城市道路工程土壤侵蝕模數(shù)及流失量預(yù)測(cè)研究

余定椿

(高科環(huán)保工程集團(tuán)有限公司，福建泉州362000)

0 引言

公路工程建設(shè)過(guò)程中破壞了原地貌的地表植被以及巖土結(jié)構(gòu)，或多或少地改變了原有地表水循環(huán)途徑，對(duì)沿途生態(tài)(景觀)生產(chǎn)環(huán)境，以及沿線居民的生產(chǎn)、生活環(huán)境和公路自身安全產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響[1]。合理確定工程擾動(dòng)前后的土壤侵蝕模數(shù)，對(duì)科學(xué)預(yù)測(cè)土壤流失量，分區(qū)塊合理確定水土保持措施和防治體系具有顯著支撐作用。

1 項(xiàng)目概況

晉江市國(guó)際企業(yè)大道南延伸工程起于僑暉路，止于靈石公路，路線全長(zhǎng)約1.22 km，紅線寬度42 m，設(shè)計(jì)行車速度60 km/h，雙向六車道，道路等級(jí)為城市主干道，瀝青混凝土路面。項(xiàng)目主要包括道路工程、橋涵工程、交通工程、雨水工程、管線綜合、污水工程、照明工程、電力工程、通信工程、綠化工程等。

2 水土流失量預(yù)測(cè)

2.1 預(yù)測(cè)單元

根據(jù)工程施工特點(diǎn)確定預(yù)測(cè)單元分區(qū)。預(yù)測(cè)單元包括：主體工程區(qū)、施工場(chǎng)地、表土堆場(chǎng)、臨時(shí)堆土場(chǎng)和淤泥干化場(chǎng)。預(yù)測(cè)面積方面，本項(xiàng)目總征占地面積約10.3672 hm2，其中主體工程區(qū)9.6672 hm2、施工場(chǎng)地0.2000 hm2、表土堆場(chǎng)0.3000 hm2、臨時(shí)堆土場(chǎng)0.1000 hm2、淤泥干化場(chǎng)0.1000 hm2。

2.2 預(yù)測(cè)時(shí)段

預(yù)測(cè)時(shí)段按照各分區(qū)工程施工工藝、施工進(jìn)度、水土流失特點(diǎn)及擾動(dòng)地面植被恢復(fù)時(shí)間確定。預(yù)測(cè)時(shí)段不足1 a時(shí)，若時(shí)長(zhǎng)超過(guò)雨季按全年計(jì)算，不超雨季的按所占比重計(jì)算。由于工程地處南亞熱帶海洋性季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，雨量充沛，植被易恢復(fù)，將預(yù)測(cè)時(shí)段分為施工期和自然恢復(fù)期。植被恢復(fù)期為2 a，本工程總預(yù)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)為3.0 a。

2.3 土壤侵蝕模數(shù)確定

2.3.1 土壤侵蝕模數(shù)背景值

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》和水土流失現(xiàn)狀圖，參考鄰近項(xiàng)目監(jiān)測(cè)資料，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目區(qū)水土流失現(xiàn)狀和實(shí)際土地利用情況，本工程土壤侵蝕強(qiáng)度為微度，土壤侵蝕模數(shù)背景值為350 t/(km2·a)。

2.3.2 擾動(dòng)后土壤侵蝕模數(shù)

本工程水土流失主要發(fā)生在主體工程區(qū)、施工場(chǎng)地等區(qū)域。開挖擾動(dòng)地表產(chǎn)生的水土流失量受地形、降雨、水土保持措施等水土流失因子影響，采用試驗(yàn)觀測(cè)法預(yù)測(cè)。

本項(xiàng)目與南安市水土保持試驗(yàn)站距離較近，且氣候、土壤、植被等條件相似，因此采用南安市水土保持試驗(yàn)站徑流小區(qū)試驗(yàn)和南安市水土保持試驗(yàn)站流失樁法水土保持監(jiān)測(cè)資料作為本次水土流失預(yù)測(cè)的資料。

