高速公路棄渣場(chǎng)水土流失特征試驗(yàn)研究

張 凱

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原030006）

高速公路建設(shè)過(guò)程中會(huì)進(jìn)行大量的土石方開(kāi)挖與回填，對(duì)原地面擾動(dòng)較大，開(kāi)挖的土石方若不能完全利用則會(huì)根據(jù)施工安排在適合的溝道中堆棄，形成棄渣場(chǎng)。通常棄渣結(jié)構(gòu)松散、表面裸露，且缺乏相應(yīng)的坡面水土保持治理措施，水土流失現(xiàn)象十分嚴(yán)重。目前，關(guān)于高速公路主體工程的水土流失調(diào)查、水土流失防治措施體系研究已形成了大量的成果，但針對(duì)高速公路棄渣場(chǎng)水土流失特征的研究相對(duì)較少[1]。因此，本文以山西省榆次龍白至祁縣城趙高速公路棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，開(kāi)展高速公路棄渣場(chǎng)水土流失特征研究，研究成果可為高速公路棄渣場(chǎng)水土流失治理和生態(tài)恢復(fù)提供必要的科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)地概況

榆次龍白至祁縣城趙高速公路（以下簡(jiǎn)稱龍城高速）是山西省“三縱十二橫十二環(huán)”高速公路規(guī)劃網(wǎng)的重要組成部分，起點(diǎn)位于晉中市榆次區(qū)龍白村，終點(diǎn)止于祁縣城趙村，路線全長(zhǎng)71.588 km。全線按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬度33.5 m，設(shè)計(jì)速度100 km/h，工程實(shí)際設(shè)置取土場(chǎng)7處、棄渣場(chǎng)3處。

項(xiàng)目區(qū)位于晉中盆地東部邊緣。根據(jù)路線走廊帶位置，它的東部接近盆地周圍太岳山脈周邊山區(qū)，西部為汾河?xùn)|岸及其支流形成的廣闊的河谷階地，路線處在汾河河谷東部的一、二級(jí)階地之上。線路走廊區(qū)內(nèi)地貌劃分黃土丘陵階地區(qū)和沖積平原區(qū)，土壤流失容許量為1 000 t/km2·a。本項(xiàng)目位于山西省重點(diǎn)預(yù)防保護(hù)區(qū)，水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行建設(shè)類一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目所處地帶屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量424.9～456.0 mm，最大凍土深度約95 cm。

本文選取龍城高速公路K8+150、K8+200和K8+300路段的3處棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，進(jìn)行水土流失野外試驗(yàn)觀測(cè)。

1號(hào)棄渣場(chǎng)位于K8+150路左10 m，棄渣量37.5萬(wàn) m3，占地面積 1.5 hm2，堆渣坡比 1∶1.3，坡腳已設(shè)置擋渣墻，渣體頂面和坡面種植紫穗槐及白羊草，植被蓋度65%。

2號(hào)棄渣場(chǎng)位于K8+200路左11 m，棄渣量30.1萬(wàn) m3，占地面積 1.2 hm2，堆渣坡比 1∶1，坡腳已設(shè)置擋渣墻，渣體頂面和坡面種植紫穗槐及白羊草，植被蓋度60%。

3號(hào)棄渣場(chǎng)位于K8+300路右20 m，棄渣量45.2萬(wàn) m3，占地面積 1.5 hm2，堆渣坡比 1∶1.5，坡腳已設(shè)置擋渣墻，渣體頂面和坡面種植紫穗槐及白羊草，植被蓋度67%。

1.2 試驗(yàn)方法

在3處棄渣場(chǎng)選取合適位置設(shè)置試驗(yàn)觀測(cè)小區(qū)，對(duì)各觀測(cè)小區(qū)土樣進(jìn)行采集，分析土壤顆粒粒徑組成，同時(shí)對(duì)降雨量、土壤侵蝕量進(jìn)行觀測(cè)。

1.2.1 土壤顆粒組成

根據(jù)各小區(qū)土壤結(jié)構(gòu)特征，取0～20 cm的表層土樣，每個(gè)小區(qū)分別取3份。土壤樣品風(fēng)干后分別用10目（2 mm）、18目（1 mm）、35目（0.5 mm）和 120目（0.15 mm）的土壤篩逐次過(guò)篩，得到各粒徑級(jí)細(xì)土和石礫，再稱重，從而得到各粒徑級(jí)土壤和石礫的重量，并計(jì)算出質(zhì)量百分含量。

