劉 燦,曹龍熹,梁 音

(1.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國科學(xué)院南京土壤研究所,210008,南京;2.中國科學(xué)院大學(xué),100049,北京)

道路網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,但對自然景觀和生態(tài)環(huán)境帶來的負(fù)面作用也不容忽視[1]。許多研究表明,道路網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致不同程度的景觀破碎化[23]。特別是道路作為一種線性地物要素,疊加于水文地貌要素之上,必然改變流域內(nèi)原有的水文過程[4]。道路攔截上方匯水并為徑流泥沙的集中下泄提供便利通道,再加上路面本身的產(chǎn)流能力較強(qiáng)[5],因而路網(wǎng)的存在可能增大局部地表徑流量[6],加劇流域土壤侵蝕風(fēng)險[7]。另一方面,道路網(wǎng)絡(luò)的空間分布又受到流域水文地貌要素影響而表現(xiàn)出特定的規(guī)律性[8]。因此,從空間尺度上研究道路的分布特征及其與流域地形、水系之間的關(guān)系,對于深入理解道路水文效應(yīng)的作用機(jī)制具有重要意義。

國外關(guān)于道路網(wǎng)絡(luò)對流域水文的影響研究起步較早且較為系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代初北美林區(qū)已經(jīng)開始對道路水土流失進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)近90%的河流泥沙來源于道路[9]。流域尺度路網(wǎng)和水系關(guān)系的研究則揭示道路通過切溝等途徑與河流相連,從而增加水系密度,降低切溝發(fā)生的臨界條件,縮短溝蝕泥沙向水系遷移的距離[1012],增大洪峰流量和流域產(chǎn)沙量[1315]。以上研究從不同角度證明道路網(wǎng)絡(luò)空間分布特征在影響流域水沙過程方面的重要性。在國內(nèi)研究方面,道路侵蝕研究集中在道路侵蝕特征、侵蝕估算與防治等方面[1617]。部分學(xué)者在黃土高原小流域尺度上探討道路網(wǎng)系的分布特征及其影響因素[8;1819],分析路網(wǎng)特征對道路侵蝕空間分布的影響[20],在較大空間尺度上研究路網(wǎng)對喀斯特流域水系結(jié)構(gòu)的影響[6],也有學(xué)者研究福建山地林地道路的合理密度[21]和防蝕措施[22]。但總的來說目前國內(nèi)相關(guān)研究仍比較分散,特別是對路網(wǎng)和流域水系空間交互關(guān)系的形成機(jī)制研究不夠深入,且現(xiàn)有研究區(qū)域特色鮮明,限制研究結(jié)果在其他地區(qū)的推廣應(yīng)用。本研究選擇福建紅壤丘陵區(qū)典型流域道路網(wǎng)絡(luò),根據(jù)高精度遙感影像和地形數(shù)據(jù),應(yīng)用GIS空間分析方法定量研究紅壤典型流域道路網(wǎng)絡(luò)的分布特征,分析道路分布的影響因素以及道路與水系之間的聯(lián)系,結(jié)果可為道路網(wǎng)絡(luò)對小流域水沙過程影響研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省長汀縣和田鎮(zhèn),地理區(qū)位位于 E 116°24′22″～116°32′51″,N 25°46′46″～25°37′57″,屬于韓江支流的汀江流域。研究區(qū)包含河田、鄭坊和黃壩3個相連的子流域,總面積為240.14 km2。研究區(qū)總體上地勢東北高西南低,海拔在271～1 043 m之間。土壤類型主要為疏松花崗巖風(fēng)化發(fā)育而來的砂性紅壤,抗侵蝕能力弱。年均溫18.3℃,年平均降水量1 685 mm,降雨量年內(nèi)分配不均,干濕季節(jié)分明,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。植被類型是亞熱帶常綠闊葉林,原生植被已經(jīng)被砍伐殆盡,次生植被主要以馬尾松和茶樹等經(jīng)濟(jì)林為主。

