區(qū)域水土保持水土流失預(yù)測(cè)分析及實(shí)例研究

王美玉，戴長(zhǎng)雷，張凱文，韓心宇

（1黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080；2黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；3黑龍江大學(xué)-俄科院西伯利亞凍土所寒區(qū)水文與水利工程中俄聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

0 引言

2019年5月水利部印發(fā)《水利部關(guān)于進(jìn)一步深化“放管服”改革全面加強(qiáng)水土保持監(jiān)管的意見(jiàn)》（水保〔2019〕160號(hào)），明確提出各類(lèi)開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)推行水土保持區(qū)域評(píng)估，并在“五通一平”（通水、通電、通氣、通路、通訊、平整土地）之前由開(kāi)發(fā)區(qū)管理機(jī)構(gòu)組織編制水土保持區(qū)域評(píng)估報(bào)告，報(bào)相關(guān)部門(mén)審批[1]。水土保持區(qū)域評(píng)估的重點(diǎn)包括水土流失的任務(wù)、責(zé)任主體、防治范圍、防治目標(biāo)、水土保持措施及水土保持投資等內(nèi)容，同時(shí)應(yīng)遵循土石方自平衡、水生態(tài)保護(hù)、水土保持措施與自然生態(tài)相協(xié)調(diào)、按照區(qū)塊確定防治目標(biāo)等原則[2]。開(kāi)發(fā)區(qū)入駐企業(yè)在水土保持區(qū)域評(píng)估報(bào)告的基礎(chǔ)上對(duì)水土保持方案實(shí)行承諾制或備案制管理，開(kāi)發(fā)區(qū)管理機(jī)構(gòu)督促入駐生產(chǎn)建設(shè)單位履行好水土流失防護(hù)責(zé)任和義務(wù)。

重慶、浙江、江蘇等地對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)水土保持區(qū)域評(píng)估已有一定的研究基礎(chǔ)，但在東北黑土區(qū)水土保持區(qū)域評(píng)估相關(guān)研究不夠充分。由于水土保持區(qū)域評(píng)估報(bào)告的編制依據(jù)及大綱并沒(méi)有明確，領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家對(duì)水土保持區(qū)域評(píng)估的主要內(nèi)容、編制要點(diǎn)等進(jìn)行了探討。劉春憲等[3]在對(duì)552個(gè)國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)分析的基礎(chǔ)上，提出了水土保持區(qū)域評(píng)估的原則及評(píng)估重點(diǎn)，提出開(kāi)發(fā)區(qū)水土保持區(qū)域評(píng)估是入園區(qū)企業(yè)開(kāi)展水土流失防治工作的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)化企業(yè)水土保持方案的依據(jù)。姜德文[2]對(duì)國(guó)內(nèi)各類(lèi)開(kāi)發(fā)區(qū)總體情況進(jìn)行了介紹，開(kāi)發(fā)區(qū)應(yīng)明確建成區(qū)、在建區(qū)、未建區(qū)三大區(qū)塊的水土流失防治任務(wù)，提出包括土石方全部利用等5項(xiàng)水土流失防治控制性指標(biāo)，闡述并分析了開(kāi)發(fā)區(qū)管理模式及水土保持責(zé)任落實(shí)。

