基于土壤流失量預(yù)測的水庫工程水土流失計算及危害分析

連 燕

(四會市宏禹水利水電勘測設(shè)計有限公司，廣東 四會 526200)

0 引 言

水庫工程是人們基于原有的自然條件，將水資源進行合理存儲、調(diào)節(jié)并使用的水利工程。在水庫工程建設(shè)和應(yīng)用過程中，項目區(qū)域大都存在著各種程度的水土流失，會給項目周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成極大破壞，因此在水庫建設(shè)時要將減少水土流失作為需要解決的關(guān)鍵性問題。在水庫工程的建設(shè)前期，要提前做好對土壤流失量的預(yù)測工作，并依此進行水土流失的計算和水土流失的危害性分析，從而制定相應(yīng)的水土保持方案，使水庫工程的建設(shè)更加科學(xué)合理，使其能夠做出最大的貢獻[1]。

1 水庫工程水土流失現(xiàn)狀

水土流失是指由于自然或人為因素的影響、雨水不能就地消納、順勢下流、沖刷土壤，造成水分和土壤同時流失的現(xiàn)象。主要原因是地面坡度大、土地利用不當、地面植被遭破壞、耕作技術(shù)不合理、土質(zhì)松散、濫伐森林、過度放牧等。

因水土流失現(xiàn)象我國每年耕地面積縮減約6.67萬hm2，對我國自然生態(tài)、耕地面積等造成嚴重破壞。

水土流失現(xiàn)象主要有3個特點：①時間集中，易發(fā)生在雨季；②其破壞力巨大，容易帶來不可估量的經(jīng)濟損失和人員傷亡；③水土流失現(xiàn)象一旦發(fā)生，如不持續(xù)維護還容易造成二次傷害[3]。

2 水庫工程水土流失危害

水庫工程本身作為控制利用和調(diào)節(jié)水源的工程，更需要謹慎對待遭遇水土流失帶來的危害。水庫工程發(fā)生水土流失的主要原因是工程建設(shè)中地表的水土開挖外力擾動、棄土棄渣在外力作用下加速水土侵蝕，主要集中在項目建設(shè)區(qū)域[4]。水庫工程的水土流失危害在各分區(qū)主要是：

2.1 水庫水源樞紐建設(shè)分區(qū)

水源樞紐施工會對原地表擾動，使原有的水土保持能力遭受破壞，在外力作用下會加速水土的侵蝕。如果沒有采取防護手段，擾動后的地表會容易受到雨水和地表水流的沖刷，水土流失會加劇。工程土石方開挖量很大，如果不能及時將土石方運到渣場，在現(xiàn)場存放的土渣中的泥沙會被水流沖刷下在下游的河道淤積，對河道安全泄洪帶來影響，并且會對河道下游的農(nóng)地安全生產(chǎn)帶來影響。

2.2 施工現(xiàn)場生產(chǎn)和生活設(shè)施分區(qū)

施工現(xiàn)場生產(chǎn)和生活設(shè)施分區(qū)的場地基礎(chǔ)開挖會擾動原地表，從而破壞原地表的土壤組織構(gòu)造，降低或喪失原地表的水土保持能力，使得該分區(qū)地表在外力作用下失去抵抗侵蝕的能力。如果不實施可靠的水土保持手段，會造成大量的水土流失，會對下游的農(nóng)地及農(nóng)民的生產(chǎn)生活帶來極大影響。

2.3 灌溉及供水運輸管線建設(shè)分區(qū)

水庫工程的灌溉及供水運輸管線線路一般都較長，對于地表擾動和土石方開挖量都較大，如果對挖出的土石方不能及時運出，并且采用必要的擋水、攔擋和防護手段，如果遇到雨水較大的情況容易發(fā)生水土流失。挖出的土石方會在水流的沖刷下發(fā)生滑落，會對附近的工程設(shè)施和農(nóng)地造成損壞，對于下游農(nóng)地的質(zhì)量造成影響，而且該分區(qū)會對農(nóng)地、灌草地造成臨時占用，如果工程完成后不能及時對所占土地類型進行恢復(fù)，會造成用地面積的減少，增大該分區(qū)的水土流失，對于居住在附近的人們的生產(chǎn)和生活造成影響。

2.4 料場建設(shè)分區(qū)

