黄土高原农业流域暴雨条件下道路侵蚀对水文连通性的响应

摘要

        在频繁的极端降雨事件中，道路网络扩展与流域水土流失密切相关。识别主动向道路结构和渠道网络输送地表径流的潜在风险区域对于理解水文过程和控制道路侵蚀至关重要。在本研究中，通过实地调查和无人机（UAV）数据分析了黄土高原暴雨期间的道路侵蚀（监测道路上的滑坡、坍塌、冲坑和冲沟）。我们将水文连接定义为道路和渠道网络的交叉点，激活的水文连接代表水文连通性。本研究结果强调了水文连通性对黄土高原农业流域暴雨期间道路侵蚀的加剧作用。结果表明，道路侵蚀强度为2.16×102至1.02×104 t/ha。强水文连通性使坡下区滑坡、崩塌、冲坑、冲沟平均水土流失量分别是无水文连通性的2.16、1.78、5.46、6.98倍，有水文连通性的道路面侵蚀强度是无水文连通性的1.88倍；上坡—道路连接对道路侵蚀的增强作用最为显著，高达65.37 %的滑坡侵蚀量和41.97 %的崩塌侵蚀量受到其影响。上坡—道路连接对道路侵蚀的增强作用因道路类型而异，上坡—道路连接对道路侵蚀的这种影响仅对石油运输道路的滑坡侵蚀和农用道路的崩塌侵蚀有影响。相反，道路-下坡连接对道路侵蚀没有显著影响（p>0.05）。为了有效控制道路侵蚀的负面影响，应识别和规范水文连接，通过改变耕作活动、改善道路维护和加强排水系统来阻止暴雨期间水文连通性的激活。

1 研究区和方法

       研究地点为中国黄土高原丘陵沟壑区安塞县方塔流域（36°47′-36°49′ N，109°140′-106°16′ E）（图1）。流域面积10.6 km2，属典型的温带半干旱气候，年降水量505 mm，年均气温8.8 ℃。土壤类型以黄土为主，质地为粉砂壤土，抗水土流失能力差（Liang et al，2020）。降雨事件大多发生在7月至9月，即当地农业收获活动之前。方塔流域农业生产以苹果种植为主，主要收获季节在10月，主要生产活动包括常规耕作、除草、施肥和使用农药。方塔河流域以定期养护的柏油路为主，是流域交通的主干道，全流域柏油路总长度为10.37 km，占路网长度的21.8 %；大量土路缺乏工程防护，主要服务于梯田农业生产、石油资源开采等生产活动，农用道路总长度为20.64 km，占路网总长度的43.4 %，本文所指的弃耕地道路为弃耕地附近的专用农用道路。用于石油资源开发和运输的土路有3条，长度为3.21 km，占路网长度的6.7 %；小道和村道总长度分别为7.14 km和6.16 km，占路网长度的15.1 %和13.0 %。小道是由放牧和牲畜踩踏形成的，而村道则主要用于连接流域内的各个定居点。由于设计简单且缺乏维护，土路侵蚀是流域内常见的现象。

        2020年8月4日03:20至8月6日12:20，黄土高原安塞县方塔流域发生暴雨，4个雨量计平均累计降雨量为239.87 mm，导致道路冲刷严重。方塔流域逐小时降雨详细记录显示，降雨主要集中在第20至47小时之间，占总降雨量的85%（图2）。降雨强度I15、I30、I60分别为58.36、43.42、31.25 mm/h。此次暴雨期间，研究区内非铺装道路几乎全部损毁，严重影响人类生产活动，部分铺装路段被滑坡、塌陷产生的土体阻塞。

       由于流域内道路数量较多，且路域内水土流失现象普遍，选取6条典型道路（1条柏油路、1条石油运输土路、3条农业生产土路、1条废弃土路）进行详细调查。监测道路的选择依据道路功能、可达性、人为干扰程度等因素。其中，仅柏油路和石油运输路排水系统畅通。

