海南省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目堆土侵蝕規(guī)律研究

呂春明

（海南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，海南 海口 570203）

近年來，海南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，據(jù)2014—2018年《海南省水土保持公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，海南省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案審批從每年的378個(gè)增加至520個(gè)。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生的堆土改變了下墊面性質(zhì)，造成河道及城市排水管道淤堵，增大防洪排泄壓力，成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水土資源可持續(xù)利用的重要因素[1]。

我國生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測工作起步較晚，多采用類比法開展預(yù)測工作，與實(shí)際水土流失情況的差距較大，無法為水土流失治理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐[2]。此研究在模擬條件下對土方堆置體的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律進(jìn)行定量分析，對揭示堆置體坡面侵蝕機(jī)理、建立侵蝕模型具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

此次研究選取海南省典型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目為研究對象。研究區(qū)屬典型南方紅壤區(qū)，地勢中部高、四周低，梯級結(jié)構(gòu)顯著；熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水1639mm，時(shí)空分布不均。研究區(qū)植被覆蓋情況較好，據(jù)全國第二次土地調(diào)查的數(shù)據(jù)，海南省植被覆蓋率67.5%，高覆蓋面積占比79.2%。研究區(qū)以水力侵蝕為主，根據(jù)2013年海南省水土流失現(xiàn)狀遙感調(diào)查數(shù)據(jù)，全省水土流失面積為2116.04km2。其中，輕度侵蝕占比54.7%，中度侵蝕29.1%，強(qiáng)烈侵蝕11.4%，極強(qiáng)烈侵蝕2.1%，劇烈侵蝕2.7%。海南省水土流失情況整體較好控制，但局部水土流失危害嚴(yán)重。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

此次研究基于野外實(shí)地降雨條件，對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土方堆置體的水土流失情況進(jìn)行定量分析。試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括堆置形態(tài)和降雨強(qiáng)度2個(gè)試驗(yàn)因素，其中堆土形態(tài)根據(jù)實(shí)際堆置情況劃分為散亂錐狀、分層碾壓、線狀起垅、堆體平臺、復(fù)合形態(tài)5種試驗(yàn)條件。

2.2 試驗(yàn)方法

此次研究結(jié)合生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測工作，探索實(shí)際條件下土方堆置體水土流失規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取海南省典型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，為保證試驗(yàn)結(jié)果可靠，此次研究選擇監(jiān)測設(shè)施完善的項(xiàng)目進(jìn)行觀測，共選取12個(gè)典型項(xiàng)目的24個(gè)典型堆置體。堆置體附近布設(shè)雨量筒進(jìn)行降雨強(qiáng)度率定測量?，F(xiàn)場采用無人機(jī)結(jié)合傾斜攝影完成堆土面積及方量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集；采用測釬法、簡易徑流小區(qū)法及沉沙池法完成侵蝕量的測定；對于簡易徑流小區(qū)法及沉沙池法計(jì)算侵蝕量的堆置體，降雨后24h內(nèi)完成對降雨侵蝕泥沙的采樣及定量分析。

此次研究共收集了24個(gè)典型堆置體不同降雨強(qiáng)度下的182組數(shù)據(jù)。限于野外實(shí)際降雨條件下坡面水流流動和侵蝕過程十分復(fù)雜，獲取的相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)確度較低，文章采用MATLAB小波過濾對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪分析，過濾處理后得到有效數(shù)據(jù)121組，如表1所示。

表1 試驗(yàn)場次概況

2.3 技術(shù)路線

技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

3 數(shù)據(jù)獲取與回歸分析

3.1 數(shù)據(jù)獲取

堆土方量采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，從1個(gè)垂直方向、4個(gè)傾斜方向分別采集影像，矢量化轉(zhuǎn)換為3D實(shí)景模型計(jì)算土方量數(shù)據(jù)[3-4]；土方量較小的堆置體采用皮尺、坡度尺、高度儀等常規(guī)測量工具進(jìn)行測算[5]。降雨強(qiáng)度采用雨量計(jì)進(jìn)行測定，采集過程雨量、最大降雨強(qiáng)度和過程平均降雨強(qiáng)度為分析指標(biāo)。堆置體坡頂和坡腳高程差與其相應(yīng)坡長的水平距離的比值為坡面比降，此次研究采用5次測量平均值為坡面比降指標(biāo)。侵蝕量和侵蝕模數(shù)采用測釬法、簡易徑流小區(qū)法及沉沙池法完成測定[6]。

