魏思怡 ，蔡玉如 ，王愛愛 ，吳宇航

（ 1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北 唐山 063210；3.華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山 063210；4.華北理工大學(xué)數(shù)學(xué)建模創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210；5.河北省數(shù)據(jù)科學(xué)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210）

0 引言

南水北調(diào)工程水土流失防治責(zé)任范圍總面積2313.03 hm2，其中包括項(xiàng)目建設(shè)區(qū)2169.42 hm2和直接影響區(qū)153.61 hm2。根據(jù)初設(shè)主體工程施工組織設(shè)計(jì)，項(xiàng)目建設(shè)過程中共動(dòng)用土石方3398.0400 m3。保滄干渠地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。多年平均氣溫一般在12.3℃左右，全年無霜期一般在185～193d。封凍期一般在12月，解凍期一般在2月，最大凍土深度67～78 cm。年日照時(shí)數(shù)為2590～2881 h，多年平均蒸發(fā)量為1755～2230 mm（φ20 cm）。干渠沿線多年平均降水量540.7 mm。降水量年內(nèi)及年際分配不均，豐枯相差懸殊，年內(nèi)降水量的70～80%集中于汛期，多以暴雨形式出現(xiàn)。保滄干渠與眾多河流共交叉了15次。工程區(qū)沿線主要為平原地貌。渠線沿線總體地勢平坦開闊，由西南向東及北東傾斜，渠首至調(diào)壓井地面高程15.4～73.4 m，調(diào)壓井至河間分水口地面高程10.3～15.4 m，調(diào)壓井至大城分水口地面高程2.9～15.4 m。保滄干渠供水線路如圖1所示。

表1 水土流失防治目標(biāo)表Table 1 Target list for soil erosion control

圖1 保滄干渠供水線路圖Fig. 1 Water supply route map of Baocang main canal

1 水土流失防治目標(biāo)

根據(jù)水利部《關(guān)于劃分國家級(jí)水土流失重點(diǎn)防治的公告》和《河北省人民政府關(guān)于劃分水土流失重點(diǎn)防治區(qū)的公告》，項(xiàng)目區(qū)屬于一般水土流失防治區(qū)。項(xiàng)目區(qū)水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)同水土保持方案報(bào)告書，采用二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1]。各項(xiàng)防治目標(biāo)見表1。

1.1 土地侵蝕動(dòng)力因素的分析

當(dāng)土壤的外力作用大于其本身所具有的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)，土壤的結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞。外力的作用不斷增加時(shí)，土壤因子的物理狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而發(fā)生位移，通俗講土壤受到了侵蝕。在管道的施工中，使土壤產(chǎn)生侵蝕的主要因素是：重力、水力、風(fēng)力、凍融以及人為的作用。

1.2 水利管道工程建設(shè)中水土流失的預(yù)測分析

管道施工的過程中需要對(duì)土方進(jìn)行挖掘，開挖建筑物地基、頂管施工、管道開挖等對(duì)管線附近的地理環(huán)境產(chǎn)生了破壞，在施工范圍里的農(nóng)田和土壤會(huì)造到破壞，水土流失量也會(huì)增加[2-5]。因此需要對(duì)管道施工引起的水土流失量進(jìn)行估算和預(yù)測，和原有地貌的水土流失量對(duì)比分析后決定是否需要進(jìn)行治理和防護(hù)。若需要防護(hù)，依據(jù)估算的水土流失量制定方案。

預(yù)測內(nèi)容一般分為管溝的開挖，棄土場、建筑物的基坑開挖，可能發(fā)生的水土流失的危害，生活的駐地等破壞原地貌、植被、土地以及破壞的水土保持的面積和數(shù)量，有可能產(chǎn)生的棄渣量和流失量等，將其總結(jié)為以下三方面：

（1）擾動(dòng)面積。擾動(dòng)面積分為：原土地地貌、植被覆蓋面積以及破壞土地，包括一般主體工程區(qū)，施工營地、穿河流段的主體工程區(qū)、臨時(shí)堆土區(qū)、棄渣場的項(xiàng)目建設(shè)區(qū)和直接影響區(qū)的占地面積。

