淺析隧洞工程環(huán)評(píng)預(yù)測(cè)與節(jié)能措施——以福州江北城區(qū)山洪防治工程為例

方 琦

（福州市環(huán)境科學(xué)研究院 福建福州 350011）

1 項(xiàng)目概況

福州市江北城區(qū)山洪防治及生態(tài)補(bǔ)水工程沿福州市江北城區(qū)從西面到東北面周邊興建隧洞，并在城區(qū)周邊沿線山邊溝溪興建截洪壩及山洪排泄支洞，通過城區(qū)上游的浦口（西面）及下游魁岐（東面）隧洞出口，將所攔截的山洪直接排入閩江，而不再進(jìn)入城區(qū)內(nèi)河水系；平時(shí)利用排洪隧洞及已建水庫(kù)作為改善內(nèi)河水系水質(zhì)的引水通道和調(diào)蓄庫(kù)，同時(shí)興建生態(tài)補(bǔ)水提水泵站及補(bǔ)水工程管路系統(tǒng)。工程既有防洪排澇作用，又有改善水環(huán)境功能。

工程主隧洞總長(zhǎng)28.76km，隧洞洞口4個(gè)，分為西線和東線2段，洞線總長(zhǎng)28.76km，其中西線長(zhǎng)7.73km，東線長(zhǎng)21.03km。沿線設(shè)置12個(gè)截洪壩及相應(yīng)的排洪支洞，泵站總裝機(jī)容量為28.5MW，安裝5臺(tái)單機(jī)配套功率為5.7MW的水泵機(jī)組，日抽水量132.5萬m3，設(shè)計(jì)引水流量46m3/s；沿線設(shè)置6個(gè)補(bǔ)水支洞出口，并利水庫(kù)溢洪道進(jìn)行補(bǔ)水，惠及福州江北城區(qū)22條內(nèi)河。

本文中主要選取項(xiàng)目主體工程中的隧洞工程段進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，對(duì)泵站、截洪壩等配套工程與施工場(chǎng)地等臨時(shí)工程進(jìn)行簡(jiǎn)單分析說明。

2 研究區(qū)概況

工程位于福州市閩江北港北岸城區(qū)，江北城區(qū)屬福州市主城區(qū)，位于福州盆地的中心地帶，西、北、東三面群山懷抱，南臨閩江北港，地勢(shì)由西北向東南傾斜，是一個(gè)典型的沿海山澗盆地。根據(jù)土壤區(qū)劃，該區(qū)屬于閩中山地盆谷紅壤、黃壤水稻土地區(qū)，區(qū)內(nèi)土壤種類以紅壤為主，土層較深厚，有機(jī)質(zhì)豐富，肥力較高。

紅壤侵蝕主要以水力侵蝕為主，此外還有重力侵蝕和風(fēng)力侵蝕，主要表現(xiàn)為片蝕、溝蝕、崩崗、瀉溜和泥石流等。與黃土高原相比，南方紅壤區(qū)平均侵蝕模數(shù)小于黃土高原地區(qū)，但土體及巖石風(fēng)化層只有黃土高原的2%~10%，所以相對(duì)侵蝕量大，承受侵蝕的基底較薄。并且紅壤受降雨量與人為因素影響較大。左長(zhǎng)清等研究發(fā)現(xiàn)，紅壤侵蝕量和降雨量、降雨強(qiáng)度的冪函數(shù)相關(guān)性顯著[1]。據(jù)王庫(kù)等在江西興國(guó)縣研究發(fā)現(xiàn)，從土壤侵蝕率來看，中度、強(qiáng)烈侵蝕在園地、草地及旱地上的比率較高，而林地上的強(qiáng)烈土壤侵蝕率較低，多以中度和輕度侵蝕為主[2]。說明人為干擾是導(dǎo)致紅壤區(qū)土壤侵蝕加劇的關(guān)鍵。

影響福建省水土流失的主導(dǎo)因子有：植被覆蓋度、工程措施、土地利用、坡度、土壤有機(jī)質(zhì)和降雨侵蝕力R值。另外，母巖對(duì)福建省的水土流失也有一定的影響[3]。

