基于SWAT模型和DEM數(shù)據(jù)的寒區(qū)公路水毀防治研究

楚建勛 賀建國

（新疆路橋建設(shè)集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830063）

0 引言

高原公路是我國交通運輸網(wǎng)重要組成部分，是高原地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與國家安全穩(wěn)定的重要保障。目前，已修建的高原公路如高原特點顯著的新藏公路，公路全線海拔超過4000m以上的路段有915km，海拔在5000m以上的路段有130km。高原流域徑流量季節(jié)性變化較大，匯水方向既有橫向山坡積雪融水，又有縱向沖溝洪水。在橫縱洪水的共同作用下，對沿線高原公路及基礎(chǔ)設(shè)施的沖刷淘蝕破壞了其整體穩(wěn)定性，嚴重時引發(fā)泥石流危害，破壞橋涵、掩埋路面、沖毀路堤， 阻斷交通及威脅行車安全，造成慘重的經(jīng)濟損失，這給在高海拔山區(qū)修建公路時的防水毀帶來巨大的挑戰(zhàn)。

DEM數(shù)據(jù)是對地形表面形態(tài)進行數(shù)字化描述的一種數(shù)學(xué)模型，基于DEM數(shù)據(jù)獲取并分析流域水文特征，是研究水土流失、河道演變以及防洪預(yù)測的有效手段[1]。近年來，隨著計算機技術(shù)與3S技術(shù)（RS、GIS、GPS）的高速發(fā)展，分布式水文模型逐步成為現(xiàn)代水文模擬研究方向的熱點[2-3]。馬永明等[3]利用分布式水文模型——SWAT模型研究了多源DEM數(shù)據(jù)對犟河流域河網(wǎng)水系提取的精度的影響；王中根等[4]采用SWAT模型在西北高寒山區(qū)進行了日徑流過程的模擬研究，認為SWAT模型在模擬過程中考慮了融雪和凍土對流域徑流的影響，比較適合于研究我國西北寒區(qū)的水毀防治。

本文基于ArcGIS平臺中的SWAT模型和ASTER GDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)內(nèi)的水系流域分布式水文模擬系統(tǒng)，提取流域面積及洪峰流量進行分析，提出高寒區(qū)公路防水毀措施。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于喀喇昆侖山東段海拔5400m高山處，屬高原亞寒帶干旱氣候。該區(qū)域地勢高峻、丘陵連綿，自然條件較差，且長期以來無氣象臺站，對當?shù)貧庀髼l件了解較少。通過地質(zhì)勘察及沿線調(diào)研統(tǒng)計可知，研究區(qū)公路沿線年降水量為60～80mm，年平均氣溫-4℃左右，最低溫達-34.6℃，年平均地溫5℃，最低地溫-7.2℃。其降水主要來自西風環(huán)流，形式以降雪為主，冬季降雪一般在30～50cm之間，局部降雪最大可達2m厚。研究區(qū)內(nèi)河流多發(fā)源于喀喇昆侖山的冰川或永久積雪，山高坡陡，地形起伏大，溝谷河道的坡降在16‰～26.7‰之間。夏秋時節(jié)，溫度較高，冰雪融化量大，常使山洪爆發(fā)，水流急，落差大，河谷切割深，溝谷土壤沖刷嚴重，徑流量隨季節(jié)變化較大，排泄主要以地表、地表徑流及蒸散發(fā)為主。河道沿線多松散巖類堆積物，融雪洪水期易引發(fā)山區(qū)泥石流。

