許文盛，童曉霞，李亞龍，程冬兵，張平倉

(長江科學(xué)院水土保持研究所，430010，武漢)

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，大型水利水電、石油化工、交通運輸?shù)认盗猩a(chǎn)建設(shè)項目迅猛增長。大量生產(chǎn)建設(shè)項目用地形成的開挖面，不僅劇烈地改變了原地表形態(tài)，而且為土壤侵蝕提供了侵蝕面，導(dǎo)致土壤流失量迅速增加，已成為影響山區(qū)公共安全和工程安全的重大災(zāi)害之一［1-2］;但由于生產(chǎn)建設(shè)項目類型多樣、開挖面坡度大、組成物質(zhì)復(fù)雜，且目前針對開挖面水土流失觀測的資料十分有限，還無法對開挖面造成的土壤流失量進行準確測算，并為決策者、執(zhí)法者提供技術(shù)支持，因此，建立一套有效的開挖面土壤流失量測算方法十分必要，其中，對生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面進行分類是建立該測算方法的前提。

開挖面廣泛存在于礦業(yè)開采、交通運輸、水電工程、城鎮(zhèn)建設(shè)及農(nóng)林開發(fā)等多個行業(yè)用地，有關(guān)其分類，目前已有多位國內(nèi)外學(xué)者進行了探討，并取得了較多成果。宋勝武等［3］針對水電工程，在分析現(xiàn)有開挖邊坡分類的基礎(chǔ)上，建立了新的水電工程用地邊坡分類體系框架;尹志東［4］根據(jù)調(diào)查分析，指出已有邊坡分類的缺點，提出了新的生態(tài)防護工程用地邊坡分類;任偉中等［5］以鄂西北山區(qū)為背景，提出了邊坡綜合分類體系;姜德義等［6］以高速公路工程用地邊坡為對象，依據(jù)地質(zhì)特點，對開挖邊坡進行了分類;劉明維等［7］根據(jù)巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面特點，提出了開挖邊坡分類方法;A.S.Al-Homoud 等［8］從邊坡穩(wěn)定性分析角度，對Jordan 內(nèi)高速公路用地的邊坡進行了分類;L.Pantelidis［9］建立了巖石邊坡質(zhì)量分類體系;A.Taheri 等［10］在邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，建立了巖石邊坡穩(wěn)定率分類體系;S.K.Das 等［11］基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在計算預(yù)測安全因子的基礎(chǔ)上，對開挖邊坡進行了分類。然而，現(xiàn)有成果多是以開挖邊坡穩(wěn)定為宗旨而進行的分類，以開挖面土壤流失量測算為目的進行的分類還鮮有報道，且現(xiàn)有分類體系還難以滿足生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面土壤流失量準確測算的需求。

因此，筆者以我國東部水蝕區(qū)為背景，在大量野外調(diào)查基礎(chǔ)上，通過對不同區(qū)域、不同類型生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面的調(diào)查，總結(jié)分析水蝕區(qū)開挖面特征及水土流失特性，建立以土壤流失量準確測算為目的的開挖面分類體系，并把該體系與現(xiàn)有工程用地邊坡分類體系進行比較，為構(gòu)建科學(xué)、合理、適用的水蝕區(qū)開挖面土壤流失量測算方法奠定基礎(chǔ)，并為開挖面水土流失防治提供技術(shù)和理論支撐。

