開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失的試驗研究方法

藺明華 藺 青 蘇佳園 田 博 陳小科

(黃河水利委員會晉陜蒙接壤地區(qū)水土保持監(jiān)督局)

資源開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是人類社會發(fā)展過程中必須進(jìn)行的社會活動，新增水土流失也是客觀必然結(jié)果。近30 a來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的加速推進(jìn)，開發(fā)建設(shè)項目大規(guī)模上馬，人為造成的水土流失日益嚴(yán)重。如何對開發(fā)建設(shè)項目已造成的水土流失進(jìn)行調(diào)查與分析評價，對即將可能產(chǎn)生的水土流失進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，以便采取針對性措施，確保項目建設(shè)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)雙贏，是急需研究解決的一個重大問題。為此，水利部將“黃河中游地區(qū)開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失預(yù)測研究”課題列為水利技術(shù)開發(fā)基金項目，在開發(fā)建設(shè)項目比較集中的烏蘭木倫河流域進(jìn)行了專項試驗研究。根據(jù)研究成果，本文僅對開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失的試驗研究方法及其成果的應(yīng)用做一簡要介紹。

1 開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失特點(diǎn)

開發(fā)建設(shè)項目實(shí)施過程中，破壞了地表原有植被和土壤結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了大量的棄土棄渣，為新增水土流失提供了動力基礎(chǔ)與物質(zhì)基礎(chǔ)。同時，形成了較多的人工堆墊地面，這些新的下墊面，其土壤的機(jī)械物理組成與原生地面相比發(fā)生了很大變化，必然導(dǎo)致土壤抗蝕力的變化，進(jìn)而引起土壤侵蝕的變化。一般而言，因新下墊面抗蝕力的下降，其侵蝕強(qiáng)度必然大于原生地面，產(chǎn)生新增水土流失。

開發(fā)建設(shè)項目在建設(shè)與生產(chǎn)過程中新增水土流失的主要表現(xiàn)形式:一是因廢棄的土、巖石或其混合物任意堆放未采取水土保持措施而所產(chǎn)生的水土流失，其侵蝕方式有重力侵蝕(瀉溜、崩塌、泥石流等)、水蝕和風(fēng)蝕，以重力侵蝕和水蝕為主要方式;二是因破壞地表土壤結(jié)構(gòu)和地面植被，開挖巖土使土壤基巖裸露而形成新的地表面(土質(zhì)面或巖質(zhì)面)，因其抗蝕力下降，比原地表侵蝕強(qiáng)度加大，其侵蝕方式有重力侵蝕、風(fēng)力侵蝕和水力侵蝕等，一般以水蝕為主;三是根據(jù)設(shè)計使移動后的巖土按一定密實(shí)度在指定位置有序地堆放，但因堆積體表面未采取水保措施或水保措施尚未發(fā)揮效能而產(chǎn)生水土流失，其侵蝕方式有水蝕、風(fēng)蝕等，一般以水蝕為主;四是因施行地下挖、采而導(dǎo)致地表下沉、地面裂縫、地下水的運(yùn)動結(jié)構(gòu)破壞和地表植被枯萎、死亡，所引起的穴陷、穴蝕和加重風(fēng)蝕、水蝕等。

這四種新的水土流失表現(xiàn)形式，第一種我們稱之為棄土棄渣的水土流失，第二種稱之為裸露地貌的水土流失，第三種稱之為堆墊地貌的水土流失，第四種稱之為裂陷地貌的水土流失。根據(jù)調(diào)查，在開發(fā)建設(shè)過程中，第四種破壞地貌范圍不大，其新增水土流失量微小且侵蝕機(jī)理復(fù)雜。我們將裸露地貌和堆墊地貌統(tǒng)稱為“擾動地面”。所以，開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失的主要來源地是棄土棄渣和擾動地面。

2 試驗研究內(nèi)容與技術(shù)路線

黃河中游地區(qū)的土壤侵蝕多以水蝕為主，其影響因子主要有氣候、土壤、植被、地形和人類活動等5類。對開發(fā)建設(shè)形成的新下墊面而言，植被因子可不予考慮，所以開發(fā)建設(shè)形成的新下墊面的侵蝕影響因子主要為氣候、土壤、地形3類。開發(fā)建設(shè)新增水土流失量即為各類新下墊面因降雨侵蝕比原生地面增加的侵蝕量。本項研究的目的，就是通過試驗研究建立包括原生地面在內(nèi)的各類下墊面以土壤侵蝕模數(shù)為目標(biāo)量，以氣候因子、土壤因子、地形因子為預(yù)報因子的土壤侵蝕模型。