料場建設(shè)分區(qū)水土流失的主要原因是該分區(qū)對于土石的開挖造成了裸露的坡地和臨時堆土，對于原有的地形地貌帶來變化，對于原地表的土壤間的組織構(gòu)造造成破壞，使的該分區(qū)的水土保持能力降低。如果不能進行攔擋、排水和防護等有效水土保持手段，土石會被雨水和水流沖走加速水土流失，會對下游的道路和農(nóng)地造成損壞，嚴重影響當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活。該分區(qū)會對農(nóng)地、灌草地造成臨時占用，如果工程完成后不能及時對所占土地類型進行恢復(fù)，會造成用地面積的減少，增加該分區(qū)的水土流失，對于工程生產(chǎn)和居民生產(chǎn)生活帶來影響[5]。

2.5 渣場建設(shè)分區(qū)

渣場建設(shè)分區(qū)水土流失的主要原因是該分區(qū)用于存放工程建設(shè)施工中所廢棄的土石，所存放的土石沒有水土保持的能力，對于當?shù)氐牡匦蔚孛矌碜兓瑢τ谠乇淼耐寥篱g的組織構(gòu)造造成破壞，在外力作用下容易加速侵蝕。如果對于渣場分區(qū)所存放的土石不能進行攔擋、排水和防護手段，存放的土石會被雨水和地表水流沖刷造成嚴重的水土流失，對于下游的農(nóng)地和河道的安全造成損壞。該分區(qū)會對農(nóng)地、灌草地造成臨時占用，如果工程完成后不能及時對所占土地類型進行恢復(fù)，會造成用地面積的減少，增加該分區(qū)的水土流失，對于居民生產(chǎn)生活帶來影響。

2.6 道路交通工程建設(shè)分區(qū)

道路交通施工工程臨時堆放的土石方容易形成松散的裸露邊坡，在外力作用下能夠加速侵蝕，如果不能夠采用有效截排水和植物防護手段，能夠產(chǎn)生嚴重的水土流失，而且土石方被雨水和地表水流沖刷極易對下游的農(nóng)地造成淹沒。臨時道路會對農(nóng)地、灌草地造成占用，如果工程完成后不能及時對臨時道路所占土地類型進行恢復(fù)，會造成用地面積的減少，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來影響。

所以，水利工程設(shè)計和管理部門對于水土流失的危害需要做到預(yù)知預(yù)控，避免重大水災(zāi)旱災(zāi)。

3 水庫工程水土流失量的計算與預(yù)測

3.1 水土流失量的計算

首先根據(jù)項目技術(shù)資料及施工工藝，并實地踏勘，預(yù)測出水庫工程項目各建設(shè)區(qū)具體擾動區(qū)域及擾動地表面積[6]。然后根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》中關(guān)于分級分類的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合工程的水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)及對專家進行咨詢，進行各建設(shè)區(qū)強度劃分并確定其土壤侵蝕模數(shù)。

土壤流失量計算公式為：

(1)

增加土壤流失量計算公式為：

(2)

(3)

式中：W為土壤流失量，t；△W為增加土壤流失量，t；△Myx為第x預(yù)測分區(qū)第y預(yù)測時段的增加土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；x為預(yù)測分區(qū)，x=1,2，…，n-1，n；y為預(yù)測期段，1表示施工期段，2表示自然恢復(fù)期段；Fyx為第x預(yù)測分區(qū)第y預(yù)測期段的面積，單位為km2；Myx為第x預(yù)測分區(qū)第y預(yù)測期段的土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；Tyx為第x預(yù)測分區(qū)第y預(yù)測期段的預(yù)測時段長，a；M0x為第x預(yù)測分區(qū)擾動前的土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)。

選擇合適的土壤侵蝕模數(shù)后，將水庫工程的各預(yù)測期段、預(yù)測分區(qū)的面積代入上面3個公式，進而也可計算出水土流量的總量，細分數(shù)據(jù)包括施工期間和自然恢復(fù)期時間段的分別流失量。根據(jù)預(yù)測時間段內(nèi)的水土流失量進而確定出流失期段和防治分區(qū)。

3.2 水土流失量的預(yù)測

根據(jù)GB50433-2018《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持技術(shù)標準》和GB/T50434-2018《生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失防治標準》的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合水庫工程項目的建設(shè)特點，現(xiàn)將水土流失量的預(yù)測內(nèi)容和方法如表1所示。

