高速公路工程水土流失預(yù)測(cè)與分析實(shí)踐

於孟元，趙忠偉

(1.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，南京 210024； 2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210024)

1 研究背景

水土流失預(yù)測(cè)是水土保持方案編制的重點(diǎn)與難點(diǎn)[1]，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治與監(jiān)測(cè)具有重要意義[2]。類比法是目前最廣泛使用的水土流失預(yù)測(cè)方法，具有直觀快速、簡單易行等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，但也存在明顯的缺陷，主要表現(xiàn)在：①由于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型和地域分布的差異，很多項(xiàng)目難以獲取理想的水土流失預(yù)測(cè)類比資料；②目前水土流失監(jiān)測(cè)仍在初始階段，監(jiān)測(cè)資料的連續(xù)性和代表性較差，使得類比法的修正系數(shù)取值空間和彈性較大[5-6]；③水土流失預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)是在工程建設(shè)擾動(dòng)地表后，未采取水土保持措施等最不利條件下，預(yù)測(cè)可能造成的水土流失量及其危害，而在實(shí)際施工過程中，水土流失監(jiān)測(cè)資料一般會(huì)受到水土保持措施布設(shè)的影響，從而對(duì)類比資料的適用性構(gòu)成一定限制。

2018年10月，水利部批準(zhǔn)發(fā)布了《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測(cè)算導(dǎo)則》(SL 773—2018)[7](以下簡稱《導(dǎo)則》)?！秾?dǎo)則》適用于水力和風(fēng)力作用下生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量的事前預(yù)測(cè)、事中監(jiān)測(cè)和事后計(jì)算，為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)提供了一個(gè)全新的數(shù)學(xué)模型方案。其適用性與測(cè)算效果亟需在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)。

表1 土壤流失類型劃分Table 1 Classification of soil erosion types

高速公路工程具有線路長、占地廣、土石方工程量大、擾動(dòng)類型多樣等特點(diǎn)[8-10]，工程建設(shè)伴隨大量的土石方開挖填筑，地表的劇烈擾動(dòng)，導(dǎo)致沿線地形地貌、土壤結(jié)構(gòu)與景觀生態(tài)遭到極大破壞，造成大量水土流失，對(duì)土地資源的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益構(gòu)成嚴(yán)重威脅[11-13]。本文以西南地區(qū)某高速公路工程為例，運(yùn)用《導(dǎo)則》，對(duì)項(xiàng)目水土流失情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與類比法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證《導(dǎo)則》對(duì)于高速公路工程的適用性，為《導(dǎo)則》的進(jìn)一步完善提供參考，也可為高速公路工程水土流失預(yù)測(cè)工作提供借鑒。

2 項(xiàng)目區(qū)概況

某高速公路地處重慶市江津區(qū)境內(nèi)，建設(shè)內(nèi)容包括路基、橋梁、隧道、互通立交、附屬設(shè)施、施工便道、施工營地、棄渣場(chǎng)等，占地面積518.83 hm2，其中永久占地437.77 hm2，臨時(shí)占地81.06 hm2。項(xiàng)目挖方922.31萬 m3，填方528.38萬 m3，棄方393.93萬 m3，無借方。

項(xiàng)目地處低山丘陵區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為1 031 mm；土壤以紫色土為主；植被類型為亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，工程沿線林草植被覆蓋率約45%。公路所經(jīng)過地區(qū)為以水力侵蝕為主的西南紫色土區(qū)，沿線土壤侵蝕背景值為1 184 t/(km2·a)。

3 基于《導(dǎo)則》測(cè)算土壤流失量

3.1 預(yù)測(cè)范圍與時(shí)段

根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50433—2018)[14]，水土流失預(yù)測(cè)范圍為項(xiàng)目水土流失防治責(zé)任范圍。其中，自然恢復(fù)期的預(yù)測(cè)范圍不含建筑物占地、地面硬化和水域面積。

該項(xiàng)目為建設(shè)類新建項(xiàng)目，其水土流失預(yù)測(cè)時(shí)段分為施工期(含施工準(zhǔn)備期)和自然恢復(fù)期。該項(xiàng)目總體建設(shè)工期為3.2 a(含施工準(zhǔn)備期0.2 a)，施工結(jié)束后即進(jìn)入自然恢復(fù)期。自然恢復(fù)期為施工擾動(dòng)結(jié)束后，不采取水土保持措施的情況下，土壤侵蝕強(qiáng)度自然恢復(fù)到擾動(dòng)前土壤侵蝕強(qiáng)度所需要的時(shí)間。該項(xiàng)目位于濕潤區(qū)，自然恢復(fù)期取2.0 a。

