開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失中水損失的預(yù)測(cè)

張 鴻

(西平縣水利局，河南西平 463900)

開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失，是因人類在生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中對(duì)地表或地下強(qiáng)烈擾動(dòng)破壞而造成的水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失，是強(qiáng)度很大的人為侵蝕［1］，水土資源損失包括了水的損失和土壤流失。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)防和治理的水土保持工作主要是預(yù)防、監(jiān)督，其中的水土保持方案報(bào)告制度確立了開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案編制的地位。然而在編制水土保持方案時(shí)，由于實(shí)踐和研究的限制，使得開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)特別是水損失預(yù)測(cè)存在概念不完善的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致水土保持方案編制中水損失預(yù)測(cè)缺項(xiàng)和預(yù)測(cè)量缺失［2－3］。

為了給開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，有必要完善水損失的概念及內(nèi)涵，合理預(yù)測(cè)水土流失中的水損失。

1 開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水損失的概念及內(nèi)涵

自然界中的水分布在大氣圈、地表水圈、地下水圈，3個(gè)圈帶中的水通過(guò)降水、蒸發(fā)、入滲、徑流4種基本形式完成相互轉(zhuǎn)換，在一定時(shí)間內(nèi)水體之間的循環(huán)轉(zhuǎn)換會(huì)保持相對(duì)均衡［4］。

水文地質(zhì)單元是具有統(tǒng)一補(bǔ)給邊界和補(bǔ)給、徑流、排泄條件的地下水系統(tǒng)。對(duì)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目而言，所涉及的區(qū)域與地下水系統(tǒng)基本不重合，因此我們要確定的水損失預(yù)測(cè)單元只能按開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)范圍和下墊面狀況劃分，在進(jìn)行具體預(yù)測(cè)時(shí)還應(yīng)結(jié)合水土流失分區(qū)進(jìn)行劃分。

我們把每個(gè)預(yù)測(cè)單元看成是獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，每個(gè)單元內(nèi)水分均衡，總量一定，除了接受降水外自成一個(gè)封閉的空間。參考已有文獻(xiàn)［5］，并將預(yù)測(cè)單元?jiǎng)澐衷瓌t完善為:同一預(yù)測(cè)單元內(nèi)的原地形地貌、氣候特征、產(chǎn)匯流特點(diǎn)、徑流系數(shù)、實(shí)際蒸發(fā)、入滲系數(shù)一致;同一預(yù)測(cè)單元內(nèi)項(xiàng)目建成后下墊面狀況、產(chǎn)匯流和水循環(huán)特征、徑流系數(shù)、入滲系數(shù)、實(shí)際蒸發(fā)一致;同一預(yù)測(cè)單元應(yīng)集中連片。

對(duì)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水損失，有論述為:項(xiàng)目水文地質(zhì)單元中的水均衡轉(zhuǎn)換關(guān)系被建設(shè)項(xiàng)目人為干擾活動(dòng)所破壞，造成儲(chǔ)存量減少，流出量增加，增加的流出量即為損失量，包括水的質(zhì)和量?jī)蓚€(gè)方面［3］。該論述將項(xiàng)目區(qū)看成是一個(gè)水文地質(zhì)單元，流失量?jī)H對(duì)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)有影響，對(duì)項(xiàng)目區(qū)外無(wú)影響，顯然不合適。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水損失應(yīng)考慮全面影響，對(duì)水損失應(yīng)從入滲、蒸發(fā)、徑流3個(gè)方面進(jìn)行分析才準(zhǔn)確，開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目打破了項(xiàng)目區(qū)水自身的均衡，對(duì)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)外造成了影響，進(jìn)而形成水損失。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水損失就是項(xiàng)目水文地質(zhì)單元中的水均衡轉(zhuǎn)換關(guān)系被建設(shè)項(xiàng)目人為干擾活動(dòng)所破壞，造成徑流加大、蒸發(fā)量減小、入滲量減小，其增減的量即為損失量，包括水的質(zhì)和量?jī)蓚€(gè)方面。

2 開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水損失分析及預(yù)測(cè)