1 區(qū)域水土保持水土流失量預(yù)測(cè)方法分析

水土流失量預(yù)測(cè)是指在工程施工建設(shè)擾動(dòng)地表土層后，未采取任何水土保持措施的最不利條件下預(yù)測(cè)可能造成的水土流失量；土石方挖填量估算是指對(duì)因工程施工建設(shè)需要而造成的土方挖、填量的估算，是水土流失防治工作中的重要部分[4-5]。預(yù)測(cè)水土流失量的方法主要包括類(lèi)比法、數(shù)學(xué)模型法及實(shí)驗(yàn)觀測(cè)法，類(lèi)比法預(yù)測(cè)水土流失量是利用與預(yù)測(cè)工程類(lèi)似的工程對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)單元的擾動(dòng)地表土壤侵蝕模數(shù)實(shí)測(cè)研究成果，通過(guò)對(duì)應(yīng)性分析預(yù)測(cè)工程與類(lèi)比工程在水土流失主要因子相似性、可比性，得出預(yù)測(cè)工程與類(lèi)比工程之前的修正系數(shù)，類(lèi)比出通預(yù)測(cè)工程各預(yù)測(cè)單元土壤侵蝕模數(shù)，最后計(jì)算出水土流失量預(yù)測(cè)結(jié)果[6]。類(lèi)比法具有直觀、快速等優(yōu)點(diǎn)，但在獲取理想的類(lèi)比資料難度較大、類(lèi)比修正系數(shù)取值彈性較大、類(lèi)比資料的實(shí)用性限制等方面具有一定的局限性[7]。預(yù)測(cè)水土流失量包括：劃分預(yù)測(cè)單元、預(yù)測(cè)時(shí)段、確定土壤侵蝕模數(shù)和計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果4個(gè)步驟。

2 區(qū)域水土保持土壤流失量計(jì)算實(shí)例研究

2.1 區(qū)域水土保持調(diào)查分析

慶安縣位于黑龍江省中部松嫩平原與小興安嶺余脈的交匯地帶，屬呼蘭河流域中上游，地理坐標(biāo)為127°30′—128°35′E，46°30′—47°35′N(xiāo)，總?cè)丝?1萬(wàn)，土地總面積為5466.71 km2，其中，耕地和林地分別占總土地面積的36.65%和51.49%[8]。慶安開(kāi)發(fā)區(qū)位于慶安縣西南部，2011年由黑龍江省人民政府批準(zhǔn)設(shè)立，享受省級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)政策，開(kāi)發(fā)區(qū)核心區(qū)域已實(shí)現(xiàn)“五通一平”。園區(qū)范圍分為東、西、北3個(gè)區(qū)域，總用地面積953.08 hm2，規(guī)劃建設(shè)成為食品產(chǎn)業(yè)園、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)園、循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園和保稅區(qū)的“三園一區(qū)”格局。

根據(jù)《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007)，慶安開(kāi)發(fā)區(qū)屬于水力侵蝕類(lèi)型區(qū)——東北黑土區(qū)—松嫩平原區(qū)，慶安縣屬溫帶大陸性氣候，有明顯季節(jié)變化，冬季漫長(zhǎng)、干燥而寒冷，秋季多雨降溫急劇[9-10]。年平均氣溫2.4℃，多年平均降水量567.5 mm。地貌屬于低山丘陵平原區(qū)，南、北部為低山，地勢(shì)較高，并逐步向中部?jī)A斜，中部形成寬闊的河谷平原，在山地與平原之間有丘陵漫崗過(guò)渡地帶。地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域?yàn)樾∨d安嶺—松嫩沖擊帶東部，分布于河谷、高漫灘、低漫灘地帶，地層為第四系全新統(tǒng)沖積沼澤沉積層，巖性為亞粘土、淤泥質(zhì)粘土、亞砂土、沙及砂礫石[11]。區(qū)域內(nèi)無(wú)河流水系，與格木克河相鄰，慶安開(kāi)發(fā)區(qū)區(qū)域位置如圖1。