        当滑坡、塌陷、冲坑形状为圆锥形时，土壤侵蚀量按公式（2）计算

        当滑坡、塌陷、冲坑形状为长方体与锥体组合时，其水土侵蚀量按公式（3）计算

式中，GW、GD分别为平均沟宽、沟深（m）；GL为道路表面沟长/道路下坡面积（m）；GV为全道路表面沟蚀量/道路段下坡面积（m³）；RSL、RSW为道路段长、宽（m）；b为道路表面土壤容重/道路下坡面积（t/m³）；Gm为道路表面沟蚀强度/道路段下坡面积（t ha^-1）。

       采用Spearman相关性分析道路侵蚀量/强度与水文连接存在与否的关系。通过评价水文侵蚀量来分析水文连接对道路下坡区域单个滑坡、崩塌、冲坑、沟蚀的影响。通过评价水文侵蚀强度来分析水文连接对某路段路面沟蚀的影响。采用独立样本t检验区分水文连接存在与否对道路侵蚀的影响。此外，采用Kruskal-Wallis检验区分不同水文连接对道路侵蚀的影响。值得注意的是，我们使用Kruskal-Wallis非参数检验来比较农用道路、石油道路和铺装道路上坡排水面积和道路结构的特征，以验证上坡道路连接增强效果不同的原因。采用多元线性回归分析探讨道路侵蚀与影响因素的关系。考虑到一个水文连接可能影响多个滑坡或塌陷，或同时影响多个塌陷和滑坡，将受水文连接影响的滑坡和塌陷的侵蚀量加起来，作为一个样本进行分析。所有统计分析和图形制作均使用SPSS 20.0和Origin 2018进行。

2 结果

图8 上坡—道路连接对不同道路类型路面侵蚀的影响。注：N代表样本量。小写字母代表上坡—道路连接影响下不同道路类型路面侵蚀量的差异。误差线表示标准误差。

3 讨论

        本研究成功实现了沉积物标记法在野外研究中的应用，以激活的水文连接作为功能连通性的探测器。结果表明，该方法简单实用，可以灵敏地捕捉径流输运过程的细微差别并监测功能连通性。特别是，该方法在监测具有结构连通性的不同地貌系统（道路与水渠或山坡与水渠）之间的功能连通性方面表现出很高的效率，而结构连通性并不一定保证这些系统之间的功能连通性。因此，应采用沉积物标记法进行水文连接的长期监测，以探索功能连通性和结构连通性之间的关系。应致力于提高该方法的准确性，以提出有效的功能连通性指标。结果表明，在监测的道路上广泛观察到功能连通性（表4）。总体而言，功能连接对降雨的响应受到下垫面条件、气候变化和人类干扰的强烈影响，包括增强和减缓，而这些下垫面条件和人类干扰对水文连通性的影响被极端径流条件所掩盖。本团队前期研究表明，9个不同植被类型的径流小区（2 m×10 m）功能连接的阈值雨量为28.66～39.71 mm，裸露小区为29.47 mm（Yan et al，2024）。巴西河岸林植被坡面（36 m×7 m）的连接激活雨量为25.1 mm。这些降雨阈值远低于此次暴雨的降雨量（>200 mm）。因此，此次暴雨造成的过量地表径流是功能连通性（水文连通性激活）的驱动因素。而功能连通性的程度仍然取决于底层面条件、人为干扰和气候变化的综合作用。

