工程開挖面特征及土壤流失量快速監(jiān)測方法探討

張平倉，周 若，程冬兵，李亞龍，許文盛

(長江科學(xué)院a.水土保持研究所;b.科研計(jì)劃處，武漢 430010)

1 研究背景

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通運(yùn)輸、城鎮(zhèn)建設(shè)、大型水利水電、礦山開采、石油化工等工程建設(shè)項(xiàng)目迅猛增長，工程建設(shè)所造成的人為水土流失在全國水土流失總量中占據(jù)越來越大的比重?！笆濉逼陂g，我國生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動面積達(dá)到5.53萬km2，棄土棄渣量92億t，平均每年實(shí)際發(fā)生的水土流失面積約為2.74萬 km2，造成的水土流失量9.5億t?！笆晃濉逼陂g，全國生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動地表面積和水土流失面積較“十五”增加11.5%，棄土棄渣增加8.8%，水土流失量增加6.7%。工程建設(shè)造成的水土流失強(qiáng)度高、范圍廣、危害大，嚴(yán)重危及人類賴以生存的水土資源和自然環(huán)境，給經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、生態(tài)安全以及人民群眾的生產(chǎn)生活帶來威脅［1］。

工程開挖面是人為水土流失的主要來源之一，盡管我國圍繞人為水土流失問題進(jìn)行了一定的研究工作，但針對工程開挖面水土流失監(jiān)測方面的研究非常有限，一般都是采用常規(guī)的水土流失監(jiān)測技術(shù)方法，沒有特別區(qū)分其與原生下墊面差異，難以對工程開挖面水土流失進(jìn)行準(zhǔn)確估算，不能為決策者、執(zhí)法者提供依據(jù)，也無法科學(xué)布設(shè)防治措施，因此，準(zhǔn)確、快速監(jiān)測工程開挖面水土流失量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和迫切的社會需求。

2 工程開挖面調(diào)查與分類

2.1 工程開挖面調(diào)查

開挖面是指因生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目需要而開挖的、由風(fēng)化殼或母質(zhì)(母巖)構(gòu)成的坡面。本研究于2010—2011年分4次分別對北方土石山區(qū)、東北黑土區(qū)、西南土石山區(qū)、南方紅壤區(qū)的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目形成的開挖面進(jìn)行了野外調(diào)查與勘測，主要調(diào)查內(nèi)容包括生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型、行政區(qū)劃、地理位置，開挖面下墊面的土壤類型、質(zhì)地、土層厚度、成土母質(zhì)、物質(zhì)組成、土石比例、坡度、坡長、侵蝕形式、時(shí)間等。累計(jì)調(diào)查開挖面100多個，典型開挖面76個，涉及公路、城鎮(zhèn)建設(shè)、鐵路、渠道堤防、露采礦、電力、水利水電、農(nóng)林開發(fā)、管線、冶金化工等生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型，見圖1。其中公路開挖面數(shù)量最多，占總開挖面的47%;其次是城鎮(zhèn)建設(shè)，占總開挖面的20%。這與近年來國家加強(qiáng)交通建設(shè)和城鎮(zhèn)建設(shè)的戰(zhàn)略是相符的。

根據(jù)下墊面物質(zhì)組成，一般可將開挖面分為土質(zhì)、石質(zhì)、土石混合3類。根據(jù)調(diào)查結(jié)果(如圖2)，在典型開挖面中，土質(zhì)開挖面38個，數(shù)量最多，占總開挖面的50%;其次土石混合開挖面28個，占總開挖面的37%;土質(zhì)和土石混合開挖面占總開挖面的87%;石質(zhì)開挖面10個，數(shù)量最少，僅占總開挖面的13%。

圖1 開挖面涉及的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型Fig.1 Types of engineering involving excavated slope

2.2 工程開挖面分類

由于石質(zhì)開挖面為純巖石坡面，不存在土壤流失，本研究不予考慮，所以本研究下面所提開挖面僅指土質(zhì)和土石混合開挖面。根據(jù)開挖面坡面組成物質(zhì)分異特征、周圍環(huán)境狀態(tài)、有無匯水影響等，結(jié)合土壤流失量監(jiān)測工作需要，對開挖面進(jìn)行概化，重新提出工程開挖面分類體系，如圖3。

首先根據(jù)開挖面的坡面物質(zhì)分異特征，可將開挖面劃分為均質(zhì)面和非均質(zhì)面兩類。均質(zhì)面是指整個坡面物質(zhì)組成及分布相對均一的開挖面。