2.1 徑流損失

開發(fā)建設(shè)活動(dòng)改變了項(xiàng)目區(qū)下墊面的狀況，使地表徑流量發(fā)生了變化，可以將項(xiàng)目建成后地表水輸出量與項(xiàng)目區(qū)原生地貌條件下地表水輸出量之差值看作徑流損失。結(jié)果是正值則說(shuō)明產(chǎn)生了水損失，是負(fù)值則說(shuō)明治理措施發(fā)揮了防止徑流損失的作用。對(duì)于水土保持生態(tài)建設(shè)工程，徑流損失的計(jì)算結(jié)果可能為負(fù)值，其絕對(duì)值的大小反映了工程措施的防治效果。

徑流系數(shù)法計(jì)算徑流損失的公式為

式中:Ww為項(xiàng)目建成后年徑流損失量，m3/a;i為預(yù)測(cè)單元，i=1，2，3，…，n;Fi為第 i個(gè)預(yù)測(cè)單元的面積，km2;Pi為項(xiàng)目區(qū)年降水量，mm;ai為第i個(gè)預(yù)測(cè)單元項(xiàng)目建成后自然恢復(fù)期的地表徑流系數(shù);a0i為第i個(gè)預(yù)測(cè)單元原狀地表徑流系數(shù)。

2.2 入滲損失

開發(fā)建設(shè)活動(dòng)改變了原生地表狀況，使降水入滲情況發(fā)生了變化，甚至破壞了入滲途徑，可以將項(xiàng)目區(qū)原生地貌條件下地表平均入滲水量與項(xiàng)目建成后地表平均入滲水量之差值看作入滲損失。計(jì)算入滲損失有益于進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)降水蓄滲工程設(shè)計(jì)。

降水入滲系數(shù)法計(jì)算入滲損失公式為

式中:WF為項(xiàng)目建成后年入滲損失量，m3/a;i為預(yù)測(cè)單元，i=1，2，3，…，n;Fi為第 i個(gè)預(yù)測(cè)單元的面積，km2;Pi為項(xiàng)目區(qū)年降水量，mm;fi為第i個(gè)預(yù)測(cè)單元項(xiàng)目建成后自然恢復(fù)期的降水入滲補(bǔ)給系數(shù);f0i為第i個(gè)預(yù)測(cè)單元原狀地表降水入滲補(bǔ)給系數(shù)。

降水入滲補(bǔ)給系數(shù)等于降水入滲補(bǔ)給地下水的水量Q與降水量P的比值，它與潛水埋深、包氣帶巖性、降水、地形等條件有關(guān)。計(jì)算降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的公式為

式中:f為降水入滲補(bǔ)給系數(shù);μ為給水度;Δh為年內(nèi)各次降水入滲補(bǔ)給形成的地下水位升幅，mm;P年為年降水量，mm。

2.3 蒸發(fā)損失

將原地貌年均實(shí)際蒸發(fā)量與項(xiàng)目建成后年均實(shí)際蒸發(fā)量之差值看作蒸發(fā)損失。計(jì)算結(jié)果是正值說(shuō)明項(xiàng)目區(qū)水土保持措施起了作用，可依此評(píng)價(jià)措施的合理性;如果是負(fù)值則說(shuō)明產(chǎn)生了損失，即蒸發(fā)損失。由水量平衡原理推導(dǎo)出蒸發(fā)損失的計(jì)算公式為

式中:WE為項(xiàng)目建成后年蒸發(fā)損失量，m3/a;i為預(yù)測(cè)單元，i=1，2，3，…，n;Fi為第 i個(gè)預(yù)測(cè)單元的面積，km2;Pi為項(xiàng)目區(qū)年降水量，mm;βi為第i個(gè)預(yù)測(cè)單元項(xiàng)目建成后自然恢復(fù)期的平均蒸發(fā)系數(shù);β0i為第i個(gè)預(yù)測(cè)單元原狀地貌平均蒸發(fā)系數(shù)。

