基于工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的表土保護(hù)與利用設(shè)計流程優(yōu)化及思考

張雪楊，馬 力，郭鎰維，葉 歡，張 新，田紅衛(wèi)

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局，云南 昆明 650021)

水土保持是指防治水土流失，保護(hù)、改良和合理利用水土資源，建立良好生態(tài)環(huán)境的工作。其常規(guī)措施包括運(yùn)用農(nóng)、林、牧、水利等綜合措施，如修筑梯田、植樹種草，以及修筑谷坊、塘壩和開挖環(huán)山溝等，借以涵養(yǎng)水源，減少地表徑流，增加地面覆蓋，防止土壤侵蝕。根據(jù)上述定義可知，水土保持工作需要保護(hù)土壤，重點(diǎn)是保護(hù)優(yōu)質(zhì)表土的質(zhì)量(即肥力)和數(shù)量。

2010年12月25日，《中華人民共和國水土保持法》得到修訂，增加了“對表土進(jìn)行分層剝離、保存和利用”等內(nèi)容。2019年9月24日，水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院《關(guān)于印發(fā)水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范(SL 575—2012)補(bǔ)充技術(shù)要點(diǎn)(試行)的通知》(水總環(huán)〔2019〕635號)，該文件新增“表土保護(hù)與利用設(shè)計”篇章，要求設(shè)計人員必須分別劃定表土剝離范圍及土地整治范圍，對不適宜剝離表土的區(qū)域要布置表土保護(hù)措施。

上述法律法規(guī)對表土保護(hù)與利用工作做了詳細(xì)詮釋，具有重要意義。然而，我們認(rèn)為上述內(nèi)容仍存在改良的空間。①迄今為止，在法律條款和水利水電及水土保持專業(yè)的工程規(guī)范中，均沒有就“如何界定表土的可剝離性”做出具體說明，即無法根據(jù)明確的標(biāo)準(zhǔn)或方法，確定可剝離表土量。因此，有必要補(bǔ)充界定表土可剝離性的標(biāo)準(zhǔn)或方法。②在設(shè)計工作開始前，根據(jù)灰箱模型，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的表土供求關(guān)系(即可剝離表土量與表土需求量的數(shù)量關(guān)系)，表土的土壤農(nóng)化性質(zhì)是否達(dá)到能直接用作覆土的要求，是否存在改良土壤(包括表土培肥和土壤熟化)的必要性，以及項(xiàng)目區(qū)周圍是否存在可靠的外購表土來源等問題，是不可知的。如果出現(xiàn)“可剝離表土量≥表土需求量”的情況，則難以參照既定的章節(jié)設(shè)置進(jìn)行正向設(shè)計。因此，有必要首先確定實(shí)際的表土剝離量、表土供求關(guān)系、是否需要進(jìn)行表土改良及土壤熟化等問題。

在本研究中，我們根據(jù)實(shí)際的設(shè)計成果，就上述問題進(jìn)行探討，并提出參考性的建議。

1 現(xiàn)行規(guī)范中的表土章節(jié)及其邏輯

水總環(huán)〔2019〕635號文對水利水電工程水土保持方案報告書的提綱做出了更新。其中，新提綱第8章的標(biāo)題為“表土保護(hù)與利用設(shè)計”。筆者認(rèn)為，上述章節(jié)的設(shè)計思路如下：

(1)調(diào)查項(xiàng)目區(qū)內(nèi)表土資源的詳細(xì)分布情況。根據(jù)調(diào)查的結(jié)論，選擇某種評價體系，確定項(xiàng)目區(qū)內(nèi)可剝離表土的范圍及表土的可利用量。

(2)根據(jù)主體工程設(shè)計及水土保持設(shè)計，確定工程所需的覆土范圍及覆土量。

(3)以“項(xiàng)目區(qū)內(nèi)表土儲量≥表土可剝離量≥表土需求量”為既定前提，確定實(shí)際的表土剝離量，設(shè)計表土平衡，包含表土的剝離、調(diào)配、臨時堆存及防護(hù)方案。根據(jù)既定的前提，設(shè)計人員無需考慮表土數(shù)量不足，或表土質(zhì)量較差、不能直接作為覆土的情況。

