137Cs示蹤技術(shù)在線性工程渣場(chǎng)選址中的應(yīng)用

茍學(xué)強(qiáng)，吳 楊

(四川鐵路產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)路橋勘察設(shè)計(jì)公司，四川 成都 610041)

137Cs是20世紀(jì)50～70年代核試驗(yàn)過(guò)程釋放的人工核素，半衰期為30.1 a，137Cs進(jìn)入平流層后隨著大氣環(huán)流，最終隨降水過(guò)程沉降到地表。研究發(fā)現(xiàn)137Cs在土壤中主要和黏土顆粒結(jié)合，基本不被雨水淋溶和植被攝取，只隨土壤顆粒發(fā)生機(jī)械遷移，非常適合用來(lái)開(kāi)展土壤侵蝕與沉積的定量及趨勢(shì)研究[1-4]。公路和鐵路、輸變電線路、油氣管道等線型工程是涉及國(guó)計(jì)民生、社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，近幾十年來(lái)隨著大量線型工程的建設(shè)，相關(guān)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境破壞問(wèn)題也日趨突出，特別是干旱半干旱地區(qū)以及生態(tài)脆弱區(qū)域。以青藏高原為例，該區(qū)域的海拔高，生態(tài)閾值低，植物生長(zhǎng)周期短，生態(tài)環(huán)境一旦破壞則極難恢復(fù)，在這些區(qū)域設(shè)置的渣場(chǎng)施工期間造成的水土流失可占到工程建設(shè)造成水土流失總量的50%以上[5]。因此，這類區(qū)域的線型工程建設(shè)所導(dǎo)致的水土流失和地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題受到了重視[5-6]。目前，公路、鐵路等線型工程在取棄土場(chǎng)選址過(guò)程中多選用容量、地被類型、地質(zhì)條件等常規(guī)指標(biāo)作為控制要素[7-10]，缺少對(duì)渣場(chǎng)所在地域坡面整體侵蝕特征、侵蝕趨勢(shì)的定量控制指標(biāo)[11]。本研究以拉日鐵路曲水區(qū)間段為例，探討137Cs示蹤技術(shù)在取棄土場(chǎng)選址判定中應(yīng)用的可能性，以期為相關(guān)行業(yè)工程棄(土)渣場(chǎng)選址提供新的技術(shù)方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

拉日鐵路(拉薩—日喀則)位于西藏自治區(qū)青藏高原西南部，線路全長(zhǎng)252.81 km。本研究涉及的范圍為拉日線渣場(chǎng)集中的曲水至色麥區(qū)間段的雅江寬谷區(qū)，長(zhǎng)45 km，約占線路總長(zhǎng)的18%。該段河谷地形開(kāi)闊，谷寬1～2 km，兩岸一、二級(jí)階地發(fā)育。河谷兩側(cè)山體高大，山體坡面侵蝕劇烈[12-13]。工程建設(shè)始于2010年9月，預(yù)計(jì)2014年9月竣工，工期4 a。

1.2 樣品采集及試驗(yàn)方法

1.2.1137Cs土壤樣品采集

(1)背景采樣點(diǎn)與目標(biāo)坡面采樣點(diǎn)布設(shè)。土壤樣品采集于曲水縣城附近無(wú)名山體(N29°17′49.11＂、E90°32′13.38＂，海拔5 324 m)頂部，該區(qū)域地勢(shì)平坦，距線位距離約7.2 km，有約40 a的荒地背景，較少受到人為擾動(dòng)，無(wú)明顯侵蝕和沉積現(xiàn)象。在采樣區(qū)選擇3個(gè)有代表性的自然坡面，每個(gè)坡面布置一條樣帶，每條樣帶布設(shè)3條采樣線，采取同水平線樣品混合的方式來(lái)削減因樣帶布設(shè)而造成的誤差[14-16]。3條采樣帶的特征及特征值見(jiàn)表1。

