水蝕區(qū)生產建設項目用地開挖面分類體系及其應用

許文盛，童曉霞，李亞龍，程冬兵，張平倉

(長江科學院水土保持研究所，430010，武漢)

近年來，隨著我國社會經濟的高速發(fā)展，大型水利水電、石油化工、交通運輸?shù)认盗猩a建設項目迅猛增長。大量生產建設項目用地形成的開挖面，不僅劇烈地改變了原地表形態(tài)，而且為土壤侵蝕提供了侵蝕面，導致土壤流失量迅速增加，已成為影響山區(qū)公共安全和工程安全的重大災害之一［1-2］;但由于生產建設項目類型多樣、開挖面坡度大、組成物質復雜，且目前針對開挖面水土流失觀測的資料十分有限，還無法對開挖面造成的土壤流失量進行準確測算，并為決策者、執(zhí)法者提供技術支持，因此，建立一套有效的開挖面土壤流失量測算方法十分必要，其中，對生產建設項目用地開挖面進行分類是建立該測算方法的前提。

開挖面廣泛存在于礦業(yè)開采、交通運輸、水電工程、城鎮(zhèn)建設及農林開發(fā)等多個行業(yè)用地，有關其分類，目前已有多位國內外學者進行了探討，并取得了較多成果。宋勝武等［3］針對水電工程，在分析現(xiàn)有開挖邊坡分類的基礎上，建立了新的水電工程用地邊坡分類體系框架;尹志東［4］根據(jù)調查分析，指出已有邊坡分類的缺點，提出了新的生態(tài)防護工程用地邊坡分類;任偉中等［5］以鄂西北山區(qū)為背景，提出了邊坡綜合分類體系;姜德義等［6］以高速公路工程用地邊坡為對象，依據(jù)地質特點，對開挖邊坡進行了分類;劉明維等［7］根據(jù)巖質邊坡結構面特點，提出了開挖邊坡分類方法;A.S.Al-Homoud 等［8］從邊坡穩(wěn)定性分析角度，對Jordan 內高速公路用地的邊坡進行了分類;L.Pantelidis［9］建立了巖石邊坡質量分類體系;A.Taheri 等［10］在邊坡穩(wěn)定性分析的基礎上，建立了巖石邊坡穩(wěn)定率分類體系;S.K.Das 等［11］基于神經網絡技術，在計算預測安全因子的基礎上，對開挖邊坡進行了分類。然而，現(xiàn)有成果多是以開挖邊坡穩(wěn)定為宗旨而進行的分類，以開挖面土壤流失量測算為目的進行的分類還鮮有報道，且現(xiàn)有分類體系還難以滿足生產建設項目用地開挖面土壤流失量準確測算的需求。

因此，筆者以我國東部水蝕區(qū)為背景，在大量野外調查基礎上，通過對不同區(qū)域、不同類型生產建設項目用地開挖面的調查，總結分析水蝕區(qū)開挖面特征及水土流失特性，建立以土壤流失量準確測算為目的的開挖面分類體系，并把該體系與現(xiàn)有工程用地邊坡分類體系進行比較，為構建科學、合理、適用的水蝕區(qū)開挖面土壤流失量測算方法奠定基礎，并為開挖面水土流失防治提供技術和理論支撐。

1 調查范圍與對象

調查范圍主要集中于我國東部水蝕區(qū)，涉及北方土石山區(qū)、東北黑土區(qū)、西南土石山區(qū)及南方紅壤區(qū)等4 大典型區(qū)域，累計調查開挖面120 余個，涵蓋了鐵路、公路、電廠、水電站、水庫、跨流域調水、工廠、煤礦、房地產、堤防整治等10 余種生產建設項目用地。其中:北方土石山區(qū)以河北省為典型區(qū)域，以該區(qū)域內的南水北調工程用地為對象，調查了包括石家莊市、鹿泉市、元氏縣及高邑縣在內的南水北調工程開挖面28 個;東北黑土區(qū)以黑龍江省為典型區(qū)域，以該區(qū)域內的鶴崗—哈爾濱高速公路的伊春—綏化段及達連河煤礦用地為對象，調查開挖面27個;西南土石山區(qū)以貴州省為典型區(qū)域，以該區(qū)域內的遵畢高速、福泉電廠、高鐵貴陽南編組站、天門河水庫、遵寶鈦業(yè)有限公司廠址、華電塘寨電廠運灰公路、索風營水電站、高速路龍里收費站及遵義縣洗煤廠用地為對象，調查開挖面31 個;南方紅壤區(qū)以江西省為典型區(qū)域，以該區(qū)域內的撫吉高速、唱凱堤整治工程、鳳凰工業(yè)園、北際醫(yī)用塑膠業(yè)(江西)有限公司廠址、楓林印象房地產開發(fā)建設項目、撫州市桐源鄉(xiāng)民營磚廠、恒大綠洲房地產開發(fā)建設項目、石虎塘杭電樞紐工程、萬載縣花塘村煤礦、向蒲鐵路、宜明公路、宜豐縣萬國礦業(yè)新莊銅鉛鋅礦等用地為對象，調查開挖面37 個。調查區(qū)域的地貌類型及GPS定位圖可參見文獻［2］。