1.2.2 降雨量觀測(cè)

在試驗(yàn)區(qū)各觀測(cè)小區(qū)附近設(shè)置多個(gè)50 mL量筒，用來(lái)記錄單次降雨量，同時(shí)利用秒表記錄單次降雨歷時(shí)，通過(guò)降雨量與降雨歷時(shí)的比值計(jì)算獲取單次降雨強(qiáng)度。

1.2.3 土壤侵蝕量

采用體積測(cè)算法和徑流小區(qū)測(cè)定法進(jìn)行土壤侵蝕量的觀測(cè)。

體積測(cè)算法用于侵蝕溝測(cè)量，在單位坡面內(nèi)從上到下，布設(shè)觀測(cè)斷面，量測(cè)每一斷面侵蝕溝的寬（包括上底寬和下底寬）和深，并累計(jì)算出斷面的總深度和總寬度，直到測(cè)完每個(gè)斷面，最終計(jì)算出土壤侵蝕量。

徑流小區(qū)是對(duì)坡地水土流失規(guī)律進(jìn)行定量研究的一種測(cè)驗(yàn)設(shè)施。一般由邊埂、邊埂圍成的小區(qū)、集流槽、徑流和泥沙集蓄設(shè)備、保護(hù)帶及排水系統(tǒng)組成。徑流小區(qū)測(cè)驗(yàn)主要用于降水、徑流及泥沙觀測(cè)等。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒分形

土壤作為一種由不同顆粒組成、具有不規(guī)則形狀自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征，通過(guò)土壤粒徑分形維數(shù)不僅可以進(jìn)一步比較不同土壤的顆粒分布特征和質(zhì)地均勻程度，還可以用于反映土壤的其他特征，如土壤發(fā)生、土壤肥力和土地利用類型對(duì)質(zhì)地的影響、土壤退化程度等。本研究以2號(hào)棄渣場(chǎng)坡面土壤為對(duì)象，研究其土壤的粒度組成和分形特征。樣品采集如圖1、圖2所示，在A、B和C三處使用S形布點(diǎn)法采樣。取0～20 cm土層深度的土壤1 kg左右混合，共23個(gè)樣品，去除表面雜質(zhì)后進(jìn)行風(fēng)干處理，并分別編號(hào)裝入樣品袋帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)分析。

圖1 截面圖

圖2 平面圖

本文采用楊培嶺等提出的用粒徑的重量分布表征的土壤分形模型來(lái)計(jì)算土壤顆粒的分形維數(shù)[2]。土壤顆粒的重量分布與平均粒徑間的分形關(guān)系式為：

表1 棄渣場(chǎng)不同位置土壤顆粒組成及分形維數(shù)

土壤分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形體的參數(shù)，在維數(shù)上表現(xiàn)出黏粒含量越高，其分形維數(shù)越高；土壤砂粒含量越高，其分形維數(shù)越低[3]。采用公式對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到3個(gè)樣地土壤顆粒分布的分形維數(shù)分別為2.28、2.51和2.33，A樣地和B樣地土壤質(zhì)地較粗，顆粒組成中砂粒含量較多，而C樣地相比較其他兩個(gè)樣地土壤質(zhì)地較細(xì)，顆粒組成中粉粒含量較多。

根據(jù)已有研究結(jié)果，一般砂土分形維數(shù)為2.5，壤質(zhì)砂土分形維數(shù)為2.48，壤土分形維數(shù)為2.56，黏土分形維數(shù)為2.94[4]。本次試驗(yàn)結(jié)果表明，棄渣場(chǎng)經(jīng)人為擾動(dòng)后，其土壤質(zhì)地較粗，保水保肥性下降，坡面植被生長(zhǎng)環(huán)境較差。因此，建議在棄渣場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)中，盡量在棄渣坡面覆蓋一定厚度的熟土，以確保植被恢復(fù)效果。

2.2 降雨特征與水土流失的關(guān)系

在水土流失發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，降水是重要的侵蝕力來(lái)源，降雨諸要素包括降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度等。本研究在棄渣場(chǎng)坡面順坡方向選取長(zhǎng)5 m，寬3 m的矩形小區(qū)作為簡(jiǎn)易徑流小區(qū)，用于觀測(cè)降雨對(duì)棄渣場(chǎng)坡面水土流失的影響。在2015年7月、8月、9月期間共計(jì)測(cè)量了6次降雨情況，具體觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，降雨因子與土壤侵蝕量之間的關(guān)系見(jiàn)圖3～ 圖 5。

