劉 超，曹博召，王 健，任 艷

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

引言

隨著我國生產(chǎn)力水平不斷發(fā)展，人民對美好生活提出了更高要求，生產(chǎn)建設(shè)項目在社會發(fā)展和進(jìn)步下也逐漸增多［1-3］。然而，生產(chǎn)建設(shè)項目的增多造成地表裸露頻現(xiàn)、土方堆置松散、人類機械活動頻繁、施工工藝和運行方式多元，這些現(xiàn)象常誘發(fā)強烈的水土流失，該類水土流失具有侵蝕類型多樣、發(fā)生規(guī)律復(fù)雜、時空分布不均和危害嚴(yán)重等特點［4］。針對生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。Rovira等［5］研究表明，采礦區(qū)河流泥沙與生產(chǎn)建設(shè)項目工程堆積體水土流失密不可分；鐘誠等［6］對廣濟(jì)水電站建設(shè)項目的研究表明，項目建設(shè)是造成區(qū)域水土流失的主要原因，且棄土場水土流失占新增水土流失總量的67.28%；蒲玉宏［7］對廢棄堆積物坡面侵蝕特征研究發(fā)現(xiàn)，廢棄堆積物不僅易造成砂礫化面蝕和泥石流等侵蝕，其堆放形式也易導(dǎo)致崩塌、滑塌等現(xiàn)象的發(fā)生；也有研究表明，工程堆積體坡面侵蝕量是裸露荒坡的10.76～12.33倍［8］；Riley［9］針對堆積體開展小尺度沖刷試驗表明，棄渣場坡面可蝕性是原始坡面的10 倍～100 倍?？梢?，與裸露自然坡面相比，工程堆積體侵蝕特點改變，土壤侵蝕模數(shù)陡增。郭明明等［10］對神府地區(qū)棄土棄渣侵蝕特征的研究表明，由于工程堆積具有隨意性、不均勻性，堆積體堆積形式不盡相同，極大程度加大了土壤侵蝕模數(shù)的預(yù)測難度。王繼增等［11］對生產(chǎn)建設(shè)項目土壤侵蝕模數(shù)的研究表明，土壤侵蝕模數(shù)監(jiān)測是生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持工作的重點和難點。

為了有效計算土壤侵蝕模數(shù)，我國2018 年頒布的《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持技術(shù)規(guī)范》（GB50433-2018）對水土保持工作具有合理的指導(dǎo)性。但因生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測時間序列短，水土流失量預(yù)測基礎(chǔ)工作開展不及時，使得預(yù)測結(jié)果常與真實值偏差較大［12-13］。李宏偉等［14］針對黃土區(qū)工程堆積體可蝕性開展了較為深入的研究，對工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)的確定產(chǎn)生推動作用。目前，關(guān)于工程堆積體水土流失規(guī)律的研究多集中于坡面侵蝕特征方面，針對工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)預(yù)測的研究較少，對于堆積體堆置形式對土壤侵蝕模數(shù)的影響研究尚未發(fā)現(xiàn)。

在預(yù)測土壤侵蝕模數(shù)時，常運用水蝕預(yù)報模型［15］（Water Erosion Prediction Project，WEPP）。WEPP 模型是以天為步長預(yù)測徑流量、泥沙量以及量化降雨事件中水土流失情況的土壤侵蝕預(yù)報模型，具有精確預(yù)估坡面尺度水土流失的優(yōu)點。任柯蒙等［16］應(yīng)用WEPP 模型提出了不同降雨強度下最優(yōu)減流阻沙臺面寬度；Rachman等［17］通過WEPP模型對流域降水和土壤沉積量模擬，所得結(jié)果與觀測值基本一致；基于田間試驗數(shù)據(jù)，熊勤學(xué)等［18］應(yīng)用WEPP模型提出了5°坡度下4種植物籬的最佳種植間距；劉世梁等［19］模擬了不同坡度條件下梯田空間配置的水土保持效應(yīng)，表明WEPP模型可以很好地定量模擬土壤在坡面的流失情況。然而，應(yīng)用該模型進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)項目工程堆積體堆置坡度優(yōu)化的研究相對較少。因此，本研究通過分析生產(chǎn)建設(shè)項目的棄土堆置特征，運用WEPP模型預(yù)測生產(chǎn)建設(shè)項目工程堆積體土壤流失量，探索不同堆置方式下土壤侵蝕規(guī)律和不同坡型條件下最優(yōu)堆置坡度，并以此為基礎(chǔ)豐富生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持理論，進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持。

