中國(guó)公路水文區(qū)劃指標(biāo)體系的構(gòu)建與指標(biāo)選擇

中國(guó)公路水文區(qū)劃指標(biāo)體系的構(gòu)建與指標(biāo)選擇

0國(guó)內(nèi)外公路水文區(qū)劃的研究現(xiàn)狀作為自然環(huán)境因素之一，水文因素對(duì)道路選擇和橋座的選擇、道路排水設(shè)施的設(shè)計(jì)、道路的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)以及道路和橋梁的水環(huán)境和損壞有著重要影響。因此,以服務(wù)公路建設(shè)和發(fā)展為目的,根據(jù)公路工程的特點(diǎn),開(kāi)展公路水文區(qū)劃研究,為公路的減災(zāi)防災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。公路水文區(qū)劃指標(biāo)和指標(biāo)體系是整個(gè)區(qū)劃研究的核心內(nèi)容,這些指標(biāo)既是劃分各水文區(qū)的依據(jù),又是水文要素對(duì)公路影響最直接的體現(xiàn)。區(qū)劃指標(biāo)的選擇和區(qū)劃指標(biāo)體系的建立,將直接影響區(qū)劃的科學(xué)性及適用性。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)公路水文區(qū)劃研究較少,針對(duì)公路水文區(qū)劃指標(biāo)體系的研究則更少。為此,本文在研究水文要素與公路工程相互影響的基礎(chǔ)上,選取既能描述水文要素特點(diǎn)、又能與公路建設(shè)密切相關(guān)的指標(biāo)和特征值,建立了中國(guó)公路水文區(qū)劃指標(biāo)體系。1中國(guó)公路水文劃分指標(biāo)的選擇原則中國(guó)公路水文區(qū)劃指標(biāo)的選取必須滿足如下原則。1.1調(diào)整區(qū)劃的可擴(kuò)張性,體現(xiàn)了服務(wù)功能層次性原則指按照某種特定方式進(jìn)行的,區(qū)劃指標(biāo)的選取應(yīng)隨著區(qū)劃層面或區(qū)域性差異而有所調(diào)整或變化,既具有宏觀指導(dǎo)性,又能具體體現(xiàn)區(qū)劃的服務(wù)性和針對(duì)性。例如:一級(jí)區(qū)劃反映總體的、區(qū)域的水文特征;二級(jí)區(qū)劃重點(diǎn)反映公路水文的特征。隨著區(qū)劃層次的進(jìn)一步降低,區(qū)劃指標(biāo)所反映的內(nèi)容更具體、更全面、更具有服務(wù)性和針對(duì)性。1.2城市文化遺產(chǎn)分析公路水文各級(jí)區(qū)劃指標(biāo)的選擇還應(yīng)該滿足實(shí)用性原則。進(jìn)行區(qū)劃研究時(shí),必須認(rèn)真分析路線、路基、路面、橋梁、涵洞、通道、隧道、防護(hù)工程和支擋工程等與水文之間的關(guān)系,找出水文要素中對(duì)上述諸多構(gòu)造物或工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)等方面起決定或限制作用的因素,確定公路水文區(qū)劃的指標(biāo),能切實(shí)為決策部門(mén)提供參考和借鑒。1.3確定每一級(jí)分區(qū)的主導(dǎo)指標(biāo)與輔助指標(biāo)是進(jìn)行分區(qū)分影響水文區(qū)劃的指標(biāo)很多,因此,應(yīng)用主導(dǎo)指標(biāo)與輔助指標(biāo)相結(jié)合的原則,確定每一級(jí)分區(qū)的主導(dǎo)指標(biāo)與輔助指標(biāo),才能進(jìn)行科學(xué)、合理的分區(qū)。主導(dǎo)指標(biāo)是進(jìn)行各級(jí)水文分區(qū)的主要依據(jù),起決定作用;輔助指標(biāo)是對(duì)主導(dǎo)指標(biāo)區(qū)域差異規(guī)律的進(jìn)一步說(shuō)明、補(bǔ)充和完善。1.4劃與單項(xiàng)專項(xiàng)區(qū)劃并重的方向逐漸轉(zhuǎn)變目前,區(qū)劃研究正在由定性指標(biāo)向定量指標(biāo)、單一指標(biāo)向多項(xiàng)指標(biāo)、綜合區(qū)劃與單項(xiàng)專項(xiàng)區(qū)劃并重的方向逐漸轉(zhuǎn)變。