由于流域或區(qū)域下墊面情況比較復(fù)雜，所以流域或區(qū)域?qū)嶋H蒸散量的計(jì)算是一個(gè)需要不斷深入研究的難點(diǎn)。目前關(guān)于實(shí)際蒸散量的估算方法有多種，主要有水量平衡法、水熱平衡法、互補(bǔ)相關(guān)法，而利用衛(wèi)星遙感并結(jié)合模型模擬研究非均勻陸面上的蒸散量是一個(gè)新的趨勢(shì)。項(xiàng)目區(qū)蒸發(fā)是水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植物散發(fā)的綜合值，一般難以直接觀測(cè)。當(dāng)有多年平均降水和徑流時(shí)可按水量平衡原理推求多年平均蒸發(fā)量，多年平均蒸發(fā)系數(shù)則可由下式推出［6］:

式中:αp為多年平均徑流系數(shù);βp為多年平均蒸發(fā)系數(shù)。

2.4 水損失預(yù)測(cè)應(yīng)注意的主要問(wèn)題

(1)預(yù)測(cè)范圍。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水損失預(yù)測(cè)的范圍，以項(xiàng)目水土保持方案確定的占地和擾動(dòng)范圍為準(zhǔn);疏干水項(xiàng)目預(yù)測(cè)范圍還應(yīng)包括疏干水積聚和影響的區(qū)域［5］。

(2)預(yù)測(cè)時(shí)間。有關(guān)水損失的預(yù)測(cè)，不宜類似土壤流失量預(yù)測(cè)那樣分不同時(shí)段進(jìn)行，只需對(duì)項(xiàng)目建成后平均每年損失量作粗略估算即可。對(duì)于疏干水項(xiàng)目，如果投產(chǎn)后規(guī)模不斷擴(kuò)大、疏干水量逐步增加，則需根據(jù)實(shí)際情況分階段進(jìn)行預(yù)測(cè)［4］。

(3)預(yù)測(cè)參數(shù)的確定。根據(jù)目前的氣象水文試驗(yàn)和研究工作現(xiàn)狀，有很多涉及年降水量、徑流系數(shù)、入滲系數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)的實(shí)測(cè)、試驗(yàn)、科研成果，因此開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案編制人員可以參考相似工程及下墊面的數(shù)據(jù)。年降水量可參考當(dāng)?shù)貧庀蟛块T多年平均降水量值，線性工程按實(shí)際跨區(qū)分別取值;項(xiàng)目區(qū)原地貌以及植被恢復(fù)期的徑流系數(shù)、入滲系數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)，則需參考相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查和專家估判，開展必要的試驗(yàn)，綜合分析確定。

確定水文地質(zhì)參數(shù)的方法一般有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、室內(nèi)試驗(yàn)法和野外試驗(yàn)法4種，降水入滲系數(shù)、給水度、蒸發(fā)系數(shù)、徑流系數(shù)均可以利用以上4種方法取得。如降雨入滲系數(shù)可用動(dòng)態(tài)分析法、水量平衡法求得，在地下水水平排泄微弱的平原地區(qū)，降水后補(bǔ)給潛水的水量引起地下水位上升，利用地下水自記水位計(jì)或其他儀器能準(zhǔn)確測(cè)得降水后地下水位上升幅度值，地下水位上升幅度值和水位變動(dòng)帶給水度值的乘積大致等于降水入滲補(bǔ)給量，降水入滲補(bǔ)給量除以同期的降水量即得降水入滲補(bǔ)給系數(shù)。當(dāng)計(jì)算時(shí)段內(nèi)有數(shù)次降水時(shí)，將每次降水引起的地下水位上升幅度相加，再乘以給水度，除以該時(shí)段的總降水量，即可得到該時(shí)段的降水入滲補(bǔ)給系數(shù)。在地下水水平徑流強(qiáng)的山區(qū)或山前地區(qū)，該法不適用，此時(shí)可有計(jì)劃地布置5個(gè)以上的觀測(cè)孔，同時(shí)觀測(cè)地下水水位，用有限單元法或有限差分法近似計(jì)算降水入滲補(bǔ)給量，再求出降水入滲補(bǔ)給系數(shù);如能在一個(gè)閉合流域設(shè)置地下水平衡試驗(yàn)場(chǎng)，則可通過(guò)實(shí)測(cè)各平衡要素，求得降水入滲補(bǔ)給系數(shù)。每次降水后，將實(shí)測(cè)的降水量減去實(shí)際蒸發(fā)量、植物截留量、坑塘河溝攔蓄量、地表徑流量、包氣帶土壤含水量的增量等，即可求得降水入滲補(bǔ)給量，進(jìn)而求得降水入滲補(bǔ)給系數(shù)。也有用地中滲透儀觀測(cè)資料［7］、鉆孔資料［8］、地中蒸滲儀觀測(cè)資料［9］、回歸分析方法推求［10］等取得了較為翔實(shí)的資料數(shù)據(jù);對(duì)于實(shí)際蒸發(fā)量的研究也有理論方面的實(shí)例，如楊遠(yuǎn)東的多年平均陸面蒸發(fā)量的計(jì)算［11］、沈行毅的下墊面蒸發(fā)量的計(jì)算［12］，都為我們獲取相關(guān)數(shù)據(jù)提供了科學(xué)可行的方法。