根據(jù)2008年遙感調(diào)查統(tǒng)計(jì)，福州市區(qū)水土流失面積為41.37hm2，占土地總面積的4.08%。其中輕度流失面積22.15hm2，占流失總面積的53.54%；中度流失面積15.11km2，占流失總面積的36.33%；強(qiáng)烈流失面積3.55hm2，占流失總面積的8.57%；極強(qiáng)烈以上流失面積0.56m2，占流失總面積的1.36%。

項(xiàng)目所在地為丘陵、平原地貌，屬無明顯流失區(qū)。水土流失類型以降雨和地表徑流沖刷引起的水力侵蝕為主，土壤侵蝕形式以面蝕為主，項(xiàng)目區(qū)水土流失容許值500t/（km2·a）。項(xiàng)目所在區(qū)域水土流失以水蝕為主。針對(duì)項(xiàng)目區(qū)地形、地貌、降雨、土壤、植被等水土流失影響因子的特性及預(yù)測(cè)對(duì)象受擾動(dòng)的情況確定原生地貌土壤侵蝕模數(shù)。主體工程區(qū)大部分為丘陵、平原，植被覆蓋率大，坡度多在5°～20°之間，水土流失呈無明顯流失狀態(tài)。項(xiàng)目建設(shè)區(qū)原生地貌土壤侵蝕模數(shù)約為360t/（km2·a）。

周邊敏感目標(biāo)：項(xiàng)目沿線涉及二級(jí)水源保護(hù)區(qū)、森林公園、鼓山風(fēng)景名勝區(qū)等周邊敏感目標(biāo)。

3 水土流失預(yù)測(cè)分析

根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》（GB50433—2008），結(jié)合本工程的建設(shè)特點(diǎn)及其施工工藝和方法，針對(duì)工程可能造成的水土流失情況進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。水土流失預(yù)測(cè)主要是項(xiàng)目工程建設(shè)過程中的水土流失，內(nèi)容主要包括：開挖擾動(dòng)地表面積、損壞水土保持設(shè)施的數(shù)量、棄土(石、渣)量、可能造成的水土流失量、新增水土流失量、可能造成的水土流失危害等方面。預(yù)測(cè)內(nèi)容和方法見表1。

表1 水土流失預(yù)測(cè)內(nèi)容與方法

3.1 擾動(dòng)原地貌面積

本工程建設(shè)占地面積為45.55hm2，包括主體工程占地面積為18.96hm2、施工場(chǎng)地占地面積為15.89hm2、施工便道占地面積1.50hm2、施工支洞（洞口）占地面積0.47hm2、臨時(shí)堆置場(chǎng)占地面積8.73hm2。因此工程建設(shè)運(yùn)行過程中擾動(dòng)原地貌地表為45.55hm2。

3.2 預(yù)測(cè)方法

本工程水土流失主要發(fā)生在建設(shè)過程的開挖、回填、土地平整和臨時(shí)表土堆放等。由于本工程在施工過程中挖填形成的裸露面比較多，較易因雨水沖刷而產(chǎn)生水土流失。開挖擾動(dòng)地表產(chǎn)生水土流失量與水土流失因子（降雨、地形、地面組成物質(zhì)、水土保持措施情況等）有關(guān)，預(yù)測(cè)方法采用類比法。對(duì)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)損壞地表形成新增侵蝕區(qū)域的水土流失量預(yù)測(cè)，采用擾動(dòng)前后侵蝕模數(shù)分析計(jì)算，模型如下：

水土流失量可按公式1計(jì)算，新增水土流失量按公式2計(jì)算：

式中：

W——擾動(dòng)地表土壤流失量，t；

ΔW——擾動(dòng)地表新增土壤流失量，t；

i——預(yù)測(cè)單元,1，2，3，…….，n-1，n；

k——預(yù)測(cè)時(shí)段,1，2，3，指施工準(zhǔn)備期、施工期和自然恢復(fù)期；

Fi——第i個(gè)預(yù)測(cè)單元的面積，km2；

Mik——擾動(dòng)后不同預(yù)測(cè)單元不同時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)，t/（km2·a)；

