林区公路对南岭森林集水区径流的影响

谭秋，邱治军，周光益*，赵厚本，李兆佳，龚粤宁，杨昌腾

1. 中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520；2. 广东南岭国家级自然保护区管理局，广东 韶关 512727

气候变化和森林干扰是森林流域径流改变的两大驱动因素（Zhang et al.，2014；Langhamme et al.，2015）。全球气候变化和森林干扰对生态系统水文生态功能的影响研究，一直以来是国内外学者研究的热点（余新晓等，2004；Wood et al.，2011）；气候变化主要通过降水和气温的改变直接影响流域的水分输入和蒸散发，从而影响流域径流情势（Arnell，1999；Zhou et al.，2014）；森林干扰则通过改变林冠截留、土壤水文渗透以及蒸散发直接影响流域径流情势（Bruijnzeel，2004）。在森林干扰的诸多事件里，采伐方式对迹地径流的影响最为显著（Heikurainen，1970；Zare et al.，2016；Abari et al.，2017）。疏伐对总径流量影响较小，皆伐可以较大程度地增加年径流量（刘世荣等，2001）。自然灾害对森林水文也存在巨大影响，火灾引起的森林覆盖度降低可以导致河川径流量增加（石培礼等，2001）。台风暴雨在区域森林集水区径流增加起着主导作用（周光益等，1994；陈步峰等，1998）。由于自然地理、气候和植被条件的空间异质性，森林对降水截持、水分循环、径流和洪峰调节功能的影响规律十分复杂（刘世荣等，1996）。

林区道路的建设是林业基本建设的一项重要内容，也是开展林区经营活动的基本条件，但修建公路过程中的高挖深填，不可避免地对森林流域径流变化产生影响（Damania et al.，2018）。研究指出采伐集材道路对森林的长期性人为干扰异于自然灾害对森林的短期干扰（Kleinschroth et al.，2017），说明修建林区公路这一干扰方式对森林影响更为严重和深远。目前针对公路影响研究，已开展了公路修建对景观（Lugo et al.，2000）、植被和植物多样性（Watkins et al.，2003；况亮等，2010；李月辉等，2010；Deljouei et al.，2018）、林木损伤和环境（Caliskan，2013）、排水方式和土壤水分（Tague et al.，2001）、土壤理化性质（Olander et al.，1998；Deljouei et al.，2018）、暴雨径流（Woldie et al.，2009）、泥沙沉积和水质（Lane et al.，2002）等的影响及模拟研究（Lane et al.，2002；Arnaez et al.，2004；Soulis et al.，2015）。然而，道路干扰对集水区水文影响研究与火灾、干旱等自然干扰及采伐等人为干扰对流域水文影响研究相比，仍然是薄弱研究领域，尤其缺乏长时间序列的连续监测与对比，在道路对集水区年径流组分分配规律、道路影响快速径流的过程与机理等方面还不清楚，相关报道也缺乏。本研究采用成对集水区比较方法，同步对南岭国家森林公园内的新公路实验集水区和老蓬顶对照集水区的降雨和径流进行了连续监测，通过对大于1 mm的次降雨（老蓬顶164场、新公路167场）的雨量-径流关系、月径流组分分配动态等进行分析，阐述影响快速径流的主导因子及其在两集水区中的表现差异，揭示公路修建对森林集水区径流调节功能的影响，旨在探明林区公路干扰下的森林水文响应，为科学评估公路干扰的后续影响和流域水资源管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

老 蓬 顶 集 水 区 （ 24°56′00″-24°56′30″N ，113°00′45″-113°1′15″E ） 和 新 公 路 集 水 区（24°54′41″-24°55′06″N，113°00′15″-113°00′52″E）均位于广东南岭国家森林公园内，地处南亚热带和中亚热带交界处。气候属于亚热带季风气候，光照充足，雨量充沛，年积温为 6386.5 ℃，全年无霜期约300 d，年均气温18.1-19.9 ℃，最冷月1月的平均气温为7.7-9.6 ℃，最热月7月的平均气温为26.2-28.6 ℃，年均降雨为1881 mm，雨季为3-8月，旱季为9月至翌年2月。两个集水区之间隔开两侧的山沟及山坡，两集水区直线距离为1.5 km；新公路集水区的水系由西北和北方向东南和南方向延伸，老蓬顶集水区水系由东北向西南延伸（图1红线）；两个集水区均为两坡夹一沟的“V”形集水区，沟底线落差平缓。两个集水区基本特征信息见表1，形状特征以及气象和水文监测设施如图1。两个集水区的气候、地形、土壤、植被类型以及含水层地质等各要素基本一致，可认为林区公路修建的干扰是两个集水区之间的唯一差异。

