類比法在高速公路建設(shè)工程水土流失預(yù)測中的應(yīng)用

陳 浩

(深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著我國高速公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的加快，我國公路建設(shè)任務(wù)日益繁重，考慮到全國約70%地區(qū)為山區(qū)或丘陵區(qū)，在此類地區(qū)新建高速公路必將造成原地形地貌的擾動和破壞，如不采取及時(shí)有效的水土保持措施，必然造成嚴(yán)重的水土流失和環(huán)境破壞。所以，開展山區(qū)和丘陵區(qū)高速公路水土保持流失量的預(yù)測對于遏制水土流失意義重大。

1 預(yù)測方法

結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，公路工程建設(shè)項(xiàng)目水土流失量預(yù)測方法主要包括試驗(yàn)觀測法、公式法、類比法等，其中類比法最為常用，《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50433-2018)也肯定了類比法在工程建設(shè)項(xiàng)目水土流失量預(yù)測方面的主導(dǎo)地位。該方法快速、直觀，結(jié)果精確度高，如果應(yīng)用得當(dāng)，可得出定性和定量兩個(gè)方面的預(yù)測結(jié)果。應(yīng)用類比法預(yù)測高速公路建設(shè)工程水土流失量就是充分利用和預(yù)測工程類似的工程所對應(yīng)的預(yù)測單元土壤侵蝕模數(shù)實(shí)測結(jié)果，結(jié)合相關(guān)性分析，進(jìn)行預(yù)測工程和類比工程在地形地貌、氣候條件、土壤及植被、侵蝕類型等土壤侵蝕因子可比性、相似性分析，得到修正系數(shù)，并通過修正類比工程水土流失實(shí)測結(jié)果，最終得出預(yù)測工程水土流失量[1]。

應(yīng)用類比法進(jìn)行高速公路建設(shè)工程水土流失量預(yù)測，主要用到以下公式：

(1)

(2)

(3)

式中：W為高速公路建設(shè)工程施工擾動地表的土壤流失量，t；Fi為第i個(gè)預(yù)測單元面積，km2；Mik為地表擾動后不同預(yù)測單元土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；Tik為預(yù)測時(shí)段，a；△W為高速公路建設(shè)工程施工擾動地表新增水土流失量，t；△Mik為不同預(yù)測單元不同時(shí)段新增土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；Mi0為高速公路建設(shè)工程施工擾動地表前不同預(yù)測單元土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；i為預(yù)測單元，取1、2、3、…n；k為預(yù)測時(shí)段，k=1為施工準(zhǔn)備期，k=2為施工期，k=3為工后自然恢復(fù)期。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

X高速公路位于深圳市羅湖區(qū)、龍崗區(qū)及坪山新區(qū)內(nèi)，區(qū)域內(nèi)多為中地山-丘陵地貌，山間夾河谷凹地；路線基本呈西南、東北走向，全線分兩期建設(shè)，其中，一期工程(本次實(shí)施段)起點(diǎn)位于蓮塘水廠處，與本項(xiàng)目二期工程及同時(shí)建設(shè)的市政連接線相連，終點(diǎn)接入現(xiàn)況深汕、惠鹽高速公路的金錢坳立交，與粵東地區(qū)高速路網(wǎng)相連。途經(jīng)蓮塘工業(yè)區(qū)、梧桐山、大望片區(qū)、西坑村、安良大康片區(qū)、東海工業(yè)園，簡龍工業(yè)園，寶龍工業(yè)區(qū)，坪山鎮(zhèn)，同樂工業(yè)區(qū)等，路線全長31.1km。該高速公路主線設(shè)計(jì)速度80km/h，蓮塘隧道段結(jié)合市政連接線統(tǒng)一考慮，按照60km/h設(shè)計(jì)，速度過渡段設(shè)置在隧道出口仙湖一號橋。起點(diǎn)至梧桐立交為雙向八車道斷面，路基寬35.5m?？紤]到本路段位于深圳水庫二級水源保護(hù)線范圍內(nèi)，在路兩側(cè)各設(shè)置2m寬的環(huán)保設(shè)施用地，故本路段路基總寬度為39.5m。梧桐立交至終點(diǎn)段道路斷面為雙向六車道，標(biāo)準(zhǔn)路基寬32m。工程沿線地勢起伏、高差大，路線穿越河谷區(qū)、低丘區(qū)、剝蝕性高臺地等地貌單元，沿線地形復(fù)雜。該工程設(shè)置特大橋4754.2m/3座(含互通立交主線橋1座)，大、中橋8112.2m/25座(含互通立交主線橋4座)，涵洞45道，隧道5330m(雙洞)/4座，互通式立交5處(含匝道橋4887.6m/15座)，天橋1座，通道14座，主線收費(fèi)站1處，水處理站3處。

