姜 浩

(中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

線性工程的建設(shè)通常具有擾動土地面積大、涉及影響范圍廣以及時空跨度長的特點(diǎn)，常見的線性工程有公路、鐵路建設(shè)，輸送水、汽以及油的管道建設(shè)等，這些工程的建設(shè)為國民經(jīng)濟(jì)作出巨大貢獻(xiàn)的同時，也嚴(yán)重破壞了線路所途徑區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。黃土高原區(qū)的土質(zhì)疏松、溝多溝深、地面坡度較大、降水量較少、暴雨通常集中、植物稀少，這些特點(diǎn)加劇了線性工程建設(shè)過程中的水土流失[1]，線性工程建設(shè)過程中基礎(chǔ)的開挖會擾動原地貌，破壞地表植被，從而改變了原有地貌類型、植被以及土壤結(jié)構(gòu)，使土地喪失了原有的固土抗蝕能力。同時，建設(shè)過程中會產(chǎn)生大量的廢棄土石方，導(dǎo)致項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度加劇，水土流失量增加。如不采取有效的水土保持防護(hù)措施，極易產(chǎn)生水土流失，影響建設(shè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失危害[2]。本文以神華能源股份有限公司神東煤炭分公司大柳塔煤礦至開拓準(zhǔn)備中心道路維修改造工程為例，依據(jù)實(shí)際分析工程水土流失預(yù)測單元、預(yù)測時段，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型法研究各預(yù)測時段的土壤侵蝕模數(shù)，預(yù)測建設(shè)過程中可能產(chǎn)生的水土流失量，為陜北黃土高原區(qū)線性工程的水土流失預(yù)測提供評價方法和依據(jù)，同時也為陜北黃土高原區(qū)線性工程制定水土流失防治方案提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究背景

大柳塔煤礦至開拓準(zhǔn)備中心道路維修改造工程位于陜西省榆林市神木市大柳塔鎮(zhèn)，行政區(qū)劃隸屬神木市大柳塔鎮(zhèn)管轄。工程南起于大石公路與烏蘭木倫河三號橋連接線平交口，沿既有大石公路布置，經(jīng)維修三廠支護(hù)材料廠、哈拉溝煤礦、大柳塔水土保持公園、哈拉溝洗煤廠、開拓準(zhǔn)備中心、瓷窯灣物資庫、石圪臺煤礦、石圪臺洗煤廠等，至陜蒙交界止，路線全長18.383km。本項(xiàng)目為改擴(kuò)建建設(shè)類項(xiàng)目，總占地54.87hm2，擬于2022年4月施工準(zhǔn)備，計(jì)劃于2023年11月底完工，總工期20個月(含施工準(zhǔn)備期)。主要建設(shè)內(nèi)容為對道路進(jìn)行維修改造，路基寬度由8.5m拓寬為12m，部分路段加大轉(zhuǎn)彎半徑，改建為二級公路。本項(xiàng)目由路基工程區(qū)、橋涵工程區(qū)、棄土場區(qū)、施工生產(chǎn)區(qū)以及施工便道區(qū)共5部分組成。

2 預(yù)測方法

項(xiàng)目區(qū)水土流失成因復(fù)雜、類型多樣。本次采用實(shí)地調(diào)查法和數(shù)學(xué)模型法相結(jié)合的方法進(jìn)行水土流失強(qiáng)度和水土流失量預(yù)測；采取引用資料法和設(shè)計(jì)資料統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法對工程建設(shè)擾動原地貌及破壞土地和植被面積預(yù)測、棄土石渣量預(yù)測；采用數(shù)學(xué)模型法對擾動前和擾動后風(fēng)蝕和水蝕土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算[3]；水土流失危害預(yù)測采取實(shí)地跟蹤調(diào)查、參考相似工程施工擾動后造成危害實(shí)例進(jìn)行預(yù)測。

2.1 地表翻擾型一般擾動地表(水蝕)

Myd=RKydLySyBETA

(1)

式中，Myd為地表翻擾型一般擾動地表計(jì)算單元土壤流失量，t；R為降雨侵蝕力因子，取1323.28MJ·mm/(hm2·h)；Kyd為地表翻擾后土壤可蝕性因子，Kyd=NK，N為地表翻擾后土壤可蝕性因子增大系數(shù)，取2.13，K為土壤可蝕性因子，取0.0132；Ly為坡長因子，取1.9037；Sy為坡度因子，取0.9753；B為植被覆蓋因子，取0.20；E為工程措施因子，取1.0；T為耕作措施因子，取1.0；A為計(jì)算單元的水平投影面積，hm2，根據(jù)各預(yù)測單元占地面積確定。