ΔMik——不同預(yù)測(cè)單元各時(shí)段新增土壤侵蝕模數(shù)，t/（km2·a)；

Mi0——擾動(dòng)前不同預(yù)測(cè)單元的土壤侵蝕模數(shù)，t/（km2·a)；

Ti——預(yù)測(cè)時(shí)段(擾動(dòng)時(shí)段)，a。

3.3 土壤侵蝕模數(shù)背景值的確定

壤侵蝕背景值，即在不建工程的情況下的原有地貌水土流失量。根據(jù)工程區(qū)水土流失現(xiàn)狀結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查及管線所經(jīng)過的不同土地利用類型土壤侵蝕模數(shù)背景值加權(quán)平均計(jì)算，本工程平均土壤侵蝕模數(shù)為360t/(km2·a)。

3.4 類比工程選擇及類比分析

本工程擾動(dòng)地表后土壤侵蝕模數(shù)的預(yù)測(cè)采用類比和調(diào)查實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，根據(jù)水土流失主要影響因子地形、降雨、植被、土壤、施工工藝及相關(guān)試驗(yàn)等方面進(jìn)行綜合分析，確定福州市倉(cāng)山區(qū)港頭河整治工程作為本次水土流失預(yù)測(cè)的類比工程。

通過對(duì)項(xiàng)目區(qū)降雨、坡度、土壤和水土保持措施等因素進(jìn)行類比分析，發(fā)現(xiàn)除地貌及坡度外，本工程與類比工程在降雨、土壤、土壤侵蝕類型、植被覆蓋等方面均相同或相似，對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改之后，確定各水土流失區(qū)的平均土壤侵蝕模數(shù)。

3.5 加速平均土壤侵蝕模數(shù)確定

根據(jù)類比資料可比性，并結(jié)合本工程施工特點(diǎn)和所在區(qū)域的自然地理特征，通過修正因子調(diào)整修正參數(shù)，得出本方案土壤侵蝕模數(shù)。施工期準(zhǔn)備期加速侵蝕模數(shù)取值詳見表2。

表2 各預(yù)測(cè)單元平均土壤侵蝕模數(shù)表

3.6 水土流失量預(yù)測(cè)

本文僅對(duì)侵蝕模數(shù)大于容許土壤流失量500t/(km2·a)的區(qū)域進(jìn)行水土流失量及新增水土流失量分析與計(jì)算。預(yù)測(cè)時(shí)段為施工準(zhǔn)備期、施工期和自然服務(wù)期三個(gè)時(shí)段。本工程建設(shè)可能造成的水土流失總量23409t，其中新增水土流失總量22873t。其中施工準(zhǔn)備期新增水土流失量為142t，占比為0.62%；施工期新增水土流失量為22213t，占比為97.11%；自然恢復(fù)期新增水土流失量為518t，占比為2.27%。主體隧洞工程區(qū)新增水土流失量為7480t，占總工程新增水土流失比例的32.70%。

表3 工程水土流失預(yù)測(cè)表

4 水土保持工程

福州市屬于閩東南丘陵臺(tái)地強(qiáng)度水蝕人工促進(jìn)修復(fù)區(qū)，該區(qū)水土流失不僅面積大，而且流失率高、強(qiáng)度大，是我省水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域，因此單純依靠水土保持生態(tài)自我修復(fù)無法解決水土流失問題，必須借助于比較強(qiáng)烈的人工干預(yù)措施[4]。所以水土保持措施在此類區(qū)域的建設(shè)尤為重要。本工程擬采取以下水土保持措施預(yù)防施工期及自然恢復(fù)期工程所產(chǎn)生的水土流失。

4.1 工程措施

施工前根據(jù)后期覆土綠化需要先剝離具有肥力的表土，剝離的表土運(yùn)往施工場(chǎng)地內(nèi)臨時(shí)堆置，并采取臨時(shí)措施進(jìn)行防護(hù)，作為施工后期綠化覆土土源。在隧道洞口上方設(shè)置截水溝、下方設(shè)置排水溝，攔截地表徑流，防止雨水對(duì)邊坡沖刷。邊坡、仰坡坡頂?shù)慕厮疁稀⑴潘疁蠎?yīng)于隧洞土石方開挖前施工，以確保截引地表水，防止順坡漫流，排水溝應(yīng)與自然溝組成系統(tǒng)。

