水流侵蝕作用相對減弱[3]。

5 結 論

格爾木—都蘭段16個樣區的邊坡侵蝕溝的細溝體積、平均深度、最大深度在空間上呈現出相似的規律。在靠近格爾木S271—S2595樣區細溝體積、平均深度、最大深度3個指標數值均較大，中間部分S2575—S2465樣區3個指標數值均較小，靠近都蘭S2437—S2395樣區3個指標數值呈現出逐漸上升的趨勢。通過聚類分析將16個樣區分為了兩大類：第一類樣區平均深度、最大深度、細溝體積和密度4個指標的數值均較小，為弱侵蝕路段。第二類樣區為4個指標的數值均較大，為強烈侵蝕路段。

通過對邊坡侵蝕溝分布密度、平均深度、最大深度、細溝體積、坡度、NDVI、海拔、降雨量、降水集中指數(PCI)9個指標的相關性分析表明，溝蝕量與降雨量并沒有顯著的相關關系，而與降雨強度具有一定的相關性，降雨強度越大，產生的溝蝕量越高。

本文分析了青藏公路格爾木—都蘭段邊坡侵蝕溝特點，提出了針對公路邊坡侵蝕的防治對策，青藏公路邊坡細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3個方面入手，有效避免公路邊坡產生細溝侵蝕。