非均質(zhì)面是指整個坡面物質(zhì)組成及分布存在明顯分異特征，或成規(guī)律的上下分層，或成無規(guī)律的斑塊狀分布，下墊面特征復(fù)雜多樣，對測算其土壤流失量和研究水土流失規(guī)律造成極大困難。為便于土壤流失量測算，可將非均質(zhì)面進(jìn)一步概化為若干條分界線將整個坡面分隔為若干個均質(zhì)面，根據(jù)各均質(zhì)面測算結(jié)果累加得到非均質(zhì)面。

根據(jù)開挖面上方有無匯水影響，可進(jìn)一步將開挖面劃分有匯水影響開挖面和無匯水影響開挖面兩類。當(dāng)開挖面坡頂未越過分水嶺，在坡頂無人工截水溝或天然截水溝等截水措施，開挖面受坡頂以上的來水沖刷時(shí)，稱為有匯水影響的開挖面。已有的研究表明［2］，當(dāng)坡面接受上方匯水后，各侵蝕方式演變速度明顯加快，侵蝕產(chǎn)沙量迅速增大。因?yàn)樯戏接袇R水時(shí)，使坡面下方的徑流量和流速增大，從而引起坡面徑流侵蝕能力加大。受降雨強(qiáng)度、坡度和坡面侵蝕發(fā)育不同階段的影響，上方匯水對坡面產(chǎn)沙的作用明顯不同。當(dāng)坡面侵蝕處于片蝕階段，坡面上方匯水主要使坡面水流速度加快，形成坡面跌水現(xiàn)象較快，從而加快了片蝕向細(xì)溝侵蝕的演變。當(dāng)坡面處于細(xì)溝侵蝕發(fā)育的初期和中期時(shí)，上方匯水成為坡面侵蝕的主要動力，細(xì)溝發(fā)育的速度明顯加快，主要表現(xiàn)為細(xì)溝侵蝕的下切侵蝕和側(cè)蝕發(fā)展明顯。據(jù)張新和、鄭粉莉等測算，當(dāng)坡面侵蝕以片蝕和細(xì)溝侵蝕為主時(shí)，上方匯水引起的凈侵蝕產(chǎn)沙量占總侵蝕量的55.6% ～78.15%［2］。當(dāng)細(xì)溝演變?yōu)榍袦虾?，上方匯水和降雨徑流進(jìn)一步增大，溝槽水流的侵蝕力及搬運(yùn)泥沙的能力也隨之進(jìn)一步增強(qiáng)，溝頭溝底不斷下切加深、溝壁崩塌加寬，上方匯水引起的凈侵蝕產(chǎn)沙量占總侵蝕量的90%左右［3］。

當(dāng)開挖面坡頂越過了分水嶺，或在坡頂有人工截水溝、天然截水溝等截水措施，開挖面不受坡頂以上的來水沖刷時(shí)，稱為無匯水影響的開挖面。對于無匯水影響的開挖面，其侵蝕外營力主要為降雨及其形成的徑流。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果(如圖4所示)，在典型開挖面中，均質(zhì)面44個，占67%;非均質(zhì)面22個，占33%;有匯水影響開挖面62個，占94%;無匯水影響開挖面4個，占6%?？梢姡_挖面受匯水影響非常普遍，易產(chǎn)生溝蝕而造成嚴(yán)重的水土流失。

圖2 開挖面物質(zhì)組成分類Fig.2 Classification of the material composition of excavated slope

圖3 開挖面分類體系Fig.3 Classification of excavated slope

圖4 開挖面類型分布Fig.4 Distribution of excavated slope types

3 開挖面特征分析

3.1 物質(zhì)組成界定

土壤指覆蓋于地球陸地表面、具有肥力特征的、能夠生長綠色植物的疏松物質(zhì)層。而開挖面在表土剝離后，擾動的土一般由風(fēng)化殼或母質(zhì)(母巖)構(gòu)成，與土壤存在顯著差別。因此，工程開挖面流失的土并非是傳統(tǒng)意義的土壤，而是工程意義上的土，主要由風(fēng)化殼或母質(zhì)(母巖)組成，可能含有一定的土壤。

