張春暉，朱正清，白占雄，王 鑫

（中國鐵路設計集團有限公司 機械動力與環(huán)境工程設計研究院，天津300308）

0 引言

鐵路是國家重要的基礎設施，是綜合交通運輸體系的骨干，是踐行綠色、低碳、高質量發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，在推動我國經濟社會又好又快發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。截至2020年底，我國鐵路營業(yè)里程14.63萬公里，其中高鐵3.8萬公里[1]，基本實現省、市、縣全覆蓋。鐵路建設項目規(guī)模大、范圍廣、時間長，并且受沿線地形地貌、施工運距、土壤質地等條件的限制，不可避免地擾動原地貌，同時面對降雨及大風天氣，對于鐵路土建工程作業(yè)面極易造成更為嚴重的水土流失[2]。因此，探索高效的生產建設項目土壤流失預測方法，準確描述水土流失重點部位及水土流失重點時段，有針對性地采取相應的水土流失防護措施十分重要。

目前，有多種方法可用于土壤流失預測，較為常用的有類比法、試驗觀測法、通用土壤流失方程法(USLE)、分類分級法、加速侵蝕系數和流失系數法等[3]，不同的方法均有其優(yōu)缺點。2018年，水利部批準《生產建設項目土壤流失量測算導則》(SL773—2018)[4]，進一步完善了生產建設項目土壤流失預測方法，而該方法在鐵路建設項目上的應用鮮有介紹。本文以鐵路建設項目為例，著重探討《生產建設項目土壤流失量測算導則》在鐵路建設項目土壤流失量預測中的應用，旨在為鐵路建設項目土壤流失量的準確預測提供參考。

1 鐵路建設項目土壤流失預測

1.1 土壤流失量預測方法

生產建設項目土壤流失量預測方法主要根據土壤流失的發(fā)生情況確定：對于已開工生產建設項目，多結合水土保持監(jiān)測工作開展現場實地觀測，獲取代表性點位監(jiān)測數據；對于新建生產建設項目，水土保持方案土壤流失量計算多采用類比法及應用《生產建設項目土壤流失量測算導則》。

1.1.1 數學模型法

數學模型法源于美國開發(fā)的通用土壤流失方程(USLE)，我國自20世紀80年代引入該預報模型，各地水土保持研究所、試驗站結合其自身觀測資料和研究成果對預報模型加以修正，進行本地區(qū)土壤流失量預測。

同為線性工程的鐵路和公路，因鐵路建設項目水土保持監(jiān)測工作起步晚，土壤流失定位觀測和動態(tài)監(jiān)測數據缺失，難以采用此方法；采用修正的USLE對公路建設項目的土壤流失進行預測，預測結果與實測數據偏差較大，分析造成該結果的主要原因是公路建設地域跨度大、地貌類型多樣、持續(xù)時間長，模型法參數選取代表性差[5]，因而應用數學模型法進行線性工程土壤流失量預測效果不佳。

1.1.2 類比法

類比法是生產建設項目水土流失預測較為常用的一種方法，通過利用本地區(qū)同類型生產建設項目水土流失觀測、研究成果，對重點水土流失誘發(fā)因子進行分析比較，確定合理的土壤侵蝕模數，進行生產建設項目土壤流失量的預測。類比法的優(yōu)點在于操作相對簡單、便于實施。采用類比法進行鐵路建設項目土壤流失量預測時，需結合主體工程施工特點及施工時段，劃分不同預測單元進行分區(qū)預測[5]。

1.1.3 應用《生產建設項目土壤流失量測算導則》

《生產建設項目土壤流失量測算導則》是通過劃分土壤流失類型、規(guī)定土壤流失測算流程和應用范圍來進行建設項目土壤流失量預測的方法。按照該導則，生產建設項目土壤流失預測分級宜劃分為3級：一級分類依據項目區(qū)侵蝕外營力主導因子(水力侵蝕、風力侵蝕)劃分，二級分類依據項目區(qū)下墊面工程擾動形態(tài)(一般擾動地表、工程開挖面、工程堆積體)劃分，三級分類依據項目區(qū)擾動程度、上方有無來水等因素劃分，水力侵蝕和風力侵蝕一級、二級分類均適用，風力侵蝕無第三級分類[4]。具體分類分級情況如表1所示。