定性指標(biāo)與定量指標(biāo)應(yīng)該是統(tǒng)一的、相互補(bǔ)充的,一方面,定性指標(biāo)更全面、精確地反映了實(shí)際情況;另一方面,緊密結(jié)合公路工程實(shí)際情況的定性指標(biāo),是對(duì)定量指標(biāo)的補(bǔ)充和完善。2區(qū)域劃分的文化景觀按照水文現(xiàn)象的相似性和差異性,對(duì)中國(guó)公路進(jìn)行區(qū)域劃分,每一個(gè)區(qū)域內(nèi)有比較一致的水文條件,而各區(qū)之間存在著一定的差異。一級(jí)區(qū)劃應(yīng)反映中國(guó)公路總體的、區(qū)域的水文特征。2.1徑流深度中國(guó)已有的水文區(qū)劃中,一級(jí)分區(qū)主要揭示了中國(guó)水量(河流補(bǔ)給類型、河流在不同氣候帶的凍結(jié)情況等)的地域差異,以水量(多年平均徑流量,用徑流深度表示)為主導(dǎo)指標(biāo),同時(shí)以河流的補(bǔ)給類型、年徑流量與年蒸發(fā)量的比值等為參證指標(biāo)。由于中國(guó)多年平均徑流量是一個(gè)比較穩(wěn)定的特征值,且具有明顯的地帶性規(guī)律,每個(gè)徑流帶大致都與某個(gè)自然地理帶相符,說(shuō)明徑流帶的分布與自然條件有著非常密切的聯(lián)系。中國(guó)已有的水文區(qū)劃主要是由水利或農(nóng)業(yè)部門(mén)完成的,具有很強(qiáng)的針對(duì)性。中國(guó)公路水文區(qū)劃的服務(wù)對(duì)象與已有區(qū)劃的服務(wù)對(duì)象明顯不同,所以,區(qū)劃指標(biāo)也應(yīng)有所不同。2.2點(diǎn)、線的面:徑流深度和線面面線以徑流為主導(dǎo)根據(jù)公路水文區(qū)劃的劃分要求,參考和借鑒國(guó)內(nèi)外已有水文區(qū)劃,特別是中國(guó)其他部門(mén)水文區(qū)劃中一級(jí)分區(qū)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn),分析中國(guó)自然環(huán)境條件和水文條件對(duì)公路的影響規(guī)律,選取徑流深度作為一級(jí)分區(qū)的主導(dǎo)指標(biāo),同時(shí)選取暴雨區(qū)域特征和水系流域特性指標(biāo)作為一級(jí)分區(qū)的輔助指標(biāo)。徑流深度指標(biāo)說(shuō)明了水量(用徑流帶表示)和相應(yīng)的氣候分布特征,既反映了區(qū)域面上的水文條件,又反映了不同區(qū)域其他自然環(huán)境條件的差異。根據(jù)中國(guó)水文區(qū)域特點(diǎn),徑流量的豐枯各年雖有所不同,但多年平均徑流量是一個(gè)比較穩(wěn)定的特征值,且具有明顯的地帶性規(guī)律,由此可判斷一個(gè)地區(qū)水量的多少。因此,以徑流深度作為中國(guó)公路水文一級(jí)區(qū)劃的第一級(jí)分區(qū)的主導(dǎo)指標(biāo),可以充分反映中國(guó)水資源的地區(qū)性分布特點(diǎn)。暴雨對(duì)公路工程的影響十分嚴(yán)重,會(huì)造成公路邊坡沖刷、坍塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此,暴雨區(qū)域特征和水系流域特性,反映了水量變化情況、河流區(qū)域特征、水量補(bǔ)給范圍和類型,不僅從面上反映了宏觀水文條件的區(qū)域差異性,又從線和點(diǎn)的層面進(jìn)一步說(shuō)明水文條件的區(qū)域差異性,而且使分區(qū)內(nèi)涵更加充實(shí)。中國(guó)公路水文一級(jí)區(qū)劃雖然以徑流量為主導(dǎo)指標(biāo),但在確定區(qū)界時(shí),不可完全依據(jù)徑流深度等值線,必須參照輔助指標(biāo)加以修正。如華北與秦巴兩地區(qū)之間的界線,相當(dāng)于200mm徑流深度等值線,這條線與秦嶺-淮河線相近,于是就以秦嶺-淮河線為分界線。秦嶺-淮河線不僅是中國(guó)自然地理的重要界線,同時(shí)也是水文上的重要界線,線的兩側(cè)無(wú)論在水量或水質(zhì)上都有重大變化。中國(guó)公路水文一級(jí)區(qū)劃指標(biāo)對(duì)公路工程具有重要的意義,主要表現(xiàn)在:①對(duì)公路選線、橋涵位置的選擇等方面具有一定的指導(dǎo)作用;②暴雨區(qū)域特征對(duì)公路防排水設(shè)施的設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)等具有一定的指導(dǎo)作用;③對(duì)公路路基及橋涵水毀的防治具有一定的指導(dǎo)作用。