南安市水土保持試驗(yàn)站位于南安市，所在地地貌屬低山丘陵，氣候?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，年平均降雨量1436.7 mm，植被屬南亞熱帶雨林。土壤侵蝕強(qiáng)度以微度為主，背景土壤侵蝕模數(shù)為300 t/(km2·a)。

(1)徑流小區(qū)試驗(yàn)法

1)試驗(yàn)條件：①小區(qū)規(guī)格為5 m×20 m；②小區(qū)為丘陵區(qū)裸地，土壤侵蝕模數(shù)為4205 t/(km2·a)，坡度12°；③擾動(dòng)其地表土壤500 mm；④平均降雨量1436.7 mm。

2)試驗(yàn)方法：實(shí)測(cè)水土流失量，計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)為15747 t/(km2·a)。

(2)流失樁法

根據(jù)南安市水土保持試驗(yàn)站在降雨量1436.7 mm的條件下運(yùn)用流失樁法，測(cè)定不同坡度和地表情況下的土壤侵蝕模數(shù)，見表1。

表1 類比資料可比性分析表

(3)相符性分析

南安市水土保持試驗(yàn)站與本工程環(huán)境條件和產(chǎn)生水土流失的特點(diǎn)類似，相符性分析見表2。

表2 相符性分析表

(4)修正系數(shù)

根據(jù)各工程區(qū)塊的地形地貌，以南安市水土保持試驗(yàn)站監(jiān)測(cè)成果為基礎(chǔ)，各區(qū)塊水土流失因子與相應(yīng)類比工程水土流失因子進(jìn)行對(duì)比，以確定本工程分區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度。具體見式(1)。

(1)

式中：A為類比工程實(shí)測(cè)土壤侵蝕模數(shù)；Re為類比工程降雨侵蝕力因子；Ke為類比工程土壤可蝕性因子；LI為類比工程坡長(zhǎng)因子；SI為類比工程坡度因子；Ct為類比工程植被覆蓋因子；P為類比工程侵蝕控制措施因子；A′為本工程各區(qū)塊土壤侵蝕模數(shù)；Re′、Ke′、LI′、SI′、Ct′、P′為本工程各區(qū)塊侵蝕因子。

根據(jù)上述公式，結(jié)合本項(xiàng)目區(qū)與南安市水土保持試驗(yàn)站七項(xiàng)指標(biāo)類比綜合分析，本工程修正系數(shù)取0.98。

2.3.3 土壤侵蝕模數(shù)的確定

各區(qū)各時(shí)段土壤侵蝕模數(shù)按照試驗(yàn)站相應(yīng)區(qū)和時(shí)段土壤侵蝕模數(shù)×修正系數(shù)的方法予以確定。

(1)施工期

1)主體工程區(qū)

主體工程區(qū)地勢(shì)較平坦，只是局部擾動(dòng)地表產(chǎn)生水土流失，采用坡度3°松土裸地，土壤侵蝕模數(shù)取8586×0.98=8414 t/(km2·a)。

2)施工場(chǎng)地

施工場(chǎng)地施工區(qū)進(jìn)行了硬化，不容易產(chǎn)生水土流失，采用坡度5°自然裸地，土壤侵蝕模數(shù)取1875×0.98=1838 t/(km2·a)。

3)表土堆場(chǎng)、臨時(shí)堆土場(chǎng)和淤泥干化場(chǎng)

由于堆土結(jié)構(gòu)疏松，抗蝕抗沖性極差，降水極易入滲，可能造成堆場(chǎng)受沖刷、滑塌和坍塌，極易發(fā)生強(qiáng)度水力侵蝕和重力侵蝕。考慮到堆土形成的邊坡，因此采用坡度100松土裸地，土壤侵蝕模數(shù)取14216×0.98=13932 t/(km2·a)。