(2)樣品采集。在單一采樣點(diǎn)水平布置3個(gè)長(zhǎng)100 cm、寬45 cm、深30 cm的土壤剖面，各剖面之間距離不超過(guò)2 m[17]。樣品采集時(shí)先去掉表層植被及雜物，然后按照0—5、5—10、10—20、20—30 cm距離采集[18]。均勻混合3個(gè)點(diǎn)相同層次的樣品即代表樣點(diǎn)該層的樣品。每一水平線地塊共采集4個(gè)土壤全樣，同時(shí)用環(huán)刀采樣以測(cè)定土壤容重。

表1 采樣帶特征及特征值

1.2.2 樣品處理與方法

樣品風(fēng)干、充分研磨、篩分(40目)、稱重，取2 mm以下土壤樣品塑封送至蘭州大學(xué)核物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行137Cs測(cè)定。侵蝕強(qiáng)度按吳楊等研究中得到印證的計(jì)算公式[19]

A=A0(1-R)(1-ΔH/H)(N-1963)

式中：A為侵蝕地點(diǎn)的137Cs的面積濃度，Bq/m2；A0為137Cs背景值面積濃度，Bq/m2；R為徑流系數(shù)，這里取0.5[20]；H為耕作層厚，這里取0—20 cm；ΔH為年均土壤流失厚度，cm；N為采樣或137Cs測(cè)定年份。

1.2.3 拉日線渣場(chǎng)特征及水土保持設(shè)計(jì)選址分析

通過(guò)采樣點(diǎn)137Cs特征值計(jì)算樣帶多年平均侵蝕速率，采用實(shí)測(cè)結(jié)合GIS分析方法，獲得研究區(qū)內(nèi)堆渣體所在地系統(tǒng)坡長(zhǎng)、坡度特征值。根據(jù)項(xiàng)目水土保持方案報(bào)告統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)渣場(chǎng)選址情況，分析系統(tǒng)坡長(zhǎng)對(duì)坡面侵蝕的影響及現(xiàn)渣場(chǎng)選址的合理性。

2 結(jié)果與分析

2.1 項(xiàng)目水保方案中渣場(chǎng)選址控制性結(jié)論及弊端

項(xiàng)目水土保持方案以地形、植被、民房、地質(zhì)災(zāi)害為渣場(chǎng)選址的定性控制要素，除堆渣量、占地面積外無(wú)定量控制指標(biāo)。具體來(lái)說(shuō)，拉日鐵路曲水區(qū)間段的渣場(chǎng)，除26#渣場(chǎng)因位于水電站規(guī)劃區(qū)下游、27#渣場(chǎng)因附近有村莊而增加相關(guān)控制因素論證外，其余渣場(chǎng)的控制性結(jié)論均與14#—16#的基本相同(詳見(jiàn)表2)。該論證方法存在隨意性強(qiáng)、受主觀因素影響大的弊端，且不具有唯一性和量化性特點(diǎn)，論證時(shí)沒(méi)有考慮原地水土流失特點(diǎn)對(duì)渣場(chǎng)選址判定的影響。

表2 項(xiàng)目水土保持方案報(bào)告中研究區(qū)段渣場(chǎng)特征及其選址控制性結(jié)論

2.2 測(cè)點(diǎn)坡面侵蝕特征

實(shí)測(cè)的3個(gè)典型樣帶的土壤侵蝕強(qiáng)度見(jiàn)表3。137Cs本底值1 120 Bq/m2，對(duì)照既有西藏一江兩河地區(qū)137Cs本底值研究成果[19]，本次試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果與之基本相符。

從表3可以看出，樣帶侵蝕強(qiáng)度差異性較大。三個(gè)樣帶平均侵蝕強(qiáng)度分別為4 287、2 114、2 511 t/(km2·a)，1#樣帶侵蝕強(qiáng)度的異?？赡苁鞘芷露扔绊?，與其坡度值位于侵蝕臨界坡度范圍內(nèi)有關(guān)[22-24]。

2.3 基于137Cs示蹤技術(shù)的渣場(chǎng)選址坡面元素控制節(jié)點(diǎn)判據(jù)