表1 生產建設項目土壤流失類型劃分

水力及風力作用下土壤流失類型的界定可參照《生產建設項目土壤流失量測算導則》(SL773—2018)的類型劃分說明予以確定，對于未采取水土流失防治措施的碾壓底邊、填壓面(填筑面)，水力及風力作用下的土壤流失可分別參照工程開挖面及一般擾動地表進行計算；未經夯實的工程回填面，水力及風力作用下的土壤流失均可參照一般擾動地表進行計算[4]。

1.2 鐵路建設項目土壤流失預測內容

對于鐵路、公路等線性工程的土壤流失預測，應結合工程沿線地形地貌條件、工程建設特點、施工方式、氣象特征及主導氣候因子等劃分不同的預測單元進行預測。參照《生產建設項目水土保持技術標準》(GB 50433—2018)[6]的要求，土壤流失預測內容主要包括：建設階段擾動原地表面積；建設階段取土、棄土(渣)量；不同預測單元土壤侵蝕模數的確定；建設階段原地貌土壤流失量、新增土壤流失量及土壤流失總量預測。確定預測區(qū)土壤流失發(fā)生面積及不同預測單元土壤侵蝕模數為土壤流失預測的關鍵工作。

1.3 鐵路建設項目土壤流失預測時段的劃分

鐵路工程建設分為施工期和運營期(自然恢復期)2個階段。施工期，因主體工程路堤、路塹、橋梁墩臺、站場場坪的開挖和填筑，隧道出渣，取土場開采，棄土(渣)場棄渣堆置，施工便道及施工生產生活區(qū)平整場地等原因，大范圍擾動建設區(qū)內土體、巖石，破壞原地貌、土壤和植被，誘發(fā)新增土壤流失。鐵路工程竣工后進入運營期(自然恢復期)，水土保持工程措施、植物措施逐步發(fā)揮作用，現狀土壤侵蝕模數降低，土壤流失量減少，生態(tài)環(huán)境日趨改善。

土壤流失預測時段應根據施工進度確定：施工期為施工過程中實際擾動地表的時間，需結合相應單元的工期分別予以確定；自然恢復期為施工擾動結束后，不采取水土保持防治措施的情況下，土壤侵蝕強度自然恢復到擾動前土壤侵蝕強度所需要的時間，自然恢復期應根據當地自然條件確定[6]。

2 實例分析

2.1 工程概況

某新建高速鐵路線路全長531.246 km，路基長度330.208 km，橋梁長度180.131 km/151座，隧道長度20.907 km/2座，站場11座，建設工期4年。全線設取土場37處，棄土(渣)場46處，取棄結合13處，水土流失防治責任范圍6 329.25 hm2，其中永久占地2 014.74 hm2、臨時占地1 722.39 hm2、風沙路基防護用地2 592.12 hm2。

工程土石方總量6 018.47萬m3，填方4 280.06萬m3，挖方1 738.41萬m3，工程挖方盡可能利用為填方，利用方571.72萬m3，總借方3 708.34萬m3，總棄方1 166.69萬m3。該工程棄方主要來源于路基、橋梁、隧道、站場工程和施工建筑垃圾等確實無法利用的，全部清運至46處棄土(渣)場。

2.2 項目區(qū)水土流失特點

項目區(qū)涉及黃河多沙粗沙國家級水土流失重點治理區(qū)、陰山北麓國家級水土流失重點預防區(qū)，按照水土保持區(qū)劃位于西北黃土高原區(qū)、北方風沙區(qū)，對應地貌類型為平原微丘區(qū)、風沙區(qū)，侵蝕類型為水力和風力侵蝕，侵蝕強度以輕度、中度為主，容許土壤流失量為1 000 t/(km2·a)。

在工程施工過程中，由于工程修筑路基、橋梁、站場等施工活動及取棄土行為，對原地貌和自然植被造成破壞并形成挖土、填土的再塑地貌，降低或喪失了其原有的水土保持功能，在侵蝕外營力的作用下極易引起新的水土流失。

根據項目區(qū)水土流失特點，工程建設造成的水土流失類型主要為水力侵蝕和風力侵蝕，主要分布在鐵路路基及兩側占地區(qū)、站場、橋梁、隧道洞口、改移工程、取土場、棄土(渣)場、施工便道、施工生產生活區(qū)等。