表2 降雨因子與棄渣場(chǎng)坡面土壤侵蝕量數(shù)值記錄

圖3 土壤侵蝕量與降雨量變化趨勢(shì)

圖4 土壤侵蝕量與降雨歷時(shí)變化趨勢(shì)

圖5 土壤侵蝕量與降雨強(qiáng)度變化趨勢(shì)

由圖3～圖5可以看出，土壤侵蝕量與部分降雨因子間有密切的線性關(guān)系。通過(guò)Pearson簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)[5]分析得出（表3），棄渣場(chǎng)坡面土壤侵蝕量與降雨量極顯著相關(guān)，與降雨強(qiáng)度顯著相關(guān)。

表3 降雨因子與棄渣場(chǎng)坡面土壤侵蝕量相關(guān)分析

2.3 坡度對(duì)水土流失的影響

坡度是地面形態(tài)的主要特征要素之一，也是對(duì)水土流失影響最大的因素之一。1號(hào)棄渣場(chǎng)和3號(hào)棄渣場(chǎng)除坡度不同外，坡面植被覆蓋、措施布設(shè)等基本相同，因此選擇在1號(hào)棄渣場(chǎng)和3號(hào)棄渣場(chǎng)布設(shè)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，分析不同坡度對(duì)水土流失影響的規(guī)律。

表4 體積法測(cè)1號(hào)棄渣場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)土壤侵蝕量

表5 體積法測(cè)3號(hào)棄渣場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)域土壤侵蝕量

從表4、表5可以看出，在一定坡長(zhǎng)、相近植被蓋度的情況下，1號(hào)試驗(yàn)區(qū)較3號(hào)試驗(yàn)區(qū)坡度陡，其土壤侵蝕量也較3號(hào)大。土壤侵蝕量隨著坡度的增加而增大，主要是因?yàn)槠旅媲治g的主要?jiǎng)恿?lái)自降雨及由此而產(chǎn)生的徑流，而徑流能量的大小又取決于水流流速及徑流量大小，二者則皆與坡度的大小密切相關(guān)。在一定坡長(zhǎng)條件下，坡度大時(shí)水流速度快，用較短的時(shí)間就能流出坡段，又由于流速快，徑流在坡面上的入滲時(shí)間必然縮短，其入滲量小，徑流量也就必然增大。徑流速度加快及徑流量增大的雙重作用使徑流動(dòng)能迅速增大，沖刷力相應(yīng)增強(qiáng)，其造成的坡面土壤流失量也就勢(shì)必增大。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

本文選取龍城高速公路K8+150、K8+200和K8+300路基兩側(cè)的3處棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，對(duì)高速公路棄渣場(chǎng)水土流失相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行野外試驗(yàn)觀測(cè)，分析了棄渣場(chǎng)水土流失與降雨量、坡度、土壤顆粒組成的關(guān)系，得到了棄渣場(chǎng)水土流失的基本特征。

a）棄渣場(chǎng)渣體土壤分形維數(shù)較低，表明砂礫含量較多，保水保肥較差，植被生長(zhǎng)環(huán)境差，容易造成水土流失。

b）棄渣場(chǎng)的水土流失與降雨量、降雨強(qiáng)度顯著相關(guān)，降雨量越大，水土流失越大。

c）棄渣場(chǎng)的水土流失與坡度相關(guān)，坡度越大，水土流失越大。

3.2 討論

a）植被冠層及枯枝落葉層能夠減少雨滴濺蝕以及攔截部分降水量,減少地表徑流量，防止地表土壤被侵蝕。另外植被能使土壤具有良好的結(jié)構(gòu)，提高土壤孔隙度和水分滲透性，以此減少地表徑流量及其流速。建議在棄渣場(chǎng)恢復(fù)時(shí)，應(yīng)考慮棄渣場(chǎng)土壤質(zhì)地較差，應(yīng)在渣面上覆蓋一定厚度的熟土，改善土壤水肥條件，以確保植被恢復(fù)效果。

b）棄渣場(chǎng)水土流失與降雨量、降雨強(qiáng)度以及坡度有關(guān)，建議在棄渣場(chǎng)恢復(fù)措施中應(yīng)該根據(jù)最大降雨量設(shè)計(jì)截排水措施，同時(shí)棄渣場(chǎng)邊坡應(yīng)盡量采取緩坡，坡面上應(yīng)進(jìn)行植被恢復(fù)。