張麗萍,葉碎高

(1.浙江大學浙江省亞熱帶土壤與植物營養(yǎng)重點實驗室/污染環(huán)境修復與生態(tài)健康教育部重點實驗室,環(huán)境與資源學院,浙江 杭州 310058;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

開發(fā)建設項目所引起的水土流失是典型的人為加速水土流失,伴隨著建設項目的實施而產生,它既是一個新問題,也是一種由來已久的水土流失現象,只要有建設就會有不同程度的水土流失。近20 a來,各級政府部門對開發(fā)建設項目引起的水土流失特別重視,開發(fā)建設項目水土保持方案的編制已成為項目立項審批的前置條件之一。其主要原因是:①隨著經濟的發(fā)展,基礎設施建設項目密度大、速度快且類型多,開發(fā)建設活動造成的水土流失所占比例快速增長;②對地表的擾動規(guī)模和強度巨大;③中國人口多,人均占有空間和資源有限,開發(fā)和保護的矛盾十分突出;④環(huán)境的破壞和劣變已影響到人類的持續(xù)發(fā)展,引起人類的關注。

開發(fā)建設項目水土保持措施布設的依據是水土流失特征的預測結果,預測精度對工程的水土保持影響很大,預測結果大于實際流失量會造成工程投資增大,反之則起不到應有的水土保持作用。水土流失強度預測是水土保持方案編制的重要內容[1-2]。

目前,開發(fā)建設項目水土流失預測計算所采用的方法主要可分為3大類:第1類,主要采用USLE模型和變形的USLE模型[3-4]。這一模型主要適用于沒有干擾的緩坡農耕地多年平均土壤侵蝕量的預測,而工程建設項目水土流失預測的時段、范圍和土體結構都與農耕地相差很大,因此工程建設項目施工引起的水土流失并不適用USLE模型進行估算;第2類,主要采用類比的預測方法。這一預測方法在水土保持方案編制中使用的比例很大,其主要優(yōu)點為可以加快方案編制時間,節(jié)省方案編制費用,不失為一種簡便易用的方法[1,5-7]。但每一個開發(fā)建設項目,無論是擾動程度或是規(guī)模不可能完全相同,其相似度也不盡相同,這樣近似類比,其預測結果的精度有限;第3類,資料分析和現有模型借用方法[8]。根據可行性研究報告和實地調查資料,采用已有的水土流失預測經驗模型,進行水土流失預測。這一類預測模型大多是根據各影響因素的長系列試驗或監(jiān)測數據擬合的多個子模塊組成,預測周期是年水土流失量,在開發(fā)建設項目水土流失的預測中有局限性?；谏鲜鲱A測方法在開發(fā)建設項目水土流失預測中存在的問題,本文擬根據開發(fā)建設項目的特點,設計開發(fā)出適應建設項目水土流失的預測模型。

2 土壤可侵蝕面概念的引入

侵蝕過程不是所有的地面都會發(fā)生。在平原區(qū)和硬化地面,不會發(fā)生土壤侵蝕;在植被覆蓋度超過80%的坡面,土壤侵蝕很微弱;只有在一些植被覆蓋度低或裸露的土質或土石坡面才會發(fā)生土壤侵蝕,一些專家稱其為土壤可侵蝕面。所謂土壤可侵蝕面,就是在每平方公里的面積上,能夠產生土壤侵蝕 (主要指水蝕和重力侵蝕)的斜坡面積[9]。

開發(fā)建設項目引發(fā)水土流失的最大特點是開挖面和堆積面的產生,硬化地面的出現。松散物質堆積體的容重和抗侵蝕能力明顯小于原狀土體,這部分面積是導致水土流失量增加的主體,是預測的重點。雖然開挖面是原狀土體,但地表植被覆蓋度全部破壞,屬于裸露地面,水土流失也很嚴重。項目建設區(qū)各類水土流失影響因子均發(fā)生不同程度的變化,也會造成不同程度水土流失量的增加。但在項目建設的后期,裸露開挖面和松散堆積面的面積會有所減少,硬化地面的面積比例會增加。由于不同性質的可侵蝕面,水土流失的過程和強度都不同,不同建設期的水土流失特性差異很大。由此可見,開發(fā)建設項目引發(fā)的水土流失量主要是由于工程區(qū)域地面性質發(fā)生了大的變化,也就是這些變化了的地面產生了新增的水土流失量。因此,本文試圖從發(fā)生侵蝕的坡面性質入手,開展建設項目水土流失預測模型探討。