2.3 土壤流失預測

2.3.1 預測單元劃分

根據工程建設中土壤流失量影響因素和不同區(qū)域水土流失的特點，結合水土流失防治分區(qū)劃分水土流失預測單元，該項目水土流失預測單元劃分為2級：一級分區(qū)根據工程沿線地貌及土壤侵蝕類型，分為平原微丘區(qū)(水力侵蝕)、風沙區(qū)(風力侵蝕)；二級分區(qū)根據工程建設特點分為路基區(qū)、站場區(qū)、橋梁區(qū)、隧道區(qū)、取土場區(qū)、棄土(渣)場區(qū)、改移工程區(qū)、施工便道區(qū)、施工生產生活區(qū)9個防治分區(qū)。

2.3.2 預測時段確定

結合各預測單元施工進度，鐵路建設項目水土流失預測時段分為施工期和自然恢復期。

（1）施工期。各預測單元的預測時間根據各區(qū)的施工進度安排、雨季長度及各單元土石方工程持續(xù)時間確定。

（2）自然恢復期。該工程位于干旱區(qū)，自然恢復期按5年考慮。

不同預測單元的預測時段劃分情況如表2所示。

表2 鐵路工程不同預測單元水土流失預測時段表年

2.4 土壤侵蝕模數確定

2.4.1 原地貌土壤侵蝕模數

本方案依據收集的水土流失遙感調查成果資料并結合實地調查，對項目建設區(qū)的地形地貌、氣候、植被、水土流失現狀等進行了詳細分析，根據工程沿線地貌及土壤侵蝕類型，分為平原微丘區(qū)、風沙區(qū)。平原微丘區(qū)土壤侵蝕強度及類型以微度、輕度水力侵蝕為主；風沙區(qū)以風力侵蝕為主，伴有水力侵蝕，土壤侵蝕強度為輕度及以上侵蝕；綜合沿線水土流失現狀，確定原地貌土壤侵蝕模數。工程沿線原地貌土壤侵蝕模數如表3所示。

表3 工程沿線原地貌土壤侵蝕模數

2.4.2 擾動后土壤侵蝕模數的確定

該工程擾動后的土壤侵蝕模數采用《生產建設項目土壤流失量測算導則》(SL773—2018)數學模型法確定。根據工程沿線侵蝕外營力劃分為水力、風力預測分區(qū)，水力作用分區(qū)內依次按照水土流失防治分區(qū)、下墊面類型及擾動程度和上方有無來水劃分為三級預測單元，風力作用分區(qū)按照水土流失防治分區(qū)及下墊面類型劃分為二級預測單元[4]，各預測單元的土壤侵蝕模數計算如下。

（1）水力作用工程堆積體。水土流失防治區(qū)的開挖土方臨時堆放及表土臨時堆放區(qū)域，周邊布設有截排水溝，因而施工期該區(qū)域可按照工程堆積體上方無來水土壤流失量公式計算；自然恢復期該部分可參照一般擾動區(qū)域地表翻擾型土壤侵蝕量測算。計算方法詳見表1(公式（5）)，公式中各計算因子含義見《生產建設項目土壤流失量測算導則》(SL773—2018)，下同。

（2）水力作用工程開挖面。邊坡開挖區(qū)域周邊布設有截排水溝，因而該區(qū)域施工期土壤侵蝕模數可按照上方無來水工程開挖面土壤流失量公式計算；自然恢復期可參照一般擾動區(qū)域地表翻擾型土壤侵蝕公式測算。計算方法詳見表1(公式（3）)。

（3）水力作用一般擾動地表區(qū)。①一般擾動地表區(qū)植被破壞型，土壤侵蝕模數計算方法詳見表1(公式（1）)。②一般擾動地表區(qū)地表翻擾型，土壤侵蝕模數計算方法詳見表1(公式（2）)；自然恢復期不同年份土壤侵蝕模數計算參照(公式（2）)，綜合考慮各項計算因子的變化情況予以確定。

（4）風力作用工程堆積體。工程堆積體無風速觀測資料，土壤侵蝕模數計算方法詳見表1(公式（8）)。自然恢復期參照風力作用一般擾動地表區(qū)，綜合考慮各項計算因子變化情況予以確定。

（5）風力作用一般擾動地表區(qū)。一般擾動地表區(qū)無風速觀測資料，土壤侵蝕模數計算方法詳見表1(公式（7）)。自然恢復期不同年份土壤侵蝕模數計算參照(公式（7）)，綜合考慮各項計算因子的變化情況予以確定。

按照不同下墊面類型計算不同預測單元的土壤侵蝕模數如表4所示。

表4 擾動后土壤侵蝕模數匯總 t/（km2·a）

2.4.3 水土流失面積預測

施工期水土流失面積為各預測單元擾動地表面積；自然恢復期預測面積應在各預測單元擾動面積的基礎上扣除硬化面積和構建筑物占地面積，該工程各單元施工期、自然恢復期水土流失面積預測數據如表5所示。