1 試驗概況

1.1 研究區(qū)概況

為探尋工程堆積體最優(yōu)堆放形式，試驗以位于陜西省漢中市洋縣某生產(chǎn)建設(shè)項目工程堆積體為例。工程位于陜西省南部，屬洋縣范圍（33°02'N ～33°43'N，107°11'E ～108°33'E）。項目所在區(qū)地勢東北高陡，南部低緩，中部低平；氣候?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，溫和濕潤，四季分明。該區(qū)多年平均氣溫14.5 ℃，年最高氣溫38.7 ℃，最低氣溫-10.1 ℃，降雨主要集中在7～10 月份，多年平均降雨量達(dá)839.7 mm。土壤以黃棕壤為主，土體強度遇水衰減快，抗風(fēng)化能力差，土壤可蝕性因子參考值為0.003 9（t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1）［20］。

1.2 試驗設(shè)計

項目設(shè)計土方量為5×105m3，堆土基底占地面積5×104m2，堆土形式為圓臺狀。堆土地基水平，以垂直于堆土地基的剖面確定坡型參數(shù)，設(shè)計坡型有直線型（圖1（a），折線型（圖1（b）），臺階型（圖1（c））3種坡面。在保證氣候文件，土壤文件，作物管理文件一致的情況下改變坡度文件，運行WEPP模型，計算得到不同坡型條件下土壤侵蝕模數(shù)。利用SPSS23.0 在顯著性水平P＜0.05 的條件下多元擬合得到坡型參數(shù)與土壤侵蝕模數(shù)間最優(yōu)擬合方程。

圖1 工程堆積體坡型Fig.1 Slope type of engineering accumulation

1.3 WEPP模型文件的建立

WEPP 模型坡面版在科研、教學(xué)、生產(chǎn)單位的共同攻關(guān)下不斷修正與完善，目前坡面版的應(yīng)用較為成熟［21］。WEPP模型將土壤侵蝕因子概化為模型內(nèi)部可以識別的語言，基于物理過程生成模型所需要的土壤、坡度、氣候、作物管理文件［22-23］。

1.3.1 土壤文件的建立

文中以項目區(qū)典型土壤黃棕壤建立土壤文件。根據(jù)表1 實測土壤理化性質(zhì)，計算［24］得到試驗土壤反照率為0.596，初始飽和導(dǎo)水率為70%，土壤臨界剪切力為1.80 Pa，細(xì)溝土壤可蝕性0.015 8 s/m，細(xì)溝間土壤可蝕性2.81×106kg·s/m4，有效水力傳導(dǎo)系數(shù)為3.712 mm/h；同時輸入砂粒含量（%）、黏粒含量（%）、有機質(zhì)含量（%）、陽離子代換量（CEC）（meq/100 g）和礫石含量（%）五個分層土壤特性。

表1 試驗用土壤物理化學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil

1.3.2 坡度文件的建立

坡度坡長數(shù)據(jù)庫主要包括坡長、坡寬、坡度、坡面形狀4 類描述數(shù)據(jù)，利用WEPP 模型中的Slope Profile Editor編輯器編輯4類描述數(shù)據(jù)，根據(jù)所輸入的坡型參數(shù)，通過單擊頁面Preview 按鈕更新預(yù)覽隨著參數(shù)變化的坡面形狀。