根據(jù)國家水土保持法律、法規(guī)，有水土流失防治任務(wù)的公路開發(fā)建設(shè)單位必須進(jìn)行水土流失動態(tài)專項(xiàng)監(jiān)測，并委托具有水土保持監(jiān)測資質(zhì)的單位承擔(dān)監(jiān)測任務(wù)，監(jiān)測成果需定期向省水利廳、市水土保持監(jiān)測總站、區(qū)水土保持監(jiān)測分站報(bào)告，并在水保工程全部實(shí)施后提交水土保持監(jiān)測總結(jié)報(bào)告，作為工程水土保持專項(xiàng)驗(yàn)收的主要依據(jù)之一。根據(jù)深圳市基本生態(tài)控制線查詢系統(tǒng)，本項(xiàng)目K1+900～K11+520、K13+137～K15+965、K16+320～K17+670、K18+660～K30+810、K31+690～終點(diǎn)段均位于深圳市基本生態(tài)控制線范圍內(nèi)。

2.2 預(yù)測范圍、預(yù)測單元及預(yù)測時(shí)段

以水土流失防治分區(qū)的擾動面積為預(yù)測范圍。該高速公路建設(shè)工程共占地1228.45hm2，其中永久性和臨時(shí)性占地面積分別為1116.32hm2和112.13hm2。其中，公路工程建設(shè)擾動形式、擾動強(qiáng)度及特點(diǎn)基本一致的區(qū)域即為預(yù)測單元。按照《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》(GB50433-2019)和公路工程建設(shè)水土流失特點(diǎn)，劃分出4個(gè)水土流失預(yù)測單元，依次為主體工程區(qū)、施工道路區(qū)、臨時(shí)施工區(qū)及棄渣場，其中，施工期內(nèi)全部占地均面臨不同程度水土流失；自然恢復(fù)期內(nèi)除已硬化路面外，其余區(qū)域也均存在水土流失。具體情況詳見表1。該公路工程擬從2019年6月開工，直2022年1月竣工，施工期為31個(gè)月，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，高速公路工程建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測應(yīng)劃分為施工準(zhǔn)備期、施工期及自然恢復(fù)期。其中施工期是引發(fā)水土流失的主要階段，自然恢復(fù)期內(nèi)隨著各項(xiàng)水保措施功能的恢復(fù)，水土流失將逐漸降至新的穩(wěn)定狀態(tài)。施工準(zhǔn)備期和施工期按照各區(qū)域?qū)?yīng)的施工期限預(yù)測，自然恢復(fù)期為公路運(yùn)營的頭兩年，預(yù)測時(shí)段的劃分具體見表1。

表1 預(yù)測單元水土流失面積及預(yù)測時(shí)段統(tǒng)計(jì)

2.3 水土流失量預(yù)測

應(yīng)用類比法進(jìn)行該高速公路建設(shè)工程水土流失量預(yù)測，首先預(yù)測不同擾動單元的水土流失量，再進(jìn)行累加后計(jì)算工程整體水土流失量。

2.3.1 類比工程的選取

按照與預(yù)測工程在地形地貌、氣候條件、土壤類型、植被、土壤侵蝕類型、施工工藝等水土流失主要因子[2]方面基本一致的原則，選擇長度30km的廣東陽東至陽江港高速公路和長度32.12km的廣州到連州高速公路為類比工程，具體情況詳見表2。