（2）水土流失量預(yù)測。以管道工程施工期內(nèi)水土流失的誘發(fā)因素為基礎(chǔ)，水土流失基本上發(fā)生在以下兩個(gè)方面：一是因?yàn)榻ㄖ锘?、管溝開挖等使得水土侵蝕的速度加快，使得水土大量流失；二是因?yàn)楣こ讨械臈壨翖壴牟缓侠矶逊旁黾恿怂亮魇Я俊?duì)水土流失估算時(shí)，考慮的前提是施工期間沒有做任何的防護(hù)措施。對(duì)棄土棄渣區(qū)的水土流失的預(yù)測依據(jù)于管道建設(shè)中對(duì)土石方量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算分析棄土棄渣區(qū)的土方量，綜合考慮各因素，用年侵蝕量預(yù)測模型計(jì)算水土流失量，最終預(yù)測出水土流失量。

（3）預(yù)測水土流失的危害。管道施工對(duì)農(nóng)田的影響主要表現(xiàn)在以下方面：一是隨著降雨的持續(xù)，田中的泥土?xí)_進(jìn)在農(nóng)田里施工的管道線管溝里，但管溝里并不存在排水設(shè)備，就使得泥沙慢慢積累，農(nóng)田土壤顆粒和土地肥力流失；二是被破壞的農(nóng)田有一部分泥土被雨水沖刷形成了黃泥水，流入附近的田地形成了沙壓農(nóng)田。

表2 平均降雨量Table 2 Average rainfall

表3 侵蝕模數(shù)取值表Table 3 Erosion modulus table

表4 各區(qū)域面積Table 4 The regional area

1.3 年侵蝕量預(yù)測模型參數(shù)確定

水土流失預(yù)測主要用的通用水土流失的方程式：E=Re×K×Ls×C×P。

其中，Re是土壤侵蝕的動(dòng)力因子，和降雨有關(guān)，和施工無關(guān)，即在工程期間數(shù)值是固定的，計(jì)算的公式是式中，j為月份數(shù)；為月平均降雨量（單位：mm）；Q為年平均降雨量（單位：mm）。統(tǒng)計(jì)保定市近幾年的降雨量，選擇近五年的降雨量，取其平均值，預(yù)測年平均降雨量是552.9 mm，月平均降雨量的如表2所示。

由公式得出Re=201.3，這個(gè)值適應(yīng)于全部的敏感區(qū)域。

K取值為土壤遇到侵蝕時(shí)候的敏感度，和有機(jī)物的含量、土壤的粒度有關(guān)。K取值小于0.4，表示農(nóng)田里的土壤表層有正常的中度滲透速度和細(xì)的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)；K取值在0.42～0.46時(shí)，表明已施工到表層以下的土壤具有中慢的滲透速度和塊狀或是片狀的結(jié)構(gòu)；根據(jù)實(shí)際情況對(duì)敏感區(qū)域賦值。

Ls表示地面的坡度和地表徑流長度的函數(shù)關(guān)系，公式是式中，λ為侵蝕的坡面長；θ為侵蝕的坡面坡度；m為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。管道建設(shè)時(shí)段不同敏感區(qū)其地形因子也不同，計(jì)算得各個(gè)敏感區(qū)地形因子取值結(jié)果。

C取值大小表明了植被的覆蓋情況和土壤的侵蝕關(guān)系。保滄段南水北調(diào)工程在建設(shè)的期間，把地表上的植被全部移除了，所以地表無植被，C的值是1.0。

