中国公路水文区划指标体系的构建与指标选择

中国公路水文区划指标体系的构建与指标选择

0国内外公路水文区划的研究现状作为自然环境因素之一，水文因素对道路选择和桥座的选择、道路排水设施的设计、道路的运营和维护以及道路和桥梁的水环境和损坏有着重要影响。因此,以服务公路建设和发展为目的,根据公路工程的特点,开展公路水文区划研究,为公路的减灾防灾提供科学依据。公路水文区划指标和指标体系是整个区划研究的核心内容,这些指标既是划分各水文区的依据,又是水文要素对公路影响最直接的体现。区划指标的选择和区划指标体系的建立,将直接影响区划的科学性及适用性。目前,国内外对公路水文区划研究较少,针对公路水文区划指标体系的研究则更少。为此,本文在研究水文要素与公路工程相互影响的基础上,选取既能描述水文要素特点、又能与公路建设密切相关的指标和特征值,建立了中国公路水文区划指标体系。1中国公路水文划分指标的选择原则中国公路水文区划指标的选取必须满足如下原则。1.1调整区划的可扩张性,体现了服务功能层次性原则指按照某种特定方式进行的,区划指标的选取应随着区划层面或区域性差异而有所调整或变化,既具有宏观指导性,又能具体体现区划的服务性和针对性。例如:一级区划反映总体的、区域的水文特征;二级区划重点反映公路水文的特征。随着区划层次的进一步降低,区划指标所反映的内容更具体、更全面、更具有服务性和针对性。1.2城市文化遗产分析公路水文各级区划指标的选择还应该满足实用性原则。进行区划研究时,必须认真分析路线、路基、路面、桥梁、涵洞、通道、隧道、防护工程和支挡工程等与水文之间的关系,找出水文要素中对上述诸多构造物或工程的规划、设计、施工、运营和养护等方面起决定或限制作用的因素,确定公路水文区划的指标,能切实为决策部门提供参考和借鉴。1.3确定每一级分区的主导指标与辅助指标是进行分区分影响水文区划的指标很多,因此,应用主导指标与辅助指标相结合的原则,确定每一级分区的主导指标与辅助指标,才能进行科学、合理的分区。主导指标是进行各级水文分区的主要依据,起决定作用;辅助指标是对主导指标区域差异规律的进一步说明、补充和完善。1.4划与单项专项区划并重的方向逐渐转变目前,区划研究正在由定性指标向定量指标、单一指标向多项指标、综合区划与单项专项区划并重的方向逐渐转变。定性指标与定量指标应该是统一的、相互补充的,一方面,定性指标更全面、精确地反映了实际情况;另一方面,紧密结合公路工程实际情况的定性指标,是对定量指标的补充和完善。2区域划分的文化景观按照水文现象的相似性和差异性,对中国公路进行区域划分,每一个区域内有比较一致的水文条件,而各区之间存在着一定的差异。一级区划应反映中国公路总体的、区域的水文特征。2.1径流深度中国已有的水文区划中,一级分区主要揭示了中国水量(河流补给类型、河流在不同气候带的冻结情况等)的地域差异,以水量(多年平均径流量,用径流深度表示)为主导指标,同时以河流的补给类型、年径流量与年蒸发量的比值等为参证指标。由于中国多年平均径流量是一个比较稳定的特征值,且具有明显的地带性规律,每个径流带大致都与某个自然地理带相符,说明径流带的分布与自然条件有着非常密切的联系。中国已有的水文区划主要是由水利或农业部门完成的,具有很强的针对性。中国公路水文区划的服务对象与已有区划的服务对象明显不同,所以,区划指标也应有所不同。2.2点、线的面:径流深度和线面面线以径流为主导根据公路水文区划的划分要求,参考和借鉴国内外已有水文区划,特别是中国其他部门水文区划中一级分区指标的经验,分析中国自然环境条件和水文条件对公路的影响规律,选取径流深度作为一级分区的主导指标,同时选取暴雨区域特征和水系流域特性指标作为一级分区的辅助指标。