       结果表明，上坡—公路连接对石油公路滑坡侵蚀和农用公路崩塌侵蚀有显著的增强作用（图8），说明强功能连通性与暴雨期间的滑坡、崩塌侵蚀密切相关。对于农用公路崩塌侵蚀，崩塌侵蚀对水文连通性的强烈响应归因于上坡的植被状况和人为干扰。与植被覆盖率较高的铺装道路（79.00%）相比，植被覆盖率较低的农用公路（38.42%）的崩塌侵蚀量高出2.06倍。结果表明，植被是崩塌侵蚀的主要影响因素，其次是路基高度）。植被较少的上坡排水区产流能力较强，与前人的研究结果一致。例如，地中海果园的降雨模拟试验表明，植被覆盖的地块径流和侵蚀量最低，而除草剂处理的稀有植被地块的径流和侵蚀量最高。中国南方红壤区原位径流小区试验表明，有草和作物覆盖的果园多年平均径流系数和土壤侵蚀强度分别比无草覆盖的果园低 2.25 倍和 37.5 倍。梯田经常人工耕作，局部微地形较低，也可能是坡上与道路连接对农道崩塌侵蚀贡献突出的原因。农道的坡上排水区主要由长期耕作的梯田组成。但在某些情况下，频繁且不适当的耕作会增强连通性，导致梯田失去作用，暴雨期间梯田坡面易形成充当流道的冲沟。因此，频繁耕作的梯田坡面在暴雨期间易产生集中地表径流并发生塌陷。石油公路的滑坡侵蚀对水文连通性的影响比铺装公路更敏感，上坡排水区坡度较大和石油公路的人为干扰更强烈可能是造成这种现象的原因。

       影响路表侵蚀的水文连接主要包括上坡—道路连接和上坡—道路下坡连接，即上坡排水区与道路之间的功能连通性决定了上坡排水区对路表侵蚀的增强作用。上坡排水区对道路侵蚀的强化作用已被广泛研究。道路下坡区域的沟蚀主要受道路—下坡连接的影响。然而有趣的是，本研究发现，道路与道路下坡区域的强连通性对道路下坡区域的沟蚀影响并不显著，这可能与黄土高原特殊的道路F建设有关。本研究中道路—下坡连接主要发生在非铺装道路上。黄土高原大部分土质公路的修建，将自然坡面分割成两部分（公路上坡和公路下坡区域），如图11所示。公路下坡区域是公路的基本组成部分，也是沟渠的侧壁，既接受上沟径流，也接受路面径流。与路面径流和上坡排水区径流相比，暴雨期间上沟径流对公路下坡区域的冲刷作用更强。因此，暴雨期间上坡—公路—下坡连接的影响可能被上沟径流的冲刷作用所掩盖。尽管我们的研究未发现上坡—公路下坡连接对公路下坡区域沟蚀影响显著，但应注意有效管理与该连接相关的潜在土壤风险。地3，样地1的产沙量较低可能与样地1较高的植被盖度有关。树冠不仅能截流更多的雨水，还能保护土壤免受水花和侵蚀。另一方面，在草甸样地，植被覆盖度与产沙量没有任何关系。此外，侯等人(2016)表明，植被物种对侵蚀速率的影响仍然不明确。除了较高的植被覆盖率外，森林地块的产沙量也可能是由于树根的作用，树根比草丛具有更大的加固面积和拉应力，这可以大大增加土壤的额外凝聚力，减少土壤颗粒的分离。茎、根和凋落物的较大阻碍也会降低输沙能力。此外，枯死树根留下的枯落物覆盖和大孔隙可以增加土壤中的水分入渗，这可能会增加产流阈值。

      上坡—道路、上坡—道路—下坡连通性对冲坑侵蚀量有显著影响（图7），表现为水文连通程度越高，冲坑侵蚀量越大。实际上，上坡排水区与道路之间的水文连通性可以为道路提供额外的径流，在暴雨条件下，有利于路面及上坡排水区径流向道路下坡区域转移。因此，冲坑最好形成在靠近排水点的道路下坡区域。但路面上冲坑形成较多，一些低洼地带和道路弯道更适合形成冲坑，道路下坡区域与道路连通性不畅，径流被截留在路面上而不是被沟渠化，对道路的冲刷作用较强。在此条件下，冲刷作用几乎破坏了道路结构，导致暴雨期间交通中断。总体而言，上坡道路连接对道路侵蚀的增强最为严重，未来道路侵蚀防治应以规范功能连通性为重点，提前保护这些连接附近的道路区域。为有效减少水文连通性对旱地农业、当地资源开发和流域生态环境的不利影响，应在道路上坡排水区提供适当的引水、排水和蓄水设施。应通过设计干预措施来降低径流速度，增加排水沟的表面粗糙度，并将集中径流分散到排水系统下方，这些措施已被证明可有效减少道路表面和道路下坡斜坡的水土流失。此外，道路和梯田需要定期高质量的维护和路堤加固，特别是在靠近水文连接的地方。

