開發建設項目水土流失中水損失的預測

張 鴻

(西平縣水利局，河南西平 463900)

開發建設項目水土流失，是因人類在生產建設活動中對地表或地下強烈擾動破壞而造成的水土資源和土地生產力的破壞和損失，是強度很大的人為侵蝕［1］，水土資源損失包括了水的損失和土壤流失。開發建設項目水土流失預防和治理的水土保持工作主要是預防、監督，其中的水土保持方案報告制度確立了開發建設項目水土保持方案編制的地位。然而在編制水土保持方案時，由于實踐和研究的限制，使得開發建設項目水土流失預測特別是水損失預測存在概念不完善的問題，進而導致水土保持方案編制中水損失預測缺項和預測量缺失［2－3］。

為了給開發建設項目水土保持設計提供科學依據，有必要完善水損失的概念及內涵，合理預測水土流失中的水損失。

1 開發建設項目水損失的概念及內涵

自然界中的水分布在大氣圈、地表水圈、地下水圈，3個圈帶中的水通過降水、蒸發、入滲、徑流4種基本形式完成相互轉換，在一定時間內水體之間的循環轉換會保持相對均衡［4］。

水文地質單元是具有統一補給邊界和補給、徑流、排泄條件的地下水系統。對開發建設項目而言，所涉及的區域與地下水系統基本不重合，因此我們要確定的水損失預測單元只能按開發建設項目區范圍和下墊面狀況劃分，在進行具體預測時還應結合水土流失分區進行劃分。

我們把每個預測單元看成是獨立的水文地質單元，每個單元內水分均衡，總量一定，除了接受降水外自成一個封閉的空間。參考已有文獻［5］，并將預測單元劃分原則完善為:同一預測單元內的原地形地貌、氣候特征、產匯流特點、徑流系數、實際蒸發、入滲系數一致;同一預測單元內項目建成后下墊面狀況、產匯流和水循環特征、徑流系數、入滲系數、實際蒸發一致;同一預測單元應集中連片。

對開發建設項目水損失，有論述為:項目水文地質單元中的水均衡轉換關系被建設項目人為干擾活動所破壞，造成儲存量減少，流出量增加，增加的流出量即為損失量，包括水的質和量兩個方面［3］。該論述將項目區看成是一個水文地質單元，流失量僅對項目區內有影響，對項目區外無影響，顯然不合適。開發建設項目水損失應考慮全面影響，對水損失應從入滲、蒸發、徑流3個方面進行分析才準確，開發建設項目打破了項目區水自身的均衡，對項目區內外造成了影響，進而形成水損失。開發建設項目水損失就是項目水文地質單元中的水均衡轉換關系被建設項目人為干擾活動所破壞，造成徑流加大、蒸發量減小、入滲量減小，其增減的量即為損失量，包括水的質和量兩個方面。

2 開發建設項目水損失分析及預測

2.1 徑流損失

開發建設活動改變了項目區下墊面的狀況，使地表徑流量發生了變化，可以將項目建成后地表水輸出量與項目區原生地貌條件下地表水輸出量之差值看作徑流損失。結果是正值則說明產生了水損失，是負值則說明治理措施發揮了防止徑流損失的作用。對于水土保持生態建設工程，徑流損失的計算結果可能為負值，其絕對值的大小反映了工程措施的防治效果。

徑流系數法計算徑流損失的公式為

式中:Ww為項目建成后年徑流損失量，m3/a;i為預測單元，i=1，2，3，…，n;Fi為第 i個預測單元的面積，km2;Pi為項目區年降水量，mm;ai為第i個預測單元項目建成后自然恢復期的地表徑流系數;a0i為第i個預測單元原狀地表徑流系數。

2.2 入滲損失

開發建設活動改變了原生地表狀況，使降水入滲情況發生了變化，甚至破壞了入滲途徑，可以將項目區原生地貌條件下地表平均入滲水量與項目建成后地表平均入滲水量之差值看作入滲損失。計算入滲損失有益于進行項目區降水蓄滲工程設計。

降水入滲系數法計算入滲損失公式為

式中:WF為項目建成后年入滲損失量，m3/a;i為預測單元，i=1，2，3，…，n;Fi為第 i個預測單元的面積，km2;Pi為項目區年降水量，mm;fi為第i個預測單元項目建成后自然恢復期的降水入滲補給系數;f0i為第i個預測單元原狀地表降水入滲補給系數。