3.2 劃分?jǐn)_動(dòng)單元

3.2.1 劃分土壤流失類型

根據(jù)擾動(dòng)類型的不同，劃分各防治分區(qū)不同土壤流失部位的土壤流失類型，具體見表1。

3.2.2 劃分?jǐn)_動(dòng)單元

根據(jù)《導(dǎo)則》，按照防治分區(qū)一致、擾動(dòng)方式相同、擾動(dòng)強(qiáng)度相仿、土壤類型和質(zhì)地相近、氣象條件相似、空間上相連續(xù)的原則劃分?jǐn)_動(dòng)單元。據(jù)此，結(jié)合工程設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，將該項(xiàng)目劃分為1 906個(gè)擾動(dòng)單元，包括一般擾動(dòng)地表擾動(dòng)單元158個(gè)、工程開挖面擾動(dòng)單元1 681個(gè)、工程堆積體擾動(dòng)單元67個(gè)。

3.2.3 確定各擾動(dòng)單元規(guī)模

按照擾動(dòng)面積、挖方量、填方量的大小，分別將一般擾動(dòng)地表、工程開挖面及工程堆積體擾動(dòng)單元?jiǎng)澐譃榇蟆⒅?、?個(gè)規(guī)模。

3.3 確定典型擾動(dòng)單元

該項(xiàng)目擾動(dòng)單元較多，宜以抽樣方式確定典型擾動(dòng)單元。抽樣時(shí)，按大、中、小規(guī)模分別抽樣，抽樣數(shù)量為同一類型下同等規(guī)模擾動(dòng)單元數(shù)量的10%，且涉及的各種類型和規(guī)模的擾動(dòng)單元至少選取1個(gè)。各分區(qū)雖然存在某同一土壤流失類型，但由于擾動(dòng)方式與強(qiáng)度的差異，土壤流失強(qiáng)度可能不同。因此，為確保典型擾動(dòng)單元的代表性，且便于后續(xù)各防治分區(qū)土壤流失量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，宜在不同的防治分區(qū)、不同擾動(dòng)類型框架下分別抽樣。最終，抽樣得到典型擾動(dòng)單元205個(gè)。

3.4 劃分計(jì)算單元

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的相關(guān)信息，按照擾動(dòng)方式、坡度、坡長、地表覆蓋、土壤類型和質(zhì)地、氣象條件等參數(shù)相對(duì)一致的原則，在主體工程設(shè)計(jì)圖件上，將選定的205個(gè)典型擾動(dòng)單元進(jìn)一步劃分為701個(gè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失類型三級(jí)分類對(duì)應(yīng)的計(jì)算單元。具體情況見表2。

表2 計(jì)算單元?jiǎng)澐諸able 2 Classification of calculation units

3.5 施工期土壤流失量計(jì)算

3.5.1 單元土壤流失量計(jì)算

該項(xiàng)目所涉及計(jì)算單元較多，本文以路基工程區(qū)挖方邊坡某上方無來水工程開挖面計(jì)算單元為例，計(jì)算土壤流失量。根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測(cè)算導(dǎo)則》(SL 773—2018)，上方無來水工程開挖面計(jì)算單元土壤流失量計(jì)算公式為

Mkw=RGkwLkwSkwA。

(1)

式中：Mkw為上方無來水工程開挖面計(jì)算單元土壤流失量(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(zhì)因子(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))；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(jì)算單元的水平投影面積(hm2)。

已知該計(jì)算單元所處區(qū)域多年平均降雨資料，降雨侵蝕力因子R取值為多年平均降雨侵蝕力因子Rd，并確定該計(jì)算單元土壤流失量計(jì)算周期為1 a。多年平均降雨侵蝕力因子Rd的計(jì)算公式為

Rd=0.067Pd1.627。

(2)

式中Pd為多年平均降雨量(mm)。

該計(jì)算單元所在地區(qū)多年平均降雨量為1 031 mm，土壤質(zhì)地為壤土，實(shí)地坡長15 m，所處坡度為45°，占地面積22.98 m2。結(jié)合該計(jì)算單元施工期侵蝕時(shí)長，即預(yù)測(cè)時(shí)段，經(jīng)計(jì)算，該計(jì)算單元施工期內(nèi)土壤侵蝕量為0.24 t，詳見表3。

