南水北調保滄段工程的水土流失問題研究

魏思怡 ，蔡玉如 ，王愛愛 ，吳宇航

（ 1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學經濟學院，河北 唐山 063210；3.華北理工大學以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山 063210；4.華北理工大學數(shù)學建模創(chuàng)新實驗室，河北 唐山 063210；5.河北省數(shù)據科學與應用重點實驗室，河北 唐山 063210）

0 引言

南水北調工程水土流失防治責任范圍總面積2313.03 hm2，其中包括項目建設區(qū)2169.42 hm2和直接影響區(qū)153.61 hm2。根據初設主體工程施工組織設計，項目建設過程中共動用土石方3398.0400 m3。保滄干渠地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明。多年平均氣溫一般在12.3℃左右，全年無霜期一般在185～193d。封凍期一般在12月，解凍期一般在2月，最大凍土深度67～78 cm。年日照時數(shù)為2590～2881 h，多年平均蒸發(fā)量為1755～2230 mm（φ20 cm）。干渠沿線多年平均降水量540.7 mm。降水量年內及年際分配不均，豐枯相差懸殊，年內降水量的70～80%集中于汛期，多以暴雨形式出現(xiàn)。保滄干渠與眾多河流共交叉了15次。工程區(qū)沿線主要為平原地貌。渠線沿線總體地勢平坦開闊，由西南向東及北東傾斜，渠首至調壓井地面高程15.4～73.4 m，調壓井至河間分水口地面高程10.3～15.4 m，調壓井至大城分水口地面高程2.9～15.4 m。保滄干渠供水線路如圖1所示。

表1 水土流失防治目標表Table 1 Target list for soil erosion control

圖1 保滄干渠供水線路圖Fig. 1 Water supply route map of Baocang main canal

1 水土流失防治目標

根據水利部《關于劃分國家級水土流失重點防治的公告》和《河北省人民政府關于劃分水土流失重點防治區(qū)的公告》，項目區(qū)屬于一般水土流失防治區(qū)。項目區(qū)水土流失防治標準同水土保持方案報告書，采用二級標準[1]。各項防治目標見表1。

1.1 土地侵蝕動力因素的分析

當土壤的外力作用大于其本身所具有的結構應力時，土壤的結構就會被破壞。外力的作用不斷增加時，土壤因子的物理狀態(tài)就會發(fā)生改變，進而發(fā)生位移，通俗講土壤受到了侵蝕。在管道的施工中，使土壤產生侵蝕的主要因素是：重力、水力、風力、凍融以及人為的作用。

1.2 水利管道工程建設中水土流失的預測分析

管道施工的過程中需要對土方進行挖掘，開挖建筑物地基、頂管施工、管道開挖等對管線附近的地理環(huán)境產生了破壞，在施工范圍里的農田和土壤會造到破壞，水土流失量也會增加[2-5]。因此需要對管道施工引起的水土流失量進行估算和預測，和原有地貌的水土流失量對比分析后決定是否需要進行治理和防護。若需要防護，依據估算的水土流失量制定方案。

預測內容一般分為管溝的開挖，棄土場、建筑物的基坑開挖，可能發(fā)生的水土流失的危害，生活的駐地等破壞原地貌、植被、土地以及破壞的水土保持的面積和數(shù)量，有可能產生的棄渣量和流失量等，將其總結為以下三方面：

（1）擾動面積。擾動面積分為：原土地地貌、植被覆蓋面積以及破壞土地，包括一般主體工程區(qū)，施工營地、穿河流段的主體工程區(qū)、臨時堆土區(qū)、棄渣場的項目建設區(qū)和直接影響區(qū)的占地面積。

（2）水土流失量預測。以管道工程施工期內水土流失的誘發(fā)因素為基礎，水土流失基本上發(fā)生在以下兩個方面：一是因為建筑物基坑、管溝開挖等使得水土侵蝕的速度加快，使得水土大量流失；二是因為工程中的棄土棄渣的不合理堆放增加了水土流失量。對水土流失估算時，考慮的前提是施工期間沒有做任何的防護措施。對棄土棄渣區(qū)的水土流失的預測依據于管道建設中對土石方量的統(tǒng)計結果，計算分析棄土棄渣區(qū)的土方量，綜合考慮各因素，用年侵蝕量預測模型計算水土流失量，最終預測出水土流失量。

（3）預測水土流失的危害。管道施工對農田的影響主要表現(xiàn)在以下方面：一是隨著降雨的持續(xù)，田中的泥土會沖進在農田里施工的管道線管溝里，但管溝里并不存在排水設備，就使得泥沙慢慢積累，農田土壤顆粒和土地肥力流失；二是被破壞的農田有一部分泥土被雨水沖刷形成了黃泥水，流入附近的田地形成了沙壓農田。

