周鐵軍

(中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京100081)

1 研究區(qū)域及工程概況

新建鐵路包頭至滿都拉(白云鄂博至巴音花段)工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市的白云鄂博礦區(qū)和達爾罕茂明安聯(lián)合旗境內(nèi)。工程地處大青山北麓,內(nèi)蒙古高原中部地帶,地勢南高北低,向北傾斜,南部為低山丘陵,北部為波狀高平原,平均海拔1 376 m;工程沿線屬溫帶半干旱大陸性氣候,多年平均降水260 mm左右,降水年際和月際變化懸殊,蒸發(fā)量大,風大風多,無霜期短;沿線地表水匱乏;土壤以栗鈣土和棕鈣土為主。

工程正線自白云鄂博南場與既有鐵路接軌,全長83.163 km,建設(shè)內(nèi)容包括路基工程、站場工程、橋梁工程及施工場地、施工道路、取棄土場等。工程共征用土地474.62 hm2,其中永久占地347.68 hm2,臨時用地126.94 hm2;土石方共計 883.07×104m3,其中填方為750.37×104m3,挖方為132.70×104m3,土石方移挖作填后,需取土 669.56×104m3,棄土51.90×104m3(另有剝離表土 27.45×104m3作為綠化用土重新利用);工程設(shè)置集中取土場13處,棄土場3處;新(擴)建施工便道38 km,設(shè)置存梁場、材料場、存碴場和鋪軌基地各1處。

2 工程建設(shè)水土流失預測

水土流失預測的任務(wù)是根據(jù)主體工程的線路布局及鐵路的施工工藝,結(jié)合水土流失防治責任范圍,在實地調(diào)研查勘及分析工程設(shè)計資料的基礎(chǔ)上,分析工程建設(shè)占地、破壞原地貌、植被和水土保持設(shè)施的數(shù)量,分析土石方的來源與分布情況,估算棄方量;在調(diào)查分析估判原地貌和建設(shè)擾動土地水土流失的基礎(chǔ)上預測新增水土流失量;從各方面綜合分析評價防治責任范圍內(nèi)的水土流失程度、強度、危害及其對周圍區(qū)域的影響,為合理布設(shè)水土保持防治措施,制定水土保持監(jiān)測方案提供依據(jù)[1-3]。

2.1 預測方法、內(nèi)容

鐵路工程屬線型工程,水土流失影響主要發(fā)生于工程擾動區(qū)內(nèi),因此,本次水土流失預測范圍為工程各防治分區(qū)的擾動面積,其中主體工程包括路基、站場和橋梁,臨時工程包括取土場、棄土(渣)場、施工便道、施工營地和作業(yè)場地等。水土流失預測針對不同的預測內(nèi)容采取不同的方法進行:對擾動原地貌、損壞地表植被、破壞水土保持設(shè)施、棄土量的預測采用實地調(diào)查結(jié)合工程可研資料分析的方法;對可能造成水土流失量和危害預測采取經(jīng)驗公式法和類比法相結(jié)合的方法,具體內(nèi)容見表1。

表1 水土流失預測內(nèi)容

可能造成水土流失量預測是建設(shè)項目水土流失預測的重點內(nèi)容,通常采用的方法有數(shù)學模型法、類比調(diào)查法和試驗觀測法,具體實踐中可以采用其中一種方法,也可多種方法綜合運用[4]。系統(tǒng)考慮建設(shè)類項目的特點和鐵路工程本身的水土流失特點,本次預測采用經(jīng)驗公式法[5-9],計算公式如下:

現(xiàn)狀水土流失量預測公式為:

式中:Ws1為現(xiàn)狀水土流失量(t);Mwi為原地貌土壤侵蝕模數(shù)〔t/(km2?a)〕;Fi為擾動地表面積(km2);Ti為預測時段(a);n為預測單元。

工程建設(shè)可能造成的水土流失量預測公式為:

式中:Ws2為建設(shè)過程中的水土流失量(t);Mri為工程擾動地貌土壤侵蝕模數(shù)〔t/(km2?a)〕;Fi為擾動地貌面積(km2);Ti為預測時段(a);n為預測單元。