表1 对比集水区特征Table 1 Characteristics of the paired catchments

图1 对比集水区形状特征及雨量和径流监测点Fig. 1 Shape characteristics and monitoring points of rainfall and streamflow in the paired catchments

从南岭国家森林公园门口通往石坑崆的林区旅游公路，不规则穿过本研究的新公路集水区，林区水泥公路建设始于2010年10月，平均路基宽5.5 m，集水区内公路的长度为1.6 km。公路修建对沿线森林结构造成破坏，碎石倾倒在林区形成破坏力极强的沟壑，最长可达130 m，公路、侵蚀沟壑及其受损面积占整个集水区面积 1/4（根据航拍数据估算）。新公路实验集水区测流堰修建于2017年，作为对照的老蓬顶集水区测流堰建于 2010年，是未受到公路干扰的自然集水区。

1.2 监测方法

新公路集水区和老蓬顶集水区测流设施分别是无侧收矩形薄壁堰和圆缘矩形宽顶堰，采用OTT thalimedes自记水位计（产地：德国）对测流堰水位分别进行连续测定，间隔为1 min，仪器对每15分钟数据取平均值并存储。在每个集水区所在的空旷处各设置2个DAVIS 7852雨量计（产地：美国；分辨率：0.2 mm），对大气降雨进行连续定位监测。

1.3 计算与分析方法

按次降雨（降雨间隔超过 2 h）对降雨数据进行统计分析，指标包括降雨量（P）、降雨历时（PD）、前7天降雨量（AP7）、最大30 min雨强（I30），最大60 min降雨强（I60）、平均降雨强度（AHRD）。无侧收矩形薄壁堰和圆缘矩形宽顶堰计算流量公式详见《中华人民共和国水利行业标准堰槽测流规范（SL24-91）》（水利部水文司，1992）。同时，根据次降雨-径流过程曲线采用斜割法（左海凤等，2007）计算快速径流（QF）和基流（BF），水文响应值（HR）是快速径流与降雨量的比值（QF/P）。数据的处理、相关分析和图表制作通过 SPSS21.0和Microsoft Excel 2007完成。

2 结果与分析

2.1 影响集水区快速径流的主导因素

根据气象学降雨等级划定标准，降雨量 P＜10 mm为小雨（Light rain），10 mm≤P＜25 mm为中雨（Moderate rain），25 mm≤P＜50 mm 为大雨（Heavy rain），50 mm≤P＜100 mm 为暴雨（storm），P≥100 mm为特大暴雨（Heavy storm）。研究期间（2017年8月1日-2018年7月31日），在老蓬顶对照集水区（W1）和新公路实验集水区（W2）分别监测到309场和295场降雨（表2），两地的降雨特征基本相同，两地都表现出中雨和大雨合计的雨量在年降雨量中占有最大比例（41.5%和46.37%）。

