自然修復因素對生產建設項目工程堆積體土壤流失影響探究

王浩宇，楊 陽，朱昊宇，李聰聰，桂博文，姬 鈺

（1.安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院（安徽省水利工程質量檢測中心站），水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233000；2.六安市水土保持中心，安徽 六安 237000；3.蚌埠市水利局，安徽 蚌埠 233000；4.淮河水利委員會淮河流域水土保持監測中心站，安徽 蚌埠 233000）

1 研究背景

我國新增水土流失以生產建設項目水土流失為其主要來源[1]，它是一種典型的人為加速侵蝕，形成了大量的特殊地貌單元。生產建設項目施工期中常見的土壤流失單元類型有工程堆積體、一般擾動地表、工程開挖面，相較而言，工程堆積體土壤流失最為嚴重，因其具有坡度陡，邊坡松散，結構穩定性差，抗沖抗蝕性極差的特點，在外力作用下，較大的塑性和流變變形容易發生，水土流失量極大[2]。為了調控生產建設項目工程堆積體水土流失，準確測算土壤流失量，國內專家學者運用定性和定量相結合的方法，從宏觀的外部因素對工程堆積體水土流失量的影響方面開展了一系列的研究，揭示了工程堆積體侵蝕過程，并初步建立了上方無來水工程堆積體土壤流失量測算模型——Mdw=XRGdwLdwSdwA[3]。然而，該模型的建立基于時間緊急需求迫切的生產任務；在最不利條件下，即在不采取任何水土保持措施、不考慮自然修復、水土流失時間加長的情況下對生產建設項目土壤流失量進行事前預測、事中監測和事后計算，為政府監督執法和水土保持方案編制服務，因此在模型建立過程中簡化甚至忽略了一些對工程堆積體的土壤侵蝕有重要影響的因素[4-5]。

根據《生產建設項目土壤流失量測算導則》（SL773-2018）（以下簡稱《導則》），工程堆積體在上方無來水沖刷的一般情況下，土壤流失測算影響因子主要有工程堆積體形態因子、降雨侵蝕力因子、土石質因子、坡長因子、坡度因子，并無體現自然修復能力的相關因子。而筆者通過對大量生產建設項目水土保持監測的研究，觀測到工程堆積體相對于工程開挖面和一般擾動地表土壤流失單元，通常具有靜態堆放時間較長，在施工期長時間無人為擾動的特點，此時自然修復能力將發揮作用，可減弱土壤流失強度，而擾動地表和工程開挖面由于人為活動的持續性，破壞了自然修復過程，使其無法發揮作用。

鑒于此，本研究以安徽省淮河干流一般堤防加固工程（蚌埠段）為例，在施工期選取具有典型代表性的工程堆積體、地表翻擾型一般擾動地表和工程開挖面單元作為研究對象，采用控制變量法，通過比較《導則》測算模型計算結果與土壤流失量實際監測結果，基于年土壤侵蝕模數，分析同一個研究單元模型計算值與實際值的縱向誤差，以及不同研究單元誤差的橫向差異，論證自然修復因素對工程堆積體土壤侵蝕的切實影響，并探究工程堆積體土壤流失測算模型中加入自然修復因子的合理性，以期完善模型、提升其測算精度，為生產建設項目水土保持監督和治理工作作出貢獻。

2 項目概況

安徽省淮河干流一般堤防加固工程（蚌埠段）屬于安徽省淮河干流一般堤防加固工程的一部分，位于安徽省蚌埠市禹會區、懷遠縣境內，于2016 年12 月開工，2020 年6 月完工。工程包含黃蘇段、天河封閉堤和塌荊段3 段堤防，主要建設內容涉及新筑堤岸、堤身加培、新建堤頂道路、新建管理區、拆除重建涵閘和泵站，防洪標準為20 年一遇，堤防級別為3 級。項目區所屬土壤侵蝕類型為北方土石山區，土壤侵蝕強度以微度為主，侵蝕類型以水力侵蝕為主，表現形式主要為面蝕，其次為溝蝕，水土流失容許值為200t/（km2·a）。

3 研究對象及方法

3.1 研究對象

研究對象選取安徽省淮河干流一般堤防加固工程（蚌埠段）具有代表性的工程堆積體（天河封閉堤后湖站臨時堆土）作為A 觀測點、地表翻擾型一般擾動地表（天河封閉堤后湖站施工作業場地）作為B 觀測點、工程開挖面（塌荊段芡荊站基坑開挖面）作為C 觀測點。其中天河封閉堤后湖站臨時堆土來源為外購土，在2019 年1 月堆放完成，穩定保持1 年以上，觀測樣地投影面積3100m2；天河封閉堤后湖站施工作業場地主要用于存放預制混凝土塊和停放機械，地面裸露無硬化，持續擾動1 年，觀測樣地面積5000m2；塌荊段芡荊站基坑于2019 年1月達到最大挖深，形成穩定開挖面，施工作業1 年后回填，觀測樣地投影面積2200m2。

