海南省生產建設項目堆土侵蝕規律研究

呂春明

（海南省水利水電勘測設計研究院，海南 海口 570203）

近年來，海南省經濟發展迅速，城市建設規模不斷擴大，據2014—2018年《海南省水土保持公報》數據顯示，海南省生產建設項目水土保持方案審批從每年的378個增加至520個。生產建設項目產生的堆土改變了下墊面性質，造成河道及城市排水管道淤堵，增大防洪排泄壓力，成為制約社會經濟發展和水土資源可持續利用的重要因素[1]。

我國生產建設項目水土流失預測工作起步較晚，多采用類比法開展預測工作，與實際水土流失情況的差距較大，無法為水土流失治理提供科學的數據支撐[2]。此研究在模擬條件下對土方堆置體的產流產沙規律進行定量分析，對揭示堆置體坡面侵蝕機理、建立侵蝕模型具有重要意義。

1 研究區概況

此次研究選取海南省典型生產建設項目為研究對象。研究區屬典型南方紅壤區，地勢中部高、四周低，梯級結構顯著；熱帶季風氣候，多年平均降水1639mm，時空分布不均。研究區植被覆蓋情況較好，據全國第二次土地調查的數據，海南省植被覆蓋率67.5%，高覆蓋面積占比79.2%。研究區以水力侵蝕為主，根據2013年海南省水土流失現狀遙感調查數據，全省水土流失面積為2116.04km2。其中，輕度侵蝕占比54.7%，中度侵蝕29.1%，強烈侵蝕11.4%，極強烈侵蝕2.1%，劇烈侵蝕2.7%。海南省水土流失情況整體較好控制，但局部水土流失危害嚴重。

2 研究方法

2.1 試驗設計

此次研究基于野外實地降雨條件，對生產建設項目土方堆置體的水土流失情況進行定量分析。試驗設計包括堆置形態和降雨強度2個試驗因素，其中堆土形態根據實際堆置情況劃分為散亂錐狀、分層碾壓、線狀起垅、堆體平臺、復合形態5種試驗條件。

2.2 試驗方法

此次研究結合生產建設項目水土流失監測工作，探索實際條件下土方堆置體水土流失規律。根據試驗設計，選取海南省典型生產建設項目，為保證試驗結果可靠，此次研究選擇監測設施完善的項目進行觀測，共選取12個典型項目的24個典型堆置體。堆置體附近布設雨量筒進行降雨強度率定測量。現場采用無人機結合傾斜攝影完成堆土面積及方量等基礎數據的采集；采用測釬法、簡易徑流小區法及沉沙池法完成侵蝕量的測定；對于簡易徑流小區法及沉沙池法計算侵蝕量的堆置體，降雨后24h內完成對降雨侵蝕泥沙的采樣及定量分析。

此次研究共收集了24個典型堆置體不同降雨強度下的182組數據。限于野外實際降雨條件下坡面水流流動和侵蝕過程十分復雜，獲取的相關參數準確度較低，文章采用MATLAB小波過濾對采集數據進行降噪分析，過濾處理后得到有效數據121組，如表1所示。

表1 試驗場次概況

2.3 技術路線

技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

3 數據獲取與回歸分析

3.1 數據獲取

堆土方量采用無人機傾斜攝影技術，從1個垂直方向、4個傾斜方向分別采集影像，矢量化轉換為3D實景模型計算土方量數據[3-4]；土方量較小的堆置體采用皮尺、坡度尺、高度儀等常規測量工具進行測算[5]。降雨強度采用雨量計進行測定，采集過程雨量、最大降雨強度和過程平均降雨強度為分析指標。堆置體坡頂和坡腳高程差與其相應坡長的水平距離的比值為坡面比降，此次研究采用5次測量平均值為坡面比降指標。侵蝕量和侵蝕模數采用測釬法、簡易徑流小區法及沉沙池法完成測定[6]。

3.2 回歸分析

采用單因素和多因素Logistic回歸分析不同堆置形態與侵蝕量（侵蝕模數）之間的關系，多因素Logistic回歸模型中調整了堆土量、降雨強度、坡面比降控制變量[7]。采用逐步回歸分析模型逐個引入解釋模型，結合F檢驗與t檢驗手段提出多重共線性指標，得出最優解釋變量（組）[8]。以上統計學分析工具采用SPSS軟件，數據降噪采用MATLAB小波過濾工具，檢驗模式采用雙側檢驗，顯著性檢驗水平設定為0.05。

4 結果與分析

4.1 降雨對堆置體侵蝕模數的影響

通過野外侵蝕量實際調查，對121組有效數據進行分析，計算得到不同堆置形態下土體的坡面侵蝕模數。將侵蝕模數與過程降雨量、最大降雨強度、過程平均降雨強度進行回歸分析，探討降雨因素與堆置體侵蝕之前的關系，擬合侵蝕速率和降雨特征指標的關系，結果如表2所示。