3.2 回歸分析

采用單因素和多因素Logistic回歸分析不同堆置形態(tài)與侵蝕量（侵蝕模數(shù)）之間的關(guān)系，多因素Logistic回歸模型中調(diào)整了堆土量、降雨強(qiáng)度、坡面比降控制變量[7]。采用逐步回歸分析模型逐個(gè)引入解釋模型，結(jié)合F檢驗(yàn)與t檢驗(yàn)手段提出多重共線性指標(biāo)，得出最優(yōu)解釋變量（組）[8]。以上統(tǒng)計(jì)學(xué)分析工具采用SPSS軟件，數(shù)據(jù)降噪采用MATLAB小波過濾工具，檢驗(yàn)?zāi)Ｊ讲捎秒p側(cè)檢驗(yàn)，顯著性檢驗(yàn)水平設(shè)定為0.05。

4 結(jié)果與分析

4.1 降雨對堆置體侵蝕模數(shù)的影響

通過野外侵蝕量實(shí)際調(diào)查，對121組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得到不同堆置形態(tài)下土體的坡面侵蝕模數(shù)。將侵蝕模數(shù)與過程降雨量、最大降雨強(qiáng)度、過程平均降雨強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，探討降雨因素與堆置體侵蝕之前的關(guān)系，擬合侵蝕速率和降雨特征指標(biāo)的關(guān)系，結(jié)果如表2所示。

表2 侵蝕模數(shù)-降雨相關(guān)分析

由表2可知，不同形態(tài)的土方堆置體的侵蝕速率與降雨呈正相關(guān)關(guān)系，降雨是堆置體水土流失的主要動力因素。不同堆置形態(tài)下，坡面侵蝕模數(shù)-降雨回歸分析的冪指數(shù)普遍為過程降雨量＞最大降雨強(qiáng)度＞過程平均降雨強(qiáng)度，表明侵蝕模數(shù)受過程降雨量及最大降雨強(qiáng)度的影響較大，受過程平均降雨強(qiáng)度的影響相對較?。徽f明土方堆置體坡面侵蝕受降雨量及降雨強(qiáng)度極值影響較顯著，而降雨平均狀態(tài)對其影響較小，即雨型（離散程度）與雨量（降雨動能）對堆置體侵蝕影響較大，降雨的均勻度對侵蝕影響相對較小。

比較不同堆置形態(tài)的土方侵蝕量回歸模型，散亂錐狀堆置體關(guān)于過程降雨量和最大降雨強(qiáng)度的冪指數(shù)（1.4175、4.3125）最高，過程平均降雨強(qiáng)度冪指數(shù)（0.8094）與其他堆置形態(tài)無顯著差異，表明散亂錐狀堆土相對容易發(fā)生水土流失，土壤侵蝕隨降雨變化幅度較大，同等條件下水土流失風(fēng)險(xiǎn)相對是最高的，在降雨量或降雨強(qiáng)度峰值較大時(shí)更加明顯。同時(shí)，堆體平臺關(guān)系式的各項(xiàng)冪指數(shù)（1.3512、3.9581、0.7894）相對較高，且常數(shù)項(xiàng)（-1092.2115）為各堆土方式中的最高值，表明堆土平臺型的堆置體在降雨較小時(shí)發(fā)生侵蝕速率較慢，但隨降雨量及降雨強(qiáng)度增加，水土流失風(fēng)險(xiǎn)急劇增加，這是堆土平臺頂部由于滲透、填洼等作用耗散部分初始徑流量和降雨擊濺力，但當(dāng)發(fā)生蓄滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流后，降雨匯集產(chǎn)生沖刷徑流，徑流沖刷力和降雨濺散力共同作用導(dǎo)致堆土平臺水土流失較其他類型增速大，當(dāng)孔隙水壓力和靜水壓力增加到一定閾值時(shí)，有發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，即堆土平臺型的堆置體啟動侵蝕較慢，但增速較快，在降雨強(qiáng)度較大時(shí)更為明顯。

4.2 侵蝕模數(shù)定量分析

堆置體土壤侵蝕過程中的侵蝕面變形、侵蝕形態(tài)復(fù)合、降雨下滲填洼、坡面產(chǎn)流機(jī)理都會導(dǎo)致堆置體侵蝕形態(tài)的改變，研究實(shí)際降雨情況下堆置體侵蝕影響因素及模型構(gòu)建對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治具有重要意義。為研究堆置體侵蝕規(guī)律，此次研究采用坡度、坡長、堆土量、降雨（過程雨量、最大降雨強(qiáng)度和過程平均降雨強(qiáng)度）、臨時(shí)苫蓋作為控制因子，對堆置體侵蝕模數(shù)進(jìn)行逐步回歸分析，將侵蝕模數(shù)表達(dá)為