表1 水土工程水土流失的預(yù)測內(nèi)容和方法

水土流失量和時間段的預(yù)測，需要結(jié)合防治分區(qū)的劃分，根據(jù)技術(shù)規(guī)范和防治標準制定相應(yīng)的預(yù)測手段，另外預(yù)測時段結(jié)合水庫工程建設(shè)區(qū)和影響區(qū)的不同特點，分成工程施工(包含準備)期段和工程自然恢復(fù)期段兩個期段。在對期段進行預(yù)測時要考慮最有害的因素，工期如果多于雨季的時長要算作一年，不多于雨季時長的根據(jù)所占百分比進行統(tǒng)計[7]。

3.3 水土流失計算與預(yù)測示例

某地擬建水庫，壩址以上集水面積為13.42km2，總庫容為125萬m3，正常蓄水水位1255m，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模屬小(1) 型，該項目所在地的土壤主要是赤紅壤土和紅黃壤土等類型，水土流失主要是受水力的侵蝕且其強度是輕度。預(yù)計每年的水土流失總量≥34.26t，侵蝕模數(shù)平均為每年1145t/km2，根據(jù)流失等級劃分屬于輕度流失區(qū)，占地面積不低于35.25hm2，其中擾動地面面積為26.25hm2。建設(shè)區(qū)各分區(qū)擾動地表面積如表2所示。

表2 建設(shè)區(qū)各分區(qū)擾動地表面積

經(jīng)計算可得該水庫工程各期段原地表、增加及總的水土流失量如表3所示。

表3 各期段水土流失量預(yù)測統(tǒng)計

4 水庫工程水土流失控制措施

通過對土壤流失量的預(yù)測結(jié)果以及水土流失危害進行研究分析，在水庫工程的水土防治工作中應(yīng)重點從以下3方面入手：

1)與自然恢復(fù)期相比，施工期是新增水土流失嚴重的關(guān)鍵時期，因此在施工過程中要對工程的施工進度妥善安排，使產(chǎn)生水土流失的時段能夠得到極大減少[8]。因為雨季雨水沖刷會加劇水土流失，在施工中要盡量避免雨季施工，如果實在無法避免，應(yīng)做好雨季時段的水土流失防護工作。

2)水土流失發(fā)生的重點區(qū)域是水庫水源樞紐建設(shè)分區(qū)、施工現(xiàn)場生產(chǎn)和生活設(shè)施分區(qū)、灌溉及供水運輸管線建設(shè)分區(qū)、渣場建設(shè)分區(qū)、道路交通工程建設(shè)分區(qū)，在這些區(qū)域要從施工的布置、施工的時段和主體項目的分析結(jié)果入手實施切合實際的防治手段，并且與主體項目的建設(shè)有效進行結(jié)合，從而形成綜合的總體防治體系，使人為原因造成的水土流失和自然環(huán)境破壞得到最大程度的降低。

3)要監(jiān)測水庫工程建設(shè)的水土流失形式、期段及分區(qū)，掌握水土流失的各項情況及水土保持措施的效果，從中找出措施存在的不足或防治效果達不到要求的時候能夠及時采取補救手段，使水土流失得到最大程度的控制。

5 水土流失防治總體布局

由于水庫工程建設(shè)過程中新增水土流失的特性，在對水庫淹沒分區(qū)進行預(yù)防保護措施外，應(yīng)將水庫水源樞紐建設(shè)分區(qū)、施工現(xiàn)場生產(chǎn)和生活設(shè)施分區(qū)、灌溉及供水運輸管線建設(shè)分區(qū)、料場建設(shè)分區(qū)、渣場建設(shè)分區(qū)、道路交通工程建設(shè)分區(qū)、專項水利設(shè)施遷建工程分區(qū)作為水土防治的重點區(qū)域，從地面工程、栽種植被和臨時工程3方面制定措施，形成綜合水土防治總體布局，其中水土保持工程措施主要有去除地表土、地表覆土、阻水溝、平整地面等；植被措施主要有栽種灌喬木、草皮、攀爬植物等；臨時措施主要有臨時遮擋、排水等[9]。通過3方面措施的總體布局，實現(xiàn)水土防治的有效控制，生態(tài)環(huán)境得到最大程度的保護，水土流失防治總體布局如表4所示。

表4 水土流失防治總體布局

6 結(jié) 語

通過對水庫工程進行水土流失防治分區(qū)及責(zé)任范圍合理劃分，設(shè)定水土防治重點工作區(qū)域，進行土壤流失量預(yù)測并進行水土流失計算和危害分析，從而在水土保持工程、植被及臨時三方面實施水土防治措施建立綜合水土防治體系，使水庫工程水土流失得到有效防治控制，自然環(huán)境得到有效改善，最大限度減少水庫工程的水土流失量[10]。