利用WEPP模型模拟凉水自然保护区部分道路侵蚀对河流泥沙含量影响特征

及莹　蔡体久

摘要 利用WEPP（Water Erosion Prediction Project）侵蚀模型，模拟凉水自然保护区内道路（包括林内道路和柏油路）与河流的相交点的侵蚀特征，以及符合在道路长度50 m内，与河流有1个以上相交点的共20个路段的侵蚀特征。结果表明，在与河流相交点的路段中，当道路坡度>6.19%，泥沙量显著增长；20个模拟路段中，降雨径流、融雪径流、路面及路缘泥沙量、进入河流泥沙量4个模拟结果的最大值均出现在位于道路VI中的路段11；道路长度是影响道路泥沙量的主要因子。

关键词 道路；WEPP模型；泥沙量；侵蚀；影响；特征

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 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

林內道路作为河流沉积物和泥沙的重要来源，其负面影响日益受到关注，其影响特征主要体现在对坡面水文过程的影响和对自然流域产流产沙过程的改变。道路本身具有的低渗透率或不透水性，以及对道路表面径流的汇集作用均让道路产生大量径流，从而将自身产生及坡面的泥沙输移至临近河流[1]，影响河流水质，进而影响部分生物的栖息地环境[2]。不同位置的道路产流产沙特性不同，对流域侵蚀产沙也有不同的影响。

由于道路对流域自然水文和地貌过程的特殊作用，有效减少或避免林内道路产生泥沙或沉积物对河流的影响具有重要意义[3]。国外对道路侵蚀以及对河流生态系统的研究起步较早，近些年来，随着道路侵蚀日益严重及研究的深入，出现了一些坡面道路侵蚀预报模型[4]。同时道路独特的产流产沙机制被越来越多的林业规划设计者所认识，有关泥沙控制的众多尝试已融入于道路建设以及对森林地区的规划中[5]。我国对林内道路的研究主要集中在边坡效应，研究区域主要集中在黄土高原地区[4，6]。

笔者以凉水自然保护区道路为研究对象，将道路分为8条，分别用道路I、道路II…道路VIII表示，其中道路I～VII条分布在保护区内，为土质路面的林内道路，道路VIII为带岭区到达保护区内的柏油路（图1）。通过降雨径流、融雪径流、脱离道路表面或路缘的泥沙量、进入河流中的泥沙量，研究道路侵蚀对河流泥沙含量的影响。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究地位于黑龙江省伊春市凉水国家级自然保护区内，保护区总面积1.2万hm2，平均海拔400 m，整体地势东高西低。多年平降水量676 mm，主要集中在5～9月，相对湿度78%，干湿指数为0.92～1.13，年均气温-0.3 ℃。地带性土壤类型主要是暗棕壤，占保护区面积的85%以上[7]。

凉水国家级自然保护区的道路始建于20世纪50年代，总长约22.171 km，路网密度为1.239 km/km2，平均道路坡度为0.037%。道路按照水沙效应可以分为2个级别。其中，从伊春市带岭区进入保护区内的道路于1999年修建成柏油路面，为带岭区到达保护区的必经之路，车流量不大，长度在5.721 km。位于保护区内的林内道路位置多临近水系，是初期为运输木材而铺设，长度在16.449 km。1972年自然保护区建立，砍伐活动完全停止，道路被废弃，路面经自然恢复后被植被覆盖，主要以灌木为主，高约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蚀预测预报的计算机模型，是迄今为止描述水蚀相关参数最多的土壤侵蚀模型[7]。它可以根据土壤类型、气候、地表覆盖类型和地形，预测土壤侵蚀和泥沙量。其中，道路界面是WEPP模型中的一个模块，用于预测道路（压实的土壤、车辙、集材道，水泥路面）产生的泥沙量。在输入界面，用户可以选择研究地区气象参数、土壤类型、道路表面情况、道路和缓冲区的地形特点、道路宽度和表面是否有沙砾，进行以路段为单位的侵蚀模拟。