為達(dá)上述目的需開展試驗研究的主要內(nèi)容:①典型區(qū)域開發(fā)建設(shè)棄土棄渣和人為擾動地面調(diào)查;②典型區(qū)域降雨資料收集和降雨特性分析;③典型區(qū)域水保、水利措施減沙量與河道沖淤量調(diào)查分析;④進(jìn)行各類下墊面天然徑流小區(qū)和降雨量觀測;⑤在各類下墊面上開展人工降雨和放水沖刷試驗;⑥根據(jù)上述試驗結(jié)果建立不同下墊面的入滲方程，確定各種下墊面在不同頻率降雨作用下的水沙關(guān)系;⑦依據(jù)土壤侵蝕原理對典型區(qū)域所有開發(fā)建設(shè)項目的新增水土流失量進(jìn)行分析計算，同時應(yīng)用水文法和水保法分析同一典型區(qū)域所有開發(fā)建設(shè)項目的新增流失量，并對前述分析結(jié)果進(jìn)行驗證;⑧開發(fā)建設(shè)項目區(qū)土壤抗蝕性研究;⑨建立用于開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失量分析計算及預(yù)測的數(shù)學(xué)模型、土壤侵蝕系數(shù)及流失系數(shù)等。

3 試驗研究方法及其成果

3.1 天然降雨侵蝕試驗

在大柳塔選擇4種下墊面布設(shè)了11個2 m×5 m的天然徑流小區(qū)和雨量站，獲得2001、2002兩年間的5次有效降雨徑流資料，這些小區(qū)基本包括了開發(fā)建設(shè)過程中產(chǎn)生的下墊面類型。研究過程中，還參考借鑒了綏德水土保持科學(xué)試驗站在大柳塔獲得的1992－1994年間7個標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的5次有效降雨徑流資料。這些資料將作為分析天然降雨條件下土壤入滲方程、降雨—徑流—泥沙關(guān)系和土壤抗沖性指標(biāo)的主要依據(jù)。

3.1.1 天然降雨侵蝕試驗觀測內(nèi)容與方法

(1)降雨量觀測。利用自記雨量計和標(biāo)準(zhǔn)雨量筒同時觀測降雨量及過程。

(2)前期土壤含水率。在每次降雨前分別取樣測定各小區(qū)的土壤含水量。

(3)土壤干容重。在每次降雨前分別取樣測定各小區(qū)的土壤干容重。

(4)洪水總量與產(chǎn)沙量。當(dāng)一次產(chǎn)流降雨結(jié)束，及時測出徑流池的洪水總量，同時取渾水樣分析含沙量，進(jìn)而分析計算次降雨情況下的產(chǎn)沙量和清水總量，以此作為建立土壤入滲方程及降雨—徑流—泥沙關(guān)系的依據(jù)。

3.1.2 徑流小區(qū)土壤入滲方程的推求

為了克服天然降雨徑流小區(qū)未觀測到徑流過程和產(chǎn)沙過程的不足，研究采用試算法與累計下滲曲線扣損法相結(jié)合來推求徑流小區(qū)的入滲率曲線，即根據(jù)試驗地的土壤類型，假定一條土壤入滲能力曲線。本項研究選取土壤入滲曲線形式為Horton型曲線:

式中:f——土壤入滲率，mm/min;

t——入滲時間，min;

a、b——系數(shù);

k——指數(shù)。

根據(jù)每場降雨過程的實(shí)測雨強(qiáng)、土壤前期含水量以及假定的入滲曲線，利用累計下滲曲線扣損法，逐時段進(jìn)行產(chǎn)流計算，得到總產(chǎn)流量。如果利用假定的入滲曲線所得到的總產(chǎn)流量與實(shí)測產(chǎn)流量之差滿足精度要求，則假定的入滲曲線就是要求的徑流小區(qū)土壤入滲曲線，否則，另假定一條土壤入滲曲線重新進(jìn)行產(chǎn)流量計算，直至理論產(chǎn)流量與實(shí)測產(chǎn)流量之差滿足精度要求為止。

按照上述方法，編寫了C語言程序，依據(jù)實(shí)測資料，分別推求出11個徑流小區(qū)5場產(chǎn)流降雨條件下的Horton入滲方程(見表1)。

表1 不同下墊面小區(qū)天然降雨土壤入滲方程

3.2 人工降雨入滲試驗

3.2.1 試驗布設(shè)及觀測方法

(1)試驗布設(shè)。人工降雨入滲試驗的主要目的是建立各種下墊面下的土壤入滲方程，為推求不同頻率降雨條件下的降雨過程和徑流過程奠定基礎(chǔ)。為達(dá)此目的，在野外布設(shè)了5類下墊面11種坡度的34個2 m×1 m人工降雨入滲試驗小區(qū)，利用人工降雨設(shè)備按不同的降雨強(qiáng)度和降雨歷時實(shí)施了34場人工降雨試驗。降雨器由6個下噴式噴頭組成，噴頭距地面的距離不小于6 m。