圖1 慶安開(kāi)發(fā)區(qū)區(qū)域位置

2.2 區(qū)域水土保持流失現(xiàn)狀及影響因素分析

2.2.1 水土流失現(xiàn)狀 根據(jù)《黑龍江省水土保持規(guī)劃（2015—2030年）》及《慶安縣水土保持規(guī)劃（2019—2030年）》成果顯示，慶安縣水土流失面積707.02 km2，占總土地面積的12.93%。全部為水蝕面積，平均土壤侵蝕模數(shù)為1578 t/(km2·a)左右。按侵蝕強(qiáng)度劃分，輕度侵蝕面積386.47 km2，中度侵蝕面積159.83 km2，強(qiáng)烈侵蝕面積101.93 km2，極強(qiáng)烈侵蝕面積50.71 km2，劇烈侵蝕面積8.08 km2，分別占侵蝕面積的54.66%、22.61%、14.42%、7.17%和1.14%[12]。2012—2018年統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，慶安縣累計(jì)治理水土流失面積217.86 km2，其中基本農(nóng)田為64.58 km2，水土保持林為28.57 km2，封禁治理為46.60 km2，其他為78.1l km2[13]。慶安開(kāi)發(fā)區(qū)水土保持現(xiàn)狀較為良好，均處于微度侵蝕分布區(qū)，但部分在建企業(yè)施工期未按要求編制水土保持方案。慶安縣數(shù)字高程DEM及土地利用情況如圖2。

圖2 慶安縣數(shù)字高程DEM及土地利用

2.2.2 影響因素分析 在施工過(guò)程中，會(huì)損壞原地表形態(tài)、地表植被和土壤結(jié)構(gòu)，增加裸露面積，減弱抗蝕、抗沖能力，易造成較嚴(yán)重的水土流失[14-15]。在建設(shè)期內(nèi)，主要施工內(nèi)容包含場(chǎng)地平整、建筑物結(jié)構(gòu)施工、道路路面鋪設(shè)、綠化景觀建設(shè)等。場(chǎng)地平整過(guò)程中，大部分占地地表都受到不同程度的人為擾動(dòng)和破壞，在降雨等自然因素的作用下形成新的水土流失；建筑物施工過(guò)程中，基坑開(kāi)挖階段的邊坡是最容易發(fā)生水土流失的區(qū)域；當(dāng)建設(shè)進(jìn)入建筑物主體結(jié)構(gòu)階段，區(qū)域內(nèi)道路、公園綠地區(qū)的地表裸露，會(huì)造成地表水土流失[16-17]。工程施工結(jié)束后，因施工引起水土流失的各項(xiàng)因素逐漸減弱，地表擾動(dòng)基本停止，水土流失將明顯減小，但由于植物措施不能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮水土保持功能，在自然恢復(fù)期仍會(huì)有一定量的水土流失。

2.3 水土保持區(qū)域劃分

在《慶安縣產(chǎn)業(yè)園區(qū)總體規(guī)劃（2018—2035年）》的基礎(chǔ)上，結(jié)合開(kāi)發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮擾動(dòng)地表形式、強(qiáng)度等大體一致的施工區(qū)劃分為一個(gè)區(qū)域，故將開(kāi)發(fā)區(qū)水土保持區(qū)域劃分為工業(yè)用地區(qū)、商業(yè)及公用設(shè)施用地區(qū)（包括公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地、物流倉(cāng)儲(chǔ)用地、公用設(shè)施用地）、道路與交通設(shè)施用地區(qū)、綠地與廣場(chǎng)區(qū)（非建設(shè)用地主要為農(nóng)林用地，劃入綠地與廣場(chǎng)區(qū)）4個(gè)區(qū)域，開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)各水土保持分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 區(qū)域內(nèi)用地類(lèi)型及面積統(tǒng)計(jì)

2.4 土壤流失量預(yù)測(cè)