1 調(diào)查范圍與對象

調(diào)查范圍主要集中于我國東部水蝕區(qū)，涉及北方土石山區(qū)、東北黑土區(qū)、西南土石山區(qū)及南方紅壤區(qū)等4 大典型區(qū)域，累計調(diào)查開挖面120 余個，涵蓋了鐵路、公路、電廠、水電站、水庫、跨流域調(diào)水、工廠、煤礦、房地產(chǎn)、堤防整治等10 余種生產(chǎn)建設(shè)項目用地。其中:北方土石山區(qū)以河北省為典型區(qū)域，以該區(qū)域內(nèi)的南水北調(diào)工程用地為對象，調(diào)查了包括石家莊市、鹿泉市、元氏縣及高邑縣在內(nèi)的南水北調(diào)工程開挖面28 個;東北黑土區(qū)以黑龍江省為典型區(qū)域，以該區(qū)域內(nèi)的鶴崗—哈爾濱高速公路的伊春—綏化段及達連河煤礦用地為對象，調(diào)查開挖面27個;西南土石山區(qū)以貴州省為典型區(qū)域，以該區(qū)域內(nèi)的遵畢高速、福泉電廠、高鐵貴陽南編組站、天門河水庫、遵寶鈦業(yè)有限公司廠址、華電塘寨電廠運灰公路、索風(fēng)營水電站、高速路龍里收費站及遵義縣洗煤廠用地為對象，調(diào)查開挖面31 個;南方紅壤區(qū)以江西省為典型區(qū)域，以該區(qū)域內(nèi)的撫吉高速、唱凱堤整治工程、鳳凰工業(yè)園、北際醫(yī)用塑膠業(yè)(江西)有限公司廠址、楓林印象房地產(chǎn)開發(fā)建設(shè)項目、撫州市桐源鄉(xiāng)民營磚廠、恒大綠洲房地產(chǎn)開發(fā)建設(shè)項目、石虎塘杭電樞紐工程、萬載縣花塘村煤礦、向蒲鐵路、宜明公路、宜豐縣萬國礦業(yè)新莊銅鉛鋅礦等用地為對象，調(diào)查開挖面37 個。調(diào)查區(qū)域的地貌類型及GPS定位圖可參見文獻［2］。

2 調(diào)查內(nèi)容與方法

調(diào)查時間主要集中于2010 年3 月—2011 年11月，調(diào)查內(nèi)容主要包括開挖面所處的行政區(qū)劃、地理位置、所在工程項目名稱等位置參數(shù)，開挖面的物質(zhì)組成、母質(zhì)、土層厚度、坡長、坡度、土石比、侵蝕形式、形成時間、侵蝕量等特征參數(shù)，以及開挖面上部的匯水面積、植被覆蓋度、所在局部區(qū)域地形等環(huán)境參數(shù)。各參數(shù)的調(diào)查方法如下。

1)位置參數(shù)。行政區(qū)劃由行政區(qū)劃圖直接查得，地理位置利用手持GPS 直接測得，開挖面所屬工程項目名稱由向參與工程建設(shè)的施工、設(shè)計、監(jiān)理等單位咨詢而得。

2)特征參數(shù)。開挖面的物質(zhì)組成、母質(zhì)依據(jù)經(jīng)驗判別，土層厚度、坡長利用卷尺或手持測距儀直接測量，坡度利用手持坡度儀測得，土石比(體積比)由開挖面內(nèi)多個典型單位面積內(nèi)土壤與石塊面積比的平均值換算得出，侵蝕形式由開挖面所處狀態(tài)依據(jù)經(jīng)驗判別(分為重力侵蝕和水力侵蝕2 類)，侵蝕時間由向參與工程建設(shè)的施工、設(shè)計、監(jiān)理等單位或周邊居民咨詢而得，侵蝕量由侵蝕體積與侵蝕土壤干密度的乘積而得(其中侵蝕體積由單位寬度內(nèi)直接測算的侵蝕體積與開挖面寬度的乘積計算得出，侵蝕土壤的干密度由采集的土壤樣品帶回實驗室后經(jīng)烘干稱量測得)。

3)環(huán)境參數(shù)。匯水面積由測高、測距儀的量測結(jié)果經(jīng)幾何計算而得，植被覆蓋度由開挖面頂部植被現(xiàn)狀依據(jù)經(jīng)驗判別，所在局部區(qū)域地形特點由開挖面周邊地形特點依據(jù)經(jīng)驗判別而得。

3 開挖面分類體系構(gòu)建

3.1 分類目的

對生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面進行分類，是為了打破區(qū)域和生產(chǎn)建設(shè)項目類型的界限，建立普適性的開挖面土壤流失量測算模型和方法，快速、準確地獲取不同類型開挖面土壤流失量，為定量化評價生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面水土流失危害并進行水土流失防治提供依據(jù)。