研究采用控制變量法，除自然修復因素不同外，控制3 個觀測點的其余影響因素均處于同一水平。一般環境因素：降雨量及降雨強度、宏觀地形、氣溫、濕度、風力等須處于同一水平（選取的3 個觀測點距離較近，環境條件一致）；特殊環境因素：觀測點均不可受河流沖刷、上方來水沖刷、泥石流、滑坡、崩落等影響；人為因素：觀測點均不主動布設人為防治措施。

3.2 研究方法

（1）經現場觀測及取樣驗算，得到必要的基礎參數后，應用《導則》測算模型分別計算出各觀測點2019 年土壤侵蝕模數[6]。

A 觀測點土壤侵蝕模數計算：

式中：Mdw為上方無來水工程堆積體計算單元土壤侵蝕模數，t/（km2·a）；X 為工程堆積體形態因子，無量綱；R 為年降雨侵蝕力因子，MJ·mm/hm2·h；Gdw為上方無來水工程堆積體土石質因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；Ldw為上方無來水工程堆積體坡長因子，無量綱；Sdw為上方無來水工程堆積體坡度因子，無量綱。

B 觀測點土壤侵蝕模數計算：

式中：Myd為地表翻擾型一般擾動地表計算單元土壤侵蝕模數，t/（km2·a）；R 為年降雨侵蝕力因子，MJ·mm/hm2·h；Kyd為地表翻擾后土壤可蝕性因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；Ly為坡長因子，無量綱；Sy為坡度因子，無量綱；B 為植被覆蓋因子，無量綱；E 為工程措施因子，無量綱；T 為耕作措施因子，無量綱。

C 觀測點土壤侵蝕模數計算：

式中：Mkw為上方無來水工程開挖面計算單元土壤侵蝕模數，t/（km2·a）；R 為年降雨侵蝕力因子，MJ·mm/hm2·h；Gkw為上方無來水工程開挖面土質因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；Lkw為上方無來水工程開挖面坡長因子，無量綱；Skw為上方無來水工程開挖面坡度因子，無量綱。

（2）以2019 年為觀測期，從1 月至12 月逐月監測A 觀測點（測釘法）、B 觀測點（集沙池法）、C觀測點（坡面侵蝕溝觀測法）的土壤流失量，最終得出各觀測點2019 年實際綜合土壤侵蝕模數。

（3）分析各觀測點應用《導則》測算模型計算值與土壤侵蝕模數實測值的差值，比較各觀測點之間差值的差異，得出相關結論。

4 結果及分析

4.1 基礎參數監測結果

經現場觀測及取樣驗算，得到必要的基礎參數如下：

A 觀測點：年降雨量678.1mm；侵蝕面為傾斜平面；土體礫石含量0.1；土質類型為黏壤土；坡度55°；水平投影坡長度1.54m。

B 觀測點：年降雨量678.1mm；擾動前土壤可蝕性因子0.0038t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；土壤可蝕性因子增大系數2.13；樣地平均坡度3°；水平投影坡長度40m；無植被覆蓋，無工程措施，無耕作措施。

C 觀測點：年降雨量678.1mm；土體干密度2.65g/cm3；粉粒含量0.35；黏粒含量0.35；開挖面穩定后坡度60°；水平投影坡長度0.866m。

4.2 結果分析

應用《導則》測算模型分別計算出各觀測點2019 年土壤侵蝕模數，同時匯總各觀測點全年土壤流失量，得出各觀測點實測土壤侵蝕模數。對比各觀測點《導則》測算模型計算結果與土壤侵蝕模數實測結果，分析縱向誤差，以及不同觀測點誤差的橫向差異。各觀測點土壤侵蝕模數模型計算值與實測值誤差對比表詳見表1。

表1 各觀測點土壤侵蝕模數模型計算值與實測值誤差對比表

通過分析可見，B、C 觀測點的土壤侵蝕模數模型計算值相較實測值變化不大，說明B、C 觀測點應用《導則》測算模型誤差較小；A 觀測點土壤侵蝕模數模型計算值與實測值相差較大，誤差比例超過了8.1%，說明A 觀測點應用《導則》測算模型誤差較大，主要原因是工程堆積體測算模型忽略了自然修復因素的影響。

5 結論及展望

（1）通過對生產建設項目3 種不同土壤流失類型觀測點的橫向對比，地表翻擾型一般擾動地表、工程開挖面應用《導則》測算模型誤差較小，工程堆積體應用《導則》測算模型誤差較大，說明由于工程堆積體的長期堆放及相對無擾動，使自然修復因素對其土壤流失過程產生了顯著影響，故工程堆積體土壤流失測算模型需加入自然修復因子進行修正。

（2）工程堆積體自然修復能力是筆者總結大量生產建設項目水土保持監測研究工作經驗所提出的構想，具有一定的概念性，且受不同地區自然氣候環境影響，并不是一個統一的取值，具體的取值方法還須在更廣泛、更多樣的區域進一步研究，以期提升《導則》測算精度