於孟元，趙忠偉

(1.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，南京 210024； 2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210024)

1 研究背景

水土流失預(yù)測是水土保持方案編制的重點與難點[1]，對指導(dǎo)生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失防治與監(jiān)測具有重要意義[2]。類比法是目前最廣泛使用的水土流失預(yù)測方法，具有直觀快速、簡單易行等優(yōu)點[3-4]，但也存在明顯的缺陷，主要表現(xiàn)在：①由于生產(chǎn)建設(shè)項目類型和地域分布的差異，很多項目難以獲取理想的水土流失預(yù)測類比資料；②目前水土流失監(jiān)測仍在初始階段，監(jiān)測資料的連續(xù)性和代表性較差，使得類比法的修正系數(shù)取值空間和彈性較大[5-6]；③水土流失預(yù)測的基礎(chǔ)是在工程建設(shè)擾動地表后，未采取水土保持措施等最不利條件下，預(yù)測可能造成的水土流失量及其危害，而在實際施工過程中，水土流失監(jiān)測資料一般會受到水土保持措施布設(shè)的影響，從而對類比資料的適用性構(gòu)成一定限制。

2018年10月，水利部批準發(fā)布了《生產(chǎn)建設(shè)項目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL 773—2018)[7](以下簡稱《導(dǎo)則》)?！秾?dǎo)則》適用于水力和風力作用下生產(chǎn)建設(shè)項目土壤流失量的事前預(yù)測、事中監(jiān)測和事后計算，為生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失預(yù)測提供了一個全新的數(shù)學(xué)模型方案。其適用性與測算效果亟需在實踐中進行檢驗。

表1 土壤流失類型劃分Table 1 Classification of soil erosion types

高速公路工程具有線路長、占地廣、土石方工程量大、擾動類型多樣等特點[8-10]，工程建設(shè)伴隨大量的土石方開挖填筑，地表的劇烈擾動，導(dǎo)致沿線地形地貌、土壤結(jié)構(gòu)與景觀生態(tài)遭到極大破壞，造成大量水土流失，對土地資源的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益構(gòu)成嚴重威脅[11-13]。本文以西南地區(qū)某高速公路工程為例，運用《導(dǎo)則》，對項目水土流失情況進行預(yù)測，并與類比法計算結(jié)果進行對比分析，以驗證《導(dǎo)則》對于高速公路工程的適用性，為《導(dǎo)則》的進一步完善提供參考，也可為高速公路工程水土流失預(yù)測工作提供借鑒。

2 項目區(qū)概況

某高速公路地處重慶市江津區(qū)境內(nèi)，建設(shè)內(nèi)容包括路基、橋梁、隧道、互通立交、附屬設(shè)施、施工便道、施工營地、棄渣場等，占地面積518.83 hm2，其中永久占地437.77 hm2，臨時占地81.06 hm2。項目挖方922.31萬 m3，填方528.38萬 m3，棄方393.93萬 m3，無借方。

項目地處低山丘陵區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，多年平均降水量為1 031 mm；土壤以紫色土為主；植被類型為亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，工程沿線林草植被覆蓋率約45%。公路所經(jīng)過地區(qū)為以水力侵蝕為主的西南紫色土區(qū)，沿線土壤侵蝕背景值為1 184 t/(km2·a)。

3 基于《導(dǎo)則》測算土壤流失量

3.1 預(yù)測范圍與時段

根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持技術(shù)標準》(GB 50433—2018)[14]，水土流失預(yù)測范圍為項目水土流失防治責任范圍。其中，自然恢復(fù)期的預(yù)測范圍不含建筑物占地、地面硬化和水域面積。

該項目為建設(shè)類新建項目，其水土流失預(yù)測時段分為施工期(含施工準備期)和自然恢復(fù)期。該項目總體建設(shè)工期為3.2 a(含施工準備期0.2 a)，施工結(jié)束后即進入自然恢復(fù)期。自然恢復(fù)期為施工擾動結(jié)束后，不采取水土保持措施的情況下，土壤侵蝕強度自然恢復(fù)到擾動前土壤侵蝕強度所需要的時間。該項目位于濕潤區(qū)，自然恢復(fù)期取2.0 a。

