基于土壤流失量預測的水庫工程水土流失計算及危害分析

連 燕

(四會市宏禹水利水電勘測設計有限公司，廣東 四會 526200)

0 引 言

水庫工程是人們基于原有的自然條件，將水資源進行合理存儲、調節并使用的水利工程。在水庫工程建設和應用過程中，項目區域大都存在著各種程度的水土流失，會給項目周邊地區的生態環境造成極大破壞，因此在水庫建設時要將減少水土流失作為需要解決的關鍵性問題。在水庫工程的建設前期，要提前做好對土壤流失量的預測工作，并依此進行水土流失的計算和水土流失的危害性分析，從而制定相應的水土保持方案，使水庫工程的建設更加科學合理，使其能夠做出最大的貢獻[1]。

1 水庫工程水土流失現狀

水土流失是指由于自然或人為因素的影響、雨水不能就地消納、順勢下流、沖刷土壤，造成水分和土壤同時流失的現象。主要原因是地面坡度大、土地利用不當、地面植被遭破壞、耕作技術不合理、土質松散、濫伐森林、過度放牧等。

因水土流失現象我國每年耕地面積縮減約6.67萬hm2，對我國自然生態、耕地面積等造成嚴重破壞。

水土流失現象主要有3個特點：①時間集中，易發生在雨季；②其破壞力巨大，容易帶來不可估量的經濟損失和人員傷亡；③水土流失現象一旦發生，如不持續維護還容易造成二次傷害[3]。

2 水庫工程水土流失危害

水庫工程本身作為控制利用和調節水源的工程，更需要謹慎對待遭遇水土流失帶來的危害。水庫工程發生水土流失的主要原因是工程建設中地表的水土開挖外力擾動、棄土棄渣在外力作用下加速水土侵蝕，主要集中在項目建設區域[4]。水庫工程的水土流失危害在各分區主要是：

2.1 水庫水源樞紐建設分區

水源樞紐施工會對原地表擾動，使原有的水土保持能力遭受破壞，在外力作用下會加速水土的侵蝕。如果沒有采取防護手段，擾動后的地表會容易受到雨水和地表水流的沖刷，水土流失會加劇。工程土石方開挖量很大，如果不能及時將土石方運到渣場，在現場存放的土渣中的泥沙會被水流沖刷下在下游的河道淤積，對河道安全泄洪帶來影響，并且會對河道下游的農地安全生產帶來影響。

2.2 施工現場生產和生活設施分區

施工現場生產和生活設施分區的場地基礎開挖會擾動原地表，從而破壞原地表的土壤組織構造，降低或喪失原地表的水土保持能力，使得該分區地表在外力作用下失去抵抗侵蝕的能力。如果不實施可靠的水土保持手段，會造成大量的水土流失，會對下游的農地及農民的生產生活帶來極大影響。

2.3 灌溉及供水運輸管線建設分區

水庫工程的灌溉及供水運輸管線線路一般都較長，對于地表擾動和土石方開挖量都較大，如果對挖出的土石方不能及時運出，并且采用必要的擋水、攔擋和防護手段，如果遇到雨水較大的情況容易發生水土流失。挖出的土石方會在水流的沖刷下發生滑落，會對附近的工程設施和農地造成損壞，對于下游農地的質量造成影響，而且該分區會對農地、灌草地造成臨時占用，如果工程完成后不能及時對所占土地類型進行恢復，會造成用地面積的減少，增大該分區的水土流失，對于居住在附近的人們的生產和生活造成影響。

2.4 料場建設分區

料場建設分區水土流失的主要原因是該分區對于土石的開挖造成了裸露的坡地和臨時堆土，對于原有的地形地貌帶來變化，對于原地表的土壤間的組織構造造成破壞，使的該分區的水土保持能力降低。如果不能進行攔擋、排水和防護等有效水土保持手段，土石會被雨水和水流沖走加速水土流失，會對下游的道路和農地造成損壞，嚴重影響當地居民的生產生活。該分區會對農地、灌草地造成臨時占用，如果工程完成后不能及時對所占土地類型進行恢復，會造成用地面積的減少，增加該分區的水土流失，對于工程生產和居民生產生活帶來影響[5]。

2.5 渣場建設分區

渣場建設分區水土流失的主要原因是該分區用于存放工程建設施工中所廢棄的土石，所存放的土石沒有水土保持的能力，對于當地的地形地貌帶來變化，對于原地表的土壤間的組織構造造成破壞，在外力作用下容易加速侵蝕。如果對于渣場分區所存放的土石不能進行攔擋、排水和防護手段，存放的土石會被雨水和地表水流沖刷造成嚴重的水土流失，對于下游的農地和河道的安全造成損壞。該分區會對農地、灌草地造成臨時占用，如果工程完成后不能及時對所占土地類型進行恢復，會造成用地面積的減少，增加該分區的水土流失，對于居民生產生活帶來影響。

2.6 道路交通工程建設分區

道路交通施工工程臨時堆放的土石方容易形成松散的裸露邊坡，在外力作用下能夠加速侵蝕，如果不能夠采用有效截排水和植物防護手段，能夠產生嚴重的水土流失，而且土石方被雨水和地表水流沖刷極易對下游的農地造成淹沒。臨時道路會對農地、灌草地造成占用，如果工程完成后不能及時對臨時道路所占土地類型進行恢復，會造成用地面積的減少，對于農業生產帶來影響。