2 水毀防治研究方法

2.1 SWAT模型簡介及原理

SWAT模型由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)科學(xué)研究機構(gòu)（USDA-ARS）開發(fā)。是在SWRRB模型基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種長時期的小流域分布式水文模型，同時，SWAT模型在預(yù)測和評價無測站流域內(nèi)洪水、泥沙等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。SWAT模型由水文地質(zhì)、氣象、泥沙、土壤溫度等部分組成。在不同的土壤類型、不同的土地利用方式和資料匱乏的復(fù)雜寒區(qū)大流域，SWAT模型同樣能夠建模進行水文模擬[5]，相較于其他水文模型，SWAT模型更加容易獲取流域參數(shù)，能夠連續(xù)模擬影響流域長期管理變化的各種因素，為促進模型的發(fā)展，使用者還可通過郵件與開發(fā)人員討論，對模型進行完善。

SWAT模型基于地表徑流漫流模型原理，根據(jù)DEM柵格數(shù)據(jù)和D8算法確定水流方向，基于水流方向計算各個柵格的集水能力，根據(jù)確定的集水面積閾值計算匯流累積量。模型具體劃分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、流域水系生成、水文響應(yīng)單元計算、氣象數(shù)據(jù)處理、模擬率定等五個內(nèi)容。

2.2 研究數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究中模型建模使用的各類型數(shù)據(jù)均從寒區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載[6]，基于ArcGis軟件對其進行裁剪等處理。由于氣溫、太陽輻射是導(dǎo)致積雪消融的重要影響因素，故在研究區(qū)建立米度MD-PH20無人值守型一體化智能監(jiān)測站，氣溫測量范圍-50～100℃，精度可達±0.3℃。構(gòu)建SWAT模型自帶的天氣發(fā)生器（WXGEN）[7]。

研究采用SWAT官方提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計插件pcpSTAT及dew02對采集到的氣象數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計，建立研究區(qū)專屬氣象數(shù)據(jù)庫[8]。基于Arcgis10.2平臺及SPAW土壤軟件建立土壤數(shù)據(jù)庫，并導(dǎo)入SWAT土壤數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2.3 構(gòu)建模型

本文基于ArcSWAT平臺按以下步驟構(gòu)建研究區(qū)流域徑流水文模擬模型：

（1）基于數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)，選定研究區(qū)集水面積閾值及流域出口位置，進行河網(wǎng)提取；

（2）基于土地覆蓋數(shù)據(jù)及土壤類型數(shù)據(jù)，搭建土壤數(shù)據(jù)庫，進行子流域和水文響應(yīng)單元（HRU）的劃分。結(jié)合研究區(qū)實際與模型運行效率，將研究區(qū)流域劃分為85個水文響應(yīng)單元以及55個子流域，計算總面積為1724.177km2；

（3）基于搭建的氣象站臺，完成氣象數(shù)據(jù)文件的編寫，在SWAT中讀取氣象數(shù)據(jù)，建立氣象數(shù)據(jù)庫；

（4）模擬流域概況及水系如圖1所示，模型以2001～2010年為模擬時段，以月為模擬步長，記錄得到流域徑流數(shù)據(jù)。

圖1 研究流域概況及水系分布

3 模型計算結(jié)果分析

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)搭建的氣象站監(jiān)測一個周期內(nèi)的氣溫數(shù)據(jù)進行擬合，基于上述建模方法，模擬研究區(qū)內(nèi)小流域十年內(nèi)的洪峰流量，采用origin繪圖軟件繪制主干流域出口處的逐月流量及峰值流量圖像，如圖2所示。

圖2 流域徑流

由圖2可知，研究區(qū)的融雪徑流主要出現(xiàn)在每年5～9月期間，洪峰流量出現(xiàn)在每年7月份，并且洪峰前徑流量增長速度要明顯快于洪峰后徑流量下降速度，這是由于這一階段氣溫逐漸上升達到全年最高氣溫，融雪速度加快，使得融雪徑流在前期呈現(xiàn)明顯上升的態(tài)勢，成為了一年內(nèi)發(fā)生融雪型山洪災(zāi)情較為顯著的時期；但隨著溫度逐漸降低，積雪融化速率逐漸低于降雪速度，使得融雪徑流轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆档内厔荨哪攴逯盗髁繄D可看出，流域融雪徑流7月峰值隨年份增加呈現(xiàn)曲折上升趨勢，這表明在大氣環(huán)境的變化下，融雪量在逐步上升，進而預(yù)測在未來將造成更為嚴重的基礎(chǔ)設(shè)施水毀問題。