2.4.1 預(yù)測(cè)單元及預(yù)測(cè)時(shí)段 預(yù)測(cè)單元?jiǎng)澐譃楣I(yè)用地區(qū)、商業(yè)及公用設(shè)施用地區(qū)、道路與交通設(shè)施區(qū)、綠地與廣場(chǎng)區(qū)（含非建設(shè)用地）共4個(gè)區(qū)域單元，根據(jù)施工及運(yùn)行特點(diǎn)，水土流失預(yù)測(cè)時(shí)段分為施工期和自然恢復(fù)期。施工期1年內(nèi)跨雨季的按照占雨季長(zhǎng)度比例計(jì)算，但不超過(guò)1年，工程施工連續(xù)施工，分期施工預(yù)測(cè)時(shí)段計(jì)算按照自然月為主，慶安縣雨季主要是5—9月份，共計(jì)5個(gè)月。自然恢復(fù)期設(shè)定為2年，主要為植被恢復(fù)期[16]。由于各建設(shè)項(xiàng)目水土保持配套設(shè)施不完善，部分項(xiàng)目沒(méi)有水土保持方案，以水土流失最不利條件為原則，水土流失預(yù)測(cè)區(qū)域面積包含區(qū)域內(nèi)已建、在建及未建面積，合計(jì)953.08 hm2。

2.4.2 土壤侵蝕模數(shù)的確定 區(qū)域內(nèi)4個(gè)水土保持分區(qū)在施工期對(duì)地面干擾較大，根據(jù)《黑龍江省水土保持規(guī)劃（2015—2030年）》結(jié)果分析，土壤侵蝕模數(shù)參考慶安縣平均土壤侵蝕模數(shù)1578 t/(km2·a)，考慮施工期水土流失略微嚴(yán)重，因此擾動(dòng)后土壤侵蝕模數(shù)取2000 t/(km2·a)；綠地與廣場(chǎng)區(qū)由于工程施工面積較小，土壤侵蝕模數(shù)取平均值1578 t/(km2·a)；植被恢復(fù)期工程施工已結(jié)束，植被未完全恢復(fù)，仍存在一定程度的水土流失，土壤侵蝕模數(shù)取值200 t/(km2·a)，土壤侵蝕模數(shù)背景值取值為150 t/(km2·a)。

2.4.3 預(yù)測(cè)結(jié)果及分析 根據(jù)區(qū)域土壤侵蝕的背景資料和工程建設(shè)特點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)水土流失類(lèi)型主要為水力侵蝕，水土流失預(yù)測(cè)采用經(jīng)驗(yàn)公式法，計(jì)算公式如式(1)所示，計(jì)算區(qū)域建設(shè)區(qū)不同地貌侵蝕背景值，預(yù)測(cè)新增水土流失量[19-20]。

式中：W為擾動(dòng)地表土壤流失量，t；i為預(yù)測(cè)單元(i=1、2、3)；k為預(yù)測(cè)時(shí)段(k=1、2、3)，指施工準(zhǔn)備期、施工期和自然恢復(fù)期；Fi為第i個(gè)預(yù)測(cè)單元的面積，km2；Mik為擾動(dòng)后不同預(yù)測(cè)單元不同時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；Tik預(yù)測(cè)時(shí)段（擾動(dòng)時(shí)段），a。

按式(1)對(duì)區(qū)域土壤流失進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)結(jié)果按照建設(shè)期開(kāi)挖、回填、產(chǎn)生棄渣、地面沒(méi)有防護(hù)措施，且在雨季最不利情況下進(jìn)行水土流失量估算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)計(jì)算分析，區(qū)域內(nèi)項(xiàng)目建設(shè)在不采取任何防治措施的前提下共造成水土流失47053 t，背景流失3773 t，新增水土流失43280 t。其中水土流失量99.84%在施工期，由于工業(yè)用地區(qū)占地面積較大，70.41%的預(yù)測(cè)水土流失量集中在工業(yè)用地區(qū)。因此，工業(yè)用地區(qū)是水土保持防治的重點(diǎn)區(qū)域。

