基于USLE的線性生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕特征分析

賀俊斌，潘振宇，屈 同，劉 剛

(1.黃河水土保持天水治理監(jiān)督局/天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 天水 741000；2.河南黃河河務(wù)局 焦作黃河河務(wù)局，河南 焦作 454000；3.北京水保生態(tài)工程咨詢有限公司，北京 100055)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)日益頻繁，但工程建設(shè)會(huì)破壞區(qū)域地面的完整性和良好的植被狀況，加劇土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展。近年來，國家對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測工作日益重視，并高度重視線路長、取棄土量大的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目驗(yàn)收工作[1-3]。

目前線性生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失監(jiān)測方法有簡易坡面量測法、徑流小區(qū)法、插釬法、遙感調(diào)查法等。通用土壤流失方程(USLE)是土壤侵蝕模數(shù)測算的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停谒亮魇ьA(yù)測中得到廣泛應(yīng)用[4]，但應(yīng)用于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測的相對(duì)較少。根據(jù)水保監(jiān)督函〔2019〕20號(hào)、辦水保函〔2020〕564號(hào)和辦水保〔2020〕160號(hào)文件相關(guān)要求，未及時(shí)開展水土保持監(jiān)測的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)采用歷史遙感影像分析、人工模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場調(diào)查、資料查閱等方法補(bǔ)充開展水土保持監(jiān)測，對(duì)未開展水土保持監(jiān)測期間的水土流失及水土保持狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。鑒于此，本研究以改建鐵路干塘至武威南鐵路增建二線工程為例，基于通用土壤流失方程(USLE)，采用人工模擬試驗(yàn)方法，對(duì)建設(shè)過程中項(xiàng)目區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)變化及其影響因素進(jìn)行分析和量化識(shí)別，以期為線性生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)的土壤侵蝕特征分析評(píng)價(jià)提供參考。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

改建鐵路干塘至武威南鐵路增建二線工程位于甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和寧夏回族自治區(qū)三省區(qū)境內(nèi)，主要經(jīng)過騰格里沙漠南緣干旱無水區(qū)及武威地區(qū)黃河水系石羊河流域，水土流失防治分區(qū)劃分為山前沖洪積平原區(qū)和騰格里沙漠區(qū)2個(gè)一級(jí)分區(qū)，路基工程防治區(qū)、站場工程防治區(qū)、橋梁工程防治區(qū)、取土場防治區(qū)、施工便道防治區(qū)、施工生產(chǎn)生活防治區(qū)等6個(gè)二級(jí)分區(qū)。工程地表擾動(dòng)主要有開挖、回填、平整、堆放占?jí)旱确绞?。路基、站場、取土場、橋梁、施工便道等防治區(qū)以開挖、回填、臨時(shí)堆放占?jí)簲_動(dòng)為主；施工生產(chǎn)生活防治區(qū)以場地平整、臨時(shí)堆放占?jí)簲_動(dòng)為主。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

采用項(xiàng)目沿線途經(jīng)的中衛(wèi)站、阿拉善右旗站、景泰站和武威站4個(gè)氣象站2013—2018年的降水資料，數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心。選擇施工前2013年、施工期2014—2016年、植被恢復(fù)期2017—2018年的日降雨數(shù)據(jù)。根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL 773—2018，以下簡稱《測算導(dǎo)則》)中土壤流失量測算規(guī)定，從降雨數(shù)據(jù)中篩選出日降雨量大于12 mm的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行人工降雨模擬試驗(yàn)。選取主體工程擾動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的2016年12月遙感影像作為解譯本底數(shù)據(jù)，采用人工目視解譯，勾繪各防治區(qū)擾動(dòng)范圍圖斑和計(jì)算圖斑面積。

2.2 研究方法

2.2.1 試驗(yàn)區(qū)設(shè)置

根據(jù)工程的施工前、施工期和植被恢復(fù)期3個(gè)時(shí)間階段進(jìn)行分區(qū)模擬還原。試驗(yàn)區(qū)布設(shè)依托天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站設(shè)置，利用各分區(qū)所在的平原區(qū)和沙漠區(qū)的原狀土布設(shè)還原了11個(gè)施工前原地貌徑流小區(qū)、15個(gè)施工期徑流小區(qū)和11個(gè)植被恢復(fù)期徑流小區(qū)(表1)。徑流小區(qū)垂直投影長10 m、寬2 m，每個(gè)徑流小區(qū)均設(shè)置1個(gè)自記雨量計(jì)。

表1 試驗(yàn)區(qū)設(shè)置情況

2.2.2 通用土壤流失方程及因子取值

本研究采用通用土壤流失方程(USLE模型)計(jì)算項(xiàng)目區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)，計(jì)算公式為

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A為平均土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·(hm2·h)/(hm2·MJ·mm)；L、S分別為坡長與坡度因子，無量綱；C為植被覆蓋與管理因子，無量綱；P為水土保持措施因子，無量綱。

(1)降雨侵蝕力因子。依據(jù)《測算導(dǎo)則》，采用公式(2)計(jì)算逐日降雨侵蝕力因子Rr，累加得到多日、月、多月和年等不同時(shí)間尺度的降雨侵蝕力因子R。

Rr=αPrβ

(2)

α=21.586β-7.182

(3)

β=0.836+17.144Pd12-1+24.455Py12-1

(4)