2 調查內容與方法

調查時間主要集中于2010 年3 月—2011 年11月，調查內容主要包括開挖面所處的行政區(qū)劃、地理位置、所在工程項目名稱等位置參數(shù)，開挖面的物質組成、母質、土層厚度、坡長、坡度、土石比、侵蝕形式、形成時間、侵蝕量等特征參數(shù)，以及開挖面上部的匯水面積、植被覆蓋度、所在局部區(qū)域地形等環(huán)境參數(shù)。各參數(shù)的調查方法如下。

1)位置參數(shù)。行政區(qū)劃由行政區(qū)劃圖直接查得，地理位置利用手持GPS 直接測得，開挖面所屬工程項目名稱由向參與工程建設的施工、設計、監(jiān)理等單位咨詢而得。

2)特征參數(shù)。開挖面的物質組成、母質依據(jù)經驗判別，土層厚度、坡長利用卷尺或手持測距儀直接測量，坡度利用手持坡度儀測得，土石比(體積比)由開挖面內多個典型單位面積內土壤與石塊面積比的平均值換算得出，侵蝕形式由開挖面所處狀態(tài)依據(jù)經驗判別(分為重力侵蝕和水力侵蝕2 類)，侵蝕時間由向參與工程建設的施工、設計、監(jiān)理等單位或周邊居民咨詢而得，侵蝕量由侵蝕體積與侵蝕土壤干密度的乘積而得(其中侵蝕體積由單位寬度內直接測算的侵蝕體積與開挖面寬度的乘積計算得出，侵蝕土壤的干密度由采集的土壤樣品帶回實驗室后經烘干稱量測得)。

3)環(huán)境參數(shù)。匯水面積由測高、測距儀的量測結果經幾何計算而得，植被覆蓋度由開挖面頂部植被現(xiàn)狀依據(jù)經驗判別，所在局部區(qū)域地形特點由開挖面周邊地形特點依據(jù)經驗判別而得。

3 開挖面分類體系構建

3.1 分類目的

對生產建設項目用地開挖面進行分類，是為了打破區(qū)域和生產建設項目類型的界限，建立普適性的開挖面土壤流失量測算模型和方法，快速、準確地獲取不同類型開挖面土壤流失量，為定量化評價生產建設項目用地開挖面水土流失危害并進行水土流失防治提供依據(jù)。

3.2 分類原則

根據(jù)分類目的和開挖面野外調查結果，對生產建設項目用地開挖面進行分類時，應堅持概括性原則、簡單性原則及普適性原則。

1)概括性原則。分類應可以代表所有的生產建設項目類型，突破以生產建設項目類型為分類基礎的局限，即無論公路、鐵路、火電廠、水電站，其工程建設過程中所形成的開挖面均可在開挖面的分類體系中找到相應的類型。

2)簡單性原則。生產建設項目開挖面的分類，應簡單易懂，既適用于水土保持科研人員，也適用于水行政主管部門，同時還必須讓基層水土保持工作人員容易接受;如果分類體系過于復雜，則操作性差，適用范圍變窄。

3)普適性原則。開挖面的分類應適用于全國范圍內不同水土流失類型區(qū)，即北方土石山區(qū)、東北黑土區(qū)、西南土石山區(qū)及南方紅壤區(qū)均可采用同一分類體系。

3.3 分類依據(jù)

根據(jù)野外調查，生產建設項目用地開挖面的土壤流失以水力侵蝕為主，重力侵蝕較少，且由于重力侵蝕量可直接通過現(xiàn)場測量計算而得;因此，本文所指的開挖面侵蝕主要是水力侵蝕。在進行開挖面分類時，分類依據(jù)主要考慮開挖面的野外調查結果及影響開挖面土壤流失的主控因子。