径流深度指标说明了水量(用径流带表示)和相应的气候分布特征,既反映了区域面上的水文条件,又反映了不同区域其他自然环境条件的差异。根据中国水文区域特点,径流量的丰枯各年虽有所不同,但多年平均径流量是一个比较稳定的特征值,且具有明显的地带性规律,由此可判断一个地区水量的多少。因此,以径流深度作为中国公路水文一级区划的第一级分区的主导指标,可以充分反映中国水资源的地区性分布特点。暴雨对公路工程的影响十分严重,会造成公路边坡冲刷、坍塌和泥石流等地质灾害。因此,暴雨区域特征和水系流域特性,反映了水量变化情况、河流区域特征、水量补给范围和类型,不仅从面上反映了宏观水文条件的区域差异性,又从线和点的层面进一步说明水文条件的区域差异性,而且使分区内涵更加充实。中国公路水文一级区划虽然以径流量为主导指标,但在确定区界时,不可完全依据径流深度等值线,必须参照辅助指标加以修正。如华北与秦巴两地区之间的界线,相当于200mm径流深度等值线,这条线与秦岭-淮河线相近,于是就以秦岭-淮河线为分界线。秦岭-淮河线不仅是中国自然地理的重要界线,同时也是水文上的重要界线,线的两侧无论在水量或水质上都有重大变化。中国公路水文一级区划指标对公路工程具有重要的意义,主要表现在:①对公路选线、桥涵位置的选择等方面具有一定的指导作用;②暴雨区域特征对公路防排水设施的设计、施工和养护等具有一定的指导作用;③对公路路基及桥涵水毁的防治具有一定的指导作用。3分区划分的基本情况根据区划的一般理论及层次性原则,二级分区是在一级分区的基础上,按照二级区划的指标对一级分区进一步划分,其分区内的差异性不断减小,相似性逐渐增大。3.1影响因素的选取要更多二级区划应重点反映公路水文的特征,实际上,二级分区就是在一级分区的基础上,进一步寻找和确定对公路建设有影响的水文条件,或者具有差异性的水文条件。一般来讲,二级分区考虑的影响因素要比一级分区更多、更细,不但能够真实、客观地反映分区内水文条件的差异规律性,还要直接反映各水文要素对公路工程的直接影响。考虑到公路路基、路面、桥涵和防护工程等在地表水作用下易产生的各种灾害,以及对防治这些灾害的相关要求,在各类水文要素中,坡面径流和河川径流对公路工程的影响最大,因此,选择坡面径流强度作为中国公路水文二级区划的主导指标,以河川径流强度作为中国公路水文二级区划的辅助指标。3.2影响因素：2号公路水文特征指标的影响3.2.1坡面径流影响分析坡面径流强度反映了径流对坡面物质冲刷程度及搬运能力。影响坡面径流强度的因素主要包括:①降雨是产生径流的必要条件,主要从降雨量、降雨强度、降雨时空分布特征和雨型等方面决定坡面径流的产生及大小;②地形坡度是地形因素中的重要因素,也是决定坡面径流的关键因素。研究结果表明,随着坡度增加,径流速度加大,径流在坡面滞留时间相应减少,坡面入渗减少,坡面的径流强度增大;③不同类型的岩土抗冲刷能力不同,降雨入渗程度也不同,因此,对坡面径流强度的大小影响也不同;④植被对坡面有较好的保护作用,植被覆盖度大小与坡面径流强度大小成反比,同时,不同的植被类型对坡面径流强度也有不同的影响,植被类型(林、灌、草)越多,组合越好,抗冲刷能力就越强。坡面径流对公路工程的影响主要表现在:①对路基边坡、路面和防护工程等造成不同程度的危害;②引起边坡滑塌、坡面泥石流等边坡地质灾害;③通过细沟冲蚀和细沟状面蚀,造成不同类型的坡面灾害,使坡面稳定性降低;④造成各类边坡防护措施的冲刷破坏,进一步加剧各类边坡灾害;⑤危害严重时,甚至中断交通。3.2.2径流水文气象河川径流强度反映不同区域的水量、水网密度及沟谷密度等大小,反映了区域自然条件对公路工程的影响。河川径流强度的影响因素主要为降雨、植被覆盖度、河网密度和沟谷比重(沟谷面积占坡面面积比),其中,降雨和植被覆盖度对河川径流的影响与坡面径流的影响类似。