淺析陜北黃土高原區線性工程的水土流失預測

姜 浩

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

線性工程的建設通常具有擾動土地面積大、涉及影響范圍廣以及時空跨度長的特點，常見的線性工程有公路、鐵路建設，輸送水、汽以及油的管道建設等，這些工程的建設為國民經濟作出巨大貢獻的同時，也嚴重破壞了線路所途徑區域的生態環境。黃土高原區的土質疏松、溝多溝深、地面坡度較大、降水量較少、暴雨通常集中、植物稀少，這些特點加劇了線性工程建設過程中的水土流失[1]，線性工程建設過程中基礎的開挖會擾動原地貌，破壞地表植被，從而改變了原有地貌類型、植被以及土壤結構，使土地喪失了原有的固土抗蝕能力。同時，建設過程中會產生大量的廢棄土石方，導致項目區內土壤侵蝕強度加劇，水土流失量增加。如不采取有效的水土保持防護措施，極易產生水土流失，影響建設區域的生態環境，產生嚴重的水土流失危害[2]。本文以神華能源股份有限公司神東煤炭分公司大柳塔煤礦至開拓準備中心道路維修改造工程為例，依據實際分析工程水土流失預測單元、預測時段，應用數學模型法研究各預測時段的土壤侵蝕模數，預測建設過程中可能產生的水土流失量，為陜北黃土高原區線性工程的水土流失預測提供評價方法和依據，同時也為陜北黃土高原區線性工程制定水土流失防治方案提供有效的數據支撐。

1 研究背景

大柳塔煤礦至開拓準備中心道路維修改造工程位于陜西省榆林市神木市大柳塔鎮，行政區劃隸屬神木市大柳塔鎮管轄。工程南起于大石公路與烏蘭木倫河三號橋連接線平交口，沿既有大石公路布置，經維修三廠支護材料廠、哈拉溝煤礦、大柳塔水土保持公園、哈拉溝洗煤廠、開拓準備中心、瓷窯灣物資庫、石圪臺煤礦、石圪臺洗煤廠等，至陜蒙交界止，路線全長18.383km。本項目為改擴建建設類項目，總占地54.87hm2，擬于2022年4月施工準備，計劃于2023年11月底完工，總工期20個月(含施工準備期)。主要建設內容為對道路進行維修改造，路基寬度由8.5m拓寬為12m，部分路段加大轉彎半徑，改建為二級公路。本項目由路基工程區、橋涵工程區、棄土場區、施工生產區以及施工便道區共5部分組成。

2 預測方法

項目區水土流失成因復雜、類型多樣。本次采用實地調查法和數學模型法相結合的方法進行水土流失強度和水土流失量預測；采取引用資料法和設計資料統計相結合的方法對工程建設擾動原地貌及破壞土地和植被面積預測、棄土石渣量預測；采用數學模型法對擾動前和擾動后風蝕和水蝕土壤侵蝕模數進行模擬計算[3]；水土流失危害預測采取實地跟蹤調查、參考相似工程施工擾動后造成危害實例進行預測。

2.1 地表翻擾型一般擾動地表(水蝕)

Myd=RKydLySyBETA

(1)

式中，Myd為地表翻擾型一般擾動地表計算單元土壤流失量，t；R為降雨侵蝕力因子，取1323.28MJ·mm/(hm2·h)；Kyd為地表翻擾后土壤可蝕性因子，Kyd=NK，N為地表翻擾后土壤可蝕性因子增大系數，取2.13，K為土壤可蝕性因子，取0.0132；Ly為坡長因子，取1.9037；Sy為坡度因子，取0.9753；B為植被覆蓋因子，取0.20；E為工程措施因子，取1.0；T為耕作措施因子，取1.0；A為計算單元的水平投影面積，hm2，根據各預測單元占地面積確定。

2.2 上方無來水工程開挖面(水蝕)

Mkw=RGkwLkwSkwA

(2)

式中，Mkw為上方無來水工程開挖面計算單元土壤流失量，t；R為降雨侵蝕力因子，取1323.28MJ·mm/(hm2·h)；Gkw為上方無來水工程開挖面土質因子，取0.1814t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；Lkw為坡長因子，取0.1813；Skw為坡度因子，取0.9928；A為計算單元的水平投影面積，hm2，根據各預測單元占地面積確定。

2.3 上方無來水工程工程堆積體(水蝕)

Mdw=XRGdwLdwSdwA

(3)

式中，Mdw為上方無來水工程堆積體計算單位土壤流失量，t；R為降雨侵蝕力因子，取1323.28MJ·mm/(hm2·h)；X為堆積體形態因子，取1；Gdw為上方無來水工程堆積體土石質因子，取0.0021t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；Ldw為坡長因子，取5.96230；Sdw為坡度因子，取2.03887；A為計算單元的水平投影面積，hm2，根據各預測單元占地面積確定。

2.4 一般擾動地表(風蝕)

Mf=QIJAGf

(4)

式中，Mf為一般擾動地表計算單元土壤流失量，t；Q為計算當月單位面積風蝕率，取1700t·km-2；I為粗糙干擾因子，取0.98215；J為地表物質緊實程度系數，取1.33；A為計算單元水平投影面積，hm2，根據各預測單元占地面積確定；Gf為風蝕可蝕性因子，取1。

2.5 工程堆積體(風蝕)

Mfd=QIHPAGf

(5)

式中，Mfd為工程堆積體計算單元土壤流失量，t；Q為計算當月單位面積風蝕率，取3500t·km-2；I為粗糙干擾因子，取0.99910；H為工程堆積體高度因子，取3.09819；P為工程堆積體堆放方式因子，取0.5700；A為計算單元水平投影面積，hm2，根據各預測單元占地面積確定；Gf為風蝕可蝕性因子，取1。