(4)根據(jù)(3)的結(jié)論，明確實(shí)際剝離表土的用途。部分不剝離表土的區(qū)域存在現(xiàn)有生態(tài)條件較差、受施工擾動程度較大、容易引發(fā)水土流失等特點(diǎn)，對這部分區(qū)域設(shè)計保護(hù)措施。

在土地整治工程的規(guī)范中，例如《土地開發(fā)整理項(xiàng)目規(guī)劃編制規(guī)程》(TD/T 1011—2016)和《土地整治項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》(TD/T 1012—2016)，鮮有涉及表土利用與保護(hù)問題的內(nèi)容。在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目的規(guī)范中，《高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)通則》(GB/T 30600—2014)僅對土壤改良進(jìn)行了原則性的說明，無其他內(nèi)容。在土地復(fù)墾工程的規(guī)范中，按項(xiàng)目類型，《土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(UDCTD—2011)分別對四種復(fù)墾項(xiàng)目的覆土工藝設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，對復(fù)墾土地質(zhì)量的檢驗(yàn)設(shè)置了測試指標(biāo)，制定了評價復(fù)墾效果的初步流程，但是該流程內(nèi)容簡單，可執(zhí)行性差。《土地復(fù)墾方案編制規(guī)程第I部分：通則》(TD/T 1031.1—2011)設(shè)置了土壤損毀預(yù)測、土壤復(fù)墾適宜性評價、確定復(fù)墾目標(biāo)和選定復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)等環(huán)節(jié)，要求設(shè)計人員選取地力評價因子，結(jié)合特爾斐法和層次分析法，通過對地力評價因子的加權(quán)計算，獲得每個評價單元的綜合地力指數(shù)(IFI)，但是該方法的工作量極大，且缺少評分細(xì)則，評分結(jié)果的主觀性較強(qiáng)，因此客觀性較差。

綜上所述，在表土保護(hù)與利用工作中，非水土保持專業(yè)的行業(yè)規(guī)范均存在一定的問題，不能直接借鑒，需要根據(jù)水土保持專業(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)行調(diào)整。

2 灰箱模型的原理及其應(yīng)用

2.1 灰箱模型原理

灰箱模型(Gray Box)或概念模型(Conceptual Model)，指那些內(nèi)部規(guī)律尚不十分清楚，在建立和改善模型方面都還不同程度地有許多工作要做的問題，它所針對的研究對象是那些知識背景不完全清晰的問題，一般難以完全提取模型暗含的規(guī)律性信息及經(jīng)過訓(xùn)練學(xué)習(xí)的知識。

2.2 灰箱模型在表土保護(hù)中的應(yīng)用

根據(jù)灰箱理論，在表土保護(hù)工作開展之前，有很多問題是未知的，例如：各區(qū)域表土的土壤農(nóng)化性質(zhì)，處于何種水平？如果農(nóng)化性質(zhì)不佳，是否存在改良土壤的必要性？項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的表土供求關(guān)系如何？工程是否存在表土缺口？如果存在缺口，項(xiàng)目區(qū)周圍是否存在可靠的外購表土來源？如果不能通過外購表土來消除表土缺口，如何消除表土缺口？如果不存在表土缺口，如何充分利用表土？因此，水總環(huán)〔2019〕635號文中的既定前提有可能是無法成立的，需基于灰箱模型，完善流程。

3 現(xiàn)行規(guī)范中存在的障礙

3.1 無界定表土可剝離性的評價體系

在現(xiàn)行的水利水電及水土保持規(guī)范中，由于沒有界定表土可剝離性的評價體系，因此設(shè)計人員只能借鑒農(nóng)、林、土壤專業(yè)現(xiàn)有的辦法或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行界定。但是，該做法仍存在很多問題。

以A工程和B工程為例：A工程的壩址區(qū)位于干熱河谷上游地區(qū)，雨熱同季，雨季時容易發(fā)生短期的暴雨濺蝕，旱季時容易因季節(jié)性缺水而發(fā)生土壤“干化”災(zāi)害，水土流失問題十分嚴(yán)重，土壤農(nóng)化性質(zhì)較差，表土資源十分匱乏；B工程位于鄂西地區(qū)，跨越多個縣市，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律很復(fù)雜，不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境及土壤條件的差異很大,部分地區(qū)內(nèi)表土資源較豐富，且土壤農(nóng)化性質(zhì)較好，而另外部分地區(qū)內(nèi)表土資源有限，土壤低程度地缺少某些營養(yǎng)元素，可能存在顯著的土壤障礙(例如土壤酸化)。