表2 預(yù)測工程與類比工程水土流失因子對照表

2.3.2 預(yù)測結(jié)果及分析

1)類比工程土壤侵蝕模數(shù)：根據(jù)工程所在省交通科學(xué)研究院2021年對廣東陽東至陽江港高速公路以及廣州到連州高速公路施工現(xiàn)場挖填方單元、橋涵施工區(qū)、棄渣場等施工單元的調(diào)查與監(jiān)測，得出公路工程施工期內(nèi)的土壤侵蝕模數(shù)。類比工程在施工期及自然恢復(fù)期內(nèi)的土壤侵蝕模數(shù)具體見表3。

表3 類比工程土壤侵蝕模數(shù)

考慮到預(yù)測工程和類比工程在地形地貌、氣候條件、土壤類型、植被、土壤侵蝕類型等水土流失因子方面基本一致，但年降雨量均值方面存在差異，故按照降雨量比值進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)的的修正，施工期和自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)修正系數(shù)分別取0.98和1.12[3]。

2)預(yù)測工程土壤侵蝕模數(shù)：結(jié)合所得出的類比工程土壤侵蝕模數(shù)及修正系數(shù)，可以量化出預(yù)測工程施工準(zhǔn)備期、施工期及自然恢復(fù)期內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)值，具體見表4。

3)原土壤侵蝕模數(shù)背景值：將不修建工程情況下原生地貌水土流失量稱為土壤侵蝕模數(shù)背景值，按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)及相關(guān)調(diào)查資料、侵蝕模數(shù)等值線圖、水文手冊、現(xiàn)場勘查資料，工程區(qū)土壤侵蝕類型主要為水力侵蝕，結(jié)合區(qū)域地形地貌、水文要素、土壤條件、植被覆蓋等遭受公路工程建設(shè)的擾動情況，將工程區(qū)土壤侵蝕模數(shù)背景值確定為240t/(km2·a)。

表4 預(yù)測工程土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算結(jié)果

4)擬建工程水土流失量：將工程建設(shè)相關(guān)參數(shù)取值代入式(1)～(3)可以得出該擬建高速公路工程施工準(zhǔn)備期、施工期及自然恢復(fù)期內(nèi)水土流失量。根據(jù)預(yù)測，新建高速公路在施工準(zhǔn)備期、施工期及自然恢復(fù)期內(nèi)不采取任何水保措施的情況下所產(chǎn)生的水土流失量為150048754.79t，預(yù)測時(shí)段內(nèi)水土流失量背景值為81801.6t，則水土流失新增量為149966953.19t。

高速公路工程建設(shè)挖填方及棄渣場是引發(fā)水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域，也是水土保持預(yù)防監(jiān)測的重點(diǎn)所在[4]。挖填方和棄渣場施工開挖必將造成原地貌擾動，水保設(shè)施蓄水保土功能受到破壞；還可能造成滑坡、崩塌和泥石流等自然災(zāi)害。故單從水土保持角度來看，在公路工程設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量避免高填挖深，保持土石方平衡，控制棄土棄渣，縮短施工周期，減少水土流失。

3 結(jié) 論

綜上所述，文章以廣東陽東至陽江港高速公路和廣州到連州高速公路工程為類比工程，對新建深圳市羅湖區(qū)、龍崗區(qū)及坪山新區(qū)內(nèi)X高速公路水土流失量進(jìn)行預(yù)測，類比工程和預(yù)測工程所處地區(qū)地形地貌、水文氣象、土壤及植被等基本一致，所測得的水土流失量較為合理，也為類似工程建設(shè)所引起的水土流失量預(yù)測提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。但是類比工程土壤流失量預(yù)測采用簡易坡面量測法，監(jiān)測手段較為單一，監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步確定，所以，為保證類比法測算結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須廣泛開展類比工程水保監(jiān)測，提高監(jiān)測水平和監(jiān)測成果質(zhì)量、代表性及可比性，為準(zhǔn)確測算新建工程水土流失量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。