3 參數確定

3.1 水土流失預測范圍和預測單元

根據本工程建設實際情況和對裸露地表變化、擾動的分析，工程預測范圍為全部擾動并可能產生水土流失的區域，即總占地面積54.87hm2。根據本工程占地類型及工程布局、工程組成、施工擾動特點、水土流失影響程度及地貌特征劃分水土流失預測單元，本項目可分為路基工程區、橋涵工程區、棄土場區、施工生產區以及施工便道區共5個預測單元。水土流失面積預測見表1。

表1 水土流失面積預測結果表

3.2 預測時段

預測時段包括施工期(含施工準備期)及自然恢復期。施工期預測單元的預測時段不簡單套用施工工期，而是根據施工工期的長度按照最不利的情況考慮，即超過雨(風)季長度不足1a的按全年計算，未超過雨(風)季長度的按占雨(風)季長度的比例計算[4]。項目區水蝕主要發生在6—9月，風蝕主要發生在3—5月、10-11月。自然恢復期預測單元的預測時段一般為2～5a，根據項目區自然條件和干旱程度，天然植物恢復或表土形成相對穩定的結構并發揮水土保持功效等因素，確定自然恢復期預測時段為5a。水土流失預測單元及預測時段詳見表2。

表2 水土流失預測單元及時段表

3.3 土壤侵蝕模數的確定

3.3.1 擾動前土壤侵蝕模數

項目區地貌類型為陜北沙丘沙地及草灘盆地亞區，屬黃河流域，土壤侵蝕類型以風力侵蝕為主，兼有水力侵蝕，現狀侵蝕為中度侵蝕。容許土壤流失量為1000t·km-2·a-1。參照《生產建設項目土壤流失量測算導則》(SL773-2018)，利用數學模型法計算擾動前土壤侵蝕模數。經計算，風蝕模數約為2200.64t·km-2·a-1，水蝕模數約為1380.78t·km-2·a-1。

表3 擾動前土壤侵蝕模數匯總表

3.3.2 擾動后土壤侵蝕模數

施工建設期，項目區原地貌遭到破壞，水土流失量迅速增加。經過對工程概況、項目區自然環境狀況、水土流失特點等的綜合分析，結合破壞后的各自坡度變化，對各區域擾動前后土壤流失量采用《生產建設項目土壤流失量測算導則》(SL773-2018)中測算公式。經計算，一般擾動地表流失類型風蝕模數約為4644.53t·km-2·a-1，地表翻擾型一般擾動地表流失類型水蝕模數約為2761.56t·km-2·a-1；上方無來水工程開挖面流失類型水蝕模數約為4320t·km-2·a-1；上方無來水工程堆積體流失類型水蝕模數約為3378.11t·km-2·a-1；工程堆積體流失類型風蝕模數約為6175.33t·km-2·a-1。

3.3.3 自然恢復期土壤侵蝕模數

在自然恢復期，隨著施工的結束，對地表的擾動破壞和影響也隨之消失，在不采取水土保持措施的情況下，經過5a恢復期，植被逐漸恢復至原地貌狀態。參照《生產建設項目土壤流失量測算導則》(SL773-2018)，利用數學模型法計算自然恢復期土壤侵蝕模數。經計算，第1年至第5年水蝕模數分別為1656.94t·km-2·a-1、1587.90t·km-2·a-1、1518.86t·km-2·a-1、1449.82t·km-2·a-1、1380.78t·km-2·a-1；第1年至第5年風蝕模數分別為2394.00t·km-2·a-1、2388.61t·km-2·a-1、2377.89t·km-2·a-1、2356.56t·km-2·a-1、2330.18t·km-2·a-1。

表4 擾動后土壤侵蝕模數匯總表

表5 自然恢復期土壤侵蝕模數匯總表

4 預測結果分析

依據各預測單元擾動地貌植被面積、施工擾動前后土壤侵蝕模數、預測時段，進行水土流失預測，按照預測方法及計算公式，計算各個時段的水土流失量。預測結果見表6。

表6 土壤流失量匯總表

從表6可以看出，工程建設期間可能造成的水土流失總量為19544.11t，新增水土流失量14269.17t。其中，施工期的水土流失量為9356.74t，新增水土流失量5404.55t；自然恢復期的水土流失量為10187.37t，新增水土流失量8864.62t。

圖1 分時段新增水土流失量圖

從圖1可以分析出，自然恢復期與施工期相比，新增水土流失量較大，主要原因為自然恢復期時間較長，通過換算成每年水土流失量(施工期新增水土流失量為2702.28t·a-1，自然恢復期新增水土流失量為1772.92t·a-1)，施工期水土流失強度較自然恢復期大，更主要原因在于施工期的人為擾動，因此，施工期水土流失防護措施的實施更為重要，施工期作為水土保持監測的重點時段。

圖2 分區段新增水土流失量圖

從圖2可以分析出，從水土流失產生的區域來看，新增水土流失的重點區域為路基工程區。路基工程區新增水土流失量占新增水土流失總量的77.96%。因此，路基工程區是本項目水土流失重點防治對象和水土流失監測的重點區域。

5 結語

隨著我國經濟迅速發展，不可避免的要修建公路、鐵路、輸送管線等生產建設工程。從而造成水土流失，對生態脆弱地區的環境造成巨大的影響。但通過水土流失量的預測可找出項目發生水土流失嚴重的區域和時間段，定量分析水土流失情況，定性分析水土流失影響的程度，為合理、科學制定水土保持措施體系提供依據，量化各個預測單元的水土流失增量，指導建設單位有針對性地減少因工程建設所引起的水土流失及其引發的不利影響具有重要意義。