表2 侵蝕模數-降雨相關分析

由表2可知，不同形態的土方堆置體的侵蝕速率與降雨呈正相關關系，降雨是堆置體水土流失的主要動力因素。不同堆置形態下，坡面侵蝕模數-降雨回歸分析的冪指數普遍為過程降雨量＞最大降雨強度＞過程平均降雨強度，表明侵蝕模數受過程降雨量及最大降雨強度的影響較大，受過程平均降雨強度的影響相對較小；說明土方堆置體坡面侵蝕受降雨量及降雨強度極值影響較顯著，而降雨平均狀態對其影響較小，即雨型（離散程度）與雨量（降雨動能）對堆置體侵蝕影響較大，降雨的均勻度對侵蝕影響相對較小。

比較不同堆置形態的土方侵蝕量回歸模型，散亂錐狀堆置體關于過程降雨量和最大降雨強度的冪指數（1.4175、4.3125）最高，過程平均降雨強度冪指數（0.8094）與其他堆置形態無顯著差異，表明散亂錐狀堆土相對容易發生水土流失，土壤侵蝕隨降雨變化幅度較大，同等條件下水土流失風險相對是最高的，在降雨量或降雨強度峰值較大時更加明顯。同時，堆體平臺關系式的各項冪指數（1.3512、3.9581、0.7894）相對較高，且常數項（-1092.2115）為各堆土方式中的最高值，表明堆土平臺型的堆置體在降雨較小時發生侵蝕速率較慢，但隨降雨量及降雨強度增加，水土流失風險急劇增加，這是堆土平臺頂部由于滲透、填洼等作用耗散部分初始徑流量和降雨擊濺力，但當發生蓄滲產流和蓄滿產流后，降雨匯集產生沖刷徑流，徑流沖刷力和降雨濺散力共同作用導致堆土平臺水土流失較其他類型增速大，當孔隙水壓力和靜水壓力增加到一定閾值時，有發生滑坡的風險，即堆土平臺型的堆置體啟動侵蝕較慢，但增速較快，在降雨強度較大時更為明顯。

4.2 侵蝕模數定量分析

堆置體土壤侵蝕過程中的侵蝕面變形、侵蝕形態復合、降雨下滲填洼、坡面產流機理都會導致堆置體侵蝕形態的改變，研究實際降雨情況下堆置體侵蝕影響因素及模型構建對生產建設項目水土流失防治具有重要意義。為研究堆置體侵蝕規律，此次研究采用坡度、坡長、堆土量、降雨（過程雨量、最大降雨強度和過程平均降雨強度）、臨時苫蓋作為控制因子，對堆置體侵蝕模數進行逐步回歸分析，將侵蝕模數表達為

式中：Ia為過程降雨量，mm；Im為最大降雨強度，mm/min；Iv為過程平均降雨強度，mm/min；i為坡面坡度，°；L為坡長，m；C為坡面植株密度，株/m2；S為地表覆蓋度（密目網、彩條布），%。

為排除臨時苫蓋、植被覆蓋及裸地3種不同狀況對侵蝕模型結果的影響，橫向對比覆蓋因子對堆土侵蝕的影響，此次研究采用（C+1）及（S+1）作為參數因子引入逐步回歸模型，即裸地的苫蓋因子和植被覆蓋因子分別為（1，1），僅有植被覆蓋的為（C+1，0），僅有臨時苫蓋的為（0，S+1）。對121組有效數據進行逐步回歸分析，得到以下侵蝕模數表達式：

逐步回歸結果中，不同形態下的坡面堆置體與過程降雨量、最大降雨強度、坡面坡度及坡面覆蓋關系密切，與過程平均降雨強度和坡長關系較不顯著，表明堆置體侵蝕與降雨雨量和雨型、坡度及地表覆蓋關系密切。比較各參數因子的指數，1.2124（過程降雨量）＞1.0231（坡面坡度）＞0.4122（最大降雨強度），為正值，即過程降雨量、最大降雨強度、坡面坡度能促進堆置體侵蝕發生，且過程降雨與坡面坡度對侵蝕的促進作用較顯著；植被覆蓋因子及坡面臨時覆蓋因子的冪指數為負值，坡面覆蓋對侵蝕發生有抑制作用，且植被覆蓋因子冪指數的絕對值（0.7111）顯著低于臨時苫蓋（密目網和彩條布）（1.4223），表明臨時苫蓋對堆置體土壤侵蝕的防控效果顯著優于植被覆蓋。進一步可以認為，不考慮成本及其他因素情況下，生產建設項目堆土水土流失防治措施推薦采用臨時苫蓋手段。

對式（2）求取一階全微分：

式中：f1’、f2’、f3’、f4’、f5’分別為式（2）關于過程降雨量、最大降雨強度、坡面坡度、坡面植株密度、地表覆蓋度（密目網、彩條布）的一階偏導簡化式。在指定參數條件下，f1’、f2’、f3’均大于0，f4’、f5’均小于0，即過程降雨量、最大降雨強度、過程平均降雨強度推動堆置體坡面侵蝕發生發展，而坡面植株密度、地表覆蓋度抑制侵蝕發展。