1)開挖面野外調查結果。圖1 給出了我國水蝕區(qū)生產建設項目用地開挖面不同特征參數(shù)的野外調查結果?？梢钥闯?對于坡度而言，主要分布于30°～70°之間，該坡度的開挖面占到了樣本總數(shù)的70%(圖1(a));對于坡長而言，小于10 m 的最多，占樣本總數(shù)的48.15%，10 ～20 m 之間的占28.40%，而大于100 m 的只占1.23%(圖1(b));土層厚度小于0.1 m 的占26.0%，在0.1 ～0.5 m 之間的占15.6%，在0.5 ～1.0 m 之間的占11.7%，大于1 m 的占46.8%(圖1(c));土壤干密度變化范圍在1.00 ～1.74 g/cm3之間，其中在1.40 ～1.60 g/cm3之間的占41%，大于1.60 g/cm3的約占9%(圖1(d));對于石質比例而言，小于20%的樣本占49.35%(圖1(e));開挖面形成時間一般在1 ～36個月，個別樣本在數(shù)年以上，其中形成時間小于6 個月的所占比例最高，達37.1%，形成時間超過36 個月的最少(圖1(f))?？梢姡瑢τ谖覈鴸|部水蝕區(qū)而言，生產建設項目產生的開挖面以坡度位于30°～70°之間、坡長小于10 m、土層厚度大于1 m、土壤干密度介于1.40 ～1.60 g/cm3之間、開挖時間小于36個月的土質開挖面為主。

2)影響開挖面土壤流失量的主控因子?？傮w而言，影響土壤流失量的主要因素有上墊面因素和下墊面因素［12］;但由于開挖面一般具有形成時間短、坡度大、土體裸露、易遭水力侵蝕等特點，因此，影響開挖面土壤流失的因素，除了上述2 方面因素之外，還應包括開挖面形成時間。對于開挖面而言，上墊面因素主要包括降雨強度、降雨歷時等參數(shù)，下墊面因素主要包括開挖面上方匯水面積、植被覆蓋度、開挖面物質組成、土層厚度、坡度、坡長、土石比等參數(shù)，其中，上方匯水面積反映上方來水對開挖面土壤流失量的影響，植被覆蓋度反映上方植被對來水的阻礙情況，進而影響開挖面的土壤流失量。

3.4 分類體系

以生產建設項目用地開挖面野外調查結果為基礎，結合開挖面分類的目的，考慮影響開挖面土壤流失量的主控因子，按照開挖面分類原則，提出生產建設項目用地開挖面分類體系，如圖2 所示。根據(jù)圖2，生產建設項目用地開挖面分類體系可依次劃分為3 個層次，第1 層次為均質開挖面和非均質開挖面，第2 層次為有匯水影響開挖面和無匯水影響開挖面，第3 層次為非穩(wěn)定開挖面與穩(wěn)定開挖面。

1)第1 層次。根據(jù)開挖面的質地與物質組成，把開挖面分為均質面和非均質面。①均質面是指整個坡面物質組成相對均勻的開挖面，可為土質面、石質面或土石均勻混合的面。此類開挖面如為未風化的母質或基巖時，一般水力侵蝕程度較小;但如果母質或基巖風化強烈，質地疏松，則易發(fā)生水力侵蝕。②非均質面是指整個坡面呈現(xiàn)出明顯的分帶或分塊特征，物質組成非均勻分布的開挖面，一般頂部有一定厚度的熟土層，下部為生土層、母質或基巖。此類開挖面在土壤侵蝕過程中，頂部如有熟土層，則該層是主要的侵蝕對象，也是土壤流失的主體，而下部的生土層、母質或基巖往往不易被侵蝕。

圖2 水蝕區(qū)生產建設項目用地開挖面分類體系Fig.2 Classification system of the artificially excavated surfaces in water erosion areas

2)第2 層次。根據(jù)開挖面上方有無來水，把開挖面分為無匯水影響開挖面和有匯水影響開挖面。①當開挖坡面頂部越過分水嶺，或在坡面頂部有人工截水溝、天然截水溝等截水措施，開挖面不受坡面頂部以上的來水沖刷時，稱為無匯水影響開挖面。對于此類開挖面，其侵蝕外營力主要來自于坡面上的降雨及其形成的徑流。②當開挖坡面頂部未越過分水嶺，且坡面頂部無人工截水溝或天然截水溝等截水措施，開挖面受坡面頂部以上的匯流來水沖刷時，稱為有匯水影響的開挖面。有匯水影響時，水流集中從開挖面流出，水流流速加大，剪切力增加，水流對開挖面的沖刷作用增強，從而引起開挖面土壤流失量增大。此時，其侵蝕外營力主要來源于坡面降雨及其形成的徑流，以及上方匯流來水的沖刷。