表2 水土流失量預(yù)測(cè)結(jié)果

2.5 區(qū)域水土保持填挖量估算

2.5.1 表土剝離及覆土 按照水土保持法相關(guān)要求，應(yīng)對(duì)生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)所占用土地的地表進(jìn)行分層剝離、保存和利用。根據(jù)區(qū)域內(nèi)各水土保持防治區(qū)的施工建設(shè)時(shí)序及覆土實(shí)際需求，對(duì)具有剝離條件的區(qū)域進(jìn)行表土剝離，并在建設(shè)區(qū)設(shè)置臨時(shí)暫存場(chǎng)地，表土剝離和回覆的厚度均按照0.3 m計(jì)算。經(jīng)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)踏察，區(qū)域水土保持方案中剝離及覆土設(shè)計(jì)如表3。經(jīng)計(jì)算，區(qū)域內(nèi)表土剝離量面積為142.22 hm2，剝離土壤42.67×104m3，覆土面積138.10 hm2，覆土量41.43×104m3。

表3 表土剝離及覆土量統(tǒng)計(jì)

2.5.2 土方挖填量推算 區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)土方填挖量以區(qū)域用地性質(zhì)及已建成典型項(xiàng)目作為推算依據(jù)。由于區(qū)域內(nèi)大部門(mén)區(qū)域項(xiàng)目為展開(kāi)施工建設(shè)，采用類(lèi)比法，在區(qū)域內(nèi)相似條件下推算同類(lèi)型建設(shè)用地的土方挖填量，所選區(qū)域內(nèi)典型項(xiàng)目均已開(kāi)展水土保持方案編制，土石方填挖數(shù)據(jù)接近實(shí)際情況。對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)未建區(qū)域土石方填挖量進(jìn)行推算，可以為后入駐園區(qū)企業(yè)制定水土保持方案提供測(cè)算依據(jù)及參考。土方填挖推算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 基礎(chǔ)土石方挖填量推算

2.5.3 土石方平衡 經(jīng)推算，區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目總計(jì)產(chǎn)生挖方917.3萬(wàn)m（3表土剝離42.67萬(wàn)m3），填方879.22萬(wàn)m3（表土回覆41.43萬(wàn)m3），外借土方37.16萬(wàn)m3，棄土75.21萬(wàn)m3，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。土石方平衡推算采用區(qū)域內(nèi)典型項(xiàng)目類(lèi)比推算的方法，估算在建區(qū)域及規(guī)劃建設(shè)區(qū)域內(nèi)的土石方挖填量，考慮最不利因素，推算結(jié)果較大，可以為后入駐園區(qū)的企業(yè)在水土保持防治工作中提供參考。

表5 區(qū)域內(nèi)土石方平衡 萬(wàn)m3

3 結(jié)論

以慶安開(kāi)發(fā)區(qū)為例，預(yù)測(cè)東北黑土區(qū)土壤流失量，運(yùn)用典型項(xiàng)目類(lèi)比的方法推算土石方平衡，得出結(jié)論。

（1）考慮使用土地性質(zhì)及擾動(dòng)土壤等因素，劃分水土保持區(qū)劃，并按所劃分區(qū)域預(yù)測(cè)土壤流失量；以慶安開(kāi)發(fā)區(qū)為例，考慮最不利條件預(yù)測(cè)將造成土壤流失47053 t，是背景流失量的12.5倍，其中工業(yè)用地區(qū)在施工期內(nèi)預(yù)測(cè)土壤流失量最大。

（2）由于區(qū)域內(nèi)大部分項(xiàng)目未施工建設(shè)，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算土石方挖填量，因此采用區(qū)域內(nèi)已建典型項(xiàng)目類(lèi)比推算未建設(shè)區(qū)域項(xiàng)目挖填量的方法是區(qū)域水土保持土石方平衡估算較為理想的方法，可為后入駐園區(qū)企業(yè)編制水土保持方案提供參考。

（3）根據(jù)土壤流失量預(yù)測(cè)及土石方平衡估算，工業(yè)用地區(qū)是新增水土流失的主要區(qū)域，為區(qū)域水土保持防治工作找到了核心區(qū)。通過(guò)調(diào)整施工時(shí)序、避免汛期土石方施工等優(yōu)化施工方法也可以起到水土保持的效果。