3.2 劃分擾動單元

3.2.1 劃分土壤流失類型

根據(jù)擾動類型的不同，劃分各防治分區(qū)不同土壤流失部位的土壤流失類型，具體見表1。

3.2.2 劃分擾動單元

根據(jù)《導(dǎo)則》，按照防治分區(qū)一致、擾動方式相同、擾動強度相仿、土壤類型和質(zhì)地相近、氣象條件相似、空間上相連續(xù)的原則劃分擾動單元。據(jù)此，結(jié)合工程設(shè)計文件和現(xiàn)場調(diào)查資料，將該項目劃分為1 906個擾動單元，包括一般擾動地表擾動單元158個、工程開挖面擾動單元1 681個、工程堆積體擾動單元67個。

3.2.3 確定各擾動單元規(guī)模

按照擾動面積、挖方量、填方量的大小，分別將一般擾動地表、工程開挖面及工程堆積體擾動單元劃分為大、中、小3個規(guī)模。

3.3 確定典型擾動單元

該項目擾動單元較多，宜以抽樣方式確定典型擾動單元。抽樣時，按大、中、小規(guī)模分別抽樣，抽樣數(shù)量為同一類型下同等規(guī)模擾動單元數(shù)量的10%，且涉及的各種類型和規(guī)模的擾動單元至少選取1個。各分區(qū)雖然存在某同一土壤流失類型，但由于擾動方式與強度的差異，土壤流失強度可能不同。因此，為確保典型擾動單元的代表性，且便于后續(xù)各防治分區(qū)土壤流失量的統(tǒng)計計算，宜在不同的防治分區(qū)、不同擾動類型框架下分別抽樣。最終，抽樣得到典型擾動單元205個。

3.4 劃分計算單元

根據(jù)現(xiàn)場查勘和實驗測定的相關(guān)信息，按照擾動方式、坡度、坡長、地表覆蓋、土壤類型和質(zhì)地、氣象條件等參數(shù)相對一致的原則，在主體工程設(shè)計圖件上，將選定的205個典型擾動單元進一步劃分為701個生產(chǎn)建設(shè)項目土壤流失類型三級分類對應(yīng)的計算單元。具體情況見表2。

表2 計算單元劃分Table 2 Classification of calculation units

3.5 施工期土壤流失量計算

3.5.1 單元土壤流失量計算

該項目所涉及計算單元較多，本文以路基工程區(qū)挖方邊坡某上方無來水工程開挖面計算單元為例，計算土壤流失量。根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL 773—2018)，上方無來水工程開挖面計算單元土壤流失量計算公式為

Mkw=RGkwLkwSkwA。

(1)

式中：Mkw為上方無來水工程開挖面計算單元土壤流失量(t)；R為降雨侵蝕力因子(MJ·mm/(hm2·h))；Gkw為上方無來水工程開挖面土質(zhì)因子(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))；Lkw為上方無來水工程開挖面坡長因子；Skw為上方無來水工程開挖面坡度因子；A為計算單元的水平投影面積(hm2)。

已知該計算單元所處區(qū)域多年平均降雨資料，降雨侵蝕力因子R取值為多年平均降雨侵蝕力因子Rd，并確定該計算單元土壤流失量計算周期為1 a。多年平均降雨侵蝕力因子Rd的計算公式為

Rd=0.067Pd1.627。

(2)

式中Pd為多年平均降雨量(mm)。

該計算單元所在地區(qū)多年平均降雨量為1 031 mm，土壤質(zhì)地為壤土，實地坡長15 m，所處坡度為45°，占地面積22.98 m2。結(jié)合該計算單元施工期侵蝕時長，即預(yù)測時段，經(jīng)計算，該計算單元施工期內(nèi)土壤侵蝕量為0.24 t，詳見表3。