表5 各單元施工期、自然恢復期水土流失面積預測

2.5 預測結果

通過采用《生產建設項目土壤流失量測算導則》，分別確定各預測單元施工期、自然恢復期土壤侵蝕模數值，基于預測面積、預測時段及土壤侵蝕模數值，計算土壤流失總量及新增土壤流失量，參照公式（9）和公式（10）。

式中：W為工程土壤流失總量，t；ΔW為本工程新增土壤流失量，t；Fji、Mji、ΔMji、Tji分別為某時段某單元的預測面積(km2)、土壤侵蝕模數(t/(km2·a))、新增土壤侵蝕模數(t/(km2·a))及預測時間(a)；i為預測單元，i=1，2，……，n；j為預測時段，j=1表示施工期，j=2表示自然恢復期[4]。

經預測，本工程水土流失總量為168.97萬t，原地貌水土流失量為49.91萬t，新增水土流失量為119.06萬t。

2.6 水土流失綜合分析

通過對項目工程建設中水土流失類型、分布和水土流失量進行綜合分析和預測，根據工程建設特點，確定工程建設區(qū)水土流失重點時段為施工期。建設期可能產生的水土流失量路基區(qū)最大，取土場區(qū)、橋梁區(qū)、施工生產生活區(qū)、棄土(渣)場區(qū)次之，主要原因是路基區(qū)、取土場區(qū)、橋梁區(qū)、施工生產生活區(qū)、棄土(渣)場區(qū)原地貌面積、擾動土壤侵蝕模數較大。

與類比法相比較，采用《生產建設項目土壤流失量測算導則》預測水土流失總量偏大，分析其原因主要為導則劃分防治分區(qū)預測類型多，充分利用相應區(qū)縣降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子及風蝕率等多年統(tǒng)計參考值，較為準確計算土壤侵蝕模數，根據不同侵蝕類型及特點，系統(tǒng)反映水土流失預測結果。

水土流失預測結果表明，施工期為水土流失防治重點時段。針對施工期水土流失防治，應優(yōu)化施工組織安排，縮短水土流失嚴重時段的作業(yè)時長。主體工程施工前的平整場地應提早進行，剝離表土產生的臨時堆土場應及時采取臨時擋護措施，不得滯后；站場建設、基礎開挖應避開雨季和風季，無法避開時應加強施工場地的排水、苫蓋、攔擋等臨時防護措施；植物措施布設需及時跟進，土建工程完工段落需同步進行植樹造林、生態(tài)恢復。對取土、棄土(渣)場，在施工結束后不僅需立即進行跡地恢復和擋護工程的完善，還需對植被多加養(yǎng)護，以盡快發(fā)揮植物措施效益。落實“三同時”原則，主體工程與防治措施同時進行，如基礎土方回填后，需及時進行土地整治；同時，應加強臨時堆土場、取土場和棄土(渣)場的排水和攔擋措施。

由于鐵路工程建設持續(xù)時間長，沿線涉及行政區(qū)及水土流失類型多，本次預測時間以年為單位，各計算因子的確定采用各行政區(qū)加權平均的方式，參數選取及計算精度上存在進一步優(yōu)化的空間，后期可嘗試更為精細化的計算方式，保證預測結果更好地反映實際情況。

3 結束語

生產建設項目土壤流失預測是分析水土流失特點、制定水土保持防治措施的基礎，基于鐵路建設項目土壤流失監(jiān)測起步晚、數據缺乏的狀況，土壤流失量的預測多采用類比法，該方法侵蝕模數的確定多依靠同類項目的經驗值，缺少科學依據且不具備廣泛適用性。為了提高土壤流失預測結果的準確性，應根據鐵路建設項目土壤流失特點，結合施工區(qū)域、施工方法及施工計劃等對鐵路建設造成的土壤流失進行分區(qū)、分類型、分時段預測，通過《生產建設項目土壤流失量測算導則》可以細化土壤流失預測過程，針對不同侵蝕外營力、不同下墊面類型及擾動程度采用數學模型計算方法，有利于突出不同類型預測單元的水土流失特點，相對準確計算土壤侵蝕模數的大小，獲得較好的土壤流失預測結果，從而確保水土保持防治措施的合理性和可行性，有效治理鐵路建設引起的水土流失，減緩對生態(tài)環(huán)境的影響，使鐵路建設與環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展。