1.3.3 氣候文件的建立

氣候文件包括降雨量、降雨歷時、最大雨強出現(xiàn)的歷時與總歷時的比率、最高溫度、最低溫度、太陽輻射、風(fēng)向、風(fēng)速、露點溫度9個逐日參數(shù)。在預(yù)測土壤侵蝕量時，降雨、最高溫度和最低溫度是主要氣象因子，而太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向等氣候因子為次要氣候因子［25］。通過分析7 個氣候參數(shù)（降雨量、最高溫度、最低溫度、太陽輻射量、風(fēng)速、風(fēng)向和露點溫度）對土壤侵蝕量的敏感性發(fā)現(xiàn)降雨量對土壤侵蝕量最敏感，太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向等次要氣候因子對土壤侵蝕預(yù)測結(jié)果影響不大［26-28］。結(jié)合中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心公布的洋縣1981年～2010年30年氣候資料，建立洋縣1981年～2010年的30個PAR氣候文件。

1.3.4 作物管理文件的建立

作物管理文件可結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H的耕作方式、耕作時間、作物種類等來確定，包括與作物生長和耕作等相關(guān)的詳細(xì)資料。試驗地初始條件為填土斜坡，坡面不布設(shè)排水設(shè)施，不采用耕作措施，按照裸露休閑地處理，采用模型自帶的休閑地文件建立作物管理文件。

1.4 分析方法

1.4.1 模型驗證與評價方法

模型通過相對誤差（δ）進(jìn)行驗證：

式中：XP為模型模擬值；X0為實測值，一般認(rèn)為當(dāng)δ＜10%時，模型模擬效果較好。

依據(jù)某客運專線水土保持監(jiān)測報告，位于洋縣的某棄土棄渣區(qū)建設(shè)期實測土壤侵蝕模數(shù)為17 635 kg·m-2·a-1。將構(gòu)建的參數(shù)文件導(dǎo)入模型，模擬結(jié)果換算后得到坡面土壤侵蝕模數(shù)為17 870 kg·m-2·a-1，相對誤差δ=1.33%（δ＜5%），模擬效果較好，表明WEPP模型在洋縣土壤流失量預(yù)測上具有適用性。

1.4.2 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡的穩(wěn)定性受坡高、坡角、邊坡形式、土壤物理性質(zhì)等較多因素的影響。本文基于洛巴索夫圖解法，按照工程技術(shù)規(guī)范要求選取安全系數(shù)K=1.15［29］，運用極限平衡理論分析不同坡型邊坡穩(wěn)定性，以滿足工程堆積體堆置要求的最小底坡坡角（14°）和試驗區(qū)土壤休止角為最大坡角（圓錐法測得試驗區(qū)土壤休止角為47°），在此條件下通過SPSS23.0 分析得到最大理論堆土高度與工程堆積體底坡坡角的最優(yōu)擬合方程（式2）和關(guān)系曲線（圖2）：

圖2 最大堆積高度與底坡坡角關(guān)系Fig.2 The relationship between the maximum pile height and the slope angle of the bottom slope

式中：α1表示底坡坡角，（°）；Hm表示理論最大堆土高度，（m）。一般認(rèn)為，當(dāng)實際堆土高度H＜Hm時，滿足工程穩(wěn)定性要求。

1.4.3 堆積體尺寸求解圓臺型堆積體可以看作是直角梯形繞縱軸一周而成的旋轉(zhuǎn)體［30］，則該圓臺體積為：

側(cè)面積則按旋轉(zhuǎn)體側(cè)面積計算［31］：

式中：V表示堆積體體積，（m3，本試驗選取V=5×105m3）；r1、r2分別表示堆積體的上下底面半徑，（m）；S1、S2是與r1、r2于其相對應(yīng)堆積體上下底面面積，滿足Si= πri2，其中S2= 5× 104m2；h表示堆積體高度，（m）；f(x)是堆積體剖面形狀的函數(shù)，即f(x)=φ(h)。

1.4.4 最優(yōu)擬合方程分析

WEPP 模型涉及的參數(shù)眾多，但在一定土方量和占地面積條件下工程堆積體坡面土壤侵蝕模數(shù)僅是底坡坡角α1、上部坡角α2和馬道寬d的函數(shù)，采用SPSS23.0 軟件多元擬合可得到不同坡型下最優(yōu)擬合方程：