研究區(qū)所在的長汀縣屬于典型的紅壤丘陵區(qū),歷史上水土流失十分嚴(yán)重[23]。經(jīng)過多年治理,水土流失逐漸得到遏制,但是近年來伴隨著各種工程建設(shè)和林果業(yè)開發(fā)活動又產(chǎn)生新的水土流失問題[24]。為了防治水土流失,當(dāng)?shù)卮罅ν茝V規(guī)模化經(jīng)濟(jì)林果開發(fā)[25],配套修建大量設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低的土質(zhì)道路,反而引發(fā)新生的道路侵蝕問題。

2 材料與方法

本研究利用高分辨率遙感影像解譯獲得研究區(qū)的道路網(wǎng)絡(luò)分布以及居民點(diǎn)分布信息,實(shí)地測量道路寬度并根據(jù)功能特征對道路進(jìn)行分級。結(jié)合研究區(qū)的地形、水系、居民點(diǎn)數(shù)據(jù),應(yīng)用GIS空間分析和拓?fù)浞治龉δ?研究道路網(wǎng)絡(luò)的空間分布特征及其影響因素,據(jù)此探討道路網(wǎng)絡(luò)與水文地貌要素之間的聯(lián)系。

2.1 數(shù)據(jù)來源

道路網(wǎng)絡(luò)和居民點(diǎn)等信息通過Quick bird遙感影像解譯而來,成像時間為2014年12月。用于空間分析和數(shù)字地形分析的DEM(digital elevation model)數(shù)據(jù)來源于福建省測繪地理信息局提供的1∶5萬比例尺地形圖,DEM柵格分辨率為 25 m(圖1)。

圖1 研究區(qū)地形圖Fig.1 Topographic map of the study area

2.2 道路網(wǎng)絡(luò)分級和特征描述

道路的級別不同,其主要功能和環(huán)境影響也不同。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)道路寬度、硬化特征與功能用途的不同,把流域內(nèi)道路劃分為5個等級：一、二、三級路均為水泥硬化公路,其中一級路為縣道,是流域?qū)ν饨煌ǖ闹饕缆?。二、三級路是鄉(xiāng)村公路,二級路為鄉(xiāng)村干路,是村莊之間的交通要道。三級路為鄉(xiāng)村支路,主要連接分散的較小聚居點(diǎn)。四、五級路為土質(zhì)道路,其中四級路為土路干路,可通行小型機(jī)動車,起輔助交通作用。五級路為土路支路,僅供行人或小型機(jī)動車通過,包括耕作道路、果園道路以及林地道路等。研究區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)分布如圖2所示。

圖2 研究區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)分布Fig.2 Road network distribution in the study area

各級道路的數(shù)目、長度等數(shù)量特征通過ArcGIS空間量算功能統(tǒng)計得到。以往研究表明路網(wǎng)分布具有與水系相似的結(jié)構(gòu),可借鑒水系分枝比的概念來量化描述路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征[8],以某一級別道路的數(shù)量除以高一級的道路數(shù)量定義為分枝比,道路平均分枝比代表高級別道路對低級別道路的控制能力,分枝比的計算公式為

式中：rb為分枝比,an+1與an分別是某一級的道路數(shù)量與比其高一級的道路數(shù)量。

2.3 空間分析方法

選擇居民點(diǎn)進(jìn)行緩沖區(qū)分析,統(tǒng)計不同大小緩沖區(qū)內(nèi)道路密度,分析居民點(diǎn)對不同級別道路分布的影響。地表起伏度與坡度是典型的地形指標(biāo),分別反映宏觀和微觀地形狀況,分別統(tǒng)計落在不同地表起伏度和坡度區(qū)間內(nèi)的各級別道路的長度,分析地形因子對道路分布的影響。

