基于工程設計經驗的表土保護與利用設計流程優化及思考

張雪楊，馬 力，郭鎰維，葉 歡，張 新，田紅衛

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.云南省滇中引水工程建設管理局，云南 昆明 650021)

水土保持是指防治水土流失，保護、改良和合理利用水土資源，建立良好生態環境的工作。其常規措施包括運用農、林、牧、水利等綜合措施，如修筑梯田、植樹種草，以及修筑谷坊、塘壩和開挖環山溝等，借以涵養水源，減少地表徑流，增加地面覆蓋，防止土壤侵蝕。根據上述定義可知，水土保持工作需要保護土壤，重點是保護優質表土的質量(即肥力)和數量。

2010年12月25日，《中華人民共和國水土保持法》得到修訂，增加了“對表土進行分層剝離、保存和利用”等內容。2019年9月24日，水利部水利水電規劃設計總院《關于印發水利水電工程水土保持技術規范(SL 575—2012)補充技術要點(試行)的通知》(水總環〔2019〕635號)，該文件新增“表土保護與利用設計”篇章，要求設計人員必須分別劃定表土剝離范圍及土地整治范圍，對不適宜剝離表土的區域要布置表土保護措施。

上述法律法規對表土保護與利用工作做了詳細詮釋，具有重要意義。然而，我們認為上述內容仍存在改良的空間。①迄今為止，在法律條款和水利水電及水土保持專業的工程規范中，均沒有就“如何界定表土的可剝離性”做出具體說明，即無法根據明確的標準或方法，確定可剝離表土量。因此，有必要補充界定表土可剝離性的標準或方法。②在設計工作開始前，根據灰箱模型，項目區內的表土供求關系(即可剝離表土量與表土需求量的數量關系)，表土的土壤農化性質是否達到能直接用作覆土的要求，是否存在改良土壤(包括表土培肥和土壤熟化)的必要性，以及項目區周圍是否存在可靠的外購表土來源等問題，是不可知的。如果出現“可剝離表土量≥表土需求量”的情況，則難以參照既定的章節設置進行正向設計。因此，有必要首先確定實際的表土剝離量、表土供求關系、是否需要進行表土改良及土壤熟化等問題。

在本研究中，我們根據實際的設計成果，就上述問題進行探討，并提出參考性的建議。

1 現行規范中的表土章節及其邏輯

水總環〔2019〕635號文對水利水電工程水土保持方案報告書的提綱做出了更新。其中，新提綱第8章的標題為“表土保護與利用設計”。筆者認為，上述章節的設計思路如下：

(1)調查項目區內表土資源的詳細分布情況。根據調查的結論，選擇某種評價體系，確定項目區內可剝離表土的范圍及表土的可利用量。

(2)根據主體工程設計及水土保持設計，確定工程所需的覆土范圍及覆土量。

(3)以“項目區內表土儲量≥表土可剝離量≥表土需求量”為既定前提，確定實際的表土剝離量，設計表土平衡，包含表土的剝離、調配、臨時堆存及防護方案。根據既定的前提，設計人員無需考慮表土數量不足，或表土質量較差、不能直接作為覆土的情況。

(4)根據(3)的結論，明確實際剝離表土的用途。部分不剝離表土的區域存在現有生態條件較差、受施工擾動程度較大、容易引發水土流失等特點，對這部分區域設計保護措施。

在土地整治工程的規范中，例如《土地開發整理項目規劃編制規程》(TD/T 1011—2016)和《土地整治項目規劃設計規范》(TD/T 1012—2016)，鮮有涉及表土利用與保護問題的內容。在高標準農田項目的規范中，《高標準農田建設通則》(GB/T 30600—2014)僅對土壤改良進行了原則性的說明，無其他內容。在土地復墾工程的規范中，按項目類型，《土地復墾技術標準(試行)》(UDCTD—2011)分別對四種復墾項目的覆土工藝設定標準，對復墾土地質量的檢驗設置了測試指標，制定了評價復墾效果的初步流程，但是該流程內容簡單，可執行性差。《土地復墾方案編制規程第I部分：通則》(TD/T 1031.1—2011)設置了土壤損毀預測、土壤復墾適宜性評價、確定復墾目標和選定復墾標準等環節，要求設計人員選取地力評價因子，結合特爾斐法和層次分析法，通過對地力評價因子的加權計算，獲得每個評價單元的綜合地力指數(IFI)，但是該方法的工作量極大，且缺少評分細則，評分結果的主觀性較強，因此客觀性較差。