降水入滲補給系數等于降水入滲補給地下水的水量Q與降水量P的比值，它與潛水埋深、包氣帶巖性、降水、地形等條件有關。計算降水入滲補給系數的公式為

式中:f為降水入滲補給系數;μ為給水度;Δh為年內各次降水入滲補給形成的地下水位升幅，mm;P年為年降水量，mm。

2.3 蒸發損失

將原地貌年均實際蒸發量與項目建成后年均實際蒸發量之差值看作蒸發損失。計算結果是正值說明項目區水土保持措施起了作用，可依此評價措施的合理性;如果是負值則說明產生了損失，即蒸發損失。由水量平衡原理推導出蒸發損失的計算公式為

式中:WE為項目建成后年蒸發損失量，m3/a;i為預測單元，i=1，2，3，…，n;Fi為第 i個預測單元的面積，km2;Pi為項目區年降水量，mm;βi為第i個預測單元項目建成后自然恢復期的平均蒸發系數;β0i為第i個預測單元原狀地貌平均蒸發系數。

由于流域或區域下墊面情況比較復雜，所以流域或區域實際蒸散量的計算是一個需要不斷深入研究的難點。目前關于實際蒸散量的估算方法有多種，主要有水量平衡法、水熱平衡法、互補相關法，而利用衛星遙感并結合模型模擬研究非均勻陸面上的蒸散量是一個新的趨勢。項目區蒸發是水面蒸發、土壤蒸發、植物散發的綜合值，一般難以直接觀測。當有多年平均降水和徑流時可按水量平衡原理推求多年平均蒸發量，多年平均蒸發系數則可由下式推出［6］:

式中:αp為多年平均徑流系數;βp為多年平均蒸發系數。

2.4 水損失預測應注意的主要問題

(1)預測范圍。開發建設項目水損失預測的范圍，以項目水土保持方案確定的占地和擾動范圍為準;疏干水項目預測范圍還應包括疏干水積聚和影響的區域［5］。

(2)預測時間。有關水損失的預測，不宜類似土壤流失量預測那樣分不同時段進行，只需對項目建成后平均每年損失量作粗略估算即可。對于疏干水項目，如果投產后規模不斷擴大、疏干水量逐步增加，則需根據實際情況分階段進行預測［4］。

(3)預測參數的確定。根據目前的氣象水文試驗和研究工作現狀，有很多涉及年降水量、徑流系數、入滲系數、蒸發系數的實測、試驗、科研成果，因此開發建設項目水土保持方案編制人員可以參考相似工程及下墊面的數據。年降水量可參考當地氣象部門多年平均降水量值，線性工程按實際跨區分別取值;項目區原地貌以及植被恢復期的徑流系數、入滲系數、蒸發系數，則需參考相關資料和數據，并結合實地調查和專家估判，開展必要的試驗，綜合分析確定。

確定水文地質參數的方法一般有經驗數據法、經驗公式法、室內試驗法和野外試驗法4種，降水入滲系數、給水度、蒸發系數、徑流系數均可以利用以上4種方法取得。如降雨入滲系數可用動態分析法、水量平衡法求得，在地下水水平排泄微弱的平原地區，降水后補給潛水的水量引起地下水位上升，利用地下水自記水位計或其他儀器能準確測得降水后地下水位上升幅度值，地下水位上升幅度值和水位變動帶給水度值的乘積大致等于降水入滲補給量，降水入滲補給量除以同期的降水量即得降水入滲補給系數。當計算時段內有數次降水時，將每次降水引起的地下水位上升幅度相加，再乘以給水度，除以該時段的總降水量，即可得到該時段的降水入滲補給系數。在地下水水平徑流強的山區或山前地區，該法不適用，此時可有計劃地布置5個以上的觀測孔，同時觀測地下水水位，用有限單元法或有限差分法近似計算降水入滲補給量，再求出降水入滲補給系數;如能在一個閉合流域設置地下水平衡試驗場，則可通過實測各平衡要素，求得降水入滲補給系數。每次降水后，將實測的降水量減去實際蒸發量、植物截留量、坑塘河溝攔蓄量、地表徑流量、包氣帶土壤含水量的增量等，即可求得降水入滲補給量，進而求得降水入滲補給系數。也有用地中滲透儀觀測資料［7］、鉆孔資料［8］、地中蒸滲儀觀測資料［9］、回歸分析方法推求［10］等取得了較為翔實的資料數據;對于實際蒸發量的研究也有理論方面的實例，如楊遠東的多年平均陸面蒸發量的計算［11］、沈行毅的下墊面蒸發量的計算［12］，都為我們獲取相關數據提供了科學可行的方法。