为了分析公路对集水区径流的影响，必须先了解所研究的集水区产生快速径流主导因素。实际上影响快速径流的因子很复杂，集雨面积、集水区形状、坡度、地形地势和海拔、岩石类型、土壤类型及其性质、植被类型及其覆盖度、气候条件（尤其降雨特性）等都对径流和快速径流产生影响，而就本研究的2个集水区而言，它们的以上因子基本相同（表1、表2及图1），唯一不同的是公路的干扰。不同场次降雨过程所产生的快速径流存在较大差异，为此，基于79场（W1）和87场（W2）P≥5 mm的次降雨及其径流的监测、每次降雨-径流的基流分割和快速径流计算，将两集水区各次降雨过程中产生的快速径流与 P、PD、AP7、I30、I60、AHRD、Fi各指标进行相关分析。结果显示：两个集水区的快速径流都与 P（r2＞0.925，P＜0.01）、PD（r2＞0.563，P＜0.01）呈极显著相关；此外W1的快速径流还与I60（r2=0.394，P＜0.01）呈极显著相关，与 I30（r2=0.276，P＜0.05）显著相关，而W2的快速径流与I30和I60没有统计学意义的相关关系，但与AP7呈显著相关（r2=0.292，P＜0.05）（表3）。以上结果表明，林区公路修建的水泥硬化路面以及修路过程造成的侵蚀沟壑使森林集水区更容易产生快速径流，造成这一现象的原因可能与公路及排水沟使集水区水分运动路径改变有关。

表2 研究期间两集水区内观测到的单次降雨事件及其快速径流Table 2 Observed rainfall and its quickflow for single events in the paired catchments during the research period

2. 2 公路对次降雨快速径流量的影响

由表2可知，随着降雨量级的增大，W1的QF呈明显增加趋势，1-3、3-5、5-10、10-25、25-50、50-100、＞100 mm 降雨量级的平均 QF值分别达到 0.01、0.04、0.15、0.58、1.88、3.56、29.73 mm，对应的水文响应值HR分别达到0.56%、1.02%、1.95%、3.88%、5.50%、5.53%、15.47%；W2与对照W1的QF值有相同的趋势，各雨量级的QF值分别达到0.04、0.12、0.30、1.25、4.17、8.84、48.80 mm，HR分别达到2.29%、3.11%、4.09%、8.51%、12.41%、14.06%、36.28%；数据显示两集水区的HR都表现出随P增加而呈指数增加趋势，且W2的HR值是对照W1的2.10-4.13倍，说明公路对次降雨的QF影响特别大，也说明集水区出现QF（以0.04 mm为例）的最小雨量出现差异，W2只要有1 mm降雨就能出现QF，而在W1则是3 mm以上的降雨才能产生QF。从次降雨的P与QF关系比较可知（图2）：公路显著增加了各类型次降雨的QF值，小雨时两集水区的P与QF关系不紧密（图2a和图2b），说明小雨情况下影响两集水区快速径流产生是降雨量、前期降雨量、降雨强度以及前期流量等各因素的复合作用下的结果，哪些因子处于主导作用还需要进一步的深入研究；在中雨、大雨和暴雨情况下P和QF呈显著的线性关系（图2c，图2d，图2e）；而将所有观测到的次降雨的P与QF建立关系时（图 2f），发现P与QF存在显著的非线性关系。

2.3 公路对径流过程的影响

表 2显示该地全年的降雨量以中雨和大雨所占比例最大，因此选取降水特征（降雨量、雨强、历时等）在两集水区表现基本一致的2场典型降雨（1次短历时高雨强的中雨和 1次长历时小雨强的大雨）来对比分析公路对径流过程的影响（图3）。由图可知，当降雨强度大、历时短时，降雨-径流过程呈单峰型过程曲线（图3a），而且洪峰滞后雨峰的时间短（或同步）；但其他多数降雨过程是多峰型径流曲线（图3b）。图3显示径流变化趋势与降雨量变化趋势一致，图3b显示在降雨开始后的第13小时，对照集水区W1的雨强就开始比W2的雨强大，一直至降雨结束，但是W1的径流量一直低于W2，说明未受干扰的森林集水区相比受公路干扰的集水区，具有较强的洪水调节能力。图3a所示为2018年4月22日降雨，W1的P、QF和最大洪峰流量（Qmax）分别为17.9 mm、0.834 mm和 4.64 L·km-2·s-1，而 W2 的 P、QF 和 Qmax分别为15.6 mm、2.358 mm 和 9.15 L·km-2·s-1；图 3b 所示为2018年4月30日降雨，W1的P、QF和Qmax分别为 43.8 mm、1.048 mm 和 0.98 L·km-2·s-1，而W2的P、QF和Qmax分别为44.5 mm、3.818 mm和2.75 L·km-2·s-1，且W1在这次小雨强降水过程中洪峰流量滞后雨峰540 min，而W2的滞后现象不明显。