根據(jù)調(diào)查取樣分析，開挖面平均干密度變化范圍在1.01～1.74 g/cm3之間。其中，干密度在1.41～1.60 g/cm3之間的樣本最多，占樣本總數(shù)的41%;其次為1.21 ～ 1.40 g/cm3，占 32%;＜1.2 g/cm3，＞1.61 g/cm3均較少，分別占 18% 和 9%。由此可見，開挖面緊實(shí)度高，干密度大。

3.2 坡度坡長

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，開挖面坡度在10°～90°之間。其中，60°～70°的開挖面最多，占樣本總數(shù)的21%;其次是 40°～50°，占 19%，30°～40°占 16%;小于20°的開挖面最少，僅占2%;80°～90°僅占 9%;換言之，30°～70°的開挖面達(dá)70%。

開挖面坡長在0.7～230 m之間。其中，小于10 m的開挖面最多，占樣本總數(shù)的48%，其次為11～20 m，占28%，大于20 m僅占24%?？梢婇_挖面以10 m左右的坡長為主。

3.3 開挖時(shí)間

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，開挖時(shí)間在1～36個月之間，個別樣本在數(shù)年以上。其中，小于6個月的開挖面所占比例最高，達(dá)到37%;其次為7～12個月，占31%;13～24個月占21%。也就是說開挖時(shí)間小于24個月占89%?？梢婇_挖面大多在2 a之內(nèi)，產(chǎn)生的水土流失就集中的前2 a。

4 開挖面水土流失特點(diǎn)

4.1 土壤流失量測算精度

根據(jù)新水土保持法判罰最小單位為m3，按干密度1.0 ～2.0 g/cm3，折算土壤流失量為 1 ～2 t。因此，可以確定開挖面土壤流失量的監(jiān)測精度為t。

4.2 開挖面水土流失形式

根據(jù)開挖面調(diào)查結(jié)果，按其最小開挖面大小為100 m2，要產(chǎn)生最小1 m3土壤流失量，其平均流失厚度為1 cm，按照水力強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)，其水土流失強(qiáng)度達(dá)極強(qiáng)烈侵蝕。根據(jù)水土流失規(guī)律，在水土流失發(fā)生初級階段，以降雨擊濺侵蝕和面蝕為主，產(chǎn)生的水土流失非常有限，隨著產(chǎn)流從漫流形成股流，徑流沖蝕力增大，細(xì)溝、淺溝，甚至切溝出現(xiàn)，水土流失迅速增大，產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失。根據(jù)賈志軍研究結(jié)果［4］，一次降雨情況下，細(xì)溝侵蝕量占侵蝕量的75% ～96%。鄭粉莉等［5］研究得出淺溝發(fā)育初期和中期階段，淺溝侵蝕量占總坡面侵蝕產(chǎn)沙的58%。因此，達(dá)到極強(qiáng)烈時(shí)，水土流失形式主要以細(xì)溝、淺溝、切溝等溝狀侵蝕為主。由于開挖面表面多已有人為開挖造成的或深或淺的溝痕，也為溝狀侵蝕快速發(fā)育提供了條件。同時(shí)，由于開挖面組成物質(zhì)緊實(shí)，降雨產(chǎn)生的擊濺作用有限，漫流未形成股流之前對坡面破壞剝蝕能力有限，致使面蝕產(chǎn)生的水土流失相對溝蝕比重非常小。因此，要產(chǎn)生最小1 m3土壤流失量，開挖面的水土流失形式主要為溝蝕。

5 土壤流失量監(jiān)測方法優(yōu)選

5.1 監(jiān)測對象

綜合開挖面特征及水土流失形式，確定工程開挖面土壤流失量監(jiān)測重點(diǎn)對象為有匯水影響、出現(xiàn)溝蝕、2 a內(nèi)的開挖面已發(fā)生的土壤流失量。

5.2 土壤流失量監(jiān)測方法

5.2.1 現(xiàn)有監(jiān)測方法概述

在水土保持監(jiān)測過程中，一般按照《水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》要求，主要采取了常規(guī)方法與新技術(shù)相結(jié)合的方式，如圖5所示。

圖5 水土保持監(jiān)測技術(shù)體系Fig.5 System of the monitoring technologies for soil and water conservation

徑流小區(qū)適用于坡面水土流失長期定位觀測，技術(shù)成熟、適用范圍廣、監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但周期長、成本高。

測釬(樁)適用于坡面水土流失長期定位觀測，技術(shù)成熟、適用范圍廣、成本低，易操作，但監(jiān)測數(shù)據(jù)精度較差、周期長。

控制站適用于有完整集水區(qū)域，且只有唯一出口的區(qū)域水土流失長期定位觀測，技術(shù)成熟、監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但適用性受限，不適合坡面監(jiān)測，且周期長。