4.2 植物措施

隧洞工程植物措施主要包括洞口區(qū)綠化及開挖邊坡防護(hù)內(nèi)植物措施。工程結(jié)束后對(duì)部分裸露地表整地，撒播混合狗牙根、五節(jié)芒綠化。根據(jù)周邊地形進(jìn)行植樹綠化，喬木采用香樟、小葉榕、羊蹄甲、廣玉蘭、藍(lán)花楹；灌木采用三角梅、紅花繼木、木槿、胡枝子。

4.3 臨時(shí)措施

施工期間，山體開挖土石方量大，施工場(chǎng)地地表裸露，土石松散，易受雨水侵蝕，為減少場(chǎng)內(nèi)土壤侵蝕造成水土流失，應(yīng)做好臨時(shí)排水設(shè)施，并在排水溝出口補(bǔ)充設(shè)計(jì)沉砂池。

5 結(jié)語

5.1 隧洞工程中水土流失的成因

影響水土流失的主要因素包括施工工藝與方法、降雨、地形、地面組成物質(zhì)、植被覆蓋率、水土保持措施情況等。在隧洞施工過程中，產(chǎn)生水土流失主要在土石方開挖、填筑、臨時(shí)堆土等過程，其他設(shè)施安裝過程等基本不產(chǎn)生水土流失；工程建成后在運(yùn)行期施工地表擾動(dòng)停止，不再破壞水土保持設(shè)施，項(xiàng)目區(qū)域植被恢復(fù)、建筑物覆蓋，以及完善的防護(hù)工程和排水工程等，使得水土流失得到有效控制，總體來說，單純的隧洞施工工程水土流失較小。

5.2 隧洞工程中主要水土保持措施與設(shè)計(jì)原則

5.2.1 工程措施設(shè)計(jì)原則

（1）要使防治區(qū)的水土流失得以攔擋，能消減重力侵蝕和大部分水力侵蝕，使水土流失得以控制；（2）要使防治區(qū)的水流排泄暢通，能減少水力沖刷造成的水土流失；（3）要使防治區(qū)的地表得到整治，坡面、坡度、排水設(shè)施等滿足植被恢復(fù)的基本條件。

5.2.2植物措施設(shè)計(jì)原則

（1）因地制宜，突出重點(diǎn)，提高標(biāo)準(zhǔn)，全部布局；（2）根據(jù)“適地適樹”的原則，選擇優(yōu)良的鄉(xiāng)土樹種和草種，或經(jīng)過多年種植已適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的引進(jìn)樹種、草種；（3）結(jié)合工程措施，喬、灌、草合理搭配，針闊葉樹種有機(jī)結(jié)合，與周圍的植被和環(huán)境相協(xié)調(diào)，以達(dá)到盡快恢復(fù)被破壞的植被，改善周邊生態(tài)環(huán)境的作用。

表4 隧洞工程建設(shè)與運(yùn)行對(duì)水土流失的影響因素分析

5.2.3 工程節(jié)能施工原則

隧洞工程節(jié)能減排施工應(yīng)進(jìn)行總體方案優(yōu)化，充分考慮規(guī)劃、設(shè)計(jì)各個(gè)階段節(jié)能總體設(shè)計(jì)要求；加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工、驗(yàn)收的耗材監(jiān)管；加強(qiáng)施工管理，做好節(jié)材、節(jié)地、節(jié)水等，減少物耗。

[1]左長(zhǎng)清,胡根華,張華明．紅壤坡地水土流失規(guī)律研究[J]．水土保持學(xué)報(bào),2003,17(6)：89-91．

[2]王庫(kù),史學(xué)正,于東升.紅壤丘陵區(qū)不同土地利用方式下的土壤侵蝕特征[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，28(5)：697-701．

[3]黃炎和，林敬蘭等，影響福建省水土流失主導(dǎo)因子的研究[J],水土保持學(xué)報(bào),2000,14（2）：37-40.

[4]林敬蘭,朱頌茜,福建省水土保持生態(tài)修復(fù)探討[J],亞熱帶水土保持,2008,20(1)：65-70.