水系是流域地形作用下水流匯集能力的體現(xiàn),道路與流域水系之間的水文聯(lián)系與它們之間的空間關(guān)系有關(guān)。通過GIS水文分析功能提取研究區(qū)水系,將水系提取閾值設(shè)置為300,能較好地提取到水系上游的明顯溝道,結(jié)合遙感影像資料對水系進(jìn)行修正,然后按Strahler分級方法[26]進(jìn)行分級。通過緩沖區(qū)分析來分析道路與水系的空間距離關(guān)系,采用GIS拓?fù)浞治龉δ茏R別道路與河流的交匯點(diǎn),以此分析道路與水系之間的聯(lián)系。

3 結(jié)果分析

3.1 道路網(wǎng)絡(luò)空間分布特征

3.1.1 路網(wǎng)數(shù)量特征 統(tǒng)計遙感影像解譯和實(shí)地調(diào)查獲得的路網(wǎng)信息,結(jié)果表明研究區(qū)共有各級道路781條,總長度為553.25 km,道路密度為2.30 km/km2,各級別道路統(tǒng)計見表1。道路數(shù)量和總長度隨道路等級降低而增大,道路的平均長度則隨等級的降低而減小。研究區(qū)硬化道路總長度為238.24 km,占道路總長度的43.08%,土質(zhì)道路占總長度的56.92%,說明目前該區(qū)域土質(zhì)道路占很大比例,必須注意其引發(fā)的土壤侵蝕等問題。

表1 研究區(qū)各級道路統(tǒng)計Tab.1 Characteristics of all grade roads in the study area

3.1.2 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征 小流域內(nèi)部地形的差異導(dǎo)致路網(wǎng)呈現(xiàn)不同的形態(tài)特征,由圖2可知：沿河谷分布的硬化公路作為交通主干道,具有分枝狀的特征;作為農(nóng)業(yè)或林地道路的土質(zhì)道路,則呈網(wǎng)狀分布于山地丘陵地區(qū),不具有分枝特征。計算流域硬化道路的平均分枝比如表2所示,研究區(qū)硬化道路平均分枝比為10.22,遠(yuǎn)超出流域自然水系平均分枝比范圍(3～5之間),表明研究區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與水系結(jié)構(gòu)差異較大。其中河田流域道路分枝比最大,這是因?yàn)楹犹锪饔虻匦伍_闊,利于路網(wǎng)擴(kuò)展分枝。曹龍熹等[8]在黃土高原小流域的研究表明道路平均分枝比為4.26,道路數(shù)量與級別之間存在類似Horton水系定律的關(guān)系,這主要是由于道路受黃土丘陵區(qū)梁峁和溝壑相間分布的特殊地貌形態(tài)控制。本研究結(jié)果表明紅壤丘陵區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與黃土丘陵溝壑區(qū)存在較大差異,這是由于紅壤丘陵區(qū)地形相對較為平緩開闊,道路分布受村莊等點(diǎn)狀地物要素影響深刻,密集分布的居民點(diǎn)將路網(wǎng)截斷,形成數(shù)量較多的低級別路段,因此道路網(wǎng)絡(luò)分枝比較大。這一結(jié)果表明紅壤丘陵區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,特別是各類低級別道路不容忽視。

表2 研究區(qū)內(nèi)各級道路數(shù)量統(tǒng)計Tab.2 Amount of roads in the study area

3.2 道路分布影響因素

3.2.1 居民點(diǎn)對道路分布的影響 緩沖區(qū)分析表明,在居民點(diǎn)半徑 50、100、200、500、1 000 m 緩沖區(qū)內(nèi),道路密度分別是 5.70、5.05、4.61、3.93、3.00 km/km2,隨著緩沖區(qū)半徑的增大,道路密度呈冪函數(shù)減小的趨勢,關(guān)系式為：