本文主要研究河网密度和沟谷比重对河川径流的影响。河网密度大的地区,河川径流强度相对较大,修建公路时桥涵的比例就相对较大。坡面漫流的雨水通过沟谷汇流到河道,尤其在山区的沟谷犹如天然河道,比重较大,因而在沟谷比重较大的地区,河川径流强度就较大。由于河川径流的差异,不同区域内的水量、水体类型、水网密度、降雨和河谷形态等水文条件,对公路的选线(尤其是桥位的选择)、水毁防治等有很大的制约和影响。河川径流对公路工程的影响主要表现在:①在水网密度大的地区,公路建设的桥梁比例就会增大,公路的造价必然增加;②对公路沿河路基、桥涵等构造物的危害较大;③较大的河川径流,影响着公路的路线选择,尤其是桥位的选择。4中国公路水文分类的指标体系和分类4.1中国公路水文分类指标体系中国公路水文区划指标体系见下页表1。4.2中国公路水文区评价利用地理信息系统(GIS),根据《中国水文区划图》、《中国暴雨区划图》,按照中国公路水文区划一级水文分区的指标,参考《中国水系流域图》、《中国河网密度图》,将中国公路分为6个一级水文区。分区结果与中国公路实际情况基本相符,中国公路水文一级区划结果如下页图1所示。(1)南土壤大水面—东北、华北温带多水、平水、少水区(Ⅰ)。该区东临渤海与黄海,东北至国界,西至乌鞘岭东麓,经兰州,沿洮河和渭河分水岭南下至岷县,南以秦岭和淮河干流为界,西北沿小兴安岭西侧、松辽平原东侧、努鲁儿虎山、七老图山和大马群山,至内蒙古高原和鄂尔多斯高原南缘。区内年径流深度50~200mm,年降水量400~800mm。(2)雪峰山南气候区该区北以秦岭淮河为界,东南临海,西面沿武当山、荆山东端、长江三峡、宜昌、雪峰山,逆沅江而上,经过九万大山至十万大山,涵盖中国北方与南方的过渡地带,以及南方地带,包括亚热带、热带气候。区内降雨丰富,是中国径流最丰富的地区之一,年径流深度大于900mm,年降水量在1600mm以上。(3)增积相转移的地貌该区域北至秦岭,南抵国界,西起岷山,紧接青藏高原边缘东部山地,南段以云岭、哀牢山接滇西、藏东南,包括秦岭、大巴山、三峡山地、四川盆地和云贵高原的大部。区内地貌类型复杂,不仅直接影响河流的发育,而且对降水和地表径流的形成及其分布也有影响。区内年径流深度大于900mm,年降水量在1600mm以上。(4)气候条件分析该地区位于中国北部,东接第一水文分区,北起大兴安岭北部,向南一直延伸到鄂尔多斯高原,西止狼山、贺兰山,西北部与蒙古接壤,南部与华北地区相毗邻,北至国界,包括大兴安岭、松辽平原和呼伦贝尔高原等。本区地处中温带,由于南北和东西跨度都很大,因而气候从南到北、由东到西的差异较为明显,大部分居半湿润、半干旱气候区,小部分居干旱气候区。区内地表径流较少,年径流深一般为5~50mm,局部地区可超过100mm,大兴安岭北部地区可以达到150~250mm,乌兰察布盟西部、鄂尔多斯高原则不足5mm,广大的戈壁沙漠地区甚至不产生地表径流,形成无流区。径流在地区上的分布也与降水分布基本一致,总的趋势是东部大于西部,山地大于平原。(5)准噶尔盆地、塔里木盆地该地区处于阿尔泰山、天山、昆仑山、阿尔金山、祁连山以及贺兰山、狼山等群山的包围之中,包括新疆的准噶尔盆地、塔里木盆地,甘肃的河西走廊和内蒙古的阿拉善高原。区内年径流深度小于10mm,年降水量在200mm以下。(6)青藏高原温带、冷带、平水和少水区h该区主要位于青藏高原,由于海拔及气候等原因,年径流深度10~50mm,年降水量200~400mm。5评价指标的选择(1)中国公路水文一级区划应反映中国总体的、区域的水文特征,按照层次性原则、实用性原则、主导指标与辅助指标相结合的原则和定量