1#、2#、3#樣帶坡面侵蝕強(qiáng)度均在坡長(zhǎng)400～500 m發(fā)生侵蝕強(qiáng)度變異，隨著坡長(zhǎng)增加侵蝕強(qiáng)度達(dá)到峰值，而后又呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，但仍處于較強(qiáng)的侵蝕水平(圖1)。為最大可能地控制侵蝕，降低水土流失危害，將侵蝕強(qiáng)度控制坡長(zhǎng)按最低限即400 m進(jìn)行控制。

表3 典型坡面不同坡長(zhǎng)觀測(cè)點(diǎn)侵蝕強(qiáng)度

三個(gè)代表性坡面在同一坡長(zhǎng)值的約束下，其侵蝕強(qiáng)度也存在較大差異。造成該種現(xiàn)象的原因主要是三個(gè)坡面的坡度不同[21-22]。因本研究并未進(jìn)行等步長(zhǎng)坡度布點(diǎn)觀測(cè)，故坡度影響機(jī)制未能得到良好體現(xiàn)。

圖1 典型坡面侵蝕強(qiáng)度隨坡長(zhǎng)變化曲線

侵蝕強(qiáng)度拐點(diǎn)可作為渣場(chǎng)選址坡長(zhǎng)要素判據(jù)之一。曲線趨勢(shì)表明坡長(zhǎng)介于350～400 m時(shí)侵蝕曲線出現(xiàn)陡增并至拐點(diǎn)，以坡度處于25°～35°區(qū)間外的2#、3#曲線2 500 t/(km2·a)(輕、中度侵蝕)為響應(yīng)點(diǎn)，取其坡長(zhǎng)值400 m控制。坡度選擇受研究樣帶數(shù)量所限，結(jié)果未能很好地反映控制指標(biāo)，這里綜合借鑒已有坡度控制指標(biāo)，選擇25°～35°[23-24]區(qū)間外，避開(kāi)峰值坡度影響。

2.4 研究區(qū)渣場(chǎng)選址合理性判定

判定結(jié)果見(jiàn)表4。研究區(qū)內(nèi)14座渣場(chǎng)中，僅14#渣場(chǎng)符合坡長(zhǎng)、坡度控制要素，其余各點(diǎn)位均存在不合理要素，合理點(diǎn)位僅占原論證結(jié)論的7%。因此，原水土保持方案確定的渣場(chǎng)勢(shì)必因存在長(zhǎng)期侵蝕隱患而帶來(lái)渣體失穩(wěn)及水溝堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

表4 基于核示蹤技術(shù)的渣場(chǎng)選址合理性判定

目前拉日鐵路曲水區(qū)間段正在建設(shè)期，根據(jù)研究成果，設(shè)計(jì)將原有14#—27#渣場(chǎng)中除14#外的其余渣場(chǎng)均按判斷條件重新選址。但在實(shí)際點(diǎn)位實(shí)施過(guò)程中受土地所有權(quán)、區(qū)域民俗文化等制約，所選點(diǎn)位經(jīng)進(jìn)一步核實(shí)，19#、20#點(diǎn)位略有偏差。根據(jù)目前實(shí)施效果，新選點(diǎn)位棄渣穩(wěn)定。待棄渣行為結(jié)束后將采用PVC-樁結(jié)構(gòu)徑流場(chǎng)[25]對(duì)其進(jìn)行侵蝕量觀測(cè)，對(duì)比各點(diǎn)位尤其是19#、20#差異性點(diǎn)位的侵蝕變異情況，這也是今后研究的一個(gè)重要方向和內(nèi)容。

3 結(jié) 語(yǔ)

以鐵路、公路為代表的線型工程，其渣場(chǎng)選址合理性對(duì)于區(qū)域生態(tài)安全尤為重要。137Cs示蹤技術(shù)用于線性工程的渣場(chǎng)選址具有可量化性與可操作性，可以作為完善此類工程水保方案編制的定量依據(jù)之一。該技術(shù)方法還需要更多的理論支撐與實(shí)際工程驗(yàn)證，其理論構(gòu)建、標(biāo)準(zhǔn)制定與完善及渣體穩(wěn)定性后期定位監(jiān)測(cè)性檢驗(yàn)、對(duì)比仍是今后研究的重要方向。

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