式中：D為道路密度,km/km2;r為緩沖區(qū)半徑,m。

如圖3所示,鄉(xiāng)村支路在各緩沖區(qū)內(nèi)的密度都最大,并且隨著緩沖區(qū)的增大鄉(xiāng)村支路的密度減小幅度最大,此類道路在居民點(diǎn)附近的聚集效應(yīng)最為明顯。土路干路和支路在不同大小緩沖區(qū)內(nèi)密度變化很小,其在半徑1 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的密度分別相當(dāng)于其在50 m緩沖區(qū)內(nèi)密度的140.73%和80.99%,這表明土質(zhì)道路在居民點(diǎn)附近聚集效應(yīng)不明顯。由于不同級別道路的主要功能不一樣,因此受驅(qū)動的影響存在差異：作為農(nóng)村出行道路的鄉(xiāng)村支路,受居民點(diǎn)分布的驅(qū)動作用最大,而主要作為生產(chǎn)用路的土質(zhì)道路則受居民點(diǎn)分布的驅(qū)動不明顯,低級別土質(zhì)道路更可能受林地、果園等土地利用因素驅(qū)動[18]。

圖3 不同大小緩沖區(qū)內(nèi)各等級道路密度Fig.3 Road density in different sizes of buffers

圖4 不同地表起伏度范圍內(nèi)的道路長度Fig.4 Road length in different range of surface relief amplitude

圖5 不同地表坡度范圍內(nèi)道路長度Fig.5 Road length in different range of surface slope

3.2.2 地形因子對道路分布的影響 統(tǒng)計不同起伏度和坡度區(qū)間內(nèi)的各級別道路長度,結(jié)果如圖4、圖5所示。分布在起伏度為50～100 m的區(qū)間內(nèi)道路最多,占45.10%,在0～100 m區(qū)間內(nèi)的道路達(dá)到了74.28%。隨著坡度的增大,落在該坡度區(qū)間的道路長度逐漸減少,90.05%的道路分布在地表坡度小于25°的區(qū)域。隨著道路等級的降低,其主要分布區(qū)域的起伏度區(qū)間逐漸增大：省道、鄉(xiāng)村公路、土質(zhì)道路分別主要分布在起伏度0～50 m、0～100 m、50～150 m的區(qū)域。縣道、鄉(xiāng)村干路、鄉(xiāng)村支路隨著坡度增加,其長度均呈劇減趨勢,土路干路和土路支路卻呈先增加后減少的趨勢。這說明硬化公路主要分布在地表坡度和起伏程度較小的區(qū)域,而土質(zhì)道路主要分布在硬化公路較少分布的坡度和起伏度較大的地區(qū)。

不同級別道路隨地形分布的特征存在差異,原因在于道路修建成本與技術(shù)要求不同?？h道等高等級硬化公路修建成本高、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也高,因此受地形限制作用較大。低級別道路建設(shè)難度相對較小,容易克服地形條件限制。道路所在的下墊面地形起伏越大,建設(shè)過程中對地形的改造程度也越大,對地表水沙過程的影響也越深刻。山區(qū)道路建設(shè)形成的填挖方坡面,在降雨條件下極易誘發(fā)滑坡、切溝等強(qiáng)烈的侵蝕形態(tài),是主要的泥沙策源地[2728]。

3.3 道路與水系的聯(lián)系

3.3.1 道路與水系的空間距離 通過緩沖區(qū)分析,統(tǒng)計在不同大小水系緩沖區(qū)內(nèi)的各級別道路長度,結(jié)果如圖6所示?？h道、鄉(xiāng)村干路和鄉(xiāng)村支路的累積比例隨著緩沖區(qū)的增大呈冪函數(shù)趨勢增加,土質(zhì)道路的分布累積比例呈線性增加,并且在不同大小的緩沖區(qū)內(nèi)分布比例均呈現(xiàn)鄉(xiāng)村干路＞鄉(xiāng)村支路＞縣道 ＞土路支路 ＞土路干路的特點(diǎn)。分別有45.09%、32.30%、30.84%的鄉(xiāng)村干路、鄉(xiāng)村支路和縣道分布在水系0～50 m緩沖區(qū)范圍內(nèi),而土路干路和支路只有10.71%和12.05%。

