基于SWAT模型和DEM数据的寒区公路水毁防治研究

楚建勋 贺建国

（新疆路桥建设集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830063）

0 引言

高原公路是我国交通运输网重要组成部分，是高原地区经济发展与国家安全稳定的重要保障。目前，已修建的高原公路如高原特点显著的新藏公路，公路全线海拔超过4000m以上的路段有915km，海拔在5000m以上的路段有130km。高原流域径流量季节性变化较大，汇水方向既有横向山坡积雪融水，又有纵向冲沟洪水。在横纵洪水的共同作用下，对沿线高原公路及基础设施的冲刷淘蚀破坏了其整体稳定性，严重时引发泥石流危害，破坏桥涵、掩埋路面、冲毁路堤， 阻断交通及威胁行车安全，造成惨重的经济损失，这给在高海拔山区修建公路时的防水毁带来巨大的挑战。

DEM数据是对地形表面形态进行数字化描述的一种数学模型，基于DEM数据获取并分析流域水文特征，是研究水土流失、河道演变以及防洪预测的有效手段[1]。近年来，随着计算机技术与3S技术（RS、GIS、GPS）的高速发展，分布式水文模型逐步成为现代水文模拟研究方向的热点[2-3]。马永明等[3]利用分布式水文模型——SWAT模型研究了多源DEM数据对犟河流域河网水系提取的精度的影响；王中根等[4]采用SWAT模型在西北高寒山区进行了日径流过程的模拟研究，认为SWAT模型在模拟过程中考虑了融雪和冻土对流域径流的影响，比较适合于研究我国西北寒区的水毁防治。

本文基于ArcGIS平台中的SWAT模型和ASTER GDEM 30M分辨率数字高程数据，建立研究区内的水系流域分布式水文模拟系统，提取流域面积及洪峰流量进行分析，提出高寒区公路防水毁措施。

1 研究区概况

研究区位于喀喇昆仑山东段海拔5400m高山处，属高原亚寒带干旱气候。该区域地势高峻、丘陵连绵，自然条件较差，且长期以来无气象台站，对当地气象条件了解较少。通过地质勘察及沿线调研统计可知，研究区公路沿线年降水量为60～80mm，年平均气温-4℃左右，最低温达-34.6℃，年平均地温5℃，最低地温-7.2℃。其降水主要来自西风环流，形式以降雪为主，冬季降雪一般在30～50cm之间，局部降雪最大可达2m厚。研究区内河流多发源于喀喇昆仑山的冰川或永久积雪，山高坡陡，地形起伏大，沟谷河道的坡降在16‰～26.7‰之间。夏秋时节，温度较高，冰雪融化量大，常使山洪爆发，水流急，落差大，河谷切割深，沟谷土壤冲刷严重，径流量随季节变化较大，排泄主要以地表、地表径流及蒸散发为主。河道沿线多松散岩类堆积物，融雪洪水期易引发山区泥石流。

2 水毁防治研究方法

2.1 SWAT模型简介及原理

SWAT模型由美国农业部农业科学研究机构（USDA-ARS）开发。是在SWRRB模型基础上发展出来的一种长时期的小流域分布式水文模型，同时，SWAT模型在预测和评价无测站流域内洪水、泥沙等领域应用十分广泛。SWAT模型由水文地质、气象、泥沙、土壤温度等部分组成。在不同的土壤类型、不同的土地利用方式和资料匮乏的复杂寒区大流域，SWAT模型同样能够建模进行水文模拟[5]，相较于其他水文模型，SWAT模型更加容易获取流域参数，能够连续模拟影响流域长期管理变化的各种因素，为促进模型的发展，使用者还可通过邮件与开发人员讨论，对模型进行完善。

SWAT模型基于地表径流漫流模型原理，根据DEM栅格数据和D8算法确定水流方向，基于水流方向计算各个栅格的集水能力，根据确定的集水面积阈值计算汇流累积量。模型具体划分为基础数据处理、流域水系生成、水文响应单元计算、气象数据处理、模拟率定等五个内容。

2.2 研究数据来源及预处理

本研究中模型建模使用的各类型数据均从寒区科学数据中心下载[6]，基于ArcGis软件对其进行裁剪等处理。由于气温、太阳辐射是导致积雪消融的重要影响因素，故在研究区建立米度MD-PH20无人值守型一体化智能监测站，气温测量范围-50～100℃，精度可达±0.3℃。构建SWAT模型自带的天气发生器（WXGEN）[7]。

研究采用SWAT官方提供的数据统计插件pcpSTAT及dew02对采集到的气象数据分类统计，建立研究区专属气象数据库[8]。基于Arcgis10.2平台及SPAW土壤软件建立土壤数据库，并导入SWAT土壤数据库系统。

