基于現(xiàn)場觀測的深圳市典型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施效果分析

張志華，聶文婷，許文盛，張文杰，汪 倩

(長江水利委員會(huì) 長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010)

深圳屬南方紅壤丘陵區(qū)，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，局部地區(qū)存在少量崩崗、滑坡、滑塌等重力侵蝕，人為生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)是造成水土流失的主要成因。嚴(yán)重的水土流失狀況從20世紀(jì)90年代初期開始逐漸顯現(xiàn)，當(dāng)時(shí)深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)初步建立，社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。由于缺乏監(jiān)管，大規(guī)模開發(fā)建設(shè)和無序管理造成大面積水土流失，水土資源一度遭到嚴(yán)重破壞。水土流失面積由1980年的3.5 km2增加到1995年的184.99 km2，約占全市土地面積的9%，其中因開發(fā)建設(shè)造成的水土流失達(dá)80%。

關(guān)于水土保持措施效果的研究，國內(nèi)外已取得了較多成果。ZHANG et al.[1]結(jié)合豐富的歷史資料以及現(xiàn)場試驗(yàn)和調(diào)查，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失特點(diǎn)、水土保持措施適應(yīng)性進(jìn)行了概述，并結(jié)合國內(nèi)水土流失特點(diǎn)分析了人類活動(dòng)對(duì)水土流失的影響以及水土流失對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦奈：ΑSMAN et al.[2]基于埃塞爾比亞的降雨與侵蝕，對(duì)水土保持措施、傳統(tǒng)水土保持技術(shù)介入的原因、背景以及傳統(tǒng)水土保持措施的實(shí)施框架和成果等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)某些部門在水土保持工作中扮演的角色進(jìn)行了分析，對(duì)以往水土保持措施的限制、現(xiàn)狀以及未來的趨勢進(jìn)行了討論。

城市作為人類活動(dòng)高度聚集、地表強(qiáng)烈擾動(dòng)的典型區(qū)，在基礎(chǔ)設(shè)施加快建設(shè)過程中，隨著其承載負(fù)荷的不斷提高，土地利用情況也發(fā)生了巨大變化，城市下墊面不透水面積急劇增加，天然狀態(tài)下的水文循環(huán)過程發(fā)生改變，水土流失問題日益嚴(yán)峻[3]。國內(nèi)學(xué)者結(jié)合深圳市水土流失問題，對(duì)深圳市生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持效益[4-5]及監(jiān)督管理工作[6-7]進(jìn)行了研究。然而目前對(duì)于深圳市典型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土流失特點(diǎn)、相關(guān)水土保持措施效果的分析研究較少?；诖?，筆者對(duì)深圳市道路工程、管線工程以及河道整治工程等典型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行了長期現(xiàn)場觀測，對(duì)施工現(xiàn)場不同降雨條件以及水土保持措施下的降雨匯水進(jìn)行取樣并進(jìn)行室內(nèi)處理，對(duì)不同臨時(shí)水土保持措施的水土保持效果進(jìn)行了分析，研究成果可為深圳市水土保持監(jiān)管提供技術(shù)支撐，也可為其他城市水土保持工作提供有益的借鑒。

1 典型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目確定及觀測

1.1 典型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目確定

選擇典型項(xiàng)目的原則為：①項(xiàng)目范圍全面性。統(tǒng)籌考慮在建工程項(xiàng)目的分布，兼顧深圳市東西各片區(qū)。②項(xiàng)目類別代表性。為對(duì)比項(xiàng)目建設(shè)不同時(shí)期各措施水土保持效果的差異，在選擇項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)充分考慮工程建設(shè)初期、建設(shè)中期和完工期等3個(gè)階段。③現(xiàn)場易于觀測性。由于后續(xù)現(xiàn)場觀測基本上要在選取項(xiàng)目的現(xiàn)場實(shí)施，因此應(yīng)充分考慮各項(xiàng)目現(xiàn)場易于開展現(xiàn)場水土流失觀測。④措施類型典型性。由于不同項(xiàng)目的施工方在水土保持意識(shí)方面可能存在差異，導(dǎo)致現(xiàn)場落實(shí)水土保持措施的差異，為便于后續(xù)觀測和分析，應(yīng)充分考慮各類項(xiàng)目水土保持措施實(shí)施的典型性。

