新建寶蘭客運(yùn)專線鐵路施工期水土流失預(yù)測(cè)

郭 麗

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

新建寶雞至蘭州客運(yùn)專線自西寶客運(yùn)專線寶雞南站引出后，經(jīng)關(guān)中盆地西部，溯渭河及其支流而上，穿行于西秦嶺中山區(qū)、河谷階地及黃土高原丘陵溝壑梁峁區(qū)，經(jīng)天水、秦安、通渭、定西后，穿越華家?guī)X及車道嶺，經(jīng)榆中進(jìn)入蘭州盆地至終點(diǎn)蘭州西站，全長(zhǎng)400.57 km［1］。線路所經(jīng)大部分地區(qū)黃土溝壑縱橫，梁峁起伏，生態(tài)環(huán)境惡劣，對(duì)建設(shè)工程擾動(dòng)十分敏感。

目前用于鐵路建設(shè)期水土流失預(yù)測(cè)的方法主要有經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法、工程類比侵蝕模數(shù)法、數(shù)學(xué)模型法等，其中最常用的是類比侵蝕模數(shù)法［2］。類比侵蝕模數(shù)法簡(jiǎn)單易行、節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，能較準(zhǔn)確地進(jìn)行定性或準(zhǔn)定量預(yù)測(cè)，但尚難以進(jìn)行精確的定量預(yù)測(cè)［3］。本文根據(jù)線路沿線水土流失現(xiàn)狀，采取類比侵蝕模數(shù)法預(yù)測(cè)鐵路建設(shè)可能造成的水土流失總量，并分析水土流失危害。

1 土壤侵蝕現(xiàn)狀

采用2008年的2.5 m SPOT 5影像，從1∶1萬(wàn)的地形圖上選取控制點(diǎn)及相應(yīng)精度的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)圖像處理，參考鐵路沿線的地形圖、土地利用圖及其它土壤侵蝕相關(guān)資料，分析了土壤侵蝕的類型、地形坡度、植被覆蓋度、地表組成物質(zhì)等影響因素。根據(jù)遙感資料判釋，鐵路沿線0～5 km范圍，主要為水力侵蝕，伴有重力侵蝕。土壤侵蝕強(qiáng)度分為微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度及以上5級(jí)。寶蘭客運(yùn)專線線路沿線5 km范圍內(nèi)的土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從表1可知:線路兩側(cè)0～300 m范圍內(nèi)，中度侵蝕面積占30.3%，輕度侵蝕和強(qiáng)度侵蝕面積分別占16.9%和15.4%;300～500 m，500～1 000 m 及1 000～5 000 m范圍內(nèi)，主要為中度侵蝕，比率分別為31.1%，30.4%，35.8%。中度、強(qiáng)度和輕度侵蝕面積占總面積的60%左右。由此可見(jiàn)，線路兩側(cè)侵蝕強(qiáng)度主要為中度。

2 施工期水土流失預(yù)測(cè)

2.1 類比工程選取

隴海線寶雞至蘭州段增建二線與寶蘭客運(yùn)專線基本處一個(gè)交通走廊帶中，在地形地貌、降雨、植被類型及覆蓋度、土壤類型及抗蝕性、水土流失現(xiàn)狀等方面具有相似性及可類比性，見(jiàn)表2。故選取隴海線寶雞至蘭州段增建二線作為類比工程，預(yù)測(cè)寶蘭客運(yùn)專線鐵路施工期水土流失量。

表2 隴海線寶雞至蘭州段增建二線工程與新建寶雞至蘭州客運(yùn)專線工程對(duì)比分析

2.2 土壤侵蝕模數(shù)的確定

根據(jù)類比工程施工期水土流失調(diào)查監(jiān)測(cè)報(bào)告，沿線河谷盆地區(qū)、南隴山與西秦嶺北緣中山區(qū)和黃土高原丘陵溝壑梁峁區(qū)三大地貌單元內(nèi)的路基坡面、棄土棄渣場(chǎng)和施工場(chǎng)地在施工期造成的侵蝕模數(shù)可達(dá)到3 500～10 500 t/(km2·年)。另外，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，隧道口占地范圍內(nèi)侵蝕模數(shù)與路基工程填挖形成的侵蝕模數(shù)相當(dāng)，施工場(chǎng)地與橋梁工程、站場(chǎng)工程占地范圍的侵蝕模數(shù)相當(dāng)。

擬建工程大部分地段與類比工程地形地貌相似，類比工程監(jiān)測(cè)年未發(fā)生洪澇災(zāi)害，降水接近多年平均降水量，但擬建工程所經(jīng)的秦安縣、通渭縣靠近走廊北部，植被覆蓋度低，土壤侵蝕現(xiàn)狀高于類比工程所經(jīng)的武山縣、甘谷縣和隴西縣。經(jīng)綜合分析及參考《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》［4］，將該段施工期的土壤侵蝕模數(shù)按1.1倍修正，其它段落不予修正，見(jiàn)表3。

表3 類比工程與擬建工程侵蝕模數(shù)對(duì)比

2.3 水土流失量計(jì)算

2.3.1 計(jì)算方法

根據(jù)《開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》［5］相關(guān)規(guī)定，土壤流失量可按下式計(jì)算

