府谷飛機場水土流失分析與預測

王彥軍

（府谷縣水土保持中心，陜西 榆林 719499）

1 概況

府谷飛機場位于陜西省榆林市府谷縣府谷鎮桑園梁附近，主要由飛行區、航站區、場外導航工程區、凈空處理區4個部分組成，占地類型包括耕地、園地、草地、林地。飛機場橫跨在3條較大的黃土沖溝及梁峁上，海拔高程介于1 020～1 100 m，最大高差約80 m，總體為北高南低。項目區土壤類型主要為黃綿土，植被類型屬溫帶草原地帶，林草平均覆蓋率約30%。項目區風力侵蝕和水力侵蝕交替發生，在時間上不同步，冬春以風力侵蝕為主，夏秋以水力侵蝕為主；土壤水力侵蝕模數為9 027.72 t∕（km2·a），風力侵蝕模數為5 383.60 t∕（km2·a），容許土壤流失量為1 000 t∕（km2·a），屬極強烈侵蝕區。受降水因素的影響，水蝕時間集中，主要發生在6—9月。

2 擾動面積及預測單元分析

2.1 擾動面積

依據主體工程設計有關資料，結合實地調查，預測本工程建設將擾動地表236.14 hm2，損壞植被223.30 hm2。其中，飛行區143.10 hm2，航站區17.71 hm2，場外導航工程區22.25 hm2，凈空處理區53.08 hm2。根據現場調查結合主體工程設計，經測算，項目工程建設開挖土方總量1 584.77 萬m3，回填土方總量1 584.77萬m3。工程建設無余方，不產生棄方。

2.2 預測單元

按照擾動方式相同、擾動強度相仿、土壤類型和質地相近、氣候條件相似、空間上相連續的原則，飛機場水土流失預測劃分為飛行區、航站區、場外導航工程區、凈空處理區4個單元。根據擾動地表、損壞植被面積分析，結合主體工程可研設計，確定本項目施工期水土流失面積為230.44 hm2、自然恢復期水土流失面積（扣除各建筑物占地面積和地面硬化面積等）為168.33 hm2。根據主體工程施工進度安排，將該項目的水土流失預測時段分為施工準備期、施工期、自然恢復期。其中，施工期36個月，2022年10月開工建設，2025 年9 月底竣工投入運行。自然恢復期預測時段為5 a。

3 施工期土壤侵蝕量計算

3.1 預測單元水蝕土壤侵蝕量

水蝕土壤侵蝕量擾動類型分為一般擾動地表、工程開挖面、工程堆積體3 種[1]。在水力作用下，未經夯實的工程回填面，可參照地表翻擾型一般擾動地表計算土壤流失量；未采取水土流失防治措施的碾壓地表、填壓面（填筑面），可參照工程開挖面計算土壤流失量。因此，本項目飛行區、航站區、場外導航工程區、凈空處理區施工擾動面，參照一般擾動地表-地表翻擾型計算；飛行區、航站區基坑開挖面，參照工程開挖面上方無來水型計算；飛行區、航站區、場外導航工程區及凈空處理區表土臨時堆土，參照工程堆積體上方無來水型計算。擾動后土壤侵蝕量的計算記述如下。

3.1.1 一般擾動地表

地表翻擾型一般擾動單元的土壤侵蝕量，按照下式計算：

式中：M為地表翻擾型一般擾動地表計算單元土壤侵蝕量（t）；R為降雨侵蝕力因子[MJ·mm∕（km2·h）]；Kyd為土壤可蝕性因子[t·hm2·h∕（hm2·MJ·mm）]；Ly為一般擾動地表坡長因子；Sy為一般擾動地表坡度因子；B為植被覆蓋因子；E為工程措施因子；T為耕作措施因子；A為計算單元水平投影面積（hm2）[2]。