3分區(qū)劃分的基本情況根據(jù)區(qū)劃的一般理論及層次性原則,二級(jí)分區(qū)是在一級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上,按照二級(jí)區(qū)劃的指標(biāo)對(duì)一級(jí)分區(qū)進(jìn)一步劃分,其分區(qū)內(nèi)的差異性不斷減小,相似性逐漸增大。3.1影響因素的選取要更多二級(jí)區(qū)劃應(yīng)重點(diǎn)反映公路水文的特征,實(shí)際上,二級(jí)分區(qū)就是在一級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步尋找和確定對(duì)公路建設(shè)有影響的水文條件,或者具有差異性的水文條件。一般來(lái)講,二級(jí)分區(qū)考慮的影響因素要比一級(jí)分區(qū)更多、更細(xì),不但能夠真實(shí)、客觀地反映分區(qū)內(nèi)水文條件的差異規(guī)律性,還要直接反映各水文要素對(duì)公路工程的直接影響?？紤]到公路路基、路面、橋涵和防護(hù)工程等在地表水作用下易產(chǎn)生的各種災(zāi)害,以及對(duì)防治這些災(zāi)害的相關(guān)要求,在各類水文要素中,坡面徑流和河川徑流對(duì)公路工程的影響最大,因此,選擇坡面徑流強(qiáng)度作為中國(guó)公路水文二級(jí)區(qū)劃的主導(dǎo)指標(biāo),以河川徑流強(qiáng)度作為中國(guó)公路水文二級(jí)區(qū)劃的輔助指標(biāo)。3.2影響因素：2號(hào)公路水文特征指標(biāo)的影響3.2.1坡面徑流影響分析坡面徑流強(qiáng)度反映了徑流對(duì)坡面物質(zhì)沖刷程度及搬運(yùn)能力。影響坡面徑流強(qiáng)度的因素主要包括:①降雨是產(chǎn)生徑流的必要條件,主要從降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)空分布特征和雨型等方面決定坡面徑流的產(chǎn)生及大小;②地形坡度是地形因素中的重要因素,也是決定坡面徑流的關(guān)鍵因素。研究結(jié)果表明,隨著坡度增加,徑流速度加大,徑流在坡面滯留時(shí)間相應(yīng)減少,坡面入滲減少,坡面的徑流強(qiáng)度增大;③不同類型的巖土抗沖刷能力不同,降雨入滲程度也不同,因此,對(duì)坡面徑流強(qiáng)度的大小影響也不同;④植被對(duì)坡面有較好的保護(hù)作用,植被覆蓋度大小與坡面徑流強(qiáng)度大小成反比,同時(shí),不同的植被類型對(duì)坡面徑流強(qiáng)度也有不同的影響,植被類型(林、灌、草)越多,組合越好,抗沖刷能力就越強(qiáng)。坡面徑流對(duì)公路工程的影響主要表現(xiàn)在:①對(duì)路基邊坡、路面和防護(hù)工程等造成不同程度的危害;②引起邊坡滑塌、坡面泥石流等邊坡地質(zhì)災(zāi)害;③通過(guò)細(xì)溝沖蝕和細(xì)溝狀面蝕,造成不同類型的坡面災(zāi)害,使坡面穩(wěn)定性降低;④造成各類邊坡防護(hù)措施的沖刷破壞,進(jìn)一步加劇各類邊坡災(zāi)害;⑤危害嚴(yán)重時(shí),甚至中斷交通。3.2.2徑流水文氣象河川徑流強(qiáng)度反映不同區(qū)域的水量、水網(wǎng)密度及溝谷密度等大小,反映了區(qū)域自然條件對(duì)公路工程的影響。河川徑流強(qiáng)度的影響因素主要為降雨、植被覆蓋度、河網(wǎng)密度和溝谷比重(溝谷面積占坡面面積比),其中,降雨和植被覆蓋度對(duì)河川徑流的影響與坡面徑流的影響類似。本文主要研究河網(wǎng)密度和溝谷比重對(duì)河川徑流的影響。河網(wǎng)密度大的地區(qū),河川徑流強(qiáng)度相對(duì)較大,修建公路時(shí)橋涵的比例就相對(duì)較大。坡面漫流的雨水通過(guò)溝谷匯流到河道,尤其在山區(qū)的溝谷猶如天然河道,比重較大,因而在溝谷比重較大的地區(qū),河川徑流強(qiáng)度就較大。由于河川徑流的差異,不同區(qū)域內(nèi)的水量、水體類型、水網(wǎng)密度、降雨和河谷形態(tài)等水文條件,對(duì)公路的選線(尤其是橋位的選擇)、水毀防治等有很大的制約和影響。