在一階偏導計算基礎上獲取各參數的二次偏導簡化式，結果如下：

根據式（9～13）計算結果顯示，在控制各參數變量的前提下，f1”、f4”、f5”、f3”為正值，f2”為負值，結合一階偏導數據及函數凹凸性分析，過程降雨量對堆置體侵蝕的促進/抑制作用隨因子數量增加，其對侵蝕的效果更加明顯（指數型增長模式）；而最大降雨強度、坡度、坡面植株密度、地表覆蓋度促進侵蝕作用隨數值的增加有衰減效應，推斷存在發展閾值上限。函數分析結果顯示，過程降雨量、最大降雨強度、過程平均降雨強度推動堆置體坡面侵蝕發生發展，而坡面植株密度、地表覆蓋度抑制侵蝕發展；其中過程降雨量是推動水土流失災害的重要因素，而其他的因子的影響效率受限于閾值控制，即存在消減效應。

不同的堆置形態堆置體的土壤侵蝕機理不同，為研究堆置形態對堆置體侵蝕的影響，此次研究將堆置形態水平引入逐步回歸分析模型中，其侵蝕模數表達式如表3所示。不同堆置形態下侵蝕模數逐步回歸參數因子冪指數如表4所示。

表3 不同堆置形態下侵蝕模數逐步回歸分析結果

表4 不同堆置形態下侵蝕模數逐步回歸參數因子冪指數一覽表

表4數據顯示，各參數因子對不同堆置形態堆置體的侵蝕模數的貢獻程度不一。其中，過程降雨量、最大降雨強度及過程平均降雨強度對散亂錐狀堆置體侵蝕促進作用較其他堆置形態顯著，而植被、密目網、彩條布等覆蓋對侵蝕的抑制作用也較其他堆置體顯著，即在降雨量或降雨強度較大的地區，土方不宜采用散亂堆置，受限于實際施工條件，采用土方散亂堆置的堆體宜盡快補充臨時苫蓋措施。分層碾壓堆置體在排除多重共線性關系后結果表明，最大降雨強度及過程平均降雨強度對其侵蝕進展無顯著影響，過程降雨量、植被覆蓋和臨時苫蓋對侵蝕有顯著作用，但其促進/抑制作用相較散亂堆置形態較弱，表明分層堆置控制水土流失效果較其他堆置情況好，能抵御較大的降水量和降雨強度，可在降水量較大和降雨極值較大的地區使用，同時，臨時苫蓋措施較植被措施抑制侵蝕作用更明顯。堆體平臺堆置形態對過程降雨量和植被覆蓋的響應相對其他堆置形態較差，但對最大降雨量和臨時苫蓋的響應程度較其他措施明顯，表明堆土平臺堆置體受降雨擊濺的作用影響較大，受降雨總動能影響相對較少，這也就解釋了臨時苫蓋較植被覆蓋更能控制堆土平臺侵蝕的機理，因此在降雨雨型變異系數較大的情況下，不建議采用堆土平臺堆置土方，應盡量采用密目網和彩條布進行防護。

5 結束語

文章對生產建設項目土方堆置體在野外實地降雨條件下的水土流失情況進行定量分析，以期為揭示土方堆置體的產流產沙機理、建立侵蝕模型奠定理論基礎。

（1）土方堆置體的侵蝕速率與降雨呈正相關關系，其中，降雨雨型與雨量對堆置體侵蝕影響較大，降雨均勻度對侵蝕影響相對較小。

（2）散亂錐狀堆土容易發生水土流失，水土流失風險最高；堆土平臺型的堆置體在降雨較小時發生侵蝕速率較慢，但隨降雨量及降雨強度增加，水土流失風險急劇增加。

（3）過程降雨量與坡面坡度對堆置體侵蝕的促進作用相較于最大降雨強度更顯著；短期內，臨時苫蓋對堆置體土壤侵蝕的防控效果顯著優于植被覆蓋，但從長期與經濟性考慮，植被恢復措施不可替代。

（4）不同形態堆置體水土流失與過程降雨量、最大降雨強度、坡面坡度及坡面覆蓋關系密切，與過程平均降雨強度和坡長關系不顯著。過程降雨量是造成水土流失災害的重要因素，而其他的因子的影響效率受限于閾值控制存在消減效應。

（5）在降雨量或降雨強度較大的地區，土方不宜采用散亂堆置，應分層碾壓堆置，同時應及時采取臨時苫蓋措施和植被覆蓋措施。

（6）此次研究受限于試驗條件，噪音數據較多，可納入研究的參數范圍受限，不能建立準確模型，建議今后的研究采用室內模擬變坡土槽結合室內降雨或放水沖刷實驗，減少野外實驗不可控因子的影響，確保數據的精準度，從而構建侵蝕模型，為水土流失預測預報奠定理論基礎。