綜上所述，在表土保護與利用工作中，非水土保持專業的行業規范均存在一定的問題，不能直接借鑒，需要根據水土保持專業的特點，進行調整。

2 灰箱模型的原理及其應用

2.1 灰箱模型原理

灰箱模型(Gray Box)或概念模型(Conceptual Model)，指那些內部規律尚不十分清楚，在建立和改善模型方面都還不同程度地有許多工作要做的問題，它所針對的研究對象是那些知識背景不完全清晰的問題，一般難以完全提取模型暗含的規律性信息及經過訓練學習的知識。

2.2 灰箱模型在表土保護中的應用

根據灰箱理論，在表土保護工作開展之前，有很多問題是未知的，例如：各區域表土的土壤農化性質，處于何種水平？如果農化性質不佳，是否存在改良土壤的必要性？項目區內的表土供求關系如何？工程是否存在表土缺口？如果存在缺口，項目區周圍是否存在可靠的外購表土來源？如果不能通過外購表土來消除表土缺口，如何消除表土缺口？如果不存在表土缺口，如何充分利用表土？因此，水總環〔2019〕635號文中的既定前提有可能是無法成立的，需基于灰箱模型，完善流程。

3 現行規范中存在的障礙

3.1 無界定表土可剝離性的評價體系

在現行的水利水電及水土保持規范中，由于沒有界定表土可剝離性的評價體系，因此設計人員只能借鑒農、林、土壤專業現有的辦法或標準進行界定。但是，該做法仍存在很多問題。

以A工程和B工程為例：A工程的壩址區位于干熱河谷上游地區，雨熱同季，雨季時容易發生短期的暴雨濺蝕，旱季時容易因季節性缺水而發生土壤“干化”災害，水土流失問題十分嚴重，土壤農化性質較差，表土資源十分匱乏；B工程位于鄂西地區，跨越多個縣市，項目區內地質結構的變化規律很復雜，不同區域生態環境及土壤條件的差異很大,部分地區內表土資源較豐富，且土壤農化性質較好，而另外部分地區內表土資源有限，土壤低程度地缺少某些營養元素，可能存在顯著的土壤障礙(例如土壤酸化)。

很明顯，在上述兩個工程中，表土農化性質相差甚遠，不可能使用完全相同的客觀指標界定兩個工程中的表土可剝離性。因此，有必要設置界定表土可剝離性的評價體系。

3.2 未判斷表土供求關系等

按照上述表土分類，在假定“不采用其他辦法來消除表土缺口”的前提下，項目區內的表土供求關系、實際的表土剝離量，以及是否存在改良表土的必要性等問題，通常存在以下4種情況：①如果將第一類表土全部剝離后，不存在表土缺口，則剝離全部的第一類表土即可，實際的表土剝離量=第一類表土量，多余表土可用于項目區周圍工程的覆土。②如果將第一類表土全部剝離后，仍存在表土缺口，則剝離全部的第一類表土和一定量的第二類表土，使實際的表土剝離量=表土需求量，無多余表土，必須以較低強度培肥第二類表土。③如果將第一、二類表土全部剝離后，仍存在表土缺口，則剝離全部的第一、二類表土和一定量的第三類表土，使實際的表土剝離量=表土需求量，無多余表土，必須以較低強度培肥第二類表土，必須以較高強度培肥第三類表土。④如果將第一、二、三類表土全部剝離后，仍存在表土缺口，即表土總儲量<表土需求量，則剝離全部表土，使實際的表土剝離量=表土需求量，無多余表土，必須以較低強度培肥第二類表土，必須以較高強度培肥第三類表土，必須采用其他辦法來消除表土缺口，例如外購表土或進行土壤熟化。

根據實踐可知，項目區的生態環境大多不佳，且水土流失問題較嚴重，因此上述四種情況中，第一種情況比較少見，第二種和第三種情況最常見，在某些大型工程當中，甚至會出現第四種情況。