所以，水利工程設計和管理部門對于水土流失的危害需要做到預知預控，避免重大水災旱災。

3 水庫工程水土流失量的計算與預測

3.1 水土流失量的計算

首先根據項目技術資料及施工工藝，并實地踏勘，預測出水庫工程項目各建設區具體擾動區域及擾動地表面積[6]。然后根據《土壤侵蝕分類分級標準》中關于分級分類的相關規定，結合工程的水土保持監測數據及對專家進行咨詢，進行各建設區強度劃分并確定其土壤侵蝕模數。

土壤流失量計算公式為：

(1)

增加土壤流失量計算公式為：

(2)

(3)

式中：W為土壤流失量，t；△W為增加土壤流失量，t；△Myx為第x預測分區第y預測時段的增加土壤侵蝕模數，t/(km2·a)；x為預測分區，x=1,2，…，n-1，n；y為預測期段，1表示施工期段，2表示自然恢復期段；Fyx為第x預測分區第y預測期段的面積，單位為km2；Myx為第x預測分區第y預測期段的土壤侵蝕模數，t/(km2·a)；Tyx為第x預測分區第y預測期段的預測時段長，a；M0x為第x預測分區擾動前的土壤侵蝕模數，t/(km2·a)。

選擇合適的土壤侵蝕模數后，將水庫工程的各預測期段、預測分區的面積代入上面3個公式，進而也可計算出水土流量的總量，細分數據包括施工期間和自然恢復期時間段的分別流失量。根據預測時間段內的水土流失量進而確定出流失期段和防治分區。

3.2 水土流失量的預測

根據GB50433-2018《生產建設項目水土保持技術標準》和GB/T50434-2018《生產建設項目水土流失防治標準》的相關規定，結合水庫工程項目的建設特點，現將水土流失量的預測內容和方法如表1所示。

表1 水土工程水土流失的預測內容和方法

水土流失量和時間段的預測，需要結合防治分區的劃分，根據技術規范和防治標準制定相應的預測手段，另外預測時段結合水庫工程建設區和影響區的不同特點，分成工程施工(包含準備)期段和工程自然恢復期段兩個期段。在對期段進行預測時要考慮最有害的因素，工期如果多于雨季的時長要算作一年，不多于雨季時長的根據所占百分比進行統計[7]。

3.3 水土流失計算與預測示例

某地擬建水庫，壩址以上集水面積為13.42km2，總庫容為125萬m3，正常蓄水水位1255m，工程等別為Ⅳ等，工程規模屬小(1) 型，該項目所在地的土壤主要是赤紅壤土和紅黃壤土等類型，水土流失主要是受水力的侵蝕且其強度是輕度。預計每年的水土流失總量≥34.26t，侵蝕模數平均為每年1145t/km2，根據流失等級劃分屬于輕度流失區，占地面積不低于35.25hm2，其中擾動地面面積為26.25hm2。建設區各分區擾動地表面積如表2所示。

表2 建設區各分區擾動地表面積

經計算可得該水庫工程各期段原地表、增加及總的水土流失量如表3所示。

表3 各期段水土流失量預測統計

4 水庫工程水土流失控制措施

通過對土壤流失量的預測結果以及水土流失危害進行研究分析，在水庫工程的水土防治工作中應重點從以下3方面入手：

1)與自然恢復期相比，施工期是新增水土流失嚴重的關鍵時期，因此在施工過程中要對工程的施工進度妥善安排，使產生水土流失的時段能夠得到極大減少[8]。因為雨季雨水沖刷會加劇水土流失，在施工中要盡量避免雨季施工，如果實在無法避免，應做好雨季時段的水土流失防護工作。

2)水土流失發生的重點區域是水庫水源樞紐建設分區、施工現場生產和生活設施分區、灌溉及供水運輸管線建設分區、渣場建設分區、道路交通工程建設分區，在這些區域要從施工的布置、施工的時段和主體項目的分析結果入手實施切合實際的防治手段，并且與主體項目的建設有效進行結合，從而形成綜合的總體防治體系，使人為原因造成的水土流失和自然環境破壞得到最大程度的降低。

3)要監測水庫工程建設的水土流失形式、期段及分區，掌握水土流失的各項情況及水土保持措施的效果，從中找出措施存在的不足或防治效果達不到要求的時候能夠及時采取補救手段，使水土流失得到最大程度的控制。

5 水土流失防治總體布局

由于水庫工程建設過程中新增水土流失的特性，在對水庫淹沒分區進行預防保護措施外，應將水庫水源樞紐建設分區、施工現場生產和生活設施分區、灌溉及供水運輸管線建設分區、料場建設分區、渣場建設分區、道路交通工程建設分區、專項水利設施遷建工程分區作為水土防治的重點區域，從地面工程、栽種植被和臨時工程3方面制定措施，形成綜合水土防治總體布局，其中水土保持工程措施主要有去除地表土、地表覆土、阻水溝、平整地面等；植被措施主要有栽種灌喬木、草皮、攀爬植物等；臨時措施主要有臨時遮擋、排水等[9]。通過3方面措施的總體布局，實現水土防治的有效控制，生態環境得到最大程度的保護，水土流失防治總體布局如表4所示。

表4 水土流失防治總體布局

6 結 語

通過對水庫工程進行水土流失防治分區及責任范圍合理劃分，設定水土防治重點工作區域，進行土壤流失量預測并進行水土流失計算和危害分析，從而在水土保持工程、植被及臨時三方面實施水土防治措施建立綜合水土防治體系，使水庫工程水土流失得到有效防治控制，自然環境得到有效改善，最大限度減少水庫工程的水土流失量[10]。