3.5.2 典型擾動(dòng)單元土壤流失量計(jì)算

典型擾動(dòng)單元中各計(jì)算單元的土壤流失量之和即為該典型擾動(dòng)單元的土壤流失量。據(jù)此，計(jì)算各防治分區(qū)共205個(gè)典型擾動(dòng)單元的土壤流失量。

3.5.3 項(xiàng)目施工期土壤流失量計(jì)算

首先計(jì)算各土壤流失類型下各規(guī)模典型擾動(dòng)單元土壤流失量平均值；然后將各類型和規(guī)模的擾動(dòng)單元數(shù)量與相應(yīng)的典型擾動(dòng)單元土壤流失量平均值相乘，各乘積之和即為項(xiàng)目施工期土壤流失量。

3.6 自然恢復(fù)期土壤流失量計(jì)算

施工擾動(dòng)結(jié)束即進(jìn)入自然恢復(fù)期，在不采取水土保持措施的情況下，土壤侵蝕強(qiáng)度將自然恢復(fù)到擾動(dòng)前土壤侵蝕強(qiáng)度。在計(jì)算施工期各計(jì)算單元土壤流失量的同時(shí)，可得到各計(jì)算單元的土壤侵蝕模數(shù)。基于此，該項(xiàng)目各計(jì)算單元自然恢復(fù)期第1年土壤侵蝕模數(shù)取值為施工期土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕背景值的平均值，第2年土壤侵蝕模數(shù)取土壤侵蝕背景值。根據(jù)各計(jì)算單元確定的土壤侵蝕模數(shù)，結(jié)合計(jì)算單元的面積、預(yù)測(cè)時(shí)段等綜合預(yù)測(cè)土壤流失量，從而確定項(xiàng)目自然恢復(fù)期土壤流失量。

項(xiàng)目總土壤流失量即為施工期土壤流失量與自然恢復(fù)期土壤流失量之和。

表3 某上方無來水開挖面計(jì)算單元土壤流失量計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculated result of soil erosion from a calculation unit in bare slope due to excavation of projectin the absence of upslope runoff

表4 預(yù)測(cè)項(xiàng)目與類比工程水土流失因子對(duì)照Table 4 Comparison of soil and water loss factors between the predicted project and the analogy project

4 采用類比法測(cè)算土壤流失量

采用類比法測(cè)算項(xiàng)目土壤流失量時(shí)，類比工程選取地理位置臨近、建設(shè)規(guī)模相仿的某同類型高速公路工程。經(jīng)類比，2個(gè)項(xiàng)目的土壤流失類型與方式、氣候、植被、土壤、地形地貌、水土保持概況、施工工藝等水土流失主要影響因子均相同或相近，在土壤侵蝕方面具有較強(qiáng)的類比性，對(duì)比情況見表4。類比項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)單位按照有關(guān)技術(shù)規(guī)程，對(duì)類比項(xiàng)目施工期和自然恢復(fù)期的水土流失狀況進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)資料滿足類比需求。因此，可以類比工程的水土流失監(jiān)測(cè)資料為依據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行修正，預(yù)測(cè)該項(xiàng)目土壤流失量。

根據(jù)各分區(qū)土壤侵蝕模數(shù)修正值，結(jié)合項(xiàng)目各分區(qū)擾動(dòng)時(shí)長、擾動(dòng)面積，按照式(3)即可測(cè)算項(xiàng)目土壤流失量。

(3)

式中：W為土壤流失量(t)；j為預(yù)測(cè)時(shí)段，j=1，2，即指施工期和自然恢復(fù)期2個(gè)階段；i為預(yù)測(cè)單元，i=1，2，3，…，n-1，n；Fji為第j預(yù)測(cè)時(shí)段、第i預(yù)測(cè)單元的面積(km2)；Mji為第j預(yù)測(cè)時(shí)段、第i預(yù)測(cè)單元的土壤侵蝕模數(shù)(t/(km2·a))；Tji為第j預(yù)測(cè)時(shí)段、第i預(yù)測(cè)單元的預(yù)測(cè)時(shí)段長(a)。

5 結(jié)果和討論

5.1 水土流失預(yù)測(cè)分析

利用《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測(cè)算導(dǎo)則》(SL 773—2018)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行水土流失預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，該項(xiàng)目施工期和自然恢復(fù)期共計(jì)產(chǎn)生土壤流失量106 772.41 t，其中施工期土壤流失量81 135.05 t，自然恢復(fù)期土壤流失量25 637.36 t。