3.5.2 典型擾動單元土壤流失量計算

典型擾動單元中各計算單元的土壤流失量之和即為該典型擾動單元的土壤流失量。據(jù)此，計算各防治分區(qū)共205個典型擾動單元的土壤流失量。

3.5.3 項目施工期土壤流失量計算

首先計算各土壤流失類型下各規(guī)模典型擾動單元土壤流失量平均值；然后將各類型和規(guī)模的擾動單元數(shù)量與相應(yīng)的典型擾動單元土壤流失量平均值相乘，各乘積之和即為項目施工期土壤流失量。

3.6 自然恢復(fù)期土壤流失量計算

施工擾動結(jié)束即進入自然恢復(fù)期，在不采取水土保持措施的情況下，土壤侵蝕強度將自然恢復(fù)到擾動前土壤侵蝕強度。在計算施工期各計算單元土壤流失量的同時，可得到各計算單元的土壤侵蝕模數(shù)。基于此，該項目各計算單元自然恢復(fù)期第1年土壤侵蝕模數(shù)取值為施工期土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕背景值的平均值，第2年土壤侵蝕模數(shù)取土壤侵蝕背景值。根據(jù)各計算單元確定的土壤侵蝕模數(shù)，結(jié)合計算單元的面積、預(yù)測時段等綜合預(yù)測土壤流失量，從而確定項目自然恢復(fù)期土壤流失量。

項目總土壤流失量即為施工期土壤流失量與自然恢復(fù)期土壤流失量之和。

表3 某上方無來水開挖面計算單元土壤流失量計算結(jié)果Table 3 Calculated result of soil erosion from a calculation unit in bare slope due to excavation of projectin the absence of upslope runoff

表4 預(yù)測項目與類比工程水土流失因子對照Table 4 Comparison of soil and water loss factors between the predicted project and the analogy project

4 采用類比法測算土壤流失量

采用類比法測算項目土壤流失量時，類比工程選取地理位置臨近、建設(shè)規(guī)模相仿的某同類型高速公路工程。經(jīng)類比，2個項目的土壤流失類型與方式、氣候、植被、土壤、地形地貌、水土保持概況、施工工藝等水土流失主要影響因子均相同或相近，在土壤侵蝕方面具有較強的類比性，對比情況見表4。類比項目水土保持監(jiān)測單位按照有關(guān)技術(shù)規(guī)程，對類比項目施工期和自然恢復(fù)期的水土流失狀況進行了系統(tǒng)的監(jiān)測，監(jiān)測資料滿足類比需求。因此，可以類比工程的水土流失監(jiān)測資料為依據(jù)，在此基礎(chǔ)上對土壤侵蝕模數(shù)進行修正，預(yù)測該項目土壤流失量。

根據(jù)各分區(qū)土壤侵蝕模數(shù)修正值，結(jié)合項目各分區(qū)擾動時長、擾動面積，按照式(3)即可測算項目土壤流失量。

(3)

式中：W為土壤流失量(t)；j為預(yù)測時段，j=1，2，即指施工期和自然恢復(fù)期2個階段；i為預(yù)測單元，i=1，2，3，…，n-1，n；Fji為第j預(yù)測時段、第i預(yù)測單元的面積(km2)；Mji為第j預(yù)測時段、第i預(yù)測單元的土壤侵蝕模數(shù)(t/(km2·a))；Tji為第j預(yù)測時段、第i預(yù)測單元的預(yù)測時段長(a)。

5 結(jié)果和討論

5.1 水土流失預(yù)測分析

利用《生產(chǎn)建設(shè)項目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL 773—2018)對該項目進行水土流失預(yù)測，結(jié)果表明，該項目施工期和自然恢復(fù)期共計產(chǎn)生土壤流失量106 772.41 t，其中施工期土壤流失量81 135.05 t，自然恢復(fù)期土壤流失量25 637.36 t。