P為保持措施因子。通過工程措施對(duì)地面進(jìn)行處理以體現(xiàn)水土流失控制的效果。根據(jù)實(shí)際情況P的取值結(jié)果。

依據(jù)以上因子取值的計(jì)算，對(duì)最終侵蝕模數(shù)計(jì)算得出各個(gè)敏感區(qū)的侵蝕模數(shù)，結(jié)果見表3。

1.4 水土流失敏感區(qū)的面積確定

保定市的南水北調(diào)配套工程，其總面積為12.20 km2。各區(qū)域面積詳情如表4所示。

1.5 水土流失量的預(yù)測分析

（1）預(yù)測時(shí)段。水土的流失預(yù)測時(shí)段分為施工期和恢復(fù)期，時(shí)間均為1年。

（2）棄渣量預(yù)測。棄渣來源于管道建設(shè)開挖出來的，沒有被利用的棄土，或是泵站拆除原道路的棄渣等，合計(jì)295600 m3，工程沿線的棄渣場地的面積是0.15 km2。

（3）新增加水土流失的預(yù)測。

①確定預(yù)測參數(shù)。在施工和恢復(fù)期間由于人為因素造成土壤大面積裸露，土壤被侵蝕的程度變得更加嚴(yán)重。由表5可以看出，穿河流段的主體工程區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最大，水土流失情況最為嚴(yán)重，其次便是臨時(shí)堆土區(qū)和棄渣場，一般主體工程區(qū)、工程管理區(qū)、臨時(shí)街道，最后是施工營地，水土流失情況最輕。

表5 項(xiàng)目區(qū)水土流失量預(yù)測分析表Table 5 Prediction and analysis table of soil and water loss in project area

②施工期間水土流失量的預(yù)測分析。查閱文獻(xiàn)可知，2011年保定市的土壤侵蝕程度是微度侵蝕，侵蝕模數(shù)在0～200 t/km2·a 范圍里，擾動(dòng)的面積為12.20 km2，所以每年原地貌的水土流失量在0～2440 t。結(jié)合各個(gè)區(qū)域的侵蝕模數(shù)和面積，計(jì)算得出最后的水土流失量，結(jié)果見表5。

預(yù)測時(shí)段中原地貌每年產(chǎn)生水土流失量0～2440 t，工程期產(chǎn)生的水土流失總量為8922.55 t，由此，建設(shè)期的水土流失量是原地貌的3.67倍。

比較施工期各個(gè)敏感區(qū)的水土流失量，發(fā)現(xiàn)一般主體工程區(qū)水土流失量最大，占比達(dá)48%，其次是臨時(shí)推土區(qū)，占比達(dá)36%。這兩個(gè)區(qū)域相應(yīng)的恢復(fù)期的水土流失量也是最大的，在施工中，要注意這兩個(gè)區(qū)域水土流失的防御和治理。水土流失量預(yù)測圖如圖2所示。

圖2 水土流失量預(yù)測圖Fig.2 The amount of soil erosion prediction

2 水土流失防治措施體系

水土流失防治措施體系需針對(duì)工程建設(shè)中的土方開挖、土方回填以及施工生產(chǎn)生活區(qū)修建、施工道路擾動(dòng)等具體情況，因地制宜采取水土流失防治措施。水土保持措施布局見圖3。

圖3 水土保持措施體系圖Fig. 3 System diagram of soil and water conservation measures

3 結(jié)論

（1）本文研究的水土流失工程建設(shè)項(xiàng)目不涉及水土保持監(jiān)測站網(wǎng)、長期試驗(yàn)示范區(qū)、政府公告滑坡泥石流區(qū)等，工程建設(shè)基本不存在水土保持制約性因素，基本符合水利部184號(hào)文和開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，該項(xiàng)目建設(shè)可行。

（2）本文提出的建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)方案在工程布置、土石方平衡等方面，均能夠貫徹落實(shí)水土保持法律法規(guī)，并采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)手段，盡可能減少占地、減少廢棄土石方，同時(shí)采取植物措施，減少水土流失現(xiàn)象的發(fā)生。施工生產(chǎn)生活區(qū)以及施工時(shí)序等基本符合水土保持的要求。

（3）從水土保持角度分析本文研究的項(xiàng)目建設(shè)不存在水土保持制約性因素，其建設(shè)是可行的。