上三式中：Rr為第r日的降雨侵蝕力因子；Pr為第r日的降雨量，mm，日降雨量≥12 mm，否則按0計(jì)；α、β為降雨侵蝕力因子統(tǒng)計(jì)系數(shù)；Pd12為日降雨量≥12 mm的日均雨量，mm；Py12為日降雨量≥12 mm的年均雨量，mm；計(jì)算過程中需將R乘以系數(shù)17.02，從而將美制單位轉(zhuǎn)化為國際制單位。

(2)土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子K根據(jù)徑流小區(qū)174場人工降雨模擬觀測資料計(jì)算得到。試驗(yàn)采集一定比例的攪拌均勻的泥沙水樣，將水樣靜置去除上層清水，放入烘箱在105 ℃條件下將泥沙烘干稱量獲得單位體積泥沙水樣中所含泥沙質(zhì)量，由此換算出徑流小區(qū)單次降雨所產(chǎn)生的水土流失總量Mp。依據(jù)《測算導(dǎo)則》，土壤可蝕性因子的計(jì)算公式為

K=Mp/Rp

(5)

式中：Mp為小區(qū)實(shí)測土壤流失量，t/hm2；Rp為小區(qū)相應(yīng)觀測時(shí)段的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)。

(3)坡長坡度因子。依據(jù)《測算導(dǎo)則》，坡長、坡度因子的計(jì)算公式為

L=(λ/22.13)m

(6)

λ=λxcosθ

(7)

S=-1.5+17/[1+e(2.3-6.1sinθ)]

(8)

上三式中：λ為計(jì)算單元水平投影坡長，m；θ為計(jì)算單元坡度，(°)，坡度≤35°時(shí)按實(shí)際值計(jì)算，>35°時(shí)按35°計(jì)算；m為坡長指數(shù)，其中θ≤1°時(shí)取值0.2，1°<θ≤3°時(shí)取值0.3，3°<θ≤5°時(shí)取值0.4，θ>5°時(shí)取值0.5；λx為計(jì)算單元斜坡長度，m。

(4)植被覆蓋因子。植被覆蓋因子C是指某一地區(qū)種植植被土地上的土壤流失率與休閑土地上相對(duì)應(yīng)的土壤流失率之比。當(dāng)?shù)孛嫱耆懵稌r(shí)，C=1.0；當(dāng)植被很好時(shí)，C=0.001。擾動(dòng)地表計(jì)算單元可通過照相或目估法確定郁閉度和植被蓋度，依據(jù)《測算導(dǎo)則》采用直接確定或運(yùn)用線性插值的方法確定C因子值。

(5)水土保持措施因子。水土保持措施因子P取值范圍是0～1，未采取任何保護(hù)措施的地區(qū)可取1，未發(fā)生侵蝕地區(qū)可取0。根據(jù)本工程采取的主要措施，P因子具體取值參照表2。

表2 水土保持措施因子P參考值

3 結(jié)果與分析

根據(jù)USLE模型進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)測算，確定施工前、施工期、植被恢復(fù)期平均土壤侵蝕模數(shù)為1 055、2 588、979 t/(km2·a)。圖1為不同施工階段各分區(qū)土壤侵蝕模數(shù)變化特征。由圖1知，從時(shí)間上看，施工期擾動(dòng)最為劇烈，土壤流失最為嚴(yán)重，后期隨著水土保持措施的實(shí)施，水土流失逐漸得到控制。利用統(tǒng)計(jì)的施工期逐月平均降雨量，結(jié)合人工模擬試驗(yàn)和USLE方程計(jì)算不同分區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)，并根據(jù)分區(qū)面積推求施工期的逐月土壤流失量，見圖2。由圖2知，施工期年內(nèi)土壤流失量隨降雨強(qiáng)度變化，且汛期(6—9月)土壤流失量最大。

圖1 不同施工階段各分區(qū)土壤侵蝕模數(shù)變化特征

圖2 施工期土壤流失量年內(nèi)變化特征

沙漠區(qū)各分區(qū)施工前、施工期和植被恢復(fù)期的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為1 039、3 140、1 031 t/(km2·a)，明顯大于平原區(qū)各分區(qū)施工前、施工期和植被恢復(fù)期的平均土壤侵蝕模數(shù)995、2 590、935 t/(km2·a)。

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)，施工前原地貌土壤侵蝕強(qiáng)度以輕度為主，輕度侵蝕面積占總擾動(dòng)面積的80.18%；施工期土壤侵蝕強(qiáng)度以中度為主，中度侵蝕面積占總擾動(dòng)面積的88.83%；植被恢復(fù)期土壤侵蝕強(qiáng)度以微度為主，微度侵蝕面積占總擾動(dòng)面積的91.35%。植被恢復(fù)期各防治區(qū)均布設(shè)了工程、植物和臨時(shí)措施進(jìn)行全面治理，水土流失基本得到控制，各項(xiàng)防治措施的水土保持效果逐漸發(fā)揮，使項(xiàng)目區(qū)的水土流失得到控制。

4 結(jié) 語

本研究基于人工模擬試驗(yàn)將通用土壤流失方程應(yīng)用于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測之中，計(jì)算出各個(gè)施工階段各防治區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)，并分析了土壤侵蝕模數(shù)的時(shí)間變化特征，反演不同階段水土流失情況。從時(shí)間上看，施工期土壤侵蝕模數(shù)最大，且土壤流失量多出現(xiàn)在汛期(6—9月)，植被恢復(fù)期較施工期土壤侵蝕模數(shù)大大減小。土壤侵蝕強(qiáng)度變化呈現(xiàn)隨施工進(jìn)度先增加后減小的趨勢，說明本項(xiàng)目采取的水土保持措施較適宜，防治效果較明顯，人為水土流失得到了有效控制。