很明顯，在上述兩個工程中，表土農(nóng)化性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)，不可能使用完全相同的客觀指標(biāo)界定兩個工程中的表土可剝離性。因此，有必要設(shè)置界定表土可剝離性的評價體系。

3.2 未判斷表土供求關(guān)系等

按照上述表土分類，在假定“不采用其他辦法來消除表土缺口”的前提下，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的表土供求關(guān)系、實(shí)際的表土剝離量，以及是否存在改良表土的必要性等問題，通常存在以下4種情況：①如果將第一類表土全部剝離后，不存在表土缺口，則剝離全部的第一類表土即可，實(shí)際的表土剝離量=第一類表土量，多余表土可用于項(xiàng)目區(qū)周圍工程的覆土。②如果將第一類表土全部剝離后，仍存在表土缺口，則剝離全部的第一類表土和一定量的第二類表土，使實(shí)際的表土剝離量=表土需求量，無多余表土，必須以較低強(qiáng)度培肥第二類表土。③如果將第一、二類表土全部剝離后，仍存在表土缺口，則剝離全部的第一、二類表土和一定量的第三類表土，使實(shí)際的表土剝離量=表土需求量，無多余表土，必須以較低強(qiáng)度培肥第二類表土，必須以較高強(qiáng)度培肥第三類表土。④如果將第一、二、三類表土全部剝離后，仍存在表土缺口，即表土總儲量<表土需求量，則剝離全部表土，使實(shí)際的表土剝離量=表土需求量，無多余表土，必須以較低強(qiáng)度培肥第二類表土，必須以較高強(qiáng)度培肥第三類表土，必須采用其他辦法來消除表土缺口，例如外購表土或進(jìn)行土壤熟化。

根據(jù)實(shí)踐可知，項(xiàng)目區(qū)的生態(tài)環(huán)境大多不佳，且水土流失問題較嚴(yán)重，因此上述四種情況中，第一種情況比較少見，第二種和第三種情況最常見，在某些大型工程當(dāng)中，甚至?xí)霈F(xiàn)第四種情況。

以B工程為例，該工程位于鄂西地區(qū)，部分地區(qū)內(nèi)表土資源較豐富，且土壤農(nóng)化性質(zhì)較好，屬于第二種情況，即需要剝離全部的優(yōu)質(zhì)表土和一定量的中等表土，對中等表土進(jìn)行低強(qiáng)度的培肥；另外的部分地區(qū)內(nèi)表土資源有限，土壤低程度地缺少某些營養(yǎng)元素，或者存在顯著的土壤障礙(例如土壤酸化)，屬于第三種情況，即需要剝離全部的優(yōu)質(zhì)表土和一定量的中下等表土，對中下等表土進(jìn)行低～高強(qiáng)度的培肥。

以A工程為例，該工程的壩址區(qū)位于干熱河谷上游地區(qū)，水土流失問題十分嚴(yán)重，土壤農(nóng)化性質(zhì)較差，且周圍生態(tài)環(huán)境不佳，不存在大量的外購表土來源，屬于第四種情況，即必須剝離全部表土，且需實(shí)施土壤熟化措施。

因此，有必要先分析表土的供求關(guān)系。根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計人員才能確定實(shí)際的表土剝離量。

4 建議方案

4.1 表土保護(hù)與利用工作流程的建議

(1)初步確定表土需求量(即回覆量)。該值取決于主體工程設(shè)計和水土保持設(shè)計，是固定值。

(2)調(diào)查項(xiàng)目區(qū)的表土資源現(xiàn)狀。按照農(nóng)學(xué)、土壤學(xué)或土壤農(nóng)化專業(yè)的經(jīng)典取樣及測樣方法，開展表土資源調(diào)查。

(1)根據(jù)當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)條件和水資源條件，合理選擇確權(quán)路徑。通過流域用水總量、區(qū)域用水總量控制指標(biāo)，厘清經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展用水和生態(tài)需水的合理邊界；通過分行業(yè)水量配置方案，將經(jīng)濟(jì)社會用水分解到生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個行業(yè)；綜合考慮土地、用水定額、人口、種植結(jié)構(gòu)等因素，因地制宜把水權(quán)確權(quán)到工業(yè)企業(yè)單位和農(nóng)民用水者協(xié)會、農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)組織等用水戶。