3 開發(fā)建設項目可侵蝕面的分類

在開發(fā)建設項目中,可侵蝕面是很復雜的,因此,在預測時,首先應進行可侵蝕面分類。項目建設區(qū)可侵蝕面類型的復雜程度,取決于項目的規(guī)模和所在區(qū)域的地貌類型。位于物質組成相對單一的地貌類型區(qū)的、點狀的、規(guī)模較小的開發(fā)建設項目,其可侵蝕面的類型較簡單;線型的開發(fā)建設項目所經之地物質組成復雜、地貌形態(tài)多變,項目區(qū)地表可侵蝕面類型則較復雜。

根據可侵蝕面的物質構成,可將開發(fā)建設項目區(qū)可侵蝕面大致分為2級10種類型(見表1)。

表1 開發(fā)建設項目區(qū)可侵蝕面分類表

4 基于可侵蝕面類型的水土流失預測模型的設計

水土流失的發(fā)生是侵蝕動力與下墊面特性綜合作用的結果,水土流失強度在項目建設區(qū)的空間差異是以上2大組合因素在空間相互作用結果的體現。土壤可侵蝕面類型的劃分綜合體現了下墊面環(huán)境要素的特點。在同一個項目建設區(qū),侵蝕動力因素的空間變化不大,由此可根據組合數學原理,設計出基于可侵蝕面類型的水土流失預測模型。

第1步,分別計算不同可侵蝕面類型的面積(Ai):

式中:Ai為可侵蝕性面面積(km2);l為同類型坡地或堆積體底邊周長(km);h為坡地和堆積體相對高度(km);α為能夠產生侵蝕的斜坡平均坡度(°);λ為可侵蝕面系數,是由植被覆蓋度和地表物質特性所決定的[10]。

在這些參數中,l、h和α值都可以實測到,關鍵是λ值的獲取。本文擬采用專家評分方法獲取,初步規(guī)定計分按遞降方法分布在0～1(見表2)。

表2 可侵蝕面系數 λ值計分表

第2步,通過監(jiān)測不同可侵蝕面的單場侵蝕性降雨過程,利用微積分原理將產沙過程與監(jiān)測小區(qū)面積卷積,獲得侵蝕模數(Mi)[11-12]:

式中:Mi為次降雨不同可侵蝕面的侵蝕模數(t/km2);S(t)為不同可侵蝕面的次降雨產沙過程函數;a為不同可侵蝕面類型的面積(km2);t為次降雨歷時(min)。

第3步,根據組合數學原理,建立基于可侵蝕面類型的開發(fā)建設項目水土流失預測模型:

式中:M為預測時段的侵蝕模數(t/km2);i為可侵蝕面類型;k為預測期的侵蝕性降雨次數;A為項目區(qū)面積(km2);β為侵蝕性換算系數,利用監(jiān)測坡面與同一區(qū)域非擾動坡面土壤容重之差,進行分等確定β值。以監(jiān)測坡面的侵蝕性換算系數1,在其它同類型可侵蝕坡面計算水土流失量時,如果土壤容重大于監(jiān)測坡面容重,則β＜1,否則,則β＞1;其它同前。

最后,根據預測時段項目區(qū)的系列次降雨資料轉化為系列權重,與上式進一步組合,便可預測出項目區(qū)的水土流失量。

5 結 論

通過上述分析討論,可概括如下幾點結論:

(1)基于可侵蝕面類型所建立的開發(fā)建設項目水土流失預測模型,引入了可侵蝕面的概念,充分體現了開發(fā)建設項目產生水土流失坡面的復雜性和堆積體的松散性,優(yōu)越于以往所利用的類比法和USLE模型的預測精度;侵蝕性次降雨資料的應用,精度高于年降雨量資料的引入計算,也區(qū)別于方案編制的3個預測時段的討論。模型中各計算參數容易獲得,計算方便。所預測結果符合開發(fā)建設項目的實際情況。

(2)上述所建立的開發(fā)建設項目水土流失預測模型,是特定下墊面和產沙函數卷積的組合,既體現了侵蝕動力過程的動態(tài)和累積,也反映了項目建設區(qū)水土流失的空間差異,為有的放矢地布設水土保持措施提供了依據。其難點或投資較大之處,在于需通過不同可侵蝕面次降雨侵蝕過程的監(jiān)測和模擬試驗以獲得侵蝕模數,為方便計,也可借助于已有研究結論。

(3)在計算過程中要密切注意:①不同物質組成的可侵蝕面類型的抗蝕能力和容重特點;②可侵蝕面的空間分布和面積比例構成;③可侵蝕面類型隨建設周期的動態(tài)變化;④可侵蝕面面積是實際的地表起伏的曲面面積,而計算侵蝕模數時面積則是按照投影面積,應注意面積的換算。

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