基于上述選點(diǎn)原則，筆者及團(tuán)隊(duì)多次赴深圳對(duì)典型項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場勘查與調(diào)研，確定了深圳市在建道路工程、管線工程以及河道整治工程中的多個(gè)典型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目。其中，道路工程包括35號(hào)市政路(光明城站—鳳興路)，東部過境2標(biāo)段、4標(biāo)段，外環(huán)高速4標(biāo)段、5標(biāo)段以及6標(biāo)段等工程；管線工程包括華電坪山分布式能源項(xiàng)目天然氣高壓管道工程；河道整治工程包括坪山河流域湯坑水綜合整治工程以及茅洲河流域樓村水綜合整治工程。

1.2 現(xiàn)場觀測及取樣

2018—2020年，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)已確定的深圳市典型道路、管線以及河道整治工程等生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行了長達(dá)2年的現(xiàn)場觀測，通過在降雨期間采集排水溝、沉沙池或匯流小區(qū)內(nèi)的水樣，進(jìn)行泥沙含量分析，研究施工現(xiàn)場不同水土保持措施的水土保持效果。

現(xiàn)場取樣原則及步驟：①取樣前對(duì)取樣瓶進(jìn)行編號(hào)；②根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，填寫現(xiàn)場取樣記錄表；③取樣前用取樣點(diǎn)處水流涮洗取樣瓶2～3次；④取樣時(shí)記錄取樣時(shí)間，可利用秒表進(jìn)行記錄；⑤根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，利用流速儀測量水流流速；⑥因深圳降雨大部分屬于短時(shí)強(qiáng)降雨，根據(jù)實(shí)際情況每隔5～10 min取樣一次，每個(gè)監(jiān)測取樣點(diǎn)至少重復(fù)取樣3次；⑦做好現(xiàn)場情況記錄、拍照工作；⑧利用雨量筒，記錄現(xiàn)場降雨情況；⑨每次取樣后記錄好每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣瓶編號(hào)，以便后期數(shù)據(jù)整理。

通過現(xiàn)場勘查及觀測發(fā)現(xiàn)，城市類生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施主要包括苫蓋、排水溝、攔擋、沉沙池等臨時(shí)措施以及植物措施，其中河道整治工程水土保持措施以臨時(shí)苫蓋、石籠網(wǎng)以及植物措施為主。

2 各水土保持措施效果分析

在進(jìn)行現(xiàn)場取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一定時(shí)間的雨淋日曬，邊坡上的苫蓋、排水溝和沉沙池等措施會(huì)有一定的損毀。隨著時(shí)間的推移，邊坡上的植被覆蓋度在逐漸增加。因此，在進(jìn)行取樣前，需要對(duì)現(xiàn)場的臨時(shí)水土措施情況進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)不同水土保持措施狀態(tài)下的泥沙含量分析奠定基礎(chǔ)。

2.1 苫蓋覆蓋率

經(jīng)過近2年的現(xiàn)場觀測，對(duì)降雨期間深圳市道路工程中的35號(hào)市政路(光明城站—鳳興路)，東部過境2標(biāo)段、4標(biāo)段，外環(huán)高速4標(biāo)段、5標(biāo)段以及6標(biāo)段采用苫蓋措施的邊坡坡腳處匯水進(jìn)行現(xiàn)場取樣，并對(duì)取得的水樣進(jìn)行室內(nèi)分析，通過靜置、過濾以及烘干，得到邊坡不同苫蓋率下的泥沙含量(圖1)。

如圖1所示，邊坡坡腳處匯水的泥沙含量隨著邊坡苫蓋率的增大而逐漸減小。當(dāng)苫蓋率分別為10%和50%時(shí)，泥沙含量較裸露邊坡分別降低了11.46%和67.92%。從圖中可以得出，在苫蓋率低于70%時(shí)，泥沙含量與邊坡苫蓋率呈線性分布，趨勢線與橫坐標(biāo)軸交叉點(diǎn)處的苫蓋率為63%。由此可初步推斷，當(dāng)邊坡苫蓋率達(dá)到63%以上，邊坡在降雨期間的水土流失較輕，泥沙含量較裸露邊坡降低了90%以上，水土保持臨時(shí)苫蓋措施效果良好。