另外，本研究在监测到的降雨事件中选取6场降雨，包含暴雨、大雨、中雨、小雨4种类型，统计分析其径流过程的相关特征（表4）。综合这6次典型降雨，在降雨特征基本一致前提下W2产流量比 W1增加了 48.0%-70.6%，W2的径流系数是W1的3.17倍，水文响应值平均增加了10.29%，与表1统计结果相似。总体上，W2洪峰滞后雨峰的时间短于对照 W1，且洪峰流量也大，说明公路对集水区径流过程、洪峰流量及洪峰滞后雨峰时间都有显著影响。

表3 新公路和老蓬顶集水区快速径流与有关因子的相关性分析Table 3 Correlational analyses between quickflow and relevant indicators in both cachments

2.4 公路修建对年径流的影响

监测结果显示，研究期间 W2年降雨量比 W1少127.4 mm，分别为1862.3 mm和1989.7 mm，而年径流量反而比W2多28.83 mm，分别为911.57 mm和882.75 mm，年径流系数分别为0.4895和0.4437，公路干扰使得W2的年径流系数值增加了0.0458，即相对增加了10.32%。由图4可知，6月和1月水文响应HR较大，10-12月较小，年平均值分别为4.32%（W1）和12.60%（W2），修建公路使森林集水区的HR值增加到近3倍；HR的变化趋势与月降雨量一致，而且一年中各月的HR值都是W2大于 W1。如前所述，公路修建能显著提高森林集水区的QF和HR，从而影响了年径流组分分配，监测结果也证实了这点（图 3）。基流占总径流的比率（BF/R）呈现出与HR相反的规律，一年中各月的BF/R比值始终都是W2小于W1，而且BF/R值在雨量最大的6月最小。这说明了林区公路的修建使不透水面积增加、受损林地的土壤渗透性减弱、水分运动路径改变（公路、排水沟及公路修建中人为造成的侵蚀冲沟等作用），从而阻碍了坡面径流对森林土壤水分的供应，进而影响了基流的补给，导致集水区基流量减少。研究期间，公路干扰集水区W2的年总基流量为676.84 mm，比对照集水区W1（762.36 mm）减少了85.52 mm，基流占总径流的比例（BF/R）在 W2平均为 74.25%，比对照 W1（86.36%）减少了12.11%。

图3 典型降雨的降雨-径流过程线Fig. 3 Hydrographs and hyetographs for typical rain events

表4 典型降雨过程中成对集水区的径流特征Table 4 Runoff characteristics of the paired catchments for typical rain events

图4 水文响应值和基流占总径流比率的月变化Fig. 4 Monthly dynamics of hydrological response and ratio of baseflow to total runoff

3 讨论

公路网络建设的影响涉及了全球陆地面积的15%-20%，尤其林区道路和森林的和谐发展是我国经济与生态协调发展的重要内容，修建公路造成森林扰动是影响森林流域侵蚀沉积过程自然动力学的重要现象，公路建设过程中土地利用、土地覆盖、森林覆盖和河流改道等要素的变化，对径流的动力学改变十分显著（Lugo et al.，2000；郑海峰等，2005；Buttle et al.，2009；涂美珍等，2016）。本研究指出，在公路干扰的集水区 W2，不同雨量级的次降雨产生的总QF值是对照集水区W1的1.64-3.69倍（表2、表4），W2的年QF值是W1的1.95倍，公路集水区W2的水文响应年平均值（12.60%）是对照集水区 W1（4.32%）的 2.92倍；而且公路修建导致在相同（似）降水条件下W2的洪峰流量远大于W1（图3，表4）。该结果与Soulis et al.（2015）的研究完全一致，即林区道路对集水区水文影响是明显增加了快速径流深和洪峰流量（Soulis et al.，2015），但与Woldie et al.（2009）的结果只部分相同，其差异是Woldie et al.（2009）认为在非常湿润的前期土壤水分条件前提下，有道路和没有道路的两集水区产生等量的径流；造成研究结果差异的根本原因是Woldie et al.（2009）研究区的森林道路为行走小径，其路面最宽路宽为3 m，其道路走向沿着水系方向较为规则，道路沿线路段没有被破坏的长沟壑，与本研究区内的林区公路有所差异。

