137Cs示蹤技術在線性工程渣場選址中的應用

茍學強，吳 楊

(四川鐵路產業投資集團路橋勘察設計公司，四川 成都 610041)

137Cs是20世紀50～70年代核試驗過程釋放的人工核素，半衰期為30.1 a，137Cs進入平流層后隨著大氣環流，最終隨降水過程沉降到地表。研究發現137Cs在土壤中主要和黏土顆粒結合，基本不被雨水淋溶和植被攝取，只隨土壤顆粒發生機械遷移，非常適合用來開展土壤侵蝕與沉積的定量及趨勢研究[1-4]。公路和鐵路、輸變電線路、油氣管道等線型工程是涉及國計民生、社會發展的重要基礎設施，近幾十年來隨著大量線型工程的建設，相關區域的生態環境、水環境、地質環境破壞問題也日趨突出，特別是干旱半干旱地區以及生態脆弱區域。以青藏高原為例，該區域的海拔高，生態閾值低，植物生長周期短，生態環境一旦破壞則極難恢復，在這些區域設置的渣場施工期間造成的水土流失可占到工程建設造成水土流失總量的50%以上[5]。因此，這類區域的線型工程建設所導致的水土流失和地質災害問題受到了重視[5-6]。目前，公路、鐵路等線型工程在取棄土場選址過程中多選用容量、地被類型、地質條件等常規指標作為控制要素[7-10]，缺少對渣場所在地域坡面整體侵蝕特征、侵蝕趨勢的定量控制指標[11]。本研究以拉日鐵路曲水區間段為例，探討137Cs示蹤技術在取棄土場選址判定中應用的可能性，以期為相關行業工程棄(土)渣場選址提供新的技術方法。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

拉日鐵路(拉薩—日喀則)位于西藏自治區青藏高原西南部，線路全長252.81 km。本研究涉及的范圍為拉日線渣場集中的曲水至色麥區間段的雅江寬谷區，長45 km，約占線路總長的18%。該段河谷地形開闊，谷寬1～2 km，兩岸一、二級階地發育。河谷兩側山體高大，山體坡面侵蝕劇烈[12-13]。工程建設始于2010年9月，預計2014年9月竣工，工期4 a。

1.2 樣品采集及試驗方法

1.2.1137Cs土壤樣品采集

(1)背景采樣點與目標坡面采樣點布設。土壤樣品采集于曲水縣城附近無名山體(N29°17′49.11＂、E90°32′13.38＂，海拔5 324 m)頂部，該區域地勢平坦，距線位距離約7.2 km，有約40 a的荒地背景，較少受到人為擾動，無明顯侵蝕和沉積現象。在采樣區選擇3個有代表性的自然坡面，每個坡面布置一條樣帶，每條樣帶布設3條采樣線，采取同水平線樣品混合的方式來削減因樣帶布設而造成的誤差[14-16]。3條采樣帶的特征及特征值見表1。

(2)樣品采集。在單一采樣點水平布置3個長100 cm、寬45 cm、深30 cm的土壤剖面，各剖面之間距離不超過2 m[17]。樣品采集時先去掉表層植被及雜物，然后按照0—5、5—10、10—20、20—30 cm距離采集[18]。均勻混合3個點相同層次的樣品即代表樣點該層的樣品。每一水平線地塊共采集4個土壤全樣，同時用環刀采樣以測定土壤容重。

表1 采樣帶特征及特征值

1.2.2 樣品處理與方法

樣品風干、充分研磨、篩分(40目)、稱重，取2 mm以下土壤樣品塑封送至蘭州大學核物理實驗室進行137Cs測定。侵蝕強度按吳楊等研究中得到印證的計算公式[19]

A=A0(1-R)(1-ΔH/H)(N-1963)

式中：A為侵蝕地點的137Cs的面積濃度，Bq/m2；A0為137Cs背景值面積濃度，Bq/m2；R為徑流系數，這里取0.5[20]；H為耕作層厚，這里取0—20 cm；ΔH為年均土壤流失厚度，cm；N為采樣或137Cs測定年份。

1.2.3 拉日線渣場特征及水土保持設計選址分析

通過采樣點137Cs特征值計算樣帶多年平均侵蝕速率，采用實測結合GIS分析方法，獲得研究區內堆渣體所在地系統坡長、坡度特征值。根據項目水土保持方案報告統計研究區內渣場選址情況，分析系統坡長對坡面侵蝕的影響及現渣場選址的合理性。