根據式（1），施工期一般擾動地表土壤侵蝕量計算結果詳見表1。

表1 項目區擾動后土壤侵蝕量、侵蝕模數計算結果

3.1.2 工程開挖面

上方無來水工程開挖面施工期的預測單元土壤侵蝕量，按照下式計算：

式中：Mkw為上方無來水工程開挖面計算單元土壤侵蝕量（t）；R為降雨侵蝕力因子[MJ·mm∕（hm2·h）]；Gkw為上方無來水工程開挖面土質因子；Lkw為上方無來水工程開挖面坡長因子；Skw為上方無來水工程開挖面坡度因子；A為計算單元水平投影面積（hm2）[3]。

根據式（2），施工期工程開挖面土壤侵蝕量計算結果詳見表1。

3.1.3 工程堆積體

施工期上方無來水工程堆積體預測單元土壤侵蝕量，按照下式計算：

式中：Mdw為上方無來水工程堆積體計算單元土壤侵蝕量（t）；X為工程堆積體形態因子；Rd為多年平均降雨侵蝕力因子[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；Sdw為上方無來水工程堆積體坡度因子；A為計算單元水平投影面積（hm2）[4]。

根據式（3），施工期工程堆積體上方無來水土壤侵蝕量計算結果詳見表1。

3.2 預測單元風蝕土壤侵蝕量

風蝕擾動類型分為一般擾動地表、工程開挖面2 種。本項目飛行區、航站區、場外導航工程區、凈空處理區預測單元施工擾動面，參照風力作用下一般擾動地表計算；飛行區、航站區、場外導航工程區及凈空處理區表土臨時堆土，參照風力作用下工程堆積體計算。

3.2.1 擾動后風力作用下一般擾動地表土壤侵蝕量計算

式中：M為以縣域氣象資料測算的一般擾動地表計算單元土壤侵蝕量（t）；Q為計算當年單位面積風蝕率（t∕km2）；I為粗糙干擾因子；J為原始地表土體密度（kg∕m3）；Gf為風蝕可蝕性因子（無量綱）；A為計算單元水平投影面積（hm2）；um為計算當年平均風速（m∕s）；ETP為計算當年潛在蒸發量（mm）；p為計算當年降水量（mm）；x為計算當月天數（d）；tem為計算當月平均氣溫（℃）；rm為計算當月平均空氣相對濕度，取最小值。

根據式（4）、（5），風蝕一般擾動地表土壤侵蝕量計算結果詳見表1。

3.2.2 擾動后風力作用下工程堆積體土壤侵蝕量計算

式中：Mf為以次風觀測資料測算的工程堆積體計算單元土壤侵蝕量（t）；Q為計算當年單位面積風蝕率（t∕km2）；I為粗糙干擾因子；H為風力作用下工程堆積體高度因子；P為風力作用下工程堆積體堆放方式因子；Gt為風蝕可蝕性因子；A為計算單元水平投影面積（hm2）；h為堆積體高度（m）。

根據式（7），風蝕工程堆積體土壤侵蝕量計算結果詳見表1。

通過類比遞推的方法計算，可預測出預測單元擾動后土壤侵蝕量，詳見表1。

4 自然恢復期土壤侵蝕量計算

項目區原地貌林草覆蓋率為30%，本項目自然恢復期土壤侵蝕量按照《生產建設項目土壤流失量測算導則》（SL773-2018）中一般擾動地表分別計算水蝕和風蝕土壤流失量，其中第1 年植被覆蓋度取5%、第2年植被覆蓋度取10%、第3年植被覆蓋度取15%、第4 年植被覆蓋度取25%、第5 年植被覆蓋度取30%。通過類比遞推的方法計算，可預測出預測單元擾動后的土壤侵蝕量，從而得到項目區自然恢復期土壤侵蝕總量。自然恢復期土壤侵蝕量計算結果，詳見表2。