通过ArcGIS技术找出凉水自然保护区道路与河流的相交点，共57个，其中林内道路49个，柏油道路8个（表1）。同时，选择道路长度50 m内，与河流有1个以上相交点，且道路与临近河流的平均水平垂直距离小于4 m的路段，共20个，其中林内道路17段、柏油道路3段（表2）。通过WEPP模型模拟结果（降雨径流、融雪径流、道路表面或路缘排水沟的泥沙量、进入河流中的泥沙量），分析不同位置林内道路的侵蚀差异及林内道路与柏油道路的侵蚀差异，并分析影响道路侵蚀主要的因素。

1.2.1 WEPP道路模型参数输入。

WEPP道路模型的参数输入可以大致分为气象、土壤、道路设计以及道路基质和使用情况4个组成部分。

凉水保护区地带性土壤是暗棕壤[8]，占保护区土壤的85%以上，属于壤土的亚类。道路设计选项中排水沟分为无（outsloped）和有（insloped）2种情况，有排水沟的道路，坡面和道路表面产生的泥沙会首先进入到排水沟中，再根据排水沟中是否铺设了碎石进一步分为2种；无排水沟的道路，坡面和道路表面产生的泥沙会滞留于道路表面，再根据道路表面是否有车辙进一步划分为2种。凉水自然保护区内的林内道路多分布于河谷中，侧面有排水沟，道路表面及排水沟已被植被覆盖。

从道路的功能和特征分析，道路侵蚀可分为自然道路和公路2个类型[9]，自然道路是指在不改变自然地形条件下的道路上发生的侵蚀产沙过程。初期修建的林内道路多属于自然道路，1999年后铺设的由伊春市带岭区进入保护区内的道路属于柏油路。

地形数据的输入主要有道路的坡度、长度、宽度以及填充（Fill）部分的坡度、长度和缓冲区（Buffer）的坡度、长度。其中填充区是指道路的修建改变了原始的地形。凉水自然保护区内的道路基本上是顺从地形分布，几乎没有挖掘和填充等改变原有地形的修建过程，仅有约1.5%～2.0%的流水坡，填充部分坡度统一输入1.5%，填充长度为最小值1ft。WEPP中缓冲区的长度是指道路距离河流最短水平距离。文中道路与水系相交点，緩冲区坡度和长度为0。20个路段的缓冲区长度为道路距离河流的平均值，由ArcGIS技术测量获得。

1.2.2 WEPP模型气象数据本地化校正。

WEPP模块中的气象资料来自美国50个州的2 600多个气象站，

选择与研究区域经纬度相同或相近的气象站，分别比较每个气象站气象数据与当地气象数据的差异性，选择差异性最小的气象数据进行本地化数据的输入，包括月均最高温、月均最低温、月均降水量、每月降水天数，同时要输入的是海拔和经纬度，需要注意的是单位的变化，WEPP模块中的气象数据温度单位为华氏，雨量为吋，海拔为英尺，所以气象数据本地化的输入要换算单位后再输入。输入后对文件夹重命名，生成本地气候数据，运行WEPP模型时可在气候列表中选择并运行。

与研究区域纬度最接近的气象站有26个，经过气象数据的比较后，最接近的是位于MT州的Glendive气象站，输入当地数据，生成‘YC文件夹，完成气象数据本地化过程。

2 结果与分析

2.1 林内道路-河流交叉点模拟结果 将20个路段与河流的相交点的模拟结果按照道路坡度由小到大进行排序。其中，所有相交点的降雪径流模拟值是相等的，均是0.508 cm/a，降雨径流模拟值变化趋势也基本保持平稳，最大值为4.318 cm/a；在道路坡度为0%时，路面及路缘泥沙量值为0.213 kg/a，进入河流中的泥沙量值为0.077 kg/a，当坡度>1%时，有了显著增长；道路坡度值在1%～6.19%范围内时，路面及路缘泥沙量值增长缓慢，当坡度>6.19%时，增幅明显。进入河流泥沙量模拟值变化幅度很小，最大值为0.760 kg/a（图2）；道路VIII（柏油路）与河流的3个相交路段所产生的泥沙量均为0 kg/a。可见，凉水自然保护区内道路与河流相交点对河流泥沙含量的影响并不大。