采用傳統(tǒng)類比法對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行水土流失預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，該項(xiàng)目施工期和自然恢復(fù)期共計(jì)產(chǎn)生土壤流失量121 795.43 t，其中施工期土壤流失量115 190.76 t，自然恢復(fù)期土壤流失量6 604.67 t。計(jì)算結(jié)果詳見圖1。

圖1 工程土壤流失量測(cè)算結(jié)果Fig.1 Calculation result of soil and water loss

2種方法的計(jì)算結(jié)果均表明，項(xiàng)目區(qū)經(jīng)施工擾動(dòng)后，土壤流失量最大的區(qū)域?yàn)槁坊こ虆^(qū)、附屬設(shè)施區(qū)和棄渣場(chǎng)區(qū)，其次為施工便道區(qū)，其余各分區(qū)土壤流失量相對(duì)較小。因此，路基工程區(qū)、附屬設(shè)施區(qū)和棄渣場(chǎng)區(qū)為項(xiàng)目水土流失防治和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域。項(xiàng)目區(qū)施工擾動(dòng)后，土壤侵蝕活動(dòng)主要發(fā)生在施工期，2種方法計(jì)算得到的施工期土壤流失量分別占流失總量的76.0%和94.6%，因此，施工期的雨季為項(xiàng)目水土流失防治和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)時(shí)段。

對(duì)比2種方法的土壤流失量計(jì)算結(jié)果，土壤流失量相差較大的區(qū)域主要為路基工程區(qū)和隧道工程區(qū)，施工期相差分別達(dá)到46.4%和61.9%；其余分區(qū)計(jì)算結(jié)果較為接近，施工期土壤流失量相差均在19.2%以內(nèi)。這是由于路基工程區(qū)和隧道工程區(qū)擾動(dòng)區(qū)域土壤流失類型大多為工程開挖面，而通過工程開挖面測(cè)算模型得到的土壤侵蝕模數(shù)，與類比法獲取的相應(yīng)區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)相差較大。

以路基工程區(qū)某特定土壤質(zhì)地的挖方邊坡為例，利用該導(dǎo)則計(jì)算不同坡長計(jì)算單元的土壤侵蝕模數(shù)(圖2)。工程開挖面計(jì)算單元土壤侵蝕模數(shù)與坡度呈正相關(guān)，主體工程設(shè)計(jì)中土質(zhì)挖方邊坡的最大坡比為1∶1，只有當(dāng)計(jì)算單元坡長<6 m時(shí)，土壤侵蝕模數(shù)才會(huì)接近類比法中的土壤侵蝕模數(shù)取值(8 885 t/(km2·a))。而實(shí)際上，大部分挖方邊坡坡長在10 m以上，考慮到面積權(quán)重的因素，整個(gè)挖方邊坡工程開挖面的土壤侵蝕模數(shù)相比類比法中的土壤侵蝕模數(shù)較小。

圖2 某挖方邊坡土壤侵蝕模數(shù)隨坡長變化曲線Fig.2 Curves of soil erosion modulus of anexcavated slope varying with slope length

究其原因，按照《導(dǎo)則》工程開挖面土壤流失量測(cè)算公式進(jìn)行推導(dǎo)可知，工程開挖面土壤侵蝕強(qiáng)度與計(jì)算單元坡長呈負(fù)相關(guān)，而國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)坡長和侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系研究的結(jié)果表明，坡長對(duì)土壤侵蝕的影響較為復(fù)雜，甚至部分研究成果顯示，土壤侵蝕強(qiáng)度與計(jì)算單元坡長呈正相關(guān)關(guān)系[15]。根據(jù)朱顯謨[16]的研究成果，坡長與土壤侵蝕的關(guān)系，往往因土壤抗蝕抗沖性能的差異、地面坡度、降雨情況等因素的變化而呈現(xiàn)不同的相關(guān)關(guān)系，且多數(shù)情況下，坡長與土壤侵蝕強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。蔡強(qiáng)國[17]的研究結(jié)果也表明，坡面單位面積侵蝕量隨坡長的增加，呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)。此外，文安邦等[18]在長江上游紫色土坡耕地區(qū)域的研究表明，相同坡度條件下，土壤侵蝕強(qiáng)度與坡長呈正相關(guān)，這是由于短坡坡地上的土壤侵蝕形態(tài)以濺蝕為主，長坡坡地因坡面徑流匯集路徑的增加，其土壤侵蝕形態(tài)既有坡面頂部的濺蝕，又在坡面中下部形成細(xì)溝或淺溝侵蝕，侵蝕強(qiáng)度增強(qiáng)。因此，《導(dǎo)則》工程開挖面土壤流失量測(cè)算公式中土壤流失量與坡面坡長的負(fù)相關(guān)單一定量關(guān)系，是造成測(cè)算結(jié)果偏差的一個(gè)重要原因。