3.2 分類原則

根據(jù)分類目的和開挖面野外調(diào)查結(jié)果，對生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面進行分類時，應(yīng)堅持概括性原則、簡單性原則及普適性原則。

1)概括性原則。分類應(yīng)可以代表所有的生產(chǎn)建設(shè)項目類型，突破以生產(chǎn)建設(shè)項目類型為分類基礎(chǔ)的局限，即無論公路、鐵路、火電廠、水電站，其工程建設(shè)過程中所形成的開挖面均可在開挖面的分類體系中找到相應(yīng)的類型。

2)簡單性原則。生產(chǎn)建設(shè)項目開挖面的分類，應(yīng)簡單易懂，既適用于水土保持科研人員，也適用于水行政主管部門，同時還必須讓基層水土保持工作人員容易接受;如果分類體系過于復(fù)雜，則操作性差，適用范圍變窄。

3)普適性原則。開挖面的分類應(yīng)適用于全國范圍內(nèi)不同水土流失類型區(qū)，即北方土石山區(qū)、東北黑土區(qū)、西南土石山區(qū)及南方紅壤區(qū)均可采用同一分類體系。

3.3 分類依據(jù)

根據(jù)野外調(diào)查，生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面的土壤流失以水力侵蝕為主，重力侵蝕較少，且由于重力侵蝕量可直接通過現(xiàn)場測量計算而得;因此，本文所指的開挖面侵蝕主要是水力侵蝕。在進行開挖面分類時，分類依據(jù)主要考慮開挖面的野外調(diào)查結(jié)果及影響開挖面土壤流失的主控因子。

1)開挖面野外調(diào)查結(jié)果。圖1 給出了我國水蝕區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面不同特征參數(shù)的野外調(diào)查結(jié)果?？梢钥闯?對于坡度而言，主要分布于30°～70°之間，該坡度的開挖面占到了樣本總數(shù)的70%(圖1(a));對于坡長而言，小于10 m 的最多，占樣本總數(shù)的48.15%，10 ～20 m 之間的占28.40%，而大于100 m 的只占1.23%(圖1(b));土層厚度小于0.1 m 的占26.0%，在0.1 ～0.5 m 之間的占15.6%，在0.5 ～1.0 m 之間的占11.7%，大于1 m 的占46.8%(圖1(c));土壤干密度變化范圍在1.00 ～1.74 g/cm3之間，其中在1.40 ～1.60 g/cm3之間的占41%，大于1.60 g/cm3的約占9%(圖1(d));對于石質(zhì)比例而言，小于20%的樣本占49.35%(圖1(e));開挖面形成時間一般在1 ～36個月，個別樣本在數(shù)年以上，其中形成時間小于6 個月的所占比例最高，達37.1%，形成時間超過36 個月的最少(圖1(f))?？梢姡瑢τ谖覈鴸|部水蝕區(qū)而言，生產(chǎn)建設(shè)項目產(chǎn)生的開挖面以坡度位于30°～70°之間、坡長小于10 m、土層厚度大于1 m、土壤干密度介于1.40 ～1.60 g/cm3之間、開挖時間小于36個月的土質(zhì)開挖面為主。

2)影響開挖面土壤流失量的主控因子?？傮w而言，影響土壤流失量的主要因素有上墊面因素和下墊面因素［12］;但由于開挖面一般具有形成時間短、坡度大、土體裸露、易遭水力侵蝕等特點，因此，影響開挖面土壤流失的因素，除了上述2 方面因素之外，還應(yīng)包括開挖面形成時間。對于開挖面而言，上墊面因素主要包括降雨強度、降雨歷時等參數(shù)，下墊面因素主要包括開挖面上方匯水面積、植被覆蓋度、開挖面物質(zhì)組成、土層厚度、坡度、坡長、土石比等參數(shù)，其中，上方匯水面積反映上方來水對開挖面土壤流失量的影響，植被覆蓋度反映上方植被對來水的阻礙情況，進而影響開挖面的土壤流失量。