(3)初步判斷表土供求關(guān)系。按照章節(jié)3.2中討論的流程，將不同類別的可剝離表土量與表土需求量進(jìn)行對比，確定實(shí)際的表土剝離范圍及剝離量，使實(shí)際的表土剝離量≥表土需求量。

(4)確定表土可剝離性的界定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)“實(shí)際的表土剝離量=實(shí)際的表土需求量”原則，確定表土可剝離性的界定標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際的表土需求量。

(5)設(shè)計表土調(diào)配與利用規(guī)劃。根據(jù)實(shí)際的表土剝離量及需求量，設(shè)計表土平衡等內(nèi)容。

(6)設(shè)計表土改良、表土臨時堆存與防護(hù)方案。根據(jù)表土農(nóng)化性質(zhì)，設(shè)計改良方案；根據(jù)表土調(diào)配與利用規(guī)劃，劃定臨時堆存場地，設(shè)計表土的臨時堆存與防護(hù)方案。

(7)最好能開展現(xiàn)場小試，驗(yàn)證部分設(shè)計成果。

4.2 界定表土可剝離性的推薦評價體系

本研究中，有三種推薦的評價體系。

4.2.1 通行標(biāo)準(zhǔn)法

1979—1985年，我國開展了全國第二次土壤普查工作，針對全國土地的普遍情況，設(shè)計了土壤養(yǎng)分分類的六級通行標(biāo)準(zhǔn)(詳見表1)。

表1 土壤大量養(yǎng)分元素的分級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)B工程的經(jīng)驗(yàn)，建議按照如下的步驟，對表土可剝離性進(jìn)行判斷與決策(詳見圖1)：①如果土壤養(yǎng)分含量屬于Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，則表示其養(yǎng)分含量極高，表土具有剝離價值，無須培肥，需綜合分析土壤養(yǎng)分含量、其他土壤指標(biāo)及作物的需肥偏好等因素，判斷是否已經(jīng)造成土壤障礙。②如果土壤養(yǎng)分含量屬于Ⅱ～Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，則表示其養(yǎng)分含量處于中上等水平，表土具有剝離價值，無須培肥。③如果土壤養(yǎng)分含量屬于Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)，則表示其養(yǎng)分含量處于中等水平，表土具有剝離價值，但是需根據(jù)作物的需肥偏好等因素，判斷是否需對部分表土實(shí)施低強(qiáng)度的、工藝簡單的培肥。④如果土壤養(yǎng)分含量屬于Ⅴ級標(biāo)準(zhǔn)，則表示其養(yǎng)分含量處于中下等水平，表土剝離的價值有限，一般不建議剝離，僅在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)存在較小的覆土缺口時，剝離該部分表土，且需對該部分表土實(shí)施中等強(qiáng)度的、工藝難度中等的培肥。⑤如果土壤養(yǎng)分含量屬于Ⅵ級標(biāo)準(zhǔn)，則表示其養(yǎng)分含量處于下等水平，表土明顯缺乏剝離價值，通常不予剝離，僅在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境惡劣、匱乏覆土?xí)r剝離該部分表土，且必須對該部分表土實(shí)施高強(qiáng)度的、工藝復(fù)雜的培肥。⑥根據(jù)土壤養(yǎng)分含量及第二次全國土壤普查中的參考值，按照內(nèi)插法，推算可剝離表土的厚度，初步劃定擾動但不剝離表土的范圍。⑦結(jié)合可剝離表土的分布范圍及其厚度，初步估算表土可利用量。通常可剝離的表土是指養(yǎng)分含量處于Ⅰ～Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)的表土。

圖1 表土可剝離性的判斷流程

該方法的優(yōu)點(diǎn)是：①選取了土壤農(nóng)化性質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)，專業(yè)程度較高；②適合我國絕大多數(shù)的土類及常見植物，具有通行性；③工作量相對較小，且成果可信。缺點(diǎn)是：①沒有考慮土壤養(yǎng)分背景值、地域地理及植物適應(yīng)性等指標(biāo)的差異，在某些情況下，該標(biāo)準(zhǔn)可能不適用；②沒有考慮各指標(biāo)間的相關(guān)性，沒有綜合考慮土壤肥力；③對工程問題的考慮有限。