沉沙池法適用于泥沙出口易確定、且出口處便于修筑沉沙池的坡面，其水土流失長期定位觀測成本低，易操作，但適用性受限、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度較差、周期長。

侵蝕溝量測法(填充法)適用于已產(chǎn)生明顯溝蝕的坡面，成本低、易操作、數(shù)據(jù)獲取快，但適用性受限、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度較差。

調(diào)查一般作為輔助手段，成本低，但獲取數(shù)據(jù)可信度差。

水土流失移動實(shí)驗(yàn)室主要適用于模擬短緩坡、無匯水影響的坡面，技術(shù)成熟、周期短、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度高，且可監(jiān)測水土流失過程，主要為水土流失估算(預(yù)測)提供科學(xué)依據(jù)。但適用性受限、成本較高、操作較復(fù)雜。

放水沖刷實(shí)驗(yàn)主要適用于模擬有匯水影響的坡面，周期短、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度高，且可監(jiān)測水土流失過程，主要為水土流失估算(預(yù)測)提供科學(xué)依據(jù)。但適用性受限、操作較難。

三維激光掃描儀主要適用于已產(chǎn)生明顯溝蝕的坡面，具有以下優(yōu)點(diǎn):①掃描速度快，地面三維激光掃描儀可在短時(shí)間內(nèi)獲取坡面溝谷的三維信息;②非接觸式工作，掃描儀發(fā)射激光束在測量目標(biāo)自動反射，避免人為擾動;③數(shù)據(jù)信息豐富，可以在進(jìn)行空間三維坐標(biāo)測量的同時(shí)，獲取目標(biāo)表面的激光強(qiáng)度信號和真彩色信息，為目標(biāo)的識別和分類提供了更多途徑;④主動性工作，自動發(fā)射測量信號，不需要外部光源配合，可在白天黑夜全天候作業(yè)，提高了作業(yè)效率;⑤高精度，地面激光掃描能以高精度的方式獲取目標(biāo)的坡面微地形特征;⑥可量測，可以直接在點(diǎn)云上獲取三維坐標(biāo)、距離、方位角、表面法向量，還可以計(jì)算得到點(diǎn)云所表達(dá)目標(biāo)的表面積、體積等。霍云云等人［6］利用三維激光掃描儀可以很好地對坡面細(xì)溝侵蝕過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，通過它可以直觀地監(jiān)測坡面各點(diǎn)的微地形變化，與以往研究方法相比，具有使用方便、精度高、監(jiān)測范圍大等優(yōu)點(diǎn)，是一種用于監(jiān)測坡面微地形變化的新方法，認(rèn)為三維激光掃描儀非常適合應(yīng)用于野外實(shí)地檢測侵蝕發(fā)育過程，并且可將掃描結(jié)果應(yīng)用于侵蝕模型的建立。但該技術(shù)適用性受限，僅能用于已產(chǎn)生溝蝕的坡面，另外設(shè)備成本較高。

以上監(jiān)測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測對象和要求，因地制宜選擇監(jiān)測方法。

5.2.2 開挖面土壤流失量監(jiān)測方法

鑒于監(jiān)測精度要求、開挖面特征、水土流失形式，在綜合比較各監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，工程開挖面土壤流失量快速監(jiān)測宜采取三維激光掃描儀。理由如下:

(1)監(jiān)測對象是已產(chǎn)生溝蝕的開挖面，無需對濺蝕、片蝕進(jìn)行監(jiān)測。

(2)監(jiān)測內(nèi)容是已發(fā)生的土壤流失量，無需對土壤流失過程進(jìn)行監(jiān)測，也無需對未來進(jìn)行預(yù)測。

(3)監(jiān)測精度為t，高精度監(jiān)測土壤流失量沒有必要，低精度監(jiān)測沒有意義。

(4)滿足快速監(jiān)測要求，以便及時(shí)為項(xiàng)目業(yè)主、水行政執(zhí)法部門提供決策及執(zhí)法依據(jù)。

因此，三維激光掃描儀±2 mm的測量精度，方便快捷及易操作性等特性，正符合工程開挖面土壤流失量的快速準(zhǔn)確監(jiān)測要求。

6 結(jié)論

(1)累計(jì)調(diào)查開挖面100多個，典型開挖面76個，其中公路開挖面數(shù)量最多，占總開挖面的47%;其次是城鎮(zhèn)建設(shè)，占20%。根據(jù)下墊面物質(zhì)組成，一般可將開挖面分為土質(zhì)、石質(zhì)、土石混合3類。土質(zhì)開挖面38個，數(shù)量最多，占總開挖面的50%;其次土石混合開挖面28個，占37%;石質(zhì)開挖面10個，數(shù)量最少，占13%。