3 實(shí)例分析

深圳星河雅寶科技創(chuàng)新園項(xiàng)目占地約20.34 hm2，項(xiàng)目總投資30億元，工期4年，為深圳市2011年重大項(xiàng)目。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，參考深圳市當(dāng)?shù)厮臄?shù)據(jù)參數(shù)，對(duì)本項(xiàng)目水損失進(jìn)行預(yù)測(cè):本項(xiàng)目水損失預(yù)測(cè)劃分為兩個(gè)分區(qū)，原生地貌均按雜填土碾壓裸地間有雜草，建成后地貌有房屋建筑區(qū)(0.176 km2)、綠地區(qū)(0.027 km2)。深圳地區(qū)多年平均降雨量為1 966 mm。由本文公式可計(jì)算出徑流損失、蒸發(fā)損失、入滲損失分別為6.27萬(wàn)、2.10 萬(wàn)、2.27 萬(wàn) m3/a，總的水損失為 10.64 萬(wàn) m3/a，見表1。

表1 星河雅寶科技創(chuàng)新園項(xiàng)目水損失估算 m3/a

由表1可看出，本項(xiàng)目的建設(shè)造成了每年10.64萬(wàn)m3的水損失，其中徑流損失占58.9%，蒸發(fā)損失占19.7%、入滲損失占21.4%。建設(shè)項(xiàng)目引起的水資源問(wèn)題、生態(tài)問(wèn)題對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展以及人類本身的發(fā)展都有重要的影響。由本文提出的概念和公式計(jì)算可知，開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施引起的水損失主要表現(xiàn)在徑流加大、蒸發(fā)量減小、入滲量減小等幾個(gè)方面。在實(shí)際項(xiàng)目水損失估算中，按上述公式計(jì)算會(huì)出現(xiàn)負(fù)值、零、正值3種不同結(jié)果，若出現(xiàn)負(fù)值則表示項(xiàng)目措施起到了防止水損失的作用;若出現(xiàn)零則表示項(xiàng)目措施維持了原狀水均衡狀態(tài);若出現(xiàn)正值則表示項(xiàng)目產(chǎn)生了水損失，下一步可以根據(jù)水損失預(yù)測(cè)結(jié)果以及水資源利用來(lái)設(shè)計(jì)防治水損失的具體措施。

4 結(jié)語(yǔ)

水土流失水損失的預(yù)測(cè)分析，目前只是處于探索實(shí)踐階段，鑒于城市建設(shè)項(xiàng)目、疏干水項(xiàng)目及排水項(xiàng)目水損失途徑不一樣，因此只能采用定量預(yù)測(cè)與定性預(yù)測(cè)相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行。由于缺少可供參考的文獻(xiàn)和資料，本文旨在補(bǔ)充提出有關(guān)水損失的看法和設(shè)想以進(jìn)行交流。同時(shí)，由于水土流失預(yù)測(cè)方法的選取及其參數(shù)的確定都具有很強(qiáng)的地域性，因此，為做好開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案編制工作，提高水土保持方案編制的技術(shù)質(zhì)量，進(jìn)一步為水土保持工作提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)，需要我們加大研究力度，利用技術(shù)和理論創(chuàng)新，開展必要的科學(xué)試驗(yàn)，為水土流失預(yù)測(cè)分析的成熟完善奠定基礎(chǔ)。

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