圖1 不同苫蓋覆蓋率下坡腳處匯水的泥沙含量

2.2 沉沙池級(jí)數(shù)

根據(jù)施工進(jìn)度，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目布設(shè)有不同級(jí)數(shù)的沉沙池進(jìn)行泥沙沉淀。通過對(duì)不同級(jí)數(shù)沉沙池出口處的匯水取樣，發(fā)現(xiàn)不同級(jí)數(shù)的沉沙池對(duì)泥沙沉淀效果不同，其中不同級(jí)數(shù)沉沙池出口處的泥沙含量如圖2所示。

從圖2可以看出，不同降雨量下隨著沉沙池級(jí)數(shù)的增加，出口處的泥沙含量逐漸減小。隨著降雨量的增大，沉沙池內(nèi)的水流泥沙含量在逐漸增大。當(dāng)匯水水流經(jīng)過3級(jí)沉沙池后，出口處的泥沙含量較入口處降低了10.08%。當(dāng)水流分別經(jīng)過6級(jí)和9級(jí)沉沙池后，出口處的泥沙含量較入口處分別降低了40.34%和71.99%。

圖2 不同沉沙池級(jí)數(shù)下的泥沙含量

2.3 植被覆蓋率

河道整治工程生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施以臨時(shí)苫蓋、石籠網(wǎng)以及植物措施為主。通過在降雨期間對(duì)河道兩側(cè)邊坡植物長勢及不同覆蓋度下坡面匯水泥沙含量進(jìn)行研究，分析植物措施水土保持效果(圖3)。

如圖3所示，隨著邊坡植被覆蓋度的增大，坡腳處的匯流水流泥沙含量逐漸減小。當(dāng)植被覆蓋度小于60%時(shí)，其泥沙含量與邊坡植被覆蓋度成線性關(guān)系，且趨勢線與橫坐標(biāo)交叉點(diǎn)處的植被覆蓋度為55%。由此可推斷，當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到55%以上，邊坡在降雨期間的水土流失較小，泥沙含量較裸土邊坡條件下降低了97%以上，植物措施水土保持效果良好。

圖3 不同植被覆蓋度下的坡腳水流泥沙含量

與苫蓋措施下的水土保持效果相比，植被覆蓋度值要相對(duì)較小(苫蓋率為63%)，因此植物削減水土流失的能力更強(qiáng)，這與植物葉子、根系在水土保持中的作用有重要關(guān)系。在工程施工過程中，邊坡水土流失受植被的影響較大，尤其隨著時(shí)間的增長，植被生長良好，邊坡植被覆蓋度在逐漸增大，水土保持效果也逐漸增強(qiáng)。

2.4 邊坡坡度

樓村水綜合治理工程項(xiàng)目區(qū)位于茅洲河流域的下游，分河道左右兩側(cè)相繼施工，河道兩側(cè)邊坡坡度不同，其中河道右側(cè)(河道下方)邊坡坡度48°，植物措施已落實(shí)；河道左側(cè)(河道上方)邊坡坡度44°，進(jìn)場時(shí)該邊坡正在落實(shí)植物措施，河道兩側(cè)坡腳采用石籠護(hù)坡攔擋。對(duì)不同降雨量條件下邊坡不同位置處的匯水泥沙含量進(jìn)行分析的結(jié)果表明(表1)，當(dāng)邊坡裸露(如降雨量21.9 mm，坡度48°)時(shí)，坡腳處的匯水泥沙含量比坡頂處要高，表明裸露邊坡在強(qiáng)降雨條件下發(fā)生了水土流失，泥沙匯聚于坡腳，泥沙含量較大。通過對(duì)比分析不同坡度的坡腳處泥沙含量可知，較大坡度的坡面其坡腳處泥沙含量值較大，植物措施水土保持效果較差。例如當(dāng)降雨量為34.6 mm時(shí)，在相同植被覆蓋度條件下，坡度48°的邊坡坡腳泥沙含量比坡度44°的坡腳泥沙含量增大了66.67%。