5.2 《導(dǎo)則》的應(yīng)用分析與評(píng)價(jià)

《導(dǎo)則》的確立源于大量生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工作實(shí)踐，測(cè)算模型基本涵蓋生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目各種擾動(dòng)類型。相比于類比法從宏觀層面分區(qū)確定土壤侵蝕模數(shù)，《導(dǎo)則》從更微觀層面著手，將生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目拆分為不同土壤流失類型的計(jì)算單元后再行計(jì)算土壤流失量，計(jì)算結(jié)果更具科學(xué)意義。

本文所選取的山地丘陵區(qū)高速公路工程具有線路長、占地面積大、擾動(dòng)類型多樣等特點(diǎn)，項(xiàng)目施工期共計(jì)1 906個(gè)擾動(dòng)單元，在進(jìn)行典型擾動(dòng)單元抽樣后，結(jié)合主體工程設(shè)計(jì)圖件將其劃分為205個(gè)計(jì)算單元，每個(gè)計(jì)算單元需獲取其擾動(dòng)方式、坡度、坡長、占地面積、地表覆蓋、土壤類型和質(zhì)地、氣象條件等參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)計(jì)算工作相對(duì)較為繁雜，不利于控制水土保持方案編制工作的進(jìn)度。而對(duì)于占地規(guī)模較小、擾動(dòng)方式單一、施工范圍更集中的點(diǎn)狀工程，《導(dǎo)則》的實(shí)施相對(duì)便捷，實(shí)用性更強(qiáng)。此外，《導(dǎo)則》對(duì)于工程堆積體規(guī)模與特性具有一定的限制。根據(jù)規(guī)定，工程堆積體計(jì)算單元土壤侵蝕模數(shù)測(cè)算方法僅適用于坡長在15 m以內(nèi)的堆積體。而山區(qū)高速公路工程棄渣場(chǎng)數(shù)量多、規(guī)模大、占地廣[19-20]，普遍存在單級(jí)邊坡坡長>15 m的情形。因此，為增強(qiáng)《導(dǎo)則》的實(shí)用性，工程堆積體計(jì)算單元土壤流失量測(cè)算模型有待進(jìn)一步修正完善。

6 結(jié)論與展望

本文基于《導(dǎo)則》，對(duì)西南地區(qū)某高速公路建設(shè)進(jìn)行水土流失預(yù)測(cè)，將項(xiàng)目劃分為1 906個(gè)擾動(dòng)單元，抽樣獲取典型擾動(dòng)單元后，結(jié)合主體工程設(shè)計(jì)圖件劃分得到205個(gè)計(jì)算單元，逐一計(jì)算其土壤流失量后，經(jīng)類比疊加得到項(xiàng)目總土壤流失量。另外采用類比法測(cè)算項(xiàng)目土壤流失量，與《導(dǎo)則》進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果表明：

(1)該項(xiàng)目路基工程區(qū)、附屬設(shè)施區(qū)和棄渣場(chǎng)區(qū)的土壤流失量最大，該部分區(qū)域應(yīng)被列為水土流失防治和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域；大部分土壤流失發(fā)生在施工期，應(yīng)確定施工期的雨季為項(xiàng)目水土流失防治和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)時(shí)段。

(2)采用《導(dǎo)則》與類比法得到的土壤流失量測(cè)算結(jié)果差異主要表現(xiàn)在工程開挖面區(qū)域，其余土壤流失類型下的測(cè)算結(jié)果差異較小。

(3)《導(dǎo)則》在線型工程水土流失預(yù)測(cè)中的運(yùn)用稍顯繁雜，而對(duì)于點(diǎn)狀工程具有更強(qiáng)的實(shí)用性?！秾?dǎo)則》的運(yùn)用可以較好地反映項(xiàng)目土壤流失情況，計(jì)算結(jié)果具有較強(qiáng)的科學(xué)意義，可以為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治與監(jiān)測(cè)提供重要的參考價(jià)值。同時(shí)，《導(dǎo)則》對(duì)于工程堆積體的規(guī)模與特性存在一定的限制，為增強(qiáng)其實(shí)用性，建議對(duì)測(cè)算模型進(jìn)一步修正完善。