       本研究提取了道路网络与水渠网络的交汇处并将其命名为水文连接，这些水文连接仅表示结构性连通性，即景观单元（道路和水渠网络）彼此相邻或物理连接的程度（Wainwright等，2011）。通过实地调查研究了功能连通性对暴雨期间道路侵蚀的影响，结果表明，激活的功能连通性（激活的水文连接）对道路侵蚀有明显的增强作用。但暴雨作用下各水文连接的功能水文连通性大小尚未量化。另外，本研究中的实地调查是在一场罕见的极端暴雨之后进行的，仅为暴雨条件下的功能连通性指数的构建提供了理论基础，在研究区域内普通降雨事件中当前水文连接如何表现，以及水文连接的存在与道路侵蚀之间的关系仍不清楚。因此，应进行长期的现场监测，确定不同降雨类型下引起水文连接激活和道路侵蚀的降雨阈值，有效确定道路侵蚀风险区，建立功能连通性指数以评估其对道路侵蚀的影响。此外，在本研究中，道路上的滑坡和塌方土体无法立即清理和修复，导致新暴露的土壤在随后的降雨事件中成为流域新的沉积物来源。道路网络因其对流域沉积物贡献的潜在影响而被视为重要的环境问题（Brown等，2013；Luce和Black，1999；Wemple和Jones，2003）。现场调查揭示了明显的沟壑和降雨后沉积物从土体到道路的输运路径（图12）。道路网络与水渠的连通程度决定了道路网络将沉积物输送到水渠和流域的潜力（Jing等，2022）。Sidle 等（2011）估计，道路引起的滑坡和地表侵蚀产生的土体有 80% 被输送到水渠和河流系统中。Yan 等（2022）先前的研究发现，此次暴雨后发生滑坡的坡面水渠级联的产沙量比暴雨前高出 70–240 倍，并在很长一段时间后恢复到正常产沙量。这些发现还强调了暴雨后滑坡对随后产沙量的影响。在此背景下，滑坡和崩塌土体中的沉积物极易通过道路网络输送到水渠和水体中，并向流域出口贡献更多的泥沙负荷和水污染（Sidle 等，2011；Croke 和 Hairsine，2006；Jones 等，2001；Luce，2002）。因此，需要重视道路网络对流域产沙量的影响，未来研究认为流域出口产沙量的增加可能来源于道路土体。

4 结论

       本研究表明，一场降水量为 239.87 mm 的暴雨造成了道路侵蚀，导致道路严重损坏和交通中断。所调查道路的土壤侵蚀强度为 2.16 × 10² 至 1.02 × 10⁴ t ha^-1 。滑坡和崩塌是道路地区最主要的土壤侵蚀形式，因为它们的土壤侵蚀强度和数量分别较大。我们发现水文连接，特别是上坡与道路的连接，在暴雨期间显著加剧了道路侵蚀。与没有水文连接的道路侵蚀量相比，上坡与道路连接使石油运输道路上的滑坡平均侵蚀量增加了 200.58 %，使农业道路上的崩塌平均侵蚀量增加了 98.81 %。这种现象可能与上坡排水区频繁不适当的耕作以及道路养护不当有关。相比之下，道路与下坡连接对道路侵蚀的影响并不显著，但由该连接引起的道路下坡区域水土流失潜在风险应引起重视。应提前根据路网与渠道网络之间的水文联系情况识别道路侵蚀的潜在风险区，对精准防治道路侵蚀具有重要意义。为减轻水文联系对道路侵蚀的负面影响，适当的耕作活动、高质量的道路养护以及有效的排水和蓄水措施来调节水文连通性，从源头上减少径流的产生至关重要。