3.4 分類體系

以生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面野外調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合開挖面分類的目的，考慮影響開挖面土壤流失量的主控因子，按照開挖面分類原則，提出生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面分類體系，如圖2 所示。根據(jù)圖2，生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面分類體系可依次劃分為3 個層次，第1 層次為均質(zhì)開挖面和非均質(zhì)開挖面，第2 層次為有匯水影響開挖面和無匯水影響開挖面，第3 層次為非穩(wěn)定開挖面與穩(wěn)定開挖面。

1)第1 層次。根據(jù)開挖面的質(zhì)地與物質(zhì)組成，把開挖面分為均質(zhì)面和非均質(zhì)面。①均質(zhì)面是指整個坡面物質(zhì)組成相對均勻的開挖面，可為土質(zhì)面、石質(zhì)面或土石均勻混合的面。此類開挖面如為未風(fēng)化的母質(zhì)或基巖時，一般水力侵蝕程度較小;但如果母質(zhì)或基巖風(fēng)化強烈，質(zhì)地疏松，則易發(fā)生水力侵蝕。②非均質(zhì)面是指整個坡面呈現(xiàn)出明顯的分帶或分塊特征，物質(zhì)組成非均勻分布的開挖面，一般頂部有一定厚度的熟土層，下部為生土層、母質(zhì)或基巖。此類開挖面在土壤侵蝕過程中，頂部如有熟土層，則該層是主要的侵蝕對象，也是土壤流失的主體，而下部的生土層、母質(zhì)或基巖往往不易被侵蝕。

圖2 水蝕區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面分類體系Fig.2 Classification system of the artificially excavated surfaces in water erosion areas

2)第2 層次。根據(jù)開挖面上方有無來水，把開挖面分為無匯水影響開挖面和有匯水影響開挖面。①當(dāng)開挖坡面頂部越過分水嶺，或在坡面頂部有人工截水溝、天然截水溝等截水措施，開挖面不受坡面頂部以上的來水沖刷時，稱為無匯水影響開挖面。對于此類開挖面，其侵蝕外營力主要來自于坡面上的降雨及其形成的徑流。②當(dāng)開挖坡面頂部未越過分水嶺，且坡面頂部無人工截水溝或天然截水溝等截水措施，開挖面受坡面頂部以上的匯流來水沖刷時，稱為有匯水影響的開挖面。有匯水影響時，水流集中從開挖面流出，水流流速加大，剪切力增加，水流對開挖面的沖刷作用增強，從而引起開挖面土壤流失量增大。此時，其侵蝕外營力主要來源于坡面降雨及其形成的徑流，以及上方匯流來水的沖刷。

3)第3 層次。根據(jù)開挖面形成的時間，把開挖面分為非穩(wěn)定面和穩(wěn)定面。①非穩(wěn)定面指開挖面形成時間較短(一般不足1 年)，降雨對坡面上土壤流失量有明顯影響的開挖面。對于此類開挖面中的新開挖面而言，由于坡面剛剛形成，土體中原有應(yīng)力釋放與調(diào)整明顯，坡面土體應(yīng)變處于快速變化之中，一遇降雨，土壤流失量一般較大;同時，由于新開挖面一般由機械開挖而成，坡面上形成大量的機械抓痕，在水力侵蝕過程中，對水流歸槽起到了一定的促進作用，水流流速加大，易形成滾波，進而加劇了坡面土壤流失。②穩(wěn)定面指開挖面形成時間至少在1 年以上，經(jīng)過了至少一個完整雨季水力侵蝕的開挖面。此類坡面基本穩(wěn)定，再經(jīng)過新的雨季，一般不會產(chǎn)生嚴重的土壤流失，或土壤流失量基本趨于穩(wěn)定。