采用傳統(tǒng)類比法對該項目進行水土流失預(yù)測，結(jié)果表明，該項目施工期和自然恢復(fù)期共計產(chǎn)生土壤流失量121 795.43 t，其中施工期土壤流失量115 190.76 t，自然恢復(fù)期土壤流失量6 604.67 t。計算結(jié)果詳見圖1。

圖1 工程土壤流失量測算結(jié)果Fig.1 Calculation result of soil and water loss

2種方法的計算結(jié)果均表明，項目區(qū)經(jīng)施工擾動后，土壤流失量最大的區(qū)域為路基工程區(qū)、附屬設(shè)施區(qū)和棄渣場區(qū)，其次為施工便道區(qū)，其余各分區(qū)土壤流失量相對較小。因此，路基工程區(qū)、附屬設(shè)施區(qū)和棄渣場區(qū)為項目水土流失防治和監(jiān)測的重點區(qū)域。項目區(qū)施工擾動后，土壤侵蝕活動主要發(fā)生在施工期，2種方法計算得到的施工期土壤流失量分別占流失總量的76.0%和94.6%，因此，施工期的雨季為項目水土流失防治和監(jiān)測的重點時段。

對比2種方法的土壤流失量計算結(jié)果，土壤流失量相差較大的區(qū)域主要為路基工程區(qū)和隧道工程區(qū)，施工期相差分別達到46.4%和61.9%；其余分區(qū)計算結(jié)果較為接近，施工期土壤流失量相差均在19.2%以內(nèi)。這是由于路基工程區(qū)和隧道工程區(qū)擾動區(qū)域土壤流失類型大多為工程開挖面，而通過工程開挖面測算模型得到的土壤侵蝕模數(shù)，與類比法獲取的相應(yīng)區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)相差較大。

以路基工程區(qū)某特定土壤質(zhì)地的挖方邊坡為例，利用該導(dǎo)則計算不同坡長計算單元的土壤侵蝕模數(shù)(圖2)。工程開挖面計算單元土壤侵蝕模數(shù)與坡度呈正相關(guān)，主體工程設(shè)計中土質(zhì)挖方邊坡的最大坡比為1∶1，只有當計算單元坡長<6 m時，土壤侵蝕模數(shù)才會接近類比法中的土壤侵蝕模數(shù)取值(8 885 t/(km2·a))。而實際上，大部分挖方邊坡坡長在10 m以上，考慮到面積權(quán)重的因素，整個挖方邊坡工程開挖面的土壤侵蝕模數(shù)相比類比法中的土壤侵蝕模數(shù)較小。

圖2 某挖方邊坡土壤侵蝕模數(shù)隨坡長變化曲線Fig.2 Curves of soil erosion modulus of anexcavated slope varying with slope length

究其原因，按照《導(dǎo)則》工程開挖面土壤流失量測算公式進行推導(dǎo)可知，工程開挖面土壤侵蝕強度與計算單元坡長呈負相關(guān)，而國內(nèi)外研究學(xué)者對坡長和侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系研究的結(jié)果表明，坡長對土壤侵蝕的影響較為復(fù)雜，甚至部分研究成果顯示，土壤侵蝕強度與計算單元坡長呈正相關(guān)關(guān)系[15]。根據(jù)朱顯謨[16]的研究成果，坡長與土壤侵蝕的關(guān)系，往往因土壤抗蝕抗沖性能的差異、地面坡度、降雨情況等因素的變化而呈現(xiàn)不同的相關(guān)關(guān)系，且多數(shù)情況下，坡長與土壤侵蝕強度呈正相關(guān)關(guān)系。蔡強國[17]的研究結(jié)果也表明，坡面單位面積侵蝕量隨坡長的增加，呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。此外，文安邦等[18]在長江上游紫色土坡耕地區(qū)域的研究表明，相同坡度條件下，土壤侵蝕強度與坡長呈正相關(guān)，這是由于短坡坡地上的土壤侵蝕形態(tài)以濺蝕為主，長坡坡地因坡面徑流匯集路徑的增加，其土壤侵蝕形態(tài)既有坡面頂部的濺蝕，又在坡面中下部形成細溝或淺溝侵蝕，侵蝕強度增強。因此，《導(dǎo)則》工程開挖面土壤流失量測算公式中土壤流失量與坡面坡長的負相關(guān)單一定量關(guān)系，是造成測算結(jié)果偏差的一個重要原因。