式中：MS表示土壤侵蝕模數(shù)，（kg·m-2·a-1）；α1表示底坡坡角，（°）；α2表示上部坡角，（°）；d表示馬道寬度，（m）。

對于折線坡和臺階型坡，方程可寫成形如Φ(α1)=f(α1,α2,d)的形式，有時，方程在α0處有極小值。

式中：α1?[ 14°,47° ],α2?[ 14°,47° ],d≥0。通過比較Φ( α0),Φ( 14 ),Φ( 47 )求得MS最小值，一般認(rèn)為，MS取得最小值所對應(yīng)的α1，α2，d為所需的不同坡型下最優(yōu)斷面尺寸。

2 結(jié)果與分析

2.1 直線型坡面對土壤侵蝕的影響

2.1.1 直線型坡面土壤侵蝕特征分析

直線型坡面是工程堆積體堆置過程中一種簡單的形式，其土壤侵蝕模數(shù)模擬變化規(guī)律隨坡度變化特征如圖3所示。由圖3模擬結(jié)果可見，隨著設(shè)計底坡坡角α1的增大，直線型坡面土壤侵蝕模數(shù)總體表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當(dāng)設(shè)計底坡坡角α1在14°～26°范圍內(nèi)變化時直線型坡面土壤侵蝕模數(shù)隨著設(shè)計底坡坡角α1的增大而減小；在底坡坡角α1=26°時，土壤侵蝕模數(shù)取得最小值，此時最小土壤侵蝕模數(shù)MS=28.45 kg·m-2·a-1，工程堆積體表面積為5.2 hm2，坡面年平均土壤侵蝕量達(dá)W=1 478.93 t；當(dāng)設(shè)計底坡坡角α1＞26°時，直線型坡面土壤侵蝕模數(shù)隨著設(shè)計底坡坡角α1的增大而增大，在最小設(shè)計底坡坡角α1min=14°和最大設(shè)計底坡坡角α1max=47°時土壤侵蝕強度劇烈，此時工程堆積體坡面最大土壤侵蝕模數(shù)MS=35.6 kg·m-2·a-1，表面積達(dá)5.1 hm2，坡面年平均土壤侵蝕量達(dá)W=1669.42 t。

圖3 直線型坡面土壤侵蝕模數(shù)模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of soil erosion modulus on straight slope

結(jié)果表明，直線型坡面在底坡坡角α1為26°附近土壤侵蝕強度最小，其原因是：坡度、坡長的不同組合對坡面土壤侵蝕的影響分為2 個階段：圖4 可見，直線型底坡坡角從最小坡角14°增加到26°過程中，坡度增加百分比占總坡度變化的36.4%，坡長減少百分比總坡長變化的80.7%，該階段坡長的變化對土壤侵蝕的影響起主導(dǎo)作用，隨著坡長的減小，坡面徑流不斷分散，侵蝕能力不斷降低，水流攜帶泥沙能力降低，當(dāng)坡度減小到26°后，坡長變化對土壤侵蝕的影響微弱；當(dāng)直線型底坡坡角從26°增加到最大坡角過程中，坡度增加百分比占總坡度變化的63.6%，坡長減少百分比總坡長變化的19.3%，該階段坡度變化對土壤侵蝕的影響占主導(dǎo)作用，隨著坡度增大，坡面徑流量（入滲量）變化不大，坡面流速增大，土壤侵蝕力加強，坡面土壤侵蝕模數(shù)隨之增大。

圖4 直線型坡面坡長隨坡角變化關(guān)系Fig.4 The relationship between slope length and slope angle on straight slope

2.1.2 直線型堆土方式優(yōu)化

基于SPSS23.0對直線型工程堆積體底坡坡角α1和土壤侵蝕模數(shù)Ms分析得到最優(yōu)擬合方程如下（式6）：

式中：MS表示土壤侵蝕模數(shù)，（kg·m-2·a-1）；α1表示底坡坡角，（°）。由式（7）和（8）可求得直線型坡面參數(shù)最優(yōu)解。直線型最優(yōu)擬合方程MS是α1的函數(shù)，對α1在區(qū)間［14°，47°］內(nèi)求得MS最小值：