表2 平均降雨量Table 2 Average rainfall

表3 侵蝕模數(shù)取值表Table 3 Erosion modulus table

表4 各區(qū)域面積Table 4 The regional area

1.3 年侵蝕量預測模型參數(shù)確定

水土流失預測主要用的通用水土流失的方程式：E=Re×K×Ls×C×P。

其中，Re是土壤侵蝕的動力因子，和降雨有關，和施工無關，即在工程期間數(shù)值是固定的，計算的公式是式中，j為月份數(shù)；為月平均降雨量（單位：mm）；Q為年平均降雨量（單位：mm）。統(tǒng)計保定市近幾年的降雨量，選擇近五年的降雨量，取其平均值，預測年平均降雨量是552.9 mm，月平均降雨量的如表2所示。

由公式得出Re=201.3，這個值適應于全部的敏感區(qū)域。

K取值為土壤遇到侵蝕時候的敏感度，和有機物的含量、土壤的粒度有關。K取值小于0.4，表示農田里的土壤表層有正常的中度滲透速度和細的團粒結構；K取值在0.42～0.46時，表明已施工到表層以下的土壤具有中慢的滲透速度和塊狀或是片狀的結構；根據實際情況對敏感區(qū)域賦值。

Ls表示地面的坡度和地表徑流長度的函數(shù)關系，公式是式中，λ為侵蝕的坡面長；θ為侵蝕的坡面坡度；m為經驗系數(shù)。管道建設時段不同敏感區(qū)其地形因子也不同，計算得各個敏感區(qū)地形因子取值結果。

C取值大小表明了植被的覆蓋情況和土壤的侵蝕關系。保滄段南水北調工程在建設的期間，把地表上的植被全部移除了，所以地表無植被，C的值是1.0。

P為保持措施因子。通過工程措施對地面進行處理以體現(xiàn)水土流失控制的效果。根據實際情況P的取值結果。

依據以上因子取值的計算，對最終侵蝕模數(shù)計算得出各個敏感區(qū)的侵蝕模數(shù)，結果見表3。

1.4 水土流失敏感區(qū)的面積確定

保定市的南水北調配套工程，其總面積為12.20 km2。各區(qū)域面積詳情如表4所示。

1.5 水土流失量的預測分析

（1）預測時段。水土的流失預測時段分為施工期和恢復期，時間均為1年。

（2）棄渣量預測。棄渣來源于管道建設開挖出來的，沒有被利用的棄土，或是泵站拆除原道路的棄渣等，合計295600 m3，工程沿線的棄渣場地的面積是0.15 km2。

（3）新增加水土流失的預測。

①確定預測參數(shù)。在施工和恢復期間由于人為因素造成土壤大面積裸露，土壤被侵蝕的程度變得更加嚴重。由表5可以看出，穿河流段的主體工程區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最大，水土流失情況最為嚴重，其次便是臨時堆土區(qū)和棄渣場，一般主體工程區(qū)、工程管理區(qū)、臨時街道，最后是施工營地，水土流失情況最輕。

表5 項目區(qū)水土流失量預測分析表Table 5 Prediction and analysis table of soil and water loss in project area

②施工期間水土流失量的預測分析。查閱文獻可知，2011年保定市的土壤侵蝕程度是微度侵蝕，侵蝕模數(shù)在0～200 t/km2·a 范圍里，擾動的面積為12.20 km2，所以每年原地貌的水土流失量在0～2440 t。結合各個區(qū)域的侵蝕模數(shù)和面積，計算得出最后的水土流失量，結果見表5。

預測時段中原地貌每年產生水土流失量0～2440 t，工程期產生的水土流失總量為8922.55 t，由此，建設期的水土流失量是原地貌的3.67倍。

比較施工期各個敏感區(qū)的水土流失量，發(fā)現(xiàn)一般主體工程區(qū)水土流失量最大，占比達48%，其次是臨時推土區(qū)，占比達36%。這兩個區(qū)域相應的恢復期的水土流失量也是最大的，在施工中，要注意這兩個區(qū)域水土流失的防御和治理。水土流失量預測圖如圖2所示。

圖2 水土流失量預測圖Fig.2 The amount of soil erosion prediction

2 水土流失防治措施體系

水土流失防治措施體系需針對工程建設中的土方開挖、土方回填以及施工生產生活區(qū)修建、施工道路擾動等具體情況，因地制宜采取水土流失防治措施。水土保持措施布局見圖3。

圖3 水土保持措施體系圖Fig. 3 System diagram of soil and water conservation measures

3 結論

（1）本文研究的水土流失工程建設項目不涉及水土保持監(jiān)測站網、長期試驗示范區(qū)、政府公告滑坡泥石流區(qū)等，工程建設基本不存在水土保持制約性因素，基本符合水利部184號文和開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范的規(guī)定，該項目建設可行。

（2）本文提出的建設項目建設方案在工程布置、土石方平衡等方面，均能夠貫徹落實水土保持法律法規(guī)，并采取相應的設計手段，盡可能減少占地、減少廢棄土石方，同時采取植物措施，減少水土流失現(xiàn)象的發(fā)生。施工生產生活區(qū)以及施工時序等基本符合水土保持的要求。

（3）從水土保持角度分析本文研究的項目建設不存在水土保持制約性因素，其建設是可行的。