2 結果與分析

2.1 項目水保方案中渣場選址控制性結論及弊端

項目水土保持方案以地形、植被、民房、地質災害為渣場選址的定性控制要素，除堆渣量、占地面積外無定量控制指標。具體來說，拉日鐵路曲水區間段的渣場，除26#渣場因位于水電站規劃區下游、27#渣場因附近有村莊而增加相關控制因素論證外，其余渣場的控制性結論均與14#—16#的基本相同(詳見表2)。該論證方法存在隨意性強、受主觀因素影響大的弊端，且不具有唯一性和量化性特點，論證時沒有考慮原地水土流失特點對渣場選址判定的影響。

表2 項目水土保持方案報告中研究區段渣場特征及其選址控制性結論

2.2 測點坡面侵蝕特征

實測的3個典型樣帶的土壤侵蝕強度見表3。137Cs本底值1 120 Bq/m2，對照既有西藏一江兩河地區137Cs本底值研究成果[19]，本次試驗測定結果與之基本相符。

從表3可以看出，樣帶侵蝕強度差異性較大。三個樣帶平均侵蝕強度分別為4 287、2 114、2 511 t/(km2·a)，1#樣帶侵蝕強度的異常可能是受坡度影響，與其坡度值位于侵蝕臨界坡度范圍內有關[22-24]。

2.3 基于137Cs示蹤技術的渣場選址坡面元素控制節點判據

1#、2#、3#樣帶坡面侵蝕強度均在坡長400～500 m發生侵蝕強度變異，隨著坡長增加侵蝕強度達到峰值，而后又呈現遞減趨勢，但仍處于較強的侵蝕水平(圖1)。為最大可能地控制侵蝕，降低水土流失危害，將侵蝕強度控制坡長按最低限即400 m進行控制。

表3 典型坡面不同坡長觀測點侵蝕強度

三個代表性坡面在同一坡長值的約束下，其侵蝕強度也存在較大差異。造成該種現象的原因主要是三個坡面的坡度不同[21-22]。因本研究并未進行等步長坡度布點觀測，故坡度影響機制未能得到良好體現。

圖1 典型坡面侵蝕強度隨坡長變化曲線

侵蝕強度拐點可作為渣場選址坡長要素判據之一。曲線趨勢表明坡長介于350～400 m時侵蝕曲線出現陡增并至拐點，以坡度處于25°～35°區間外的2#、3#曲線2 500 t/(km2·a)(輕、中度侵蝕)為響應點，取其坡長值400 m控制。坡度選擇受研究樣帶數量所限，結果未能很好地反映控制指標，這里綜合借鑒已有坡度控制指標，選擇25°～35°[23-24]區間外，避開峰值坡度影響。

2.4 研究區渣場選址合理性判定

判定結果見表4。研究區內14座渣場中，僅14#渣場符合坡長、坡度控制要素，其余各點位均存在不合理要素，合理點位僅占原論證結論的7%。因此，原水土保持方案確定的渣場勢必因存在長期侵蝕隱患而帶來渣體失穩及水溝堵塞風險。

表4 基于核示蹤技術的渣場選址合理性判定

目前拉日鐵路曲水區間段正在建設期，根據研究成果，設計將原有14#—27#渣場中除14#外的其余渣場均按判斷條件重新選址。但在實際點位實施過程中受土地所有權、區域民俗文化等制約，所選點位經進一步核實，19#、20#點位略有偏差。根據目前實施效果，新選點位棄渣穩定。待棄渣行為結束后將采用PVC-樁結構徑流場[25]對其進行侵蝕量觀測，對比各點位尤其是19#、20#差異性點位的侵蝕變異情況，這也是今后研究的一個重要方向和內容。

3 結 語

以鐵路、公路為代表的線型工程，其渣場選址合理性對于區域生態安全尤為重要。137Cs示蹤技術用于線性工程的渣場選址具有可量化性與可操作性，可以作為完善此類工程水保方案編制的定量依據之一。該技術方法還需要更多的理論支撐與實際工程驗證，其理論構建、標準制定與完善及渣體穩定性后期定位監測性檢驗、對比仍是今后研究的重要方向。

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