城市道路工程土壤侵蝕模數及流失量預測研究

余定椿

(高科環保工程集團有限公司，福建泉州362000)

0 引言

公路工程建設過程中破壞了原地貌的地表植被以及巖土結構，或多或少地改變了原有地表水循環途徑，對沿途生態(景觀)生產環境，以及沿線居民的生產、生活環境和公路自身安全產生了一定的負面影響[1]。合理確定工程擾動前后的土壤侵蝕模數，對科學預測土壤流失量，分區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 項目概況

晉江市國際企業大道南延伸工程起于僑暉路，止于靈石公路，路線全長約1.22 km，紅線寬度42 m，設計行車速度60 km/h，雙向六車道，道路等級為城市主干道，瀝青混凝土路面。項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 水土流失量預測

2.1 預測單元

根據工程施工特點確定預測單元分區。預測單元包括：主體工程區、施工場地、表土堆場、臨時堆土場和淤泥干化場。預測面積方面，本項目總征占地面積約10.3672 hm2，其中主體工程區9.6672 hm2、施工場地0.2000 hm2、表土堆場0.3000 hm2、臨時堆土場0.1000 hm2、淤泥干化場0.1000 hm2。

2.2 預測時段

預測時段按照各分區工程施工工藝、施工進度、水土流失特點及擾動地面植被恢復時間確定。預測時段不足1 a時，若時長超過雨季按全年計算，不超雨季的按所占比重計算。由于工程地處南亞熱帶海洋性季風濕潤氣候區，雨量充沛，植被易恢復，將預測時段分為施工期和自然恢復期。植被恢復期為2 a，本工程總預測時段長為3.0 a。

2.3 土壤侵蝕模數確定

2.3.1 土壤侵蝕模數背景值

根據《土壤侵蝕分類分級標準》和水土流失現狀圖，參考鄰近項目監測資料，同時結合項目區水土流失現狀和實際土地利用情況，本工程土壤侵蝕強度為微度，土壤侵蝕模數背景值為350 t/(km2·a)。

2.3.2 擾動后土壤侵蝕模數

本工程水土流失主要發生在主體工程區、施工場地等區域。開挖擾動地表產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，采用試驗觀測法預測。

本項目與南安市水土保持試驗站距離較近，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站徑流小區試驗和南安市水土保持試驗站流失樁法水土保持監測資料作為本次水土流失預測的資料。

南安市水土保持試驗站位于南安市，所在地地貌屬低山丘陵，氣候屬南亞熱帶海洋性季風氣候，年平均降雨量1436.7 mm，植被屬南亞熱帶雨林。土壤侵蝕強度以微度為主，背景土壤侵蝕模數為300 t/(km2·a)。

(1)徑流小區試驗法

1)試驗條件：①小區規格為5 m×20 m；②小區為丘陵區裸地，土壤侵蝕模數為4205 t/(km2·a)，坡度12°；③擾動其地表土壤500 mm；④平均降雨量1436.7 mm。

2)試驗方法：實測水土流失量，計算土壤侵蝕模數為15747 t/(km2·a)。

(2)流失樁法

根據南安市水土保持試驗站在降雨量1436.7 mm的條件下運用流失樁法，測定不同坡度和地表情況下的土壤侵蝕模數，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站與本工程環境條件和產生水土流失的特點類似，相符性分析見表2。

表2 相符性分析表

(4)修正系數

根據各工程區塊的地形地貌，以南安市水土保持試驗站監測成果為基礎，各區塊水土流失因子與相應類比工程水土流失因子進行對比，以確定本工程分區土壤侵蝕強度。具體見式(1)。

(1)

式中：A為類比工程實測土壤侵蝕模數；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′為本工程各區塊土壤侵蝕模數；Re′、Ke′、LI′、SI′、Ct′、P′為本工程各區塊侵蝕因子。

根據上述公式，結合本項目區與南安市水土保持試驗站七項指標類比綜合分析，本工程修正系數取0.98。

2.3.3 土壤侵蝕模數的確定

各區各時段土壤侵蝕模數按照試驗站相應區和時段土壤侵蝕模數×修正系數的方法予以確定。

(1)施工期

1)主體工程區

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

2)施工場地

施工場地施工區進行了硬化，不容易產生水土流失，采用坡度5°自然裸地，土壤侵蝕模數取1875×0.98=1838 t/(km2·a)。

3)表土堆場、臨時堆土場和淤泥干化場

由于堆土結構疏松，抗蝕抗沖性極差，降水極易入滲，可能造成堆場受沖刷、滑塌和坍塌，極易發生強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，土壤侵蝕模數取14216×0.98=13932 t/(km2·a)。

(2)自然恢復期

自然恢復期工程已經完成，大規模的施工活動停止，施工結束后，施工場地、表土堆場設施清理，已恢復原用性質或采用植草防護；隨著道路地表硬化、植被恢復綠化等的實施，水土流失得到有效控制，主體工程區、表土堆場、臨時堆土場和淤泥干化場土壤侵蝕模數取600 t/(km2·a)，施工場地土壤侵蝕模數取800 t/(km2·a)。

根據以上分析結果，確定本工程擾動后各預測單元土壤侵蝕模數見表3。

表3 工程擾動后各預測單元土壤侵蝕模數表 單位：t/(km2·a)

2.4 土壤流失量預測模型

采用擾動前后侵蝕模數計算預測項目建設區損壞地表形成新增侵蝕區域水土流失量，模型見式(2)～式(4)：

(2)

新增水土流失量預測公式：

(3)

(4)

式中：W擾動地表土壤流失量；ΔW為擾動地表新增土壤流失量；n為預測單元，1，2，3，…n；i為各預測單元；Fi為第i個預測單元的面積；k為預測時段，施工準備期、施工期和自然恢復期三個時段；Mik為擾動后不同預測單元不同時段的土壤侵蝕模數；Fik為各工程區不同時段預測面積；Tik為預測時段(擾動時段)；ΔMik為不同單元各時段新增土壤侵蝕模數；Mi0為擾動前不同預測單元土壤侵蝕模數，t/(km2·a)。

2.5 預測結果

按照上述測算方法，工程建設期間開挖擾動造成的水土流失總量達900.30 t，各單元明細見表4。分區域看，主體工程區水土流失量占總量的92.25%，應作為重點監測防治區域。按時段看，水土流失量集中在施工期，應作為水土流失防治監測的重點時段。

表4 項目區水土流失量預測總表 單位：t

預測結果表明應針對防區特點進行水土流失防治。從區域看，主體工程區水土流失量占據總量的92.25%，應采取完善的工程和植物措施重點監測和防治。從時段看，水土流失量主要集中在施工期，占據總量的97.08%，應作為主要的監測和防治時段。

3 結語

常用的水土流失量預測方法有通用土壤流失方程法、分類分級法、類比法、流失系數法等。水土流失量預測是確定水土流失治理措施的基礎，采用預測方法時必須充分比對水土保持試驗站和項目區在自然條件、地理環境、土壤參數及水文氣象方面的差異性，綜合確定修正系數予以修正，完成精確預測水土流失量的目標。