3)第3 層次。根據(jù)開挖面形成的時間，把開挖面分為非穩(wěn)定面和穩(wěn)定面。①非穩(wěn)定面指開挖面形成時間較短(一般不足1 年)，降雨對坡面上土壤流失量有明顯影響的開挖面。對于此類開挖面中的新開挖面而言，由于坡面剛剛形成，土體中原有應力釋放與調整明顯，坡面土體應變處于快速變化之中，一遇降雨，土壤流失量一般較大;同時，由于新開挖面一般由機械開挖而成，坡面上形成大量的機械抓痕，在水力侵蝕過程中，對水流歸槽起到了一定的促進作用，水流流速加大，易形成滾波，進而加劇了坡面土壤流失。②穩(wěn)定面指開挖面形成時間至少在1 年以上，經過了至少一個完整雨季水力侵蝕的開挖面。此類坡面基本穩(wěn)定，再經過新的雨季，一般不會產生嚴重的土壤流失，或土壤流失量基本趨于穩(wěn)定。

4 與現(xiàn)行工程用地邊坡分類體系的比較

為了深入探討本開挖面分類體系的適用性，筆者從分類目的、原則、依據(jù)及結果等方面對該分類體系與現(xiàn)行工程用地邊坡分類體系進行比較與分析。

從分類目的來看，現(xiàn)行工程用地邊坡分類多在于綜合概括邊坡的特征，反映邊坡在內外地質營力作用下的變形破壞規(guī)律，以便為邊坡的勘察、評價、預測和防治提供指導;而本文對開挖面分類的目的在于，打破生產建設項目區(qū)域性和類型的界限，建立普適性的開挖面土壤流失量測算模型和方法，為生產建設項目用地開挖面水土流失監(jiān)督執(zhí)法提供技術支撐，邊坡的穩(wěn)定性分析不是分類的主要目的。

從分類原則來看，現(xiàn)行工程用地邊坡分類多遵循針對性原則(分類必須與工程本身密切聯(lián)系，體現(xiàn)與工程的關系)、本質性原則(抓住能揭示邊坡本質，突出巖性、坡體結構及變形特征的主要因素)、層次性原則(依據(jù)邊坡高度、坡度等進行一般性分類)及系統(tǒng)性原則(建立多指標、多層次的分類體系);而本文在進行開挖面分類時遵循概括性原則、簡單性原則及普適性原則。

從分類依據(jù)來看，現(xiàn)行工程用地邊坡分類多考慮高邊坡的穩(wěn)定性，而本文構建的開挖面分類體系是依據(jù)我國東部水蝕區(qū)內不同類型的生產建設項目用地多個開挖面的實地調查結果，并在此基礎上考慮了影響開挖面土壤流失的主控因子。

從分類結果來看，現(xiàn)有工程用地邊坡可從邊坡成因角度分類，也可從邊坡物質組成、巖體結構、坡高和坡度、巖層走向與坡面走向關系等角度分類，同時，也可從邊坡變形與破壞等角度進行分類;因此，采用不同的分類方法，邊坡分類結果差異較大。而本文構建的開挖面分類體系僅分為3 個層次，不僅簡單，具有易操作性，而且符合多數(shù)水土保持工作者對開挖面進行識別、分類及判斷的思維和習慣。

總體而言，現(xiàn)行工程用地邊坡分類不僅多而復雜，而且多是為了分析邊坡的結構與穩(wěn)定性，沒有考慮坡面上土壤流失的特點及影響因素。本文針對生產建設項目用地開挖面，構建的分類體系，不僅打破了現(xiàn)有工程用地邊坡分類中以工程類別為基礎的制約，而且結合我國東部水蝕區(qū)大量生產建設項目用地開挖面土壤流失特點的實地調查結果，綜合考慮了影響開挖面土壤流失的主控因子，為建立生產建設項目用地開挖面土壤流失量測算模型和方法奠定了重要的基礎。