表1 河道兩側(cè)邊坡不同位置處的匯水泥沙含量

2.5 降雨量

湯坑水綜合整治工程位于坪山流域采石場至湯坑水河口處，復(fù)興路以下河段位于建成區(qū)，兩岸房屋較為密集；復(fù)興路以上河段，兩岸為菜地或山坡，場地較為開闊。進(jìn)場時(shí)該觀測區(qū)域內(nèi)的河道兩側(cè)邊坡臨時(shí)措施分上下兩部分布設(shè)，其中靠近河道的邊坡下半部分已落實(shí)植物措施，植被覆蓋度較低；靠近坡頂?shù)纳习氩糠植荚O(shè)了臨時(shí)苫蓋措施，右側(cè)苫蓋率90%以上，左側(cè)苫蓋遭到破壞，苫蓋率50%左右。觀測結(jié)果見表2。

表2 不同降雨量條件下河道邊坡坡腳處的泥沙含量

從表2可以看出，不同降雨量條件下邊坡水土流失狀況不同。當(dāng)降雨量為181.1 mm和13.4 mm時(shí)，河道邊坡上半部分(坡度48°)由于苫蓋損壞、植被覆蓋度低等，導(dǎo)致坡腳處的泥沙含量比坡頂處要高，表明即使該邊坡的臨時(shí)水土保持措施已落實(shí)，當(dāng)落實(shí)不到位，臨時(shí)措施未能發(fā)揮其作用時(shí)，仍有一定的水土流失；而河道邊坡下半部分(坡度46°)由于苫蓋率高，水土保持效果良好，該結(jié)論與上文中的2.1章節(jié)得出的結(jié)論保持一致。當(dāng)降雨量為19.4 mm和82.8 mm時(shí)，河道兩側(cè)邊坡坡頂處的苫蓋早已被植被覆蓋，長勢良好，邊坡植被覆蓋度達(dá)到了99%，坡腳處的泥沙含量基本為0，表明當(dāng)邊坡植被覆蓋度較高時(shí)，能夠更好地防止水土流失。

3 結(jié) 語

本研究對(duì)深圳市道路工程、管線工程以及河道整治工程等典型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行了長期現(xiàn)場觀測，對(duì)不同降雨條件以及水土保持措施下施工現(xiàn)場邊坡坡腳處的降雨匯水進(jìn)行取樣并進(jìn)行室內(nèi)處理，對(duì)不同苫蓋率、沉沙池級(jí)數(shù)、植被覆蓋度、邊坡坡度以及降雨量條件下的水土保持措施效果分別進(jìn)行了分析。當(dāng)苫蓋率分別為10%和50%時(shí)，泥沙含量較裸露坡面相比分別降低了11.46%和67.92%；當(dāng)苫蓋率為70%時(shí)，泥沙含量降低了97.55%。單一水土保持臨時(shí)措施條件下，當(dāng)邊坡苫蓋率達(dá)到63%以上，邊坡在降雨期間的水土流失較輕，臨時(shí)苫蓋水土保持措施效果良好。當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到55%以上，邊坡在降雨期間的水土流失較輕，植物措施水土保持效果良好。與水土保持臨時(shí)苫蓋措施相比，植物措施削減水土流失的能力更強(qiáng)。由于兩者均存在一定的缺點(diǎn)，因此苫蓋與植物措施搭配實(shí)施，水土保持效果及環(huán)境綠化效果會(huì)更好。在不同降雨量條件下，隨著沉沙池級(jí)數(shù)的增大，各級(jí)出口處的泥沙含量總體逐漸減小。當(dāng)匯水水流分別經(jīng)過3級(jí)、6級(jí)、9級(jí)沉沙池后，出口處的泥沙含量較入口處分別降低了10.08%、40.34%和71.99%。然而，不同生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失特點(diǎn)不同，需要落實(shí)的水土保持措施體系也不同，結(jié)合單一措施下的水土保持效果，如何針對(duì)項(xiàng)目工程現(xiàn)場實(shí)際情況對(duì)目前的措施體系進(jìn)行合理優(yōu)化，最大程度發(fā)揮措施的水土保持效益，還需在后續(xù)工作中進(jìn)一步深入分析與研究。