5.2 《導(dǎo)則》的應(yīng)用分析與評價

《導(dǎo)則》的確立源于大量生產(chǎn)建設(shè)項目工作實踐，測算模型基本涵蓋生產(chǎn)建設(shè)項目各種擾動類型。相比于類比法從宏觀層面分區(qū)確定土壤侵蝕模數(shù)，《導(dǎo)則》從更微觀層面著手，將生產(chǎn)建設(shè)項目拆分為不同土壤流失類型的計算單元后再行計算土壤流失量，計算結(jié)果更具科學(xué)意義。

本文所選取的山地丘陵區(qū)高速公路工程具有線路長、占地面積大、擾動類型多樣等特點，項目施工期共計1 906個擾動單元，在進行典型擾動單元抽樣后，結(jié)合主體工程設(shè)計圖件將其劃分為205個計算單元，每個計算單元需獲取其擾動方式、坡度、坡長、占地面積、地表覆蓋、土壤類型和質(zhì)地、氣象條件等參數(shù)，現(xiàn)場調(diào)查、統(tǒng)計計算工作相對較為繁雜，不利于控制水土保持方案編制工作的進度。而對于占地規(guī)模較小、擾動方式單一、施工范圍更集中的點狀工程，《導(dǎo)則》的實施相對便捷，實用性更強。此外，《導(dǎo)則》對于工程堆積體規(guī)模與特性具有一定的限制。根據(jù)規(guī)定，工程堆積體計算單元土壤侵蝕模數(shù)測算方法僅適用于坡長在15 m以內(nèi)的堆積體。而山區(qū)高速公路工程棄渣場數(shù)量多、規(guī)模大、占地廣[19-20]，普遍存在單級邊坡坡長>15 m的情形。因此，為增強《導(dǎo)則》的實用性，工程堆積體計算單元土壤流失量測算模型有待進一步修正完善。

6 結(jié)論與展望

本文基于《導(dǎo)則》，對西南地區(qū)某高速公路建設(shè)進行水土流失預(yù)測，將項目劃分為1 906個擾動單元，抽樣獲取典型擾動單元后，結(jié)合主體工程設(shè)計圖件劃分得到205個計算單元，逐一計算其土壤流失量后，經(jīng)類比疊加得到項目總土壤流失量。另外采用類比法測算項目土壤流失量，與《導(dǎo)則》進行對比分析。分析結(jié)果表明：

(1)該項目路基工程區(qū)、附屬設(shè)施區(qū)和棄渣場區(qū)的土壤流失量最大，該部分區(qū)域應(yīng)被列為水土流失防治和監(jiān)測的重點區(qū)域；大部分土壤流失發(fā)生在施工期，應(yīng)確定施工期的雨季為項目水土流失防治和監(jiān)測的重點時段。

(2)采用《導(dǎo)則》與類比法得到的土壤流失量測算結(jié)果差異主要表現(xiàn)在工程開挖面區(qū)域，其余土壤流失類型下的測算結(jié)果差異較小。

(3)《導(dǎo)則》在線型工程水土流失預(yù)測中的運用稍顯繁雜，而對于點狀工程具有更強的實用性。《導(dǎo)則》的運用可以較好地反映項目土壤流失情況，計算結(jié)果具有較強的科學(xué)意義，可以為生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失防治與監(jiān)測提供重要的參考價值。同時，《導(dǎo)則》對于工程堆積體的規(guī)模與特性存在一定的限制，為增強其實用性，建議對測算模型進一步修正完善。