4 與現(xiàn)行工程用地邊坡分類體系的比較

為了深入探討本開挖面分類體系的適用性，筆者從分類目的、原則、依據(jù)及結(jié)果等方面對該分類體系與現(xiàn)行工程用地邊坡分類體系進行比較與分析。

從分類目的來看，現(xiàn)行工程用地邊坡分類多在于綜合概括邊坡的特征，反映邊坡在內(nèi)外地質(zhì)營力作用下的變形破壞規(guī)律，以便為邊坡的勘察、評價、預(yù)測和防治提供指導(dǎo);而本文對開挖面分類的目的在于，打破生產(chǎn)建設(shè)項目區(qū)域性和類型的界限，建立普適性的開挖面土壤流失量測算模型和方法，為生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面水土流失監(jiān)督執(zhí)法提供技術(shù)支撐，邊坡的穩(wěn)定性分析不是分類的主要目的。

從分類原則來看，現(xiàn)行工程用地邊坡分類多遵循針對性原則(分類必須與工程本身密切聯(lián)系，體現(xiàn)與工程的關(guān)系)、本質(zhì)性原則(抓住能揭示邊坡本質(zhì)，突出巖性、坡體結(jié)構(gòu)及變形特征的主要因素)、層次性原則(依據(jù)邊坡高度、坡度等進行一般性分類)及系統(tǒng)性原則(建立多指標、多層次的分類體系);而本文在進行開挖面分類時遵循概括性原則、簡單性原則及普適性原則。

從分類依據(jù)來看，現(xiàn)行工程用地邊坡分類多考慮高邊坡的穩(wěn)定性，而本文構(gòu)建的開挖面分類體系是依據(jù)我國東部水蝕區(qū)內(nèi)不同類型的生產(chǎn)建設(shè)項目用地多個開挖面的實地調(diào)查結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上考慮了影響開挖面土壤流失的主控因子。

從分類結(jié)果來看，現(xiàn)有工程用地邊坡可從邊坡成因角度分類，也可從邊坡物質(zhì)組成、巖體結(jié)構(gòu)、坡高和坡度、巖層走向與坡面走向關(guān)系等角度分類，同時，也可從邊坡變形與破壞等角度進行分類;因此，采用不同的分類方法，邊坡分類結(jié)果差異較大。而本文構(gòu)建的開挖面分類體系僅分為3 個層次，不僅簡單，具有易操作性，而且符合多數(shù)水土保持工作者對開挖面進行識別、分類及判斷的思維和習(xí)慣。

總體而言，現(xiàn)行工程用地邊坡分類不僅多而復(fù)雜，而且多是為了分析邊坡的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性，沒有考慮坡面上土壤流失的特點及影響因素。本文針對生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面，構(gòu)建的分類體系，不僅打破了現(xiàn)有工程用地邊坡分類中以工程類別為基礎(chǔ)的制約，而且結(jié)合我國東部水蝕區(qū)大量生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面土壤流失特點的實地調(diào)查結(jié)果，綜合考慮了影響開挖面土壤流失的主控因子，為建立生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面土壤流失量測算模型和方法奠定了重要的基礎(chǔ)。

5 分類體系在土壤流失量預(yù)測中的應(yīng)用

分類體系在用于生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面土壤流失量預(yù)測時，主要是據(jù)此進行土壤流失量測算模型和方法的構(gòu)建以及開挖面類型的判斷和測算模型的選擇。本文主要針對開挖面土壤流失量測算模型和方法構(gòu)建的思路及開挖面類型判別和測算模型選擇的思路提出建議，對于測算模型構(gòu)建的具體過程和計算使用方法，筆者將另文分析。