2.3 构建模型

本文基于ArcSWAT平台按以下步骤构建研究区流域径流水文模拟模型：

（1）基于数字高程DEM数据，选定研究区集水面积阈值及流域出口位置，进行河网提取；

（2）基于土地覆盖数据及土壤类型数据，搭建土壤数据库，进行子流域和水文响应单元（HRU）的划分。结合研究区实际与模型运行效率，将研究区流域划分为85个水文响应单元以及55个子流域，计算总面积为1724.177km2；

（3）基于搭建的气象站台，完成气象数据文件的编写，在SWAT中读取气象数据，建立气象数据库；

（4）模拟流域概况及水系如图1所示，模型以2001～2010年为模拟时段，以月为模拟步长，记录得到流域径流数据。

图1 研究流域概况及水系分布

3 模型计算结果分析

根据研究区内搭建的气象站监测一个周期内的气温数据进行拟合，基于上述建模方法，模拟研究区内小流域十年内的洪峰流量，采用origin绘图软件绘制主干流域出口处的逐月流量及峰值流量图像，如图2所示。

图2 流域径流

由图2可知，研究区的融雪径流主要出现在每年5～9月期间，洪峰流量出现在每年7月份，并且洪峰前径流量增长速度要明显快于洪峰后径流量下降速度，这是由于这一阶段气温逐渐上升达到全年最高气温，融雪速度加快，使得融雪径流在前期呈现明显上升的态势，成为了一年内发生融雪型山洪灾情较为显著的时期；但随着温度逐渐降低，积雪融化速率逐渐低于降雪速度，使得融雪径流转变为下降的趋势。从年峰值流量图可看出，流域融雪径流7月峰值随年份增加呈现曲折上升趋势，这表明在大气环境的变化下，融雪量在逐步上升，进而预测在未来将造成更为严重的基础设施水毁问题。

4 防水毁措施

由SWAT模型径流模拟结果可知，研究区内融雪型洪水主要集中在5～9月，这一时期气温高，河流水位高、水流湍急、流量大，对于沿线路基边坡以及桥梁墩台的冲刷现象严重。

高原山区融雪型洪水对沿线路基及其他基础设施具有重要影响，融雪型洪水造成的水毁灾害具有突发性大、破坏性强的特点。研究区沿线调研发现公路水毁通常表现为一般冲刷、侧蚀、淘蚀等形式，在雨季和融雪期间淹没路基导致漫流，并最终冲毁路基，这类路段的水毁具有成灾时间短、危害时间长的特点，并且水毁的时间和地点往往具有周期性和重复性。

在预防与治理此类水毁灾害时，设计和施工方面应比一般路基加大投入力度，并针对多年冻土路基的特殊性采取相应加固措施，其包括两个方面：一是防护工程的结构形式及类型；二是排水设施的类型。针对冲沟处基础设施，采用阶梯式护墙对山坡融雪洪水进行消能，既能减小其对过水路面的侵蚀和对路基边坡的冲刷力，又能减缓在沿线路基边坡坡脚处纵向水流与横向水流交汇后的冲刷力。在水毁防治的基础设施中，目前用得较多的是洪水挡墙、边坡护墙和驳岸（见图3所示），这主要是因为它们既能支撑路基土，保证路基的必要宽度，又能抵御洪水对基础的冲刷破坏作用。

图3 公路沿线设置的水毁防治基础设施

在过水断面处抬高路基并设置过水涵洞或架设桥梁，并在涵洞和桥两侧设置导流堤（见图4所示），以减缓洪水对边坡路基冲刷，为了预防季节性山坡融雪洪水直接漫延路面和冲刷淘蚀路基边坡，在做好前期基础排水设施的前提下，应考虑在融雪洪水与纵向洪水汇流处设置导流设施，在路基边坡设置防冲刷石笼网、阶梯形护坡、坡脚挡墙和护墙等措施。

图4 涵洞及桥侧设置导流堤

同时，路基桥梁出现水毁和局部基础冲刷后，应及时采取措施对其进行填筑修复，以免影响交通。

5 结束语

综上所述，结论如下：

（1）应用DEM数据、土壤覆盖类型数据、土地利用数据和气象数据，采用分布式水文模型——SWAT模型进行估算无资料区域流域径流，其计算结果可为水文计算提供基础数据进行参考，为设计洪水断面径流量提供依据。

（2）本研究模型使用的DEM、土壤类型及土地利用等数据均为开源数据，因此分辨率不是很高，模型的改进与发展离不开我国气象、土壤、水文、土地利用等数据的共享。

（3）寒区水文计算方面需要针对特定地区开展更加深入的研究，以进一步完善寒区基础设施防水毁治理体系。