(2)自然恢復(fù)期

自然恢復(fù)期工程已經(jīng)完成，大規(guī)模的施工活動(dòng)停止，施工結(jié)束后，施工場(chǎng)地、表土堆場(chǎng)設(shè)施清理，已恢復(fù)原用性質(zhì)或采用植草防護(hù)；隨著道路地表硬化、植被恢復(fù)綠化等的實(shí)施，水土流失得到有效控制，主體工程區(qū)、表土堆場(chǎng)、臨時(shí)堆土場(chǎng)和淤泥干化場(chǎng)土壤侵蝕模數(shù)取600 t/(km2·a)，施工場(chǎng)地土壤侵蝕模數(shù)取800 t/(km2·a)。

根據(jù)以上分析結(jié)果，確定本工程擾動(dòng)后各預(yù)測(cè)單元土壤侵蝕模數(shù)見表3。

表3 工程擾動(dòng)后各預(yù)測(cè)單元土壤侵蝕模數(shù)表 單位：t/(km2·a)

2.4 土壤流失量預(yù)測(cè)模型

采用擾動(dòng)前后侵蝕模數(shù)計(jì)算預(yù)測(cè)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)損壞地表形成新增侵蝕區(qū)域水土流失量，模型見式(2)～式(4)：

(2)

新增水土流失量預(yù)測(cè)公式：

(3)

(4)

式中：W擾動(dòng)地表土壤流失量；ΔW為擾動(dòng)地表新增土壤流失量；n為預(yù)測(cè)單元，1，2，3，…n；i為各預(yù)測(cè)單元；Fi為第i個(gè)預(yù)測(cè)單元的面積；k為預(yù)測(cè)時(shí)段，施工準(zhǔn)備期、施工期和自然恢復(fù)期三個(gè)時(shí)段；Mik為擾動(dòng)后不同預(yù)測(cè)單元不同時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)；Fik為各工程區(qū)不同時(shí)段預(yù)測(cè)面積；Tik為預(yù)測(cè)時(shí)段(擾動(dòng)時(shí)段)；ΔMik為不同單元各時(shí)段新增土壤侵蝕模數(shù)；Mi0為擾動(dòng)前不同預(yù)測(cè)單元土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)。

2.5 預(yù)測(cè)結(jié)果

按照上述測(cè)算方法，工程建設(shè)期間開挖擾動(dòng)造成的水土流失總量達(dá)900.30 t，各單元明細(xì)見表4。分區(qū)域看，主體工程區(qū)水土流失量占總量的92.25%，應(yīng)作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)防治區(qū)域。按時(shí)段看，水土流失量集中在施工期，應(yīng)作為水土流失防治監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)時(shí)段。

表4 項(xiàng)目區(qū)水土流失量預(yù)測(cè)總表 單位：t

預(yù)測(cè)結(jié)果表明應(yīng)針對(duì)防區(qū)特點(diǎn)進(jìn)行水土流失防治。從區(qū)域看，主體工程區(qū)水土流失量占據(jù)總量的92.25%，應(yīng)采取完善的工程和植物措施重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和防治。從時(shí)段看，水土流失量主要集中在施工期，占據(jù)總量的97.08%，應(yīng)作為主要的監(jiān)測(cè)和防治時(shí)段。

3 結(jié)語(yǔ)

常用的水土流失量預(yù)測(cè)方法有通用土壤流失方程法、分類分級(jí)法、類比法、流失系數(shù)法等。水土流失量預(yù)測(cè)是確定水土流失治理措施的基礎(chǔ)，采用預(yù)測(cè)方法時(shí)必須充分比對(duì)水土保持試驗(yàn)站和項(xiàng)目區(qū)在自然條件、地理環(huán)境、土壤參數(shù)及水文氣象方面的差異性，綜合確定修正系數(shù)予以修正，完成精確預(yù)測(cè)水土流失量的目標(biāo)。