(2)觀測內(nèi)容與方法。在每一個小區(qū)上進(jìn)行一場雨強(qiáng)衡定的人工降雨試驗，設(shè)計降雨強(qiáng)度和降雨歷時根據(jù)對試驗區(qū)域降雨特性分析結(jié)果分別確定為:1.0－2.5 mm/min和30－60 min之間。正式試驗前，先進(jìn)行雨強(qiáng)率定試驗，使雨強(qiáng)接近設(shè)計值，且小區(qū)上的雨強(qiáng)均勻度在85%以上。試驗開始后，利用均勻布設(shè)于小區(qū)內(nèi)的承雨器和接于小區(qū)出口集流槽上的徑流桶，每間隔2 min同時觀測一次降雨量、徑流量和徑流含沙量，直至實(shí)驗結(jié)束。

3.2.2 資料分析與試驗結(jié)果

根據(jù)觀測到的各時段徑流量及其含沙量，推算出該小區(qū)逐時段的清水徑流量和凈雨量;再根據(jù)各時段降雨量、凈雨量即可計算出逐時段的入滲量，并可繪制出該小區(qū)在一場人工降雨試驗過程中的土壤入滲過程線，進(jìn)而擬合成Horton入滲方程。

在34場人工降雨試驗中，有部分試驗的計算結(jié)果因數(shù)據(jù)零亂不能應(yīng)用;當(dāng)年棄土棄渣小區(qū)試驗過程中，因其滲透性非常強(qiáng)，以致于降雨強(qiáng)度調(diào)到2.45 mm/min時仍然未產(chǎn)流，因而這類下墊面沒有試驗結(jié)果。對有效試驗結(jié)果經(jīng)參數(shù)綜合匯總后得到各類下墊面的土壤入滲方程(見表2)。

表2 不同下墊面人工降雨土壤入滲擬合方程

3.3 降雨入滲試驗成果匯總

采用天然降雨和人工降雨兩種試驗方法得到的各類下墊面入滲方程，存在一定的差異。根據(jù)實(shí)驗條件和觀測方法的優(yōu)劣勢，對兩種試驗獲得的成果進(jìn)行綜合分析匯總，最終確定試驗區(qū)各類下墊面的入滲方程見表3。同時，將入滲方程f=a+bekt對時間積分，并以t=0時F=0為條件代入，得到降雨入滲能力方程:

式中:F——降雨入滲能力，mm。

(2)式和前面的(1)式即是降雨產(chǎn)流計算模型，可作為計算典型區(qū)域開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失量的主要技術(shù)依據(jù)。

表3 不同下墊面土壤入滲方程匯總表

3.4 放水沖刷試驗

放水沖刷試驗的目的，是確定不同下墊面在降雨產(chǎn)流條件下的水沙關(guān)系和建立新增水土流失量預(yù)測方法體系所需的參數(shù)。由于條件所限，人工降雨小區(qū)試驗結(jié)果不能真實(shí)反映自然坡面的水沙關(guān)系，實(shí)際情況是小區(qū)上部降雨產(chǎn)生的徑流對小區(qū)也產(chǎn)生侵蝕，坡面越長，徑流量越大，徑流的侵蝕能力越大，坡面水沙關(guān)系越接近實(shí)際情況。為解決這個問題，需進(jìn)行坡面模擬沖刷試驗，而坡面模擬沖刷試驗由于條件的限制，不能進(jìn)行全坡長試驗，為真實(shí)反映各類下墊面在全坡長降雨沖刷條件下的水沙關(guān)系，小區(qū)放水模擬沖刷試驗流量設(shè)計時，考慮了各類下墊面的實(shí)際匯水面積問題。

3.4.1 試驗布設(shè)

模擬沖刷試驗小區(qū)規(guī)格為10.0 m×1.0 m，共布設(shè)13類下墊面小區(qū)73個。小區(qū)的周圍埋設(shè)1.0 m×0.3 m的鋼板，出口處用三角堰將小區(qū)的徑流收集到徑流桶中，以便進(jìn)行測定和分析。根據(jù)各類下墊面小區(qū)降雨試驗得到的凈雨過程及小區(qū)上部匯水面積，確定的放水沖刷試驗流量分別為5、10、15、20、25(L/min)，模擬沖刷試驗時間一般在15－40 min之間。

3.4.2 試驗觀測項目

沖刷試驗前，需測定各下墊面土壤的容重、土壤顆粒級配、土壤前期含水量，并且采用體積法率定放水流量。

試驗開始后，每間隔1 min測量一次小區(qū)出口徑流桶承接到的渾水徑流的體積、重量，并將徑流桶靜置一段時間后，倒掉桶中上層清水，測定桶中泥沙層的重量，在泥沙層中部取部分泥沙樣，利用酒精烘干法測定泥沙中的含水量，據(jù)此反推桶中的泥沙量，多次測定取其平均值。