(2)根據(jù)開挖面的坡面物質(zhì)分異特征，可將開挖面劃分為均質(zhì)面和非均質(zhì)面兩類。根據(jù)開挖面上方有無匯水影響，可進(jìn)一步將開挖面劃分有匯水影響開挖面和無匯水影響開挖面兩類。在典型開挖面中，均質(zhì)面占67%，非均質(zhì)面占33%，有匯水影響開挖面占94%，無匯水影響開挖面占6%。

(3)工程開挖面流失的土主要由風(fēng)化殼或母質(zhì)(母巖)組成，可能含有一定的土壤，緊實(shí)度高，重度大，坡度30°～70°達(dá)70%，坡長主要為10 m左右，開挖時(shí)間大多在2 a之內(nèi)。

(4)開挖面土壤流失量的監(jiān)測精度為t，水土流失形式主要為溝蝕。

(5)鑒于監(jiān)測精度要求、開挖面特征、水土流失形式，工程開挖面土壤流失量快速監(jiān)測宜采取三維激光掃描儀。當(dāng)經(jīng)濟(jì)條件受限，亦可采取侵蝕溝量測法(填充法)粗略估算土壤流失量。

［1］水利部，中國科學(xué)院，中國工程院.中國水土流失防治與生態(tài)安全—開發(fā)建設(shè)活動卷［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.(Ministry of Water Resources/Chinese A-cademy of Sciences/Chinese Academy of Engineering.Prevention and Control of Soil Erosion and Ecological Security in China:Development and Construction Volume［M］.Beijing:Science Press，2010.(in Chinese))

［2］張新和，鄭粉莉，汪曉勇，等.上方匯水對黃土坡面侵蝕方式演變及侵蝕產(chǎn)沙的影響［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(3):105－110.(ZHANG Xin-he，ZHENG Fen-li，WANG Xiao-yong，et al.Effects of Upslope Runoff on Loessial Hillslope Erosion Pattern Evolution Process and Erosion Sediment［J］.Journal of Northwest A＆F University(Natural Science Edition)，2008，36(3):105－110.(in Chinese))

［3］肖培青，鄭粉莉.上方匯水匯沙對坡面侵蝕過程的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2003，17(3):25－27，41.(XIAO Pei-qing，ZHENG Fen-li.Effects of Runoff and Sediment from Upslope on Downslope Erosion Process［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2003，17(3):25 －27，41.(in Chinese))

［4］賈志軍，李傻義，王小平.地面坡度對坡耕地土壤侵蝕的影響［C］∥晉西黃土高原土壤侵蝕規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究文集.北京:水利電力出版社，1990:26－31.(JIA Zhi-jun，LI Sha-yi，WANG Xiao-ping.Effect on Soil E-rosion in Slope Farmland by Ground Slope［C］∥Proceedings of Research on the Law of Soil Erosion in Loess Plateau in West Shanxi.Beijing:Water Resources and Electric Power Press，1990:26 －31.(in Chinese))

［5］武 敏，鄭粉莉，黃 斌.黃土坡面匯流匯沙對淺溝侵蝕影響的試驗(yàn)研究［J］.水土保持研究，2004，(4):74 －77.(WU Min，ZHENG Fen-li，HUANG Bin.Experimental Study on Upslope Runoff Effects on Ephemeral Gully Erosion Processes at Loessial Hillslope［J］.Research of Soil and Water Conservation，2004，(4):74－77.(in Chinese))

［6］霍云云，吳淑芳，馮 浩，等.基于三維激光掃描儀的坡面細(xì)溝侵蝕動態(tài)過程研究［J］.中國水土保持科學(xué)，2011，9(2):32 － 37.(HUO Yun-yun，WU Shufang，F(xiàn)ENG Hao，et al.Dynamic Process of Slope Rill Erosion Based on Three Dimensional Laser Scanner［J］.Science of Soil and Water Conservation，2011，9(2):32 －37.(in Chinese))