4 防水毀措施

由SWAT模型徑流模擬結(jié)果可知，研究區(qū)內(nèi)融雪型洪水主要集中在5～9月，這一時期氣溫高，河流水位高、水流湍急、流量大，對于沿線路基邊坡以及橋梁墩臺的沖刷現(xiàn)象嚴重。

高原山區(qū)融雪型洪水對沿線路基及其他基礎(chǔ)設(shè)施具有重要影響，融雪型洪水造成的水毀災(zāi)害具有突發(fā)性大、破壞性強的特點。研究區(qū)沿線調(diào)研發(fā)現(xiàn)公路水毀通常表現(xiàn)為一般沖刷、側(cè)蝕、淘蝕等形式，在雨季和融雪期間淹沒路基導(dǎo)致漫流，并最終沖毀路基，這類路段的水毀具有成災(zāi)時間短、危害時間長的特點，并且水毀的時間和地點往往具有周期性和重復(fù)性。

在預(yù)防與治理此類水毀災(zāi)害時，設(shè)計和施工方面應(yīng)比一般路基加大投入力度，并針對多年凍土路基的特殊性采取相應(yīng)加固措施，其包括兩個方面：一是防護工程的結(jié)構(gòu)形式及類型；二是排水設(shè)施的類型。針對沖溝處基礎(chǔ)設(shè)施，采用階梯式護墻對山坡融雪洪水進行消能，既能減小其對過水路面的侵蝕和對路基邊坡的沖刷力，又能減緩在沿線路基邊坡坡腳處縱向水流與橫向水流交匯后的沖刷力。在水毀防治的基礎(chǔ)設(shè)施中，目前用得較多的是洪水擋墻、邊坡護墻和駁岸（見圖3所示），這主要是因為它們既能支撐路基土，保證路基的必要寬度，又能抵御洪水對基礎(chǔ)的沖刷破壞作用。

圖3 公路沿線設(shè)置的水毀防治基礎(chǔ)設(shè)施

在過水斷面處抬高路基并設(shè)置過水涵洞或架設(shè)橋梁，并在涵洞和橋兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)流堤（見圖4所示），以減緩洪水對邊坡路基沖刷，為了預(yù)防季節(jié)性山坡融雪洪水直接漫延路面和沖刷淘蝕路基邊坡，在做好前期基礎(chǔ)排水設(shè)施的前提下，應(yīng)考慮在融雪洪水與縱向洪水匯流處設(shè)置導(dǎo)流設(shè)施，在路基邊坡設(shè)置防沖刷石籠網(wǎng)、階梯形護坡、坡腳擋墻和護墻等措施。

圖4 涵洞及橋側(cè)設(shè)置導(dǎo)流堤

同時，路基橋梁出現(xiàn)水毀和局部基礎(chǔ)沖刷后，應(yīng)及時采取措施對其進行填筑修復(fù)，以免影響交通。

5 結(jié)束語

綜上所述，結(jié)論如下：

（1）應(yīng)用DEM數(shù)據(jù)、土壤覆蓋類型數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，采用分布式水文模型——SWAT模型進行估算無資料區(qū)域流域徑流，其計算結(jié)果可為水文計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行參考，為設(shè)計洪水斷面徑流量提供依據(jù)。

（2）本研究模型使用的DEM、土壤類型及土地利用等數(shù)據(jù)均為開源數(shù)據(jù)，因此分辨率不是很高，模型的改進與發(fā)展離不開我國氣象、土壤、水文、土地利用等數(shù)據(jù)的共享。

（3）寒區(qū)水文計算方面需要針對特定地區(qū)開展更加深入的研究，以進一步完善寒區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施防水毀治理體系。