2.2 折線型坡面對土壤侵蝕的影響

2.2.1 折線型坡面土壤侵蝕特征分析

堆積體堆放采用折線型時，坡面形狀取決于底坡和上部坡角。為了方便計算，先固定一個坡角，根據(jù)設(shè)定土方體積，再調(diào)整另一坡角大小，采用WEPP模型計算坡面土壤侵蝕模數(shù)。圖5為上部坡角α2保持不變的條件下，土壤侵蝕模數(shù)隨底坡坡角變化關(guān)系。可以看出，在上部坡角α2保持不變的條件下，工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)隨底坡坡角α1的增大而減?。辉诒ＷC工程堆積體邊坡穩(wěn)定的前提下，研究取當(dāng)?shù)赝寥佬葜菇牵?7°）為上限，此時工程堆積體侵蝕程度微弱；在底坡坡角α1=14°時土壤侵蝕強度劇烈，設(shè)計條件下最大土壤侵蝕模數(shù)MS=36.29 kg·m-2·a-1。

圖5 土壤侵蝕模數(shù)隨底坡坡角變化關(guān)系Fig.5 The relationship between soil erosion modulus and bottom angle

在工程堆積體底坡坡角α1保持不變的條件下，土壤侵蝕模數(shù)隨著上部坡角α2的增大整體呈先減小后增大的趨勢，底坡坡角α1在［14°，22°］的范圍內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)MS呈下降趨勢，在α2=22°時設(shè)計條件下土壤侵蝕模數(shù)最小值MS=26.98 kg·m-2·a-1，此時工程堆積體表面積達(dá)5.3 hm2，坡面年平均土壤侵蝕量W=1 418.59 t；當(dāng)α1＞22°時，工程堆積體土壤侵蝕量明顯增大，且存在明顯的差異（圖6）；即上部坡角較大時所對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)大于上部邊坡較小時所對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)，且在上部坡角趨于項目區(qū)土壤休止角（47°）時，工程堆積體土壤侵蝕程度越發(fā)劇烈。

圖6 土壤侵蝕模數(shù)隨上部坡角變化關(guān)系Fig.6 The relationship between soil erosion modulus and upper slope angle

2.2.2 折線型堆土方式優(yōu)化

基于WEPP模型得到折線型坡面土壤侵蝕模數(shù)預(yù)測結(jié)果，通過多元擬合得到α1、α2與折線型坡面土壤侵蝕模數(shù)MS預(yù)測結(jié)果最優(yōu)擬合方程（式9）：

式中：MS表示土壤侵蝕模數(shù)，（kg·m-2·a-1）；α1表示底坡坡角，（°）；α2表示上部坡角，（°）。由式（10）～（13）可求得直線型坡面參數(shù)最優(yōu)解。

折線型最優(yōu)擬合方程Ms的取值與底坡坡角α1和上部坡角α2有關(guān)，Ms的最小值可轉(zhuǎn)換為求關(guān)于α2的二次函數(shù)最小值，即求：

則函數(shù)MS(α2)在處取得最小值

令Φ(α1)=Ms(α2)min

由于α1?[14°,47°]，故在區(qū)間[14°,47°]恒小于零，故Φ(α1)在Φ(47)處取得最小值，則Ms(α2)min=Φ(47)，此時α2= 21.8°。故折線型工程堆積體最優(yōu)坡度組合為α1= 47°,α2=22°。

2.3 臺階型坡面對土壤侵蝕的影響

2.3.1 臺階型坡面土壤侵蝕特征分析

基于前期建立的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，為了簡化計算過程，先固定底坡坡角α1和馬道寬度d，得到臺階型工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)隨上部坡角α2的變化規(guī)律曲線。圖7直觀的反映了在工程堆積體底坡坡角α1和馬道寬度d保持不變的情況下，土壤侵蝕模數(shù)MS隨著上部坡角α2的增大總體表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，α2在［14°，25°］內(nèi)工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)MS在設(shè)計條件下有最小值，此時土壤侵蝕模數(shù)最小值MS=25.41 kg·m-2·a-1，工程堆積體表面積為5.4 hm2，坡面年平均土壤侵蝕量W=1 373.02 t；當(dāng)上部坡角α2接近項目區(qū)土壤休止角（47°）時，工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)無明顯差異，設(shè)計條件下土壤侵蝕模數(shù)最大值MS=34.46 kg·m-2·a-1，此時工程堆積體表面積達(dá)5.4 hm2，坡面土壤侵蝕量W=1 851.91 t。