新增水土流失量計算公式為:

原地貌土壤侵蝕模數(shù)由土壤侵蝕遙感普查結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場實地調(diào)查,綜合考慮項目區(qū)降雨與風力特征、地形地貌、地面組成物質(zhì)、土地利用與植被生長狀況,并在咨詢沿線相關(guān)專家的基礎(chǔ)上確定。

擾動地貌土壤侵蝕模數(shù)的確定采用類比法。本工程擾動地貌土壤侵蝕模數(shù)通過類比鄰近的“呼市-武川公路”工程和“內(nèi)蒙古內(nèi)陸河農(nóng)牧交錯區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)試驗研究”成果,經(jīng)修正后確定。

2.2 預測結(jié)果及分析

經(jīng)預測,本工程擾動原地貌、損壞地表和植被的面積,即工程擾動地表面積,為永久征地和臨時用地之和,共計474.62 hm2;工程損壞的水土保持設(shè)施主要為生物設(shè)施,面積為474.62 hm2(工程占地類型均為天然草地),無損壞水土保持工程設(shè)施;工程棄土主要來源于區(qū)間路基工程和站場工程,工程總棄方為51.90×104m3,其中區(qū)間路基棄方51.24×104m3,站場棄方0.66×104m3;工程建設(shè)新增水土流失總量為4.02×104t。

從各預測單元來看,線路工程區(qū)新增水土流失1.97×104t,占新增總量的49%;站場工程區(qū)新增0.35×104t,占新增總量的8.71%;取土場區(qū)新增1.39×104t,占新增總量的34.58%;棄土場區(qū)新增0.13×104t,占新增總量的3.23%;施工便道區(qū)新增0.09×104t,占新增總量的2.24%;施工營地和作業(yè)場區(qū)0.09×104t,占新增總量的2.24%。由各預測單元新增水土流失量圖1看出,本工程線路工程區(qū)新增水土流失量＞取土場區(qū)新增水土流失量＞站場工程區(qū)新增水土流失量＞棄土場區(qū)新增水土流失量＞施工便道區(qū)新增水土流失量≈施工營地和作業(yè)場區(qū)新增水土流失量。同時,可以確定出本工程水土流失重點防治區(qū)段為主體工程區(qū)段(包括線路與站場)、取土場區(qū)和棄土場區(qū)。

圖1 各預測單元新增水土流失量

從預測時段來看,本工程施工期工程建設(shè)擾動地表新增水土流失量為2.78×104t,占新增流失量的69.2%,自然恢復期新增水土流失量為1.24×104t,占新增流失量的30.8%。但由于工程施工期較短(1.5 a)、自然恢復期長(3 a),因此施工期和自然恢復期均是水土流失重點防護時段。

結(jié)合工程沿線環(huán)境特征和鐵路工程自身特點,取土場、棄土場的防護宜采取工程措施為主,植物措施為輔的防護類型,路基邊坡和兩側(cè)的防護措施宜采取工程和植物防護并重的防護類型,臨時施工場地和施工便道等防護措施宜采取永臨結(jié)合與植被恢復相結(jié)合的防護類型。

3 水土保持損益分析

水土流失影響指數(shù)SWII評價模型是姜德文在分析研究了千余個不同區(qū)域、不同行業(yè)的開發(fā)建設(shè)項目水土保持方案案例的基礎(chǔ)上,將水土保持損益分析中的關(guān)鍵影響指標進行加權(quán)后求和,從而構(gòu)建的一種反映建設(shè)項目水土流失影響程度的方法,目前已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)開發(fā)建設(shè)項目水土保持損益分析。水土流失影響指數(shù)評價模型的核心是建立無量綱的SWII指數(shù),計算SWII指數(shù)需要5個對水土流失影響最直接、最直觀和最有影響力關(guān)鍵指標,即占地面積與影響范圍、對地表擾動程度、影響時間、造成的水土流失總量和可恢復程度[10]。水土流失影響指數(shù)計算公式如下:

式中:ai為第i個因子的權(quán)重,i=1,2,3…5;xi為第i個因子數(shù)據(jù)歸一后的值,i=1,2,3…5。

本工程水土流失影響指數(shù)計算結(jié)果見表2,計算方法和權(quán)重值選取參見《開發(fā)建設(shè)項目水土保持損益分析研究》。

表2 水土流失影響指數(shù)計算

SWII是對水土流失影響的一個定量評價值,因此,當計算得出的SWII值愈小時,說明建設(shè)項目對水土流失的影響范圍及面積愈小、對地表的擾動強度愈小、影響的時間愈短、造成的水土流失量愈小、不可恢復的面積愈小,這些都是對水土保持有利的;反之,當SWII值愈大時,造成的水土流失影響愈大,對水土保持愈不利。經(jīng)計算,本工程的SWII計算值為0.2721。根據(jù)姜德文對不同類型鐵路工程的統(tǒng)計研究,鐵路建設(shè)項目水土流失影響指數(shù)最小值SWIImin=0.1047,最大值 SWIImax=0.5233,平均影響指數(shù)=0.3134[11]?？梢?本工程的水土流失影響指數(shù)低于鐵路行業(yè)平均水平,表明本工程施工對水土流失的影響程度較小,從水土保持角度來看本工程是可行的。由計算結(jié)果來看,5項關(guān)鍵指標中數(shù)值較高的是施工影響時間、擾動面積及影響范圍和對地表的擾動強度3項。因此,可以通過對這三方面進行改進來減緩工程建設(shè)帶來的水土流失危害,可采取的措施包括合理安排工程的施工建設(shè)期,縮短施工擾動時間;優(yōu)化工程選址選線,盡可能減少大挖大填,減輕對地表的擾動強度;從工程設(shè)計、施工管理方面進行改進,減小施工擾動面積。

4 結(jié) 語

本文以新建包滿鐵路(白巴段)工程為例,通過預測得出,工程建設(shè)新增水土流失總量為4.02×104t,工程水土流失重點防治區(qū)段為主體工程區(qū)段(包括線路與站場)、取土場區(qū)和棄土場區(qū),施工期和自然恢復期均是水土流失重點防護時段。本工程的水土流失影響指數(shù)SWII為0.2721,低于鐵路行業(yè)平均水平,說明工程造成的水土流失影響程度較小。此外,還可采取縮短施工影響時間,減少擾動面積及影響范圍,減輕擾動強度等措施進一步減緩因工程建設(shè)帶來的水土流失危害。

[1]白曉軍,呂冬梅,孫健.關(guān)于鐵路建設(shè)項目水土保持方案的編制和建議[J].鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保,2007,34(3):108-110.

[2]宋子煒.改建鐵路工程水土保持方案編制探討[J].水利與建筑工程學報,2010,8(6):150-152.

[3]徐小飛,鄧 嵐,張新和,等.鐵路建設(shè)項目水土流失特點及原因分析[J].廣東水利水電,2009,(4):67-68.

[4]趙永軍.開發(fā)建設(shè)項目水土保持方案編制技術(shù)[M].北京:中國大地出版社,2007:197-200.

[5]肖滿,張瑞峰.鐵路工程建設(shè)水土流失預測研究[J].石家莊鐵道學院學報,2006,19(4):74-76.

[6]韓亞麗,寧海麗.南京至安慶鐵路銅陵至池州段水土保持預測分析[J].環(huán)境科學與管理,2009,34(2):175-177.

[7]張 力,格日樂,王 樹,等.大準鐵路工程施工對水土流失的影響及其防治對策[J].水土保持研究,2006,13(5):137-138,142.

[8]徐昱.西部鐵路工程水土流失預測方法探討[J].中國科技信息,2005,(10):118-120.

[9]葉翠玲.鐵路施工期水力侵蝕規(guī)律與預測方法研究[D].北京交通大學,2002:44-54.

[10]何吉成,李耀增,徐雨晴.武廣客運專線建設(shè)工程的水土流失影響程度分析[J].亞熱帶水土保持,2010,22(4):18-21.

[11]姜德文.開發(fā)建設(shè)項目水土保持損益分析研究[D].北京:北京林業(yè)大學,2007:121-130.