2.2 上方無來水工程開挖面(水蝕)

Mkw=RGkwLkwSkwA

(2)

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，取1323.28MJ·mm/(hm2·h)；Gkw為上方無來水工程開挖面土質(zhì)因子，取0.1814t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；Lkw為坡長因子，取0.1813；Skw為坡度因子，取0.9928；A為計(jì)算單元的水平投影面積，hm2，根據(jù)各預(yù)測單元占地面積確定。

2.3 上方無來水工程工程堆積體(水蝕)

Mdw=XRGdwLdwSdwA

(3)

式中，Mdw為上方無來水工程堆積體計(jì)算單位土壤流失量，t；R為降雨侵蝕力因子，取1323.28MJ·mm/(hm2·h)；X為堆積體形態(tài)因子，取1；Gdw為上方無來水工程堆積體土石質(zhì)因子，取0.0021t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；Ldw為坡長因子，取5.96230；Sdw為坡度因子，取2.03887；A為計(jì)算單元的水平投影面積，hm2，根據(jù)各預(yù)測單元占地面積確定。

2.4 一般擾動地表(風(fēng)蝕)

Mf=QIJAGf

(4)

式中，Mf為一般擾動地表計(jì)算單元土壤流失量，t；Q為計(jì)算當(dāng)月單位面積風(fēng)蝕率，取1700t·km-2；I為粗糙干擾因子，取0.98215；J為地表物質(zhì)緊實(shí)程度系數(shù)，取1.33；A為計(jì)算單元水平投影面積，hm2，根據(jù)各預(yù)測單元占地面積確定；Gf為風(fēng)蝕可蝕性因子，取1。

2.5 工程堆積體(風(fēng)蝕)

Mfd=QIHPAGf

(5)

式中，Mfd為工程堆積體計(jì)算單元土壤流失量，t；Q為計(jì)算當(dāng)月單位面積風(fēng)蝕率，取3500t·km-2；I為粗糙干擾因子，取0.99910；H為工程堆積體高度因子，取3.09819；P為工程堆積體堆放方式因子，取0.5700；A為計(jì)算單元水平投影面積，hm2，根據(jù)各預(yù)測單元占地面積確定；Gf為風(fēng)蝕可蝕性因子，取1。

3 參數(shù)確定

3.1 水土流失預(yù)測范圍和預(yù)測單元

根據(jù)本工程建設(shè)實(shí)際情況和對裸露地表變化、擾動的分析，工程預(yù)測范圍為全部擾動并可能產(chǎn)生水土流失的區(qū)域，即總占地面積54.87hm2。根據(jù)本工程占地類型及工程布局、工程組成、施工擾動特點(diǎn)、水土流失影響程度及地貌特征劃分水土流失預(yù)測單元，本項(xiàng)目可分為路基工程區(qū)、橋涵工程區(qū)、棄土場區(qū)、施工生產(chǎn)區(qū)以及施工便道區(qū)共5個預(yù)測單元。水土流失面積預(yù)測見表1。

表1 水土流失面積預(yù)測結(jié)果表

3.2 預(yù)測時段

預(yù)測時段包括施工期(含施工準(zhǔn)備期)及自然恢復(fù)期。施工期預(yù)測單元的預(yù)測時段不簡單套用施工工期，而是根據(jù)施工工期的長度按照最不利的情況考慮，即超過雨(風(fēng))季長度不足1a的按全年計(jì)算，未超過雨(風(fēng))季長度的按占雨(風(fēng))季長度的比例計(jì)算[4]。項(xiàng)目區(qū)水蝕主要發(fā)生在6—9月，風(fēng)蝕主要發(fā)生在3—5月、10-11月。自然恢復(fù)期預(yù)測單元的預(yù)測時段一般為2～5a，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)自然條件和干旱程度，天然植物恢復(fù)或表土形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)并發(fā)揮水土保持功效等因素，確定自然恢復(fù)期預(yù)測時段為5a。水土流失預(yù)測單元及預(yù)測時段詳見表2。

表2 水土流失預(yù)測單元及時段表

3.3 土壤侵蝕模數(shù)的確定

3.3.1 擾動前土壤侵蝕模數(shù)

項(xiàng)目區(qū)地貌類型為陜北沙丘沙地及草灘盆地亞區(qū)，屬黃河流域，土壤侵蝕類型以風(fēng)力侵蝕為主，兼有水力侵蝕，現(xiàn)狀侵蝕為中度侵蝕。容許土壤流失量為1000t·km-2·a-1。參照《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL773-2018)，利用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算擾動前土壤侵蝕模數(shù)。經(jīng)計(jì)算，風(fēng)蝕模數(shù)約為2200.64t·km-2·a-1，水蝕模數(shù)約為1380.78t·km-2·a-1。