圖7 臺階型坡面土壤侵蝕模數(shù)隨上部坡角變化關(guān)系Fig.7 Relationship between soil erosion modulus of stepped slopes and upper slope angle

圖8 為底坡坡角α1和上部坡角α2保持不變的情況下，土壤侵蝕模數(shù)隨馬道寬度d變化關(guān)系圖?？梢钥闯觯诠こ潭逊e體底坡坡角α1和上部坡角α2保持不變的情況下，工程堆積體土壤侵蝕量隨著馬道寬d的增大而增加，且增長速率趨于穩(wěn)定；在滿足工程實際堆土要求和堆積體邊坡穩(wěn)定的前提下，當(dāng)馬道寬d保持不變時，底坡坡角α1越小，上部邊坡坡角α2越大，工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)MS越大，土壤侵蝕程度越劇烈。

圖8 臺階型坡面土壤侵蝕模數(shù)隨馬道變化關(guān)系Fig.8 Relationship between the change of soil erosion modulus of stepped slopes and the step

2.3.2 臺階型堆土方式優(yōu)化

馬道作為臺階型堆土方式的重要組成組分，其與底坡坡角α1和上部坡角α2共同影響坡面土壤侵蝕模數(shù)。運用SPSS23.0多元擬合得到臺階型坡面最優(yōu)擬合方程（式14）：

式中：MS表示土壤侵蝕模數(shù)，（kg·m-2·a-1）；α1表示底坡坡角，（°）；α2表示上部坡角，（°）；d表示馬道寬度，（m）。由式（14）和（15）可求得臺階型坡面坡型參數(shù)最優(yōu)解。

臺階型最優(yōu)擬合方程可看作關(guān)于上部坡角α2的二次函數(shù)，即：

則函數(shù)Ms(α2)在α2= 25.4處取得最小值。

由于α1?［14°，47°］，d≥0，故α1=47°且d=0 m 時，Ms(α2)取得最小值。綜上，臺階型工程堆積體最優(yōu)邊坡組合為α1=47°，α2=24.5°，d=0 m。在堆土高度較大時，考慮到工程實際情況，工程堆積體中部往往需要設(shè)計馬道，此時為了減少坡面水土流失，馬道不宜太寬，且應(yīng)布設(shè)排水、苫蓋等水土保持措施。

3 討論

生產(chǎn)建設(shè)造成的大量松散工程堆積體由于其高、陡等特點影響著堆積體的侵蝕特性，堆積體堆置坡度、坡長、坡度坡長組合等不同，不僅影響著堆積體的不穩(wěn)定性和徑流的重力順坡分力，同時改變了堆積體侵蝕過程［32-33］。本試驗結(jié)果表明直線型、折線形、臺階型堆積體中底坡坡角α1對坡面土壤侵蝕模數(shù)的影響有所差異，直線型坡面底坡坡角α1趨于土壤休止角47°時易發(fā)生土壤侵蝕，折線形和臺階型坡面在底坡坡角α1在47°時土壤侵蝕相對最小，主要是底部坡度最大，可有效增加土方堆置，減少上部堆置土方量。陳俊杰等［34］針對不同雨強與坡長條件下坡度對細(xì)溝侵蝕的影響認(rèn)為，降雨條件相同時，由于坡長變短，水流對坡面的沖刷時間降低，水深逐漸減小，侵蝕強度相應(yīng)減弱，與本文直線型堆積體坡面土壤侵蝕特征結(jié)論相近。陳利頂?shù)龋?5］研究黃土丘陵區(qū)坡面形態(tài)的土壤侵蝕效應(yīng)表明，上部為凹型坡面，下部為線型坡面，凹型坡土壤侵蝕的截留功能難以有效發(fā)揮，土壤侵蝕程度劇烈，使得該類坡型在整體上表現(xiàn)出較強“源”的作用，其研究結(jié)果與文中折線型（α2＞α1）和臺階型堆積體坡面土壤侵蝕特征相一致。