河川徑流對(duì)公路工程的影響主要表現(xiàn)在:①在水網(wǎng)密度大的地區(qū),公路建設(shè)的橋梁比例就會(huì)增大,公路的造價(jià)必然增加;②對(duì)公路沿河路基、橋涵等構(gòu)造物的危害較大;③較大的河川徑流,影響著公路的路線選擇,尤其是橋位的選擇。4中國(guó)公路水文分類的指標(biāo)體系和分類4.1中國(guó)公路水文分類指標(biāo)體系中國(guó)公路水文區(qū)劃指標(biāo)體系見(jiàn)下頁(yè)表1。4.2中國(guó)公路水文區(qū)評(píng)價(jià)利用地理信息系統(tǒng)(GIS),根據(jù)《中國(guó)水文區(qū)劃圖》、《中國(guó)暴雨區(qū)劃圖》,按照中國(guó)公路水文區(qū)劃一級(jí)水文分區(qū)的指標(biāo),參考《中國(guó)水系流域圖》、《中國(guó)河網(wǎng)密度圖》,將中國(guó)公路分為6個(gè)一級(jí)水文區(qū)。分區(qū)結(jié)果與中國(guó)公路實(shí)際情況基本相符,中國(guó)公路水文一級(jí)區(qū)劃結(jié)果如下頁(yè)圖1所示。(1)南土壤大水面—東北、華北溫帶多水、平水、少水區(qū)(Ⅰ)。該區(qū)東臨渤海與黃海,東北至國(guó)界,西至烏鞘嶺東麓,經(jīng)蘭州,沿洮河和渭河分水嶺南下至岷縣,南以秦嶺和淮河干流為界,西北沿小興安嶺西側(cè)、松遼平原東側(cè)、努魯兒虎山、七老圖山和大馬群山,至內(nèi)蒙古高原和鄂爾多斯高原南緣。區(qū)內(nèi)年徑流深度50~200mm,年降水量400~800mm。(2)雪峰山南氣候區(qū)該區(qū)北以秦嶺淮河為界,東南臨海,西面沿武當(dāng)山、荊山東端、長(zhǎng)江三峽、宜昌、雪峰山,逆沅江而上,經(jīng)過(guò)九萬(wàn)大山至十萬(wàn)大山,涵蓋中國(guó)北方與南方的過(guò)渡地帶,以及南方地帶,包括亞熱帶、熱帶氣候。區(qū)內(nèi)降雨豐富,是中國(guó)徑流最豐富的地區(qū)之一,年徑流深度大于900mm,年降水量在1600mm以上。(3)增積相轉(zhuǎn)移的地貌該區(qū)域北至秦嶺,南抵國(guó)界,西起岷山,緊接青藏高原邊緣東部山地,南段以云嶺、哀牢山接滇西、藏東南,包括秦嶺、大巴山、三峽山地、四川盆地和云貴高原的大部。區(qū)內(nèi)地貌類型復(fù)雜,不僅直接影響河流的發(fā)育,而且對(duì)降水和地表徑流的形成及其分布也有影響。區(qū)內(nèi)年徑流深度大于900mm,年降水量在1600mm以上。(4)氣候條件分析該地區(qū)位于中國(guó)北部,東接第一水文分區(qū),北起大興安嶺北部,向南一直延伸到鄂爾多斯高原,西止狼山、賀蘭山,西北部與蒙古接壤,南部與華北地區(qū)相毗鄰,北至國(guó)界,包括大興安嶺、松遼平原和呼倫貝爾高原等。本區(qū)地處中溫帶,由于南北和東西跨度都很大,因而氣候從南到北、由東到西的差異較為明顯,大部分居半濕潤(rùn)、半干旱氣候區(qū),小部分居干旱氣候區(qū)。區(qū)內(nèi)地表徑流較少,年徑流深一般為5~50mm,局部地區(qū)可超過(guò)100mm,大興安嶺北部地區(qū)可以達(dá)到150~250mm,烏蘭察布盟西部、鄂爾多斯高原則不足5mm,廣大的戈壁沙漠地區(qū)甚至不產(chǎn)生地表徑流,形成無(wú)流區(qū)。徑流在地區(qū)上的分布也與降水分布基本一致,總的趨勢(shì)是東部大于西部,山地大于平原。(5)準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地該地區(qū)處于阿爾泰山、天山、昆侖山、阿爾金山、祁連山以及賀蘭山、狼山等群山的包圍之中,包括新疆的準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地,甘肅的河西走廊和內(nèi)蒙古的阿拉善高原。區(qū)內(nèi)年徑流深度小于10mm,年降水量在200mm以下。(6)青藏高原溫帶、冷帶、平水和少水區(qū)h該區(qū)主要位于青藏高原,由于海拔及氣候等原因,年徑流深度10~50mm,年降水量200~400mm。5評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇(1)中國(guó)公路水文一級(jí)區(qū)劃應(yīng)反映中國(guó)總體的、區(qū)域的水文特征,按照層次性原則、實(shí)用性原則、主導(dǎo)指標(biāo)與輔助指標(biāo)相結(jié)合的原則和定量