3 實例分析

深圳星河雅寶科技創新園項目占地約20.34 hm2，項目總投資30億元，工期4年，為深圳市2011年重大項目。根據現狀調查，參考深圳市當地水文數據參數，對本項目水損失進行預測:本項目水損失預測劃分為兩個分區，原生地貌均按雜填土碾壓裸地間有雜草，建成后地貌有房屋建筑區(0.176 km2)、綠地區(0.027 km2)。深圳地區多年平均降雨量為1 966 mm。由本文公式可計算出徑流損失、蒸發損失、入滲損失分別為6.27萬、2.10 萬、2.27 萬 m3/a，總的水損失為 10.64 萬 m3/a，見表1。

表1 星河雅寶科技創新園項目水損失估算 m3/a

由表1可看出，本項目的建設造成了每年10.64萬m3的水損失，其中徑流損失占58.9%，蒸發損失占19.7%、入滲損失占21.4%。建設項目引起的水資源問題、生態問題對城市可持續發展以及人類本身的發展都有重要的影響。由本文提出的概念和公式計算可知，開發建設項目實施引起的水損失主要表現在徑流加大、蒸發量減小、入滲量減小等幾個方面。在實際項目水損失估算中，按上述公式計算會出現負值、零、正值3種不同結果，若出現負值則表示項目措施起到了防止水損失的作用;若出現零則表示項目措施維持了原狀水均衡狀態;若出現正值則表示項目產生了水損失，下一步可以根據水損失預測結果以及水資源利用來設計防治水損失的具體措施。

4 結語

水土流失水損失的預測分析，目前只是處于探索實踐階段，鑒于城市建設項目、疏干水項目及排水項目水損失途徑不一樣，因此只能采用定量預測與定性預測相結合的方法來進行。由于缺少可供參考的文獻和資料，本文旨在補充提出有關水損失的看法和設想以進行交流。同時，由于水土流失預測方法的選取及其參數的確定都具有很強的地域性，因此，為做好開發建設項目水土保持方案編制工作，提高水土保持方案編制的技術質量，進一步為水土保持工作提供科學的設計依據，需要我們加大研究力度，利用技術和理論創新，開展必要的科學試驗，為水土流失預測分析的成熟完善奠定基礎。

［1］李智廣.開發建設項目水土保持監測［M］.北京:中國水利水電出版社，2008:24－31.

［2］趙永軍.開發建設項目水土保持方案編制技術［M］.北京:中國大地出版社，2007:200－202.

［3］朱太芳.開發建設項目水土保持方案編制要考慮水流失［J］.中國水土保持，2006(6):8 －10.

［4］楊成田.專門水文地質學［M］.北京:中國地質出版社，1981:8－10.

［5］趙永軍，孫順蒂，王云璋.開發建設項目水流失量預測及其方法探討［J］.人民黃河，2007，29(5):48－49.

［6］梁學田.水文學原理［M］.北京:水利電力出版社，1992:9－11.

［7］王雪松，姚先.地中蒸滲儀降水入滲補給系數分析研究［J］.安徽水利水電職業技術學院學報，2006，6(3):19 －21.

［8］陳引鋒，王愛玲.利用鉆孔資料確定降雨入滲系數［J］.地下水，2008，30(1):37 －39.

［9］周旻，靳孟貴，魏秀琴，等.利用地中滲透儀觀測資料進行降雨入滲補給規律分析［J］.地質科技情報，2002，21(1):37－40.

［10］梁文彪.應用回歸分析方法推求降水入滲補給系數［J］.地下水，2002，24(2):72 －73，81.

［11］楊遠東.多年平均陸面蒸發量的計算［J］.地理研究，1987，6(4):62 －69.

［12］沈行毅.下墊面蒸發量的計算［J］.中國農業氣象，1981(3):18－24.