通過WEPP 模型確定不同堆積形式下坡面土壤侵蝕量，采用SPSS23.0 得到不同坡型條件下最優(yōu)擬合方程，臺階型堆積體在馬道寬度d=0 m時就轉(zhuǎn)變成折線形堆積體，但最優(yōu)擬合方程所求解的最優(yōu)上部坡角α2存在差異，這是由于在建立擬合方程時折線型最優(yōu)擬合方程使用了50 組數(shù)據(jù)點，而臺階型最優(yōu)擬合方程使用了100組數(shù)據(jù)點，但二者所得到的最優(yōu)擬合方程相關(guān)系數(shù)R2均趨近1（R32=0.956，R42=0.973），模擬得到令人滿意的結(jié)果［36］。WEPP模型以建立的文件為基礎(chǔ)，模型所需要的土壤、氣候文件等直接影響著預(yù)測結(jié)果的可靠性。研究表明，坡面侵蝕產(chǎn)沙受土壤類型的影響較大［37］，魏曉燕等［38］針對不同土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征對比分析認(rèn)為，土壤質(zhì)地的不同，直接影響區(qū)域產(chǎn)沙能力；李建明等［39］針對不同土質(zhì)工程堆積體徑流產(chǎn)沙差異研究認(rèn)為，砂土堆積體平均侵蝕速率分別是壤土和黏土的3.0 和2.3 倍。由此可見，不同土質(zhì)土壤在侵蝕產(chǎn)沙能力上差異性顯著，而筆者主要針對項目區(qū)典型土壤黃棕壤開展研究，因此其它類型土壤侵蝕特征有待進(jìn)一步分析。本文主要針對堆積體土壤侵蝕特點進(jìn)行初步探討，將工程堆積體概化為簡易圓臺型，計算一定土方量和占地面積相對固定下的土壤侵蝕量，針對不同下墊面處理、土方量、占地面積條件下堆積體堆積形式的優(yōu)化有待深入研究。

4 結(jié)論

利用氣象站1981～2010 年30 年間的氣象觀測資料以及項目區(qū)實測土壤性質(zhì)，建立氣候文件和土壤文件，基于WEPP模型預(yù)測生產(chǎn)建設(shè)項目建設(shè)過程中不同堆置方式下工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)，在一定土方量和占地面積條件下尋求優(yōu)化不同坡型堆置坡度最優(yōu)組合方式，得到以下結(jié)論：

（1）直線型堆土方式下工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)與底坡坡角α1有關(guān)，設(shè)計條件下直線型工程堆積體最優(yōu)底坡坡角α1=26°，此時坡面土壤侵蝕程度最弱；當(dāng)工程堆積體α1接近14°或者趨于當(dāng)?shù)赝寥佬葜菇?7°時，土壤侵蝕劇烈，易誘發(fā)嚴(yán)重的水土流失。

（2）折線型堆土方式下工程堆積體底坡坡角α1和上部坡角α2的不同組合直接影響工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)，底坡坡角α1趨于項目區(qū)土壤休止角47°，上部坡角α2設(shè)計為22°時，折線型工程堆積體土壤侵蝕程度較弱，設(shè)計條件下折線型工程堆積體最優(yōu)邊坡組合為α1=47°，α2=22°。

（3）臺階型堆土方式下工程堆積體底坡坡角α1、上部坡角α2和馬道寬度d的不同組合共同作用工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)。隨馬道寬度增大，土壤侵蝕模數(shù)不斷增大，在滿足設(shè)計要求的前提下臺階型工程堆積體斷面最優(yōu)組合為α1=47°，α2=24.5°，d=0 m。