表2 項目區自然恢復期土壤侵蝕量

5 預測結果分析

5.1 至設計水平年土壤侵蝕模數

至設計水平年，各項水土保持措施均已落實并初步發揮效益。根據方案設計，至設計水平年項目區林草覆蓋面積可達169.11 hm2，林草植被覆蓋率為84.90%，水蝕土壤侵蝕模數可采用一般擾動地表進行預測，植被覆蓋因子取0.01；根據《生產建設項目土壤流失量測算導則》（SL773-2018）中9.2.1 條，當地表植被覆蓋度和礫石覆蓋度達到60%時風蝕量為0[5]，因此至設計水平年只考慮水蝕土壤侵蝕量。經各區域加權平均，可得至設計水平年項目區土壤侵蝕模數為936.77 t∕（km2·a），詳見表3。

表3 至設計水平年項目區土壤侵蝕模數和土壤流失量

5.2 預測結果

5.2.1 土壤流失面積預測

施工期可能產生水土流失面積為236.14 hm2；自然恢復期，主體工程區等大部分地面均已硬化，硬化區域及排水溝等工程占地基本不再發生水土流失，只有植物措施區及自然生態修復區由于植被尚未完全恢復而產生水土流失，其面積為169.11 hm2。

5.2.2 土壤流失量預測公式

根據工程各施工分區開挖后形成的地形、地面組成物質等實際情況，結合上述類比資料，分析確定其擾動后土壤侵蝕量。

土壤流失量預測公式為：

式中：W為擾動地表土壤流失總量（t）；W水為水蝕土壤流失量（t）；W風為風蝕土壤流失量（t）；j為預測時段（h）；i為預測單元（1，2，3，…，n-1，n）；Fji為第j預測時段第i預測單元的面積（km2）；Mji為第j預測時段第i預測單元的土壤侵蝕量（t）。

5.3 項目建設造成的土壤流失預測結果

由于主體工程施工時間不同，各單元預測時段土壤流失量亦有所不同。項目建設造成土壤流失總量為28.97萬t，其中水力侵蝕土壤流失總量15.43萬t、風力侵蝕土壤流失總量13.54萬t。

建設期土壤流失總量中，原地貌土壤流失總量為3.40 萬t，新增土壤流失量為25.57 萬t；施工期土壤流失量為20.01 萬t，自然恢復期土壤流失量為8.96萬t。項目區土壤流失預測結果匯總，詳見表4。

表4 各預測單元土壤流失預測匯總

5.4 綜合分析

綜上，擬建飛機場擾動地表面積為236.14 hm2。根據現場調查結合主體工程設計，經測算，項目工程建設開挖土方總量為1 584.77 萬m3，回填土方總量為1 584.77 萬m3，工程建設無余方，不產生棄方。擬建項目建設造成水土流失總量為28.97 萬t，新增水土流失量為25.57 萬t，其中飛行區造成土壤流失總量為21.49 萬t，占土壤流失總量的73.78%；飛行區新增土壤流失量為19.07 萬t，占新增土壤流失總量的74.23%。土壤流失重點區域為飛行區，土壤流失重點時段為施工期。

5.5 水土流失危害分析

從預測結果可知，本工程水土流失產生的主要區域為飛行區。工程建設將擾動原地貌面236.14 hm2，致使原地貌形態、土壤結構、地表植被均不同程度受到改變和損壞，極易產生水土流失，加速工程所在區域及周邊地區植被退化和破壞。工程建設因開挖形成的裸露面，若不采取必要的防護措施，飛行區、航站區等區域將受大風、雨水或徑流的影響，可能導致項目無法正常安全運行。

6 結語

經測算分析，項目建設水土流失預測結果為工程建設將擾動地表面積236.14 hm2、損壞植被面積223.30 hm2，自然恢復期面積169.11 hm2；項目建設造成土壤流失總量28.97萬t，其中水力侵蝕土壤流失總量15.43萬t、風力侵蝕土壤流失總量13.54萬t。在土壤流失總量中，原地貌土壤流失總量3.40萬t，新增土壤流失量25.57 萬t；施工期土壤流失量20.01萬t，自然恢復期土壤流失量8.96萬t。項目飛行區造成土壤流失總量為21.49萬t，占土壤流失總量的73.78%。預測結論可為制定相關水土流失治理方案提供科學依據。