表3 擾動前土壤侵蝕模數(shù)匯總表

3.3.2 擾動后土壤侵蝕模數(shù)

施工建設(shè)期，項(xiàng)目區(qū)原地貌遭到破壞，水土流失量迅速增加。經(jīng)過對工程概況、項(xiàng)目區(qū)自然環(huán)境狀況、水土流失特點(diǎn)等的綜合分析，結(jié)合破壞后的各自坡度變化，對各區(qū)域擾動前后土壤流失量采用《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL773-2018)中測算公式。經(jīng)計(jì)算，一般擾動地表流失類型風(fēng)蝕模數(shù)約為4644.53t·km-2·a-1，地表翻擾型一般擾動地表流失類型水蝕模數(shù)約為2761.56t·km-2·a-1；上方無來水工程開挖面流失類型水蝕模數(shù)約為4320t·km-2·a-1；上方無來水工程堆積體流失類型水蝕模數(shù)約為3378.11t·km-2·a-1；工程堆積體流失類型風(fēng)蝕模數(shù)約為6175.33t·km-2·a-1。

3.3.3 自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)

在自然恢復(fù)期，隨著施工的結(jié)束，對地表的擾動破壞和影響也隨之消失，在不采取水土保持措施的情況下，經(jīng)過5a恢復(fù)期，植被逐漸恢復(fù)至原地貌狀態(tài)。參照《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL773-2018)，利用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)。經(jīng)計(jì)算，第1年至第5年水蝕模數(shù)分別為1656.94t·km-2·a-1、1587.90t·km-2·a-1、1518.86t·km-2·a-1、1449.82t·km-2·a-1、1380.78t·km-2·a-1；第1年至第5年風(fēng)蝕模數(shù)分別為2394.00t·km-2·a-1、2388.61t·km-2·a-1、2377.89t·km-2·a-1、2356.56t·km-2·a-1、2330.18t·km-2·a-1。

表4 擾動后土壤侵蝕模數(shù)匯總表

表5 自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)匯總表

4 預(yù)測結(jié)果分析

依據(jù)各預(yù)測單元擾動地貌植被面積、施工擾動前后土壤侵蝕模數(shù)、預(yù)測時段，進(jìn)行水土流失預(yù)測，按照預(yù)測方法及計(jì)算公式，計(jì)算各個時段的水土流失量。預(yù)測結(jié)果見表6。

表6 土壤流失量匯總表

從表6可以看出，工程建設(shè)期間可能造成的水土流失總量為19544.11t，新增水土流失量14269.17t。其中，施工期的水土流失量為9356.74t，新增水土流失量5404.55t；自然恢復(fù)期的水土流失量為10187.37t，新增水土流失量8864.62t。

圖1 分時段新增水土流失量圖

從圖1可以分析出，自然恢復(fù)期與施工期相比，新增水土流失量較大，主要原因?yàn)樽匀换謴?fù)期時間較長，通過換算成每年水土流失量(施工期新增水土流失量為2702.28t·a-1，自然恢復(fù)期新增水土流失量為1772.92t·a-1)，施工期水土流失強(qiáng)度較自然恢復(fù)期大，更主要原因在于施工期的人為擾動，因此，施工期水土流失防護(hù)措施的實(shí)施更為重要，施工期作為水土保持監(jiān)測的重點(diǎn)時段。

圖2 分區(qū)段新增水土流失量圖

從圖2可以分析出，從水土流失產(chǎn)生的區(qū)域來看，新增水土流失的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)槁坊こ虆^(qū)。路基工程區(qū)新增水土流失量占新增水土流失總量的77.96%。因此，路基工程區(qū)是本項(xiàng)目水土流失重點(diǎn)防治對象和水土流失監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域。

5 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，不可避免的要修建公路、鐵路、輸送管線等生產(chǎn)建設(shè)工程。從而造成水土流失，對生態(tài)脆弱地區(qū)的環(huán)境造成巨大的影響。但通過水土流失量的預(yù)測可找出項(xiàng)目發(fā)生水土流失嚴(yán)重的區(qū)域和時間段，定量分析水土流失情況，定性分析水土流失影響的程度，為合理、科學(xué)制定水土保持措施體系提供依據(jù)，量化各個預(yù)測單元的水土流失增量，指導(dǎo)建設(shè)單位有針對性地減少因工程建設(shè)所引起的水土流失及其引發(fā)的不利影響具有重要意義。