4.2.2 農(nóng)用地自然質(zhì)量分計算方法

可借鑒《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》(GB/T 28407—2012)中農(nóng)用地自然質(zhì)量分的計算方法[1]。

該規(guī)范根據(jù)因素法建立“指定作物-分等因素-自然質(zhì)量分”評價體系，對指定作物不同的各農(nóng)用地，分別選取有效土層厚度、表層土壤質(zhì)地、剖面構(gòu)型等12個農(nóng)用地分等因素，設(shè)置了推薦權(quán)重，并按地域及地形對農(nóng)用地分類。根據(jù)上述農(nóng)用地分等因素的分值及其權(quán)重，通過加權(quán)計算，獲得農(nóng)用地的自然質(zhì)量分，進(jìn)而評定農(nóng)用地質(zhì)量。農(nóng)用地自然質(zhì)量分的計算方法包括幾何平均法或加權(quán)平均法，具體公式為

(1)幾何平均法

(1)

式中：C1,ij為分等單元指定作物的農(nóng)用地自然分；i為分等單元編號；j為指定作物編號；k為分等因素編號；m為分等因素的數(shù)目；fijk為第i個分等單元內(nèi)第j種指定作物第k個分等因素的指標(biāo)數(shù)值，取值為(0,100]。

(2)加權(quán)平均法

(2)

式中:wk為第k個分等因素的權(quán)重；其他符號的含義同幾何平均法。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是：①選取了高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田工程的各項(xiàng)指標(biāo)，工程效益較高；②考慮了地域及地形的差異，十分全面。缺點(diǎn)是：①選取的土壤養(yǎng)分指標(biāo)過少，難以精確掌握土壤養(yǎng)分水平，更難以診斷土壤是否存在供肥障礙等問題；②如果土壤存在供肥障礙或其他問題，則需要增加測定指標(biāo)，同時修改評價體系；③調(diào)查任務(wù)十分繁重，周期較長，可能會影響施工進(jìn)度；④調(diào)查工作對專業(yè)熟悉程度的要求較高，執(zhí)行難度很大。

與農(nóng)用地自然質(zhì)量分計算相似的，還有浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)《耕地質(zhì)量評定與地力分等定級技術(shù)規(guī)范》(DB33/T 895—2013)[2]。

4.2.3 層次分析法

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，基于層次分析法，按照下述評價指標(biāo)，對植被生態(tài)修復(fù)工程建立評價指標(biāo)的權(quán)重體系，獲取相應(yīng)的指標(biāo)賦值；再根據(jù)既定的指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)行加權(quán)計算，進(jìn)而以計算結(jié)果評價植被生態(tài)修復(fù)工程的綜合效益(詳見表2)[3]。

表2 植被生態(tài)修復(fù)工程的評價指標(biāo)權(quán)重

該方法的優(yōu)點(diǎn)是：①選取水土保持效益、植物生長情況及土壤農(nóng)化性質(zhì)等三個方面的指標(biāo)，是唯一考慮了水土保持問題的評價方法，雖然評價指標(biāo)個數(shù)較少、工作量較小，但是可行性較高；②提供了完整的權(quán)重賦值，客觀性較高。缺點(diǎn)是：①提供的權(quán)重賦值不一定適合大多數(shù)項(xiàng)目，需要根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行一定程度的調(diào)整；②需要通過較長的監(jiān)測時間，來獲得精確的指標(biāo)賦值，野外工作的周期較長，可能會影響施工進(jìn)度。

4.3 判斷表土供求關(guān)系的建議流程

根據(jù)表土分布與可利用量的分析結(jié)果，按照如下的步驟進(jìn)行判斷與決策(詳見圖2)。

圖2 表土需求與用量分析的決策流程

5 結(jié) 語

近年來，有關(guān)部門就表土保護(hù)與利用工作，頒布了不少新的規(guī)定，提出了新的要求。作為普通設(shè)計人員，我們根據(jù)其他項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，在原有的工作流程中，增加了界定表土可剝離性的評價體系，以及判斷表土供求關(guān)系的建議流程。通過建立更完善的工作流程，設(shè)計人員將能更有效地完成表土保護(hù)與利用工作。以上建議主要基于邏輯推導(dǎo)、土壤農(nóng)化專業(yè)的知識及相關(guān)工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出的，仍然存在改進(jìn)的空間，其可推廣性有待商榷，還請各位領(lǐng)導(dǎo)、專家及同行多多斧正。