以B工程為例，該工程位于鄂西地區，部分地區內表土資源較豐富，且土壤農化性質較好，屬于第二種情況，即需要剝離全部的優質表土和一定量的中等表土，對中等表土進行低強度的培肥；另外的部分地區內表土資源有限，土壤低程度地缺少某些營養元素，或者存在顯著的土壤障礙(例如土壤酸化)，屬于第三種情況，即需要剝離全部的優質表土和一定量的中下等表土，對中下等表土進行低～高強度的培肥。

以A工程為例，該工程的壩址區位于干熱河谷上游地區，水土流失問題十分嚴重，土壤農化性質較差，且周圍生態環境不佳，不存在大量的外購表土來源，屬于第四種情況，即必須剝離全部表土，且需實施土壤熟化措施。

因此，有必要先分析表土的供求關系。根據分析結果，設計人員才能確定實際的表土剝離量。

4 建議方案

4.1 表土保護與利用工作流程的建議

(1)初步確定表土需求量(即回覆量)。該值取決于主體工程設計和水土保持設計，是固定值。

(2)調查項目區的表土資源現狀。按照農學、土壤學或土壤農化專業的經典取樣及測樣方法，開展表土資源調查。

(1)根據當地社會經濟條件和水資源條件，合理選擇確權路徑。通過流域用水總量、區域用水總量控制指標，厘清經濟社會發展用水和生態需水的合理邊界；通過分行業水量配置方案，將經濟社會用水分解到生活、工業、農業等各個行業；綜合考慮土地、用水定額、人口、種植結構等因素，因地制宜把水權確權到工業企業單位和農民用水者協會、農村集體經濟組織等用水戶。

(3)初步判斷表土供求關系。按照章節3.2中討論的流程，將不同類別的可剝離表土量與表土需求量進行對比，確定實際的表土剝離范圍及剝離量，使實際的表土剝離量≥表土需求量。

(4)確定表土可剝離性的界定標準。根據“實際的表土剝離量=實際的表土需求量”原則，確定表土可剝離性的界定標準及實際的表土需求量。

(5)設計表土調配與利用規劃。根據實際的表土剝離量及需求量，設計表土平衡等內容。

(6)設計表土改良、表土臨時堆存與防護方案。根據表土農化性質，設計改良方案；根據表土調配與利用規劃，劃定臨時堆存場地，設計表土的臨時堆存與防護方案。

(7)最好能開展現場小試，驗證部分設計成果。

4.2 界定表土可剝離性的推薦評價體系

本研究中，有三種推薦的評價體系。

4.2.1 通行標準法

1979—1985年，我國開展了全國第二次土壤普查工作，針對全國土地的普遍情況，設計了土壤養分分類的六級通行標準(詳見表1)。

表1 土壤大量養分元素的分級標準

根據B工程的經驗，建議按照如下的步驟，對表土可剝離性進行判斷與決策(詳見圖1)：①如果土壤養分含量屬于Ⅰ級標準，則表示其養分含量極高，表土具有剝離價值，無須培肥，需綜合分析土壤養分含量、其他土壤指標及作物的需肥偏好等因素，判斷是否已經造成土壤障礙。②如果土壤養分含量屬于Ⅱ～Ⅲ級標準，則表示其養分含量處于中上等水平，表土具有剝離價值，無須培肥。③如果土壤養分含量屬于Ⅳ級標準，則表示其養分含量處于中等水平，表土具有剝離價值，但是需根據作物的需肥偏好等因素，判斷是否需對部分表土實施低強度的、工藝簡單的培肥。④如果土壤養分含量屬于Ⅴ級標準，則表示其養分含量處于中下等水平，表土剝離的價值有限，一般不建議剝離，僅在項目區內存在較小的覆土缺口時，剝離該部分表土，且需對該部分表土實施中等強度的、工藝難度中等的培肥。⑤如果土壤養分含量屬于Ⅵ級標準，則表示其養分含量處于下等水平，表土明顯缺乏剝離價值，通常不予剝離，僅在項目區內生態環境惡劣、匱乏覆土時剝離該部分表土，且必須對該部分表土實施高強度的、工藝復雜的培肥。⑥根據土壤養分含量及第二次全國土壤普查中的參考值，按照內插法，推算可剝離表土的厚度，初步劃定擾動但不剝離表土的范圍。⑦結合可剝離表土的分布范圍及其厚度，初步估算表土可利用量。通常可剝離的表土是指養分含量處于Ⅰ～Ⅳ級標準的表土。