式中：Ia為過程降雨量，mm；Im為最大降雨強(qiáng)度，mm/min；Iv為過程平均降雨強(qiáng)度，mm/min；i為坡面坡度，°；L為坡長，m；C為坡面植株密度，株/m2；S為地表覆蓋度（密目網(wǎng)、彩條布），%。

為排除臨時(shí)苫蓋、植被覆蓋及裸地3種不同狀況對侵蝕模型結(jié)果的影響，橫向?qū)Ρ雀采w因子對堆土侵蝕的影響，此次研究采用（C+1）及（S+1）作為參數(shù)因子引入逐步回歸模型，即裸地的苫蓋因子和植被覆蓋因子分別為（1，1），僅有植被覆蓋的為（C+1，0），僅有臨時(shí)苫蓋的為（0，S+1）。對121組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析，得到以下侵蝕模數(shù)表達(dá)式：

逐步回歸結(jié)果中，不同形態(tài)下的坡面堆置體與過程降雨量、最大降雨強(qiáng)度、坡面坡度及坡面覆蓋關(guān)系密切，與過程平均降雨強(qiáng)度和坡長關(guān)系較不顯著，表明堆置體侵蝕與降雨雨量和雨型、坡度及地表覆蓋關(guān)系密切。比較各參數(shù)因子的指數(shù)，1.2124（過程降雨量）＞1.0231（坡面坡度）＞0.4122（最大降雨強(qiáng)度），為正值，即過程降雨量、最大降雨強(qiáng)度、坡面坡度能促進(jìn)堆置體侵蝕發(fā)生，且過程降雨與坡面坡度對侵蝕的促進(jìn)作用較顯著；植被覆蓋因子及坡面臨時(shí)覆蓋因子的冪指數(shù)為負(fù)值，坡面覆蓋對侵蝕發(fā)生有抑制作用，且植被覆蓋因子冪指數(shù)的絕對值（0.7111）顯著低于臨時(shí)苫蓋（密目網(wǎng)和彩條布）（1.4223），表明臨時(shí)苫蓋對堆置體土壤侵蝕的防控效果顯著優(yōu)于植被覆蓋。進(jìn)一步可以認(rèn)為，不考慮成本及其他因素情況下，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目堆土水土流失防治措施推薦采用臨時(shí)苫蓋手段。

對式（2）求取一階全微分：

式中：f1’、f2’、f3’、f4’、f5’分別為式（2）關(guān)于過程降雨量、最大降雨強(qiáng)度、坡面坡度、坡面植株密度、地表覆蓋度（密目網(wǎng)、彩條布）的一階偏導(dǎo)簡化式。在指定參數(shù)條件下，f1’、f2’、f3’均大于0，f4’、f5’均小于0，即過程降雨量、最大降雨強(qiáng)度、過程平均降雨強(qiáng)度推動堆置體坡面侵蝕發(fā)生發(fā)展，而坡面植株密度、地表覆蓋度抑制侵蝕發(fā)展。

在一階偏導(dǎo)計(jì)算基礎(chǔ)上獲取各參數(shù)的二次偏導(dǎo)簡化式，結(jié)果如下：

根據(jù)式（9～13）計(jì)算結(jié)果顯示，在控制各參數(shù)變量的前提下，f1”、f4”、f5”、f3”為正值，f2”為負(fù)值，結(jié)合一階偏導(dǎo)數(shù)據(jù)及函數(shù)凹凸性分析，過程降雨量對堆置體侵蝕的促進(jìn)/抑制作用隨因子數(shù)量增加，其對侵蝕的效果更加明顯（指數(shù)型增長模式）；而最大降雨強(qiáng)度、坡度、坡面植株密度、地表覆蓋度促進(jìn)侵蝕作用隨數(shù)值的增加有衰減效應(yīng)，推斷存在發(fā)展閾值上限。函數(shù)分析結(jié)果顯示，過程降雨量、最大降雨強(qiáng)度、過程平均降雨強(qiáng)度推動堆置體坡面侵蝕發(fā)生發(fā)展，而坡面植株密度、地表覆蓋度抑制侵蝕發(fā)展；其中過程降雨量是推動水土流失災(zāi)害的重要因素，而其他的因子的影響效率受限于閾值控制，即存在消減效應(yīng)。

不同的堆置形態(tài)堆置體的土壤侵蝕機(jī)理不同，為研究堆置形態(tài)對堆置體侵蝕的影響，此次研究將堆置形態(tài)水平引入逐步回歸分析模型中，其侵蝕模數(shù)表達(dá)式如表3所示。不同堆置形態(tài)下侵蝕模數(shù)逐步回歸參數(shù)因子冪指數(shù)如表4所示。