利用該分類體系構(gòu)建開挖面土壤流失量測算模型和方法時，應(yīng)采用由簡單到復(fù)雜，逐步修正遞進的方式。首先，針對均質(zhì)、無匯水影響的非穩(wěn)定面中的新開挖面及穩(wěn)定面分別建立土壤流失量測算的基礎(chǔ)模型和方法。其次，考慮開挖面頂部匯水影響，并對基礎(chǔ)模型和方法進行修正，建立均質(zhì)、有匯水影響的非穩(wěn)定面中的新開挖面和穩(wěn)定面土壤流失量測算的模型與方法。最后，針對非均質(zhì)開挖面，可先把非均質(zhì)面劃分為若干個小的均質(zhì)面，并對各均質(zhì)面選用前述相應(yīng)的模型和方法進行土壤流失量測算，然后把針對各均質(zhì)面測算的土壤流失量進行累加，即可得出非均質(zhì)面的土壤流失總量。其中，均質(zhì)、無匯水影響開挖面土壤流失量測算的基礎(chǔ)模型和方法構(gòu)建的思路為:①沿開挖面坡度方向，以單位寬度開挖面的土壤流失量為對象，采用理論分析、降雨模擬實驗及數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法，建立半經(jīng)驗的單位寬度開挖面土壤流失量測算模型;②對于整個開挖面的土壤流失量，可由開挖面寬度與單位寬度開挖面土壤流失量的乘積，并考慮開挖面的形狀，進行形狀系數(shù)修正而得。

當(dāng)利用本文構(gòu)建的分類體系進行開挖面類型判別時，應(yīng)遵循逐層遞進的原則。首先根據(jù)開挖面的質(zhì)地和物質(zhì)組成，判斷開挖面是否為均質(zhì)面;其次根據(jù)開挖面頂部的截水情況，判斷開挖面是否受上方匯水的影響;最后根據(jù)開挖面的形成時間，判斷開挖面是否為穩(wěn)定面?？梢?，利用此分類體系判別開挖面類型時，無須進行復(fù)雜的現(xiàn)場測量或室內(nèi)實驗分析，只要具備一般的專業(yè)知識即可完成。一旦開挖面的類型確定，就可以選擇相應(yīng)的測算模型與方法，并利用測得的開挖面特征與環(huán)境參數(shù)，計算土壤流失量，進而以此為基礎(chǔ)，為開挖面水土流失監(jiān)督執(zhí)法提供依據(jù)，為開挖面水土流失防治提供支撐。

6 結(jié)束語

在對我國東部的東北黑土區(qū)、北方土石山區(qū)、西南土石山區(qū)及南方紅壤區(qū)等典型水蝕區(qū)內(nèi)多個不同類型生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面進行實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，按照概括性、簡單性及普適性3 原則，考慮開挖面土壤流失的特點及影響因素，提出了新的開挖面分類體系。該分類體系劃分為3 個層次:第1 層次按照質(zhì)地與物質(zhì)組成，把開挖面分為均質(zhì)面和非均質(zhì)面;第2 層次根據(jù)開挖面上方有無來水，把開挖面分為無匯水影響開挖面和有匯水影響開挖面;第3層次按照開挖面形成的時間，把開挖面分為非穩(wěn)定面和穩(wěn)定面。

利用該分類體系構(gòu)建開挖面土壤流失量測算模型和方法時，可首先針對均質(zhì)、無匯水影響的開挖面，構(gòu)建開挖面土壤流失量測算的基礎(chǔ)模型和方法;然后考慮開挖面頂部匯水影響，對基礎(chǔ)模型和方法進行修正，建立均質(zhì)、有匯水影響的開挖面土壤流失量測算模型與方法。對于非均質(zhì)面，可先把非均質(zhì)面劃分為若干個均質(zhì)面，然后對各均質(zhì)面選用前述相應(yīng)的模型和方法進行土壤流失量測算，最后把各均質(zhì)面測算的土壤流失量累加，即可得到非均質(zhì)面的土壤流失總量。

本文提出的開挖面分類體系，不僅打破了生產(chǎn)建設(shè)項目區(qū)域性和行業(yè)性的界限，適應(yīng)于不同區(qū)域、不同類型生產(chǎn)建設(shè)項目用地開挖面的類型劃分，為構(gòu)建開挖面土壤流失量測算模型與方法奠定了重要基礎(chǔ)，而且便于在基層水土保持工作者中進行普及和推廣;但該分類體系僅是針對水蝕區(qū)的，對于在風(fēng)蝕區(qū)、凍融侵蝕區(qū)等其他侵蝕區(qū)內(nèi)的應(yīng)用，還需要對其適用性作進一步的分析和探討。