本研究还指出两个集水区的QF都与降雨量、降雨历时呈极显著相关，与其他研究结果相同（Ran et al.，2012；王金叶等，2013；Nadal-Romero et al.，2016）；林地只有在高强度降雨条件下出现超渗产流或蓄满产流时才能产生更多的 QF，对照集水区W1的QF与I60和I30显著相关，该结果也支持前人的结论（Maalim et al.，2013）。而新公路集水区W2的QF与I30和I60没有相关性，但与AP7呈显著相关（表3）。因为水泥路面不透水，相同雨量时无论是小雨强还是高雨强，一样能产生等量的地面径流，而且在公路的切割坡面和侧面填充坡面的地表径流系数也分别达到0.58和0.34（Arnaez et al.，2004），同时公路边坡切面截留了壤中流使之流入路面或路边的沟渠形成漫流（Croke et al.，2001），然后直接进入河道成为快速径流，这样就使得 W2中的雨强对QF作用的的贡献率大大降低了。修建公路时，有大量的土石方流入公路下游的林地，对林地土壤造成一定的压紧作用从而减少土壤的水分渗透性能，增加产生快速径流的几率，更严重的是在公路180度大弯道区域，开挖出的土石方集中流入同一个坡面，对森林及森林土壤产生更严重的破坏，甚至出现裸地和严重的侵蚀冲沟（本研究的W2集水区内有4处），这些冲沟与道路边的排水沟一起构建了新的“河网”从而提高了集水区河网密度（Buchanan et al.，2013），对QF的增加、快速径流退水过程线的消长产生重大影响（Post et al.，1996）。因此水泥公路修建后改变了降雨对QF的影响规律，使公路集水区内雨强对QF的贡献率明显下降。

本研究区为雨水补给型森林集水区，该地为亚热带季风区，雨量充沛，作为对照集水区W1的土壤经常保持一定的含水量，AP7反映的是集水区前期土壤水分状况（Woldie et al.，2009；王小明等，2010，王金叶等，2013），但 W2集水区在林区公路修建后，靠近山边的排水沟把道路上游坡面流下来的坡面地表径流汇集至一起并集中引入集水区的主沟或支沟，改变了水分运动路径，公路路基阻碍坡面径流向下游坡面流动，从而造成公路路基以下坡面（这部分面积在W2有22.72 hm2，占集水区总面积的40.57%）的土壤水分长期得不到补充，土壤蓄水量比对照集水区低且波动性大，Tague et al.（2001）研究结果也支持本研究观点。他们认为道路建设可以显著减少道路下坡的土壤水分以及当地的蒸发散量，而前期土壤含水量差异对QF影响显著，Woldie et al.（2009）认为有道路的集水区水文响应高度依赖于前期土壤水分条件和总暴雨降水量，以上原因造成了公路集水区产生快速径流的主导因素改变，使得AP7成为新公路集水区快速径流产生的重要因子。

虽然本研究得出林区道路导致集水区快速径流和洪峰流量增加、年总基流量减少的结论，但有林区公路存在的集水区是由不同梯度的环境要素组成的复杂生态系统，连接径流通道的汇和源的少许改变就会对水分和沉积物运动有影响（Lugo et al.，2000），而且公路在时间和空间上对集水区排水效率的持续性影响很复杂（Tague et al.，2001），因此有关林区道路对径流的影响及其机制仍需长期定位监测和更深入研究。

4 结论

与未受林区道路建设干扰的集水区相比，新公路集水区中公路修建使得集水区各降雨等级事件中快速径流和洪峰流量显著增加，降雨过程中洪峰流量到达的时间缩短；集水区基流补给减少，基流在径流组分中比例显著降低。今后林区公路建设和路线设计应着重考虑森林水文生态效益，未来公路建设可考虑用透水路基代替硬质化水泥路面，其次要加强林区公路修建后边坡复绿和疏水等工程的建设。