5 分類體系在土壤流失量預測中的應用

分類體系在用于生產建設項目用地開挖面土壤流失量預測時，主要是據(jù)此進行土壤流失量測算模型和方法的構建以及開挖面類型的判斷和測算模型的選擇。本文主要針對開挖面土壤流失量測算模型和方法構建的思路及開挖面類型判別和測算模型選擇的思路提出建議，對于測算模型構建的具體過程和計算使用方法，筆者將另文分析。

利用該分類體系構建開挖面土壤流失量測算模型和方法時，應采用由簡單到復雜，逐步修正遞進的方式。首先，針對均質、無匯水影響的非穩(wěn)定面中的新開挖面及穩(wěn)定面分別建立土壤流失量測算的基礎模型和方法。其次，考慮開挖面頂部匯水影響，并對基礎模型和方法進行修正，建立均質、有匯水影響的非穩(wěn)定面中的新開挖面和穩(wěn)定面土壤流失量測算的模型與方法。最后，針對非均質開挖面，可先把非均質面劃分為若干個小的均質面，并對各均質面選用前述相應的模型和方法進行土壤流失量測算，然后把針對各均質面測算的土壤流失量進行累加，即可得出非均質面的土壤流失總量。其中，均質、無匯水影響開挖面土壤流失量測算的基礎模型和方法構建的思路為:①沿開挖面坡度方向，以單位寬度開挖面的土壤流失量為對象，采用理論分析、降雨模擬實驗及數(shù)學統(tǒng)計分析相結合的方法，建立半經驗的單位寬度開挖面土壤流失量測算模型;②對于整個開挖面的土壤流失量，可由開挖面寬度與單位寬度開挖面土壤流失量的乘積，并考慮開挖面的形狀，進行形狀系數(shù)修正而得。

當利用本文構建的分類體系進行開挖面類型判別時，應遵循逐層遞進的原則。首先根據(jù)開挖面的質地和物質組成，判斷開挖面是否為均質面;其次根據(jù)開挖面頂部的截水情況，判斷開挖面是否受上方匯水的影響;最后根據(jù)開挖面的形成時間，判斷開挖面是否為穩(wěn)定面?？梢?，利用此分類體系判別開挖面類型時，無須進行復雜的現(xiàn)場測量或室內實驗分析，只要具備一般的專業(yè)知識即可完成。一旦開挖面的類型確定，就可以選擇相應的測算模型與方法，并利用測得的開挖面特征與環(huán)境參數(shù)，計算土壤流失量，進而以此為基礎，為開挖面水土流失監(jiān)督執(zhí)法提供依據(jù)，為開挖面水土流失防治提供支撐。

6 結束語

在對我國東部的東北黑土區(qū)、北方土石山區(qū)、西南土石山區(qū)及南方紅壤區(qū)等典型水蝕區(qū)內多個不同類型生產建設項目用地開挖面進行實地調查的基礎上，按照概括性、簡單性及普適性3 原則，考慮開挖面土壤流失的特點及影響因素，提出了新的開挖面分類體系。該分類體系劃分為3 個層次:第1 層次按照質地與物質組成，把開挖面分為均質面和非均質面;第2 層次根據(jù)開挖面上方有無來水，把開挖面分為無匯水影響開挖面和有匯水影響開挖面;第3層次按照開挖面形成的時間，把開挖面分為非穩(wěn)定面和穩(wěn)定面。

利用該分類體系構建開挖面土壤流失量測算模型和方法時，可首先針對均質、無匯水影響的開挖面，構建開挖面土壤流失量測算的基礎模型和方法;然后考慮開挖面頂部匯水影響，對基礎模型和方法進行修正，建立均質、有匯水影響的開挖面土壤流失量測算模型與方法。對于非均質面，可先把非均質面劃分為若干個均質面，然后對各均質面選用前述相應的模型和方法進行土壤流失量測算，最后把各均質面測算的土壤流失量累加，即可得到非均質面的土壤流失總量。

本文提出的開挖面分類體系，不僅打破了生產建設項目區(qū)域性和行業(yè)性的界限，適應于不同區(qū)域、不同類型生產建設項目用地開挖面的類型劃分，為構建開挖面土壤流失量測算模型與方法奠定了重要基礎，而且便于在基層水土保持工作者中進行普及和推廣;但該分類體系僅是針對水蝕區(qū)的，對于在風蝕區(qū)、凍融侵蝕區(qū)等其他侵蝕區(qū)內的應用，還需要對其適用性作進一步的分析和探討。