這一結(jié)果表明硬化公路具有沿水系分布的特征,而土質(zhì)道路在不同大小水系緩沖區(qū)內(nèi)分布均勻,這與前文道路分布和地形起伏的關(guān)系趨勢是一致的,由于河流兩岸相對平坦的平原或階地為公路建設(shè)提供了便利的地形條件,因此水系對硬化公路分布的聚集作用比較明顯。道路離河流越近,對河流水文泥沙過程的影響越明顯[6],從路河距離的角度來看,研究區(qū)內(nèi)高等級硬化公路與干流水系之間空間關(guān)系較為密切,對流域水文過程具有較強(qiáng)的影響。

3.3.2 道路與水系的交匯點(diǎn)分析 研究區(qū)水系可以分為4級,其中一級河流70條,二級河流37條,三級河流25條,國級河流4條。統(tǒng)計各級道路與水系的交點(diǎn)數(shù)量,結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：河流級別越高,與之相交的道路級別也越高：與四級河流交匯的主要是縣道和鄉(xiāng)村干路,鄉(xiāng)村支路與二級河流交匯最多,土路干路、土路支路與上游一級河流的交點(diǎn)分別占到了交點(diǎn)總數(shù)的55%和74.07%。從交匯點(diǎn)的空間位置來看,高等級公路對水系的影響主要是在下游,低級別土路對水系產(chǎn)生的影響集中在上游。

圖6 各級道路在不同大小河流緩沖區(qū)內(nèi)的累積分布比例Fig.6 Distribution proportion of roads at all grade in different sizes of stream buffer

表3 各級道路與水系相交點(diǎn)數(shù)目Tab.3 Number of intersections between all roads and streams

圖7 道路誘發(fā)溝蝕Fig.7 Gully erosion induced by road

4 結(jié)論與討論

1)研究區(qū)道路可以劃分為縣道、鄉(xiāng)村干路、鄉(xiāng)村支路、土路干路和土路支路5個等級,平均道路密度為2.30 km/km2,在相對開闊的地形條件和密集分布的居民點(diǎn)影響下,低級別道路所占比重較高,硬化道路平均分枝比為10.22,路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與自然水系結(jié)構(gòu)差異較大。

2)道路密度隨著距居民點(diǎn)距離的增大呈冪函數(shù)趨勢減小,居民點(diǎn)附近是道路分布的密集區(qū),其所代表的人類活動是路網(wǎng)分布的1個驅(qū)動因素,這與黃土高原路網(wǎng)分布的研究結(jié)論一致[19]。道路總長度隨下墊面坡度的變大而減少,隨地表起伏度的變大先增加后減少。地形是路網(wǎng)分布的限制因子,高級別道路受地形條件的限制程度高于低級別道路。

3)高等級硬化公路趨向于分布在水系附近的平坦區(qū)域,主要與流域下游主河道交匯。而低級別土質(zhì)道路可以建設(shè)在地形起伏較大的區(qū)域,與水系上游溝道的交匯作用較為明顯,容易誘發(fā)切溝等侵蝕形態(tài)(圖7),再加上土質(zhì)道路本身也會發(fā)生侵蝕,因而可能成為水系上游潛在的泥沙策源地,泥沙在下游沉積容易引起河道堵塞,造成洪水災(zāi)害隱患。高級別的硬化公路建成后本身不產(chǎn)生侵蝕,但是道路的線性特征會影響到中下游自然的匯水過程,這可能會影響流域行洪。

本研究結(jié)果有助于從空間尺度上理解路網(wǎng)在流域水文過程中的作用。在下一步研究中,將結(jié)合更高精度的地形數(shù)據(jù),應(yīng)用GIS水文分析和模型對路網(wǎng)疊加后流域水流路徑和產(chǎn)流產(chǎn)沙量的變化進(jìn)行模擬,從而更精準(zhǔn)地研究路網(wǎng)分布對流域水沙過程的影響。