3.4.3 試驗結(jié)果

對每個小區(qū)放水沖刷過程得到的各時段徑流、泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到各個時段的清水量(L)和泥沙量(kg)，再將每一類多個小區(qū)的試驗結(jié)果進(jìn)行綜合，最后建立起該類小區(qū)放水沖刷條件下的水沙關(guān)系:

式中:y——產(chǎn)沙量，kg;

x——徑流量，L;

a、b——系數(shù)。

試驗結(jié)果見表4。

表4 不同下墊面水沙關(guān)系試驗成果表

4 試驗研究成果應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用上述試驗獲得的各類下墊面的降雨入滲方程和水沙關(guān)系方程，對開發(fā)建設(shè)初期的神東礦區(qū)所在區(qū)域—烏蘭木倫河流域的新增水土流失量進(jìn)行了分析研究。

4.1 基本資料調(diào)查分析方法

烏蘭木倫河是黃河一級支流窟野河的上游，流域面積3 849 km2。在神東礦區(qū)大開發(fā)初期的1986－1998年的13 a間，共開工建設(shè)了包括工礦、煤礦、公路、鐵路、化工、建材、城鎮(zhèn)建設(shè)等項目208個。此外，還調(diào)查了農(nóng)村民宅建設(shè)項目。這些項目總計擾動土地面積 5 392.93 hm2，產(chǎn)生棄土棄渣量13 681.53萬 t。

為了分析該時段開發(fā)建設(shè)項目的新增流失量，對該流域在1986－1998年間共發(fā)生的44次產(chǎn)洪降雨特性、每一場降雨中流域內(nèi)21個雨量站的前期影響雨量進(jìn)行了調(diào)查分析;對流域內(nèi)所有開發(fā)建設(shè)項目的基本情況進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查了各個項目棄土棄渣的數(shù)量、時間、堆棄位置、幾何形態(tài)、顆粒級配、棄土棄渣坡面上游來水面積，并調(diào)查了各個項目擾動地面的面積、數(shù)量、擾動時間、坡度、擾動形態(tài)及其上游來水面積;同時，將208個項目和農(nóng)村民宅逐年建設(shè)面積，分配在該流域的21個雨量站控制的泰森多邊形內(nèi)。此外，還在開發(fā)建設(shè)項目比較集中的晉陜豫“金三角”地區(qū)、陜西黃陵礦區(qū)及晉陜蒙接壤區(qū)，調(diào)查了棄土棄渣和各類擾動地面的植被及地表抗蝕性恢復(fù)時間;最后，對前述試驗獲得的降雨入滲方程和徑流泥沙關(guān)系方程，以開發(fā)建設(shè)產(chǎn)生各類下墊面的地面坡度和下墊面形成年份為參數(shù)進(jìn)行了細(xì)化。

4.2 新增流失量分析方法

首先，根據(jù)超滲產(chǎn)流原理和初損扣損法，利用前面建立起來的降雨入滲方程，分析計算某個項目的每一種下墊面及其原生地面在逐次產(chǎn)洪條件下的產(chǎn)流量;其次，依據(jù)該種下墊面的水沙關(guān)系方程，分析計算其在逐次產(chǎn)洪降雨條件下的產(chǎn)沙量;該下墊面的產(chǎn)沙量與原生地面產(chǎn)沙量之差，即是該下墊面在本次產(chǎn)洪降雨條件下的新增流失量;最后，對該項目各類下墊面新增流失量求和，即獲得本次產(chǎn)洪降雨條件下該項目的新增流失量。至此，分析得到了某一個項目在一次產(chǎn)洪降雨條件下的新增流失量，依此方法，可分析獲得烏蘭木倫河流域所有開發(fā)建設(shè)項目在研究時段(1986－1998年)內(nèi)的新增流失量。

“黃河中游地區(qū)開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失預(yù)測研究”課題在研究過程中，還采用水文法分析計算了烏蘭木倫河流域開發(fā)建設(shè)項目在同一研究時段內(nèi)的新增流失量，對上述試驗研究成果進(jìn)行了驗證，并利用試驗研究資料建立起用于分析、預(yù)測開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失量的數(shù)學(xué)模型等方法體系，這里不再詳述。

本文僅對開發(fā)建設(shè)項目新增水土流失試驗研究的內(nèi)容、方法及利用其成果對典型區(qū)域新增水土流失量進(jìn)行分析的方法做了簡要介紹，不足之處，敬請?zhí)岢鰧氋F意見。