表3 不同堆置形態(tài)下侵蝕模數(shù)逐步回歸分析結(jié)果

表4 不同堆置形態(tài)下侵蝕模數(shù)逐步回歸參數(shù)因子冪指數(shù)一覽表

表4數(shù)據(jù)顯示，各參數(shù)因子對不同堆置形態(tài)堆置體的侵蝕模數(shù)的貢獻(xiàn)程度不一。其中，過程降雨量、最大降雨強(qiáng)度及過程平均降雨強(qiáng)度對散亂錐狀堆置體侵蝕促進(jìn)作用較其他堆置形態(tài)顯著，而植被、密目網(wǎng)、彩條布等覆蓋對侵蝕的抑制作用也較其他堆置體顯著，即在降雨量或降雨強(qiáng)度較大的地區(qū)，土方不宜采用散亂堆置，受限于實(shí)際施工條件，采用土方散亂堆置的堆體宜盡快補(bǔ)充臨時(shí)苫蓋措施。分層碾壓堆置體在排除多重共線性關(guān)系后結(jié)果表明，最大降雨強(qiáng)度及過程平均降雨強(qiáng)度對其侵蝕進(jìn)展無顯著影響，過程降雨量、植被覆蓋和臨時(shí)苫蓋對侵蝕有顯著作用，但其促進(jìn)/抑制作用相較散亂堆置形態(tài)較弱，表明分層堆置控制水土流失效果較其他堆置情況好，能抵御較大的降水量和降雨強(qiáng)度，可在降水量較大和降雨極值較大的地區(qū)使用，同時(shí)，臨時(shí)苫蓋措施較植被措施抑制侵蝕作用更明顯。堆體平臺堆置形態(tài)對過程降雨量和植被覆蓋的響應(yīng)相對其他堆置形態(tài)較差，但對最大降雨量和臨時(shí)苫蓋的響應(yīng)程度較其他措施明顯，表明堆土平臺堆置體受降雨擊濺的作用影響較大，受降雨總動能影響相對較少，這也就解釋了臨時(shí)苫蓋較植被覆蓋更能控制堆土平臺侵蝕的機(jī)理，因此在降雨雨型變異系數(shù)較大的情況下，不建議采用堆土平臺堆置土方，應(yīng)盡量采用密目網(wǎng)和彩條布進(jìn)行防護(hù)。

5 結(jié)束語

文章對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土方堆置體在野外實(shí)地降雨條件下的水土流失情況進(jìn)行定量分析，以期為揭示土方堆置體的產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)理、建立侵蝕模型奠定理論基礎(chǔ)。

（1）土方堆置體的侵蝕速率與降雨呈正相關(guān)關(guān)系，其中，降雨雨型與雨量對堆置體侵蝕影響較大，降雨均勻度對侵蝕影響相對較小。

（2）散亂錐狀堆土容易發(fā)生水土流失，水土流失風(fēng)險(xiǎn)最高；堆土平臺型的堆置體在降雨較小時(shí)發(fā)生侵蝕速率較慢，但隨降雨量及降雨強(qiáng)度增加，水土流失風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。

（3）過程降雨量與坡面坡度對堆置體侵蝕的促進(jìn)作用相較于最大降雨強(qiáng)度更顯著；短期內(nèi)，臨時(shí)苫蓋對堆置體土壤侵蝕的防控效果顯著優(yōu)于植被覆蓋，但從長期與經(jīng)濟(jì)性考慮，植被恢復(fù)措施不可替代。

（4）不同形態(tài)堆置體水土流失與過程降雨量、最大降雨強(qiáng)度、坡面坡度及坡面覆蓋關(guān)系密切，與過程平均降雨強(qiáng)度和坡長關(guān)系不顯著。過程降雨量是造成水土流失災(zāi)害的重要因素，而其他的因子的影響效率受限于閾值控制存在消減效應(yīng)。

（5）在降雨量或降雨強(qiáng)度較大的地區(qū)，土方不宜采用散亂堆置，應(yīng)分層碾壓堆置，同時(shí)應(yīng)及時(shí)采取臨時(shí)苫蓋措施和植被覆蓋措施。

（6）此次研究受限于試驗(yàn)條件，噪音數(shù)據(jù)較多，可納入研究的參數(shù)范圍受限，不能建立準(zhǔn)確模型，建議今后的研究采用室內(nèi)模擬變坡土槽結(jié)合室內(nèi)降雨或放水沖刷實(shí)驗(yàn)，減少野外實(shí)驗(yàn)不可控因子的影響，確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，從而構(gòu)建侵蝕模型，為水土流失預(yù)測預(yù)報(bào)奠定理論基礎(chǔ)。