圖1 表土可剝離性的判斷流程

該方法的優點是：①選取了土壤農化性質的各項指標，專業程度較高；②適合我國絕大多數的土類及常見植物，具有通行性；③工作量相對較小，且成果可信。缺點是：①沒有考慮土壤養分背景值、地域地理及植物適應性等指標的差異，在某些情況下，該標準可能不適用；②沒有考慮各指標間的相關性，沒有綜合考慮土壤肥力；③對工程問題的考慮有限。

4.2.2 農用地自然質量分計算方法

可借鑒《農用地質量分等規程》(GB/T 28407—2012)中農用地自然質量分的計算方法[1]。

該規范根據因素法建立“指定作物-分等因素-自然質量分”評價體系，對指定作物不同的各農用地，分別選取有效土層厚度、表層土壤質地、剖面構型等12個農用地分等因素，設置了推薦權重，并按地域及地形對農用地分類。根據上述農用地分等因素的分值及其權重，通過加權計算，獲得農用地的自然質量分，進而評定農用地質量。農用地自然質量分的計算方法包括幾何平均法或加權平均法，具體公式為

(1)幾何平均法

(1)

式中：C1,ij為分等單元指定作物的農用地自然分；i為分等單元編號；j為指定作物編號；k為分等因素編號；m為分等因素的數目；fijk為第i個分等單元內第j種指定作物第k個分等因素的指標數值，取值為(0,100]。

(2)加權平均法

(2)

式中:wk為第k個分等因素的權重；其他符號的含義同幾何平均法。

該方法的優點是：①選取了高標準農田工程的各項指標，工程效益較高；②考慮了地域及地形的差異，十分全面。缺點是：①選取的土壤養分指標過少，難以精確掌握土壤養分水平，更難以診斷土壤是否存在供肥障礙等問題；②如果土壤存在供肥障礙或其他問題，則需要增加測定指標，同時修改評價體系；③調查任務十分繁重，周期較長，可能會影響施工進度；④調查工作對專業熟悉程度的要求較高，執行難度很大。

與農用地自然質量分計算相似的，還有浙江省地方標準《耕地質量評定與地力分等定級技術規范》(DB33/T 895—2013)[2]。

4.2.3 層次分析法

根據工程經驗，基于層次分析法，按照下述評價指標，對植被生態修復工程建立評價指標的權重體系，獲取相應的指標賦值；再根據既定的指標權重，進行加權計算，進而以計算結果評價植被生態修復工程的綜合效益(詳見表2)[3]。

表2 植被生態修復工程的評價指標權重

該方法的優點是：①選取水土保持效益、植物生長情況及土壤農化性質等三個方面的指標，是唯一考慮了水土保持問題的評價方法，雖然評價指標個數較少、工作量較小，但是可行性較高；②提供了完整的權重賦值，客觀性較高。缺點是：①提供的權重賦值不一定適合大多數項目，需要根據項目區的實際情況進行一定程度的調整；②需要通過較長的監測時間，來獲得精確的指標賦值，野外工作的周期較長，可能會影響施工進度。

4.3 判斷表土供求關系的建議流程

根據表土分布與可利用量的分析結果，按照如下的步驟進行判斷與決策(詳見圖2)。

圖2 表土需求與用量分析的決策流程

5 結 語

近年來，有關部門就表土保護與利用工作，頒布了不少新的規定，提出了新的要求。作為普通設計人員，我們根據其他項目的經驗，在原有的工作流程中，增加了界定表土可剝離性的評價體系，以及判斷表土供求關系的建議流程。通過建立更完善的工作流程，設計人員將能更有效地完成表土保護與利用工作。以上建議主要基于邏輯推導、土壤農化專業的知識及相關工作的實際經驗提出的，仍然存在改進的空間，其可推廣性有待商榷，還請各位領導、專家及同行多多斧正。