2.2 路段模拟结果

20个路段的模拟结果（图3）显示，路面及路缘泥沙量与进入河流中的泥沙量趋势基本一致，泥沙量的最大值均出现在位于道路VI的路段11，路面泥沙量达48.80 kg/a，进入河流泥沙量为26.66 kg/a；林内道路中进入河流的泥沙的最小值为0 kg/a，路面及路缘泥沙量的最小值为0.23 kg/a，分属于路段8和路段7。说明路段11对临近河流泥沙含量的影响最大。

林内道路中，降雨径流和融雪径流的最大值与泥沙量的最大值属于同一路段，位于道路VI的路段11，降雨径流为9.73 cm/a，融雪径流为2.21 cm/a，降雨径流和融雪径流的最小值出现在位于道路I中的路段3。由于与河流相交的林内道路坡度很低（<6%），且被废弃多年，路面经自然恢复后被植被覆盖，所以到达森林路面的降水大多被植被自然吸收，年均径流值整体较小。

道路VIII（柏油路）的表面具有不透水性，导致降雨和融雪径流值相对较大。路面及路缘泥沙量和进入河流的泥沙量模拟值均为0 kg/a，主要是因为道路的交通量较小，仅夏季有少量车辆通过。模拟结果说明道路VIII（柏油路）中对临近河流泥沙含量的影响较小。

2.3 道路侵蚀敏感因子分析

为找出影响道路侵蚀的敏感因子，笔者分别分析道路长度、道路坡度、缓冲区坡度及道路与缓冲区坡度差绝对值与泥沙量变化的关系。同时，利用每一个系数的平均值分别作为固定值，其他系数不变的情况下再次进行模拟，之后用逐步回归的方法，计算其他输入系数对模拟结果的影响。由图4可见，道路坡度、缓冲区坡度及两者之间差值的绝对值与泥沙量的变化趋势不相同，而道路长度与泥沙量趋势相关性非常高，随道路长度的增加，泥沙量也呈上升趋势。逐步回归的结果中，对路面及路缘泥沙量和进入河流的泥沙量影响最显著的同样是道路长度，相关系数值为0.86～0.95。道路坡度、缓冲区坡度及两者之间差值的绝对值对泥沙量的影响不显著。道路长度与泥沙量的关系结果与逐步回归结果相吻合。

3 结论

道路作为一种人为干扰形式，对河流生态系统的影响主要体现因侵蚀产生的泥沙进入河道[10]，影响河流的水化学性质，进而影响河流中的生物生境[11]。不同位置的道路具有不同的侵蚀特征和强度，对临近水生生态系统的影响也因此产生差异性。笔者利用WEPP侵蚀模型模拟凉水自然保护区内道路与河流的相交点，以及符合在道路长度50 m内，与河流有1个以上相交点的共20个路段的侵蚀泥沙量。结果表明在与河流的相交点中，当道路坡度在1%～6.19%时，泥沙量增幅缓慢，当道路坡度>6.19%时，泥沙量有了显著增长，道路VIII（柏油路）与河流的3个交流点的泥沙量均为0 kg/a。20个模拟路段中，降雨径流、融雪径流、路面及路缘泥沙量、进入河流泥沙量4个模拟值的最大值均出现在位于道路VI的路段11，说明对临近河流泥沙含量影响较大。由于道路VIII（柏油路）车流量较小，因此路段模拟值中泥沙量为0 kg/a，但柏油路表面具有不透水性，所以径流值较大，对临近河流泥沙含量影响较小。通过分别分析道路长度、缓冲区长度、道路坡度和缓冲区坡度与泥沙量变化的关系及逐步回归法找到影响河流泥沙量的因子，结果显示道路长度与泥沙量有很高的相关性。

参考文献

[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