式中:W為土壤流失量，t;Fji為某時(shí)段某單元的預(yù)測(cè)面積，km2;Mji為某時(shí)段某單元的土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·年);Tji為某時(shí)段某單元的預(yù)測(cè)時(shí)間，年;i為預(yù)測(cè)單元，i=1，2，3，……，n;j為預(yù)測(cè)時(shí)段，j=1，2，分別指施工準(zhǔn)備期和施工期。

新增土壤流失量ΔW為

式中:ΔMji為某時(shí)段某單元的新增土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·年)，只計(jì)正值，負(fù)值按0計(jì)。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

各地貌單元在施工期可能造成的土壤侵蝕總量見(jiàn)表4，各工程類型在施工期可能造成的土壤侵蝕總量見(jiàn)表5。

表4 各地貌單元在施工期可能造成的土壤侵蝕總量

表5 各工程類型在施工期可能造成的土壤侵蝕總量

從表4可知:按地貌單元?jiǎng)澐郑庸扰璧貐^(qū)、南隴山與西秦嶺北緣中山區(qū)和黃土高原丘陵溝壑梁峁區(qū)土壤侵蝕比率分別為2.6%，11.0%，86.4%;從表5可知:按工程類別劃分，施工期棄土棄渣場(chǎng)水土流失量最大，為309 598 t，新增流失量為214 626 t，占總流失量的56.9%。

從表4、表5可知:在不采取任何水土保持措施的情況下，鐵路建設(shè)在施工期(含施工準(zhǔn)備期)可能造成的水土流失總量約58.1萬(wàn)t，新增流失量約37.7萬(wàn)t;工程建設(shè)中的新增流失量主要來(lái)源于黃土高原丘陵溝壑梁峁區(qū)的棄土棄渣場(chǎng)。這為后期工程水土流失防治確定了重點(diǎn)防護(hù)區(qū)段和重點(diǎn)防護(hù)工程類型。

3 水土流失危害分析

根據(jù)鐵路沿線的環(huán)境特征及工程特點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及工程分析，施工期可能造成的水土流失危害主要有以下幾個(gè)方面:

1)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

線路路基和橋梁兩側(cè)主要為農(nóng)田和園地，鐵路建設(shè)將加劇沿線的水土流失，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活產(chǎn)生一定的不利影響。若橋涵設(shè)計(jì)不能滿足行洪要求，可能沖刷或淤積農(nóng)田。

2)侵占河道

本工程具有橋隧相連、開(kāi)挖量大、棄渣量大、棄渣困難、施工場(chǎng)地狹窄等特點(diǎn)，施工中若出渣工序不當(dāng)或臨時(shí)擋護(hù)措施不到位，在汛期，大量棄渣可能流失到沿線的河道內(nèi)，甚至形成泥石流危及下游水利水保基礎(chǔ)設(shè)施和居民安全。

3)提供水土流失物質(zhì)來(lái)源，加大擾動(dòng)面積

全線的土石方調(diào)配和隧道棄渣的利用是建立在主體土建工程同時(shí)開(kāi)工和嚴(yán)格組織管理基礎(chǔ)上的，若出渣工程與用渣工程不能同時(shí)開(kāi)工或各標(biāo)段施工單位組織管理不到位，可能產(chǎn)生大量的臨時(shí)堆渣場(chǎng)或棄土場(chǎng)，不僅會(huì)給沿線的水土流失提供豐富的物質(zhì)來(lái)源，而且會(huì)加大擾動(dòng)面積。

4)降低土壤肥力，造成土壤貧瘠

工程所經(jīng)地區(qū)土壤抗蝕性差，侵蝕嚴(yán)重，滑坡、崩塌等潛在不良地質(zhì)發(fā)育。路基修筑、路塹開(kāi)挖和路堤填筑形成的人工邊坡，在未進(jìn)行坡面防護(hù)之前，易產(chǎn)生坡面土壤侵蝕，將導(dǎo)致土層變薄，肥力降低，土壤貧瘠，植被恢復(fù)困難，土壤水源涵養(yǎng)能力差。

4 結(jié)語(yǔ)

1)鐵路建設(shè)過(guò)程中，開(kāi)挖坡面、棄土棄渣等會(huì)破壞鐵路沿線的地貌和植被，通過(guò)水土流失預(yù)測(cè)，可確定重點(diǎn)防治區(qū)段和重點(diǎn)防護(hù)工程。

2)對(duì)土壤侵蝕現(xiàn)狀的調(diào)查及預(yù)測(cè)分析，可為鐵路施工期合理設(shè)置棄土棄渣場(chǎng)、有效防治水土流失提供參考數(shù)據(jù)，對(duì)沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及運(yùn)營(yíng)安全具有重要意義。

3)水力侵蝕模數(shù)的確定需耗費(fèi)大量人力、物力，且投資較大，而本文利用既有鐵路的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用類比的方法，對(duì)擬建工程和類比工程的地形地貌、降雨、植被覆蓋度和土壤類型等水土流失影響因子進(jìn)行了比較分析，從而確定了寶蘭客運(yùn)專線的土壤侵蝕模數(shù)，方法簡(jiǎn)捷有效，可供同類工程參考。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路寶雞至蘭州客運(yùn)專線初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2009.

［2］刑亭婷.高速鐵路建設(shè)水土流失預(yù)測(cè)與防治研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.

［3］何東進(jìn)，洪偉，吳承禎.水土保持效能影響因子數(shù)學(xué)模型的初探［J］.福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，19(1):26-29.

［4］中華人民共和國(guó)水利部.SL 190—2007 土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［5］中華人民共和國(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50433—2008 開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.