自然修復(fù)因素對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體土壤流失影響探究

王浩宇，楊 陽(yáng)，朱昊宇，李聰聰，桂博文，姬 鈺

（1.安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院（安徽省水利工程質(zhì)量檢測(cè)中心站），水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233000；2.六安市水土保持中心，安徽 六安 237000；3.蚌埠市水利局，安徽 蚌埠 233000；4.淮河水利委員會(huì)淮河流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，安徽 蚌埠 233000）

1 研究背景

我國(guó)新增水土流失以生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失為其主要來(lái)源[1]，它是一種典型的人為加速侵蝕，形成了大量的特殊地貌單元。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目施工期中常見(jiàn)的土壤流失單元類型有工程堆積體、一般擾動(dòng)地表、工程開(kāi)挖面，相較而言，工程堆積體土壤流失最為嚴(yán)重，因其具有坡度陡，邊坡松散，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，抗沖抗蝕性極差的特點(diǎn)，在外力作用下，較大的塑性和流變變形容易發(fā)生，水土流失量極大[2]。為了調(diào)控生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體水土流失，準(zhǔn)確測(cè)算土壤流失量，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者運(yùn)用定性和定量相結(jié)合的方法，從宏觀的外部因素對(duì)工程堆積體水土流失量的影響方面開(kāi)展了一系列的研究，揭示了工程堆積體侵蝕過(guò)程，并初步建立了上方無(wú)來(lái)水工程堆積體土壤流失量測(cè)算模型——Mdw=XRGdwLdwSdwA[3]。然而，該模型的建立基于時(shí)間緊急需求迫切的生產(chǎn)任務(wù)；在最不利條件下，即在不采取任何水土保持措施、不考慮自然修復(fù)、水土流失時(shí)間加長(zhǎng)的情況下對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量進(jìn)行事前預(yù)測(cè)、事中監(jiān)測(cè)和事后計(jì)算，為政府監(jiān)督執(zhí)法和水土保持方案編制服務(wù)，因此在模型建立過(guò)程中簡(jiǎn)化甚至忽略了一些對(duì)工程堆積體的土壤侵蝕有重要影響的因素[4-5]。

根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測(cè)算導(dǎo)則》（SL773-2018）（以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》），工程堆積體在上方無(wú)來(lái)水沖刷的一般情況下，土壤流失測(cè)算影響因子主要有工程堆積體形態(tài)因子、降雨侵蝕力因子、土石質(zhì)因子、坡長(zhǎng)因子、坡度因子，并無(wú)體現(xiàn)自然修復(fù)能力的相關(guān)因子。而筆者通過(guò)對(duì)大量生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)的研究，觀測(cè)到工程堆積體相對(duì)于工程開(kāi)挖面和一般擾動(dòng)地表土壤流失單元，通常具有靜態(tài)堆放時(shí)間較長(zhǎng)，在施工期長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人為擾動(dòng)的特點(diǎn)，此時(shí)自然修復(fù)能力將發(fā)揮作用，可減弱土壤流失強(qiáng)度，而擾動(dòng)地表和工程開(kāi)挖面由于人為活動(dòng)的持續(xù)性，破壞了自然修復(fù)過(guò)程，使其無(wú)法發(fā)揮作用。

鑒于此，本研究以安徽省淮河干流一般堤防加固工程（蚌埠段）為例，在施工期選取具有典型代表性的工程堆積體、地表翻擾型一般擾動(dòng)地表和工程開(kāi)挖面單元作為研究對(duì)象，采用控制變量法，通過(guò)比較《導(dǎo)則》測(cè)算模型計(jì)算結(jié)果與土壤流失量實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，基于年土壤侵蝕模數(shù)，分析同一個(gè)研究單元模型計(jì)算值與實(shí)際值的縱向誤差，以及不同研究單元誤差的橫向差異，論證自然修復(fù)因素對(duì)工程堆積體土壤侵蝕的切實(shí)影響，并探究工程堆積體土壤流失測(cè)算模型中加入自然修復(fù)因子的合理性，以期完善模型、提升其測(cè)算精度，為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督和治理工作作出貢獻(xiàn)。

2 項(xiàng)目概況

安徽省淮河干流一般堤防加固工程（蚌埠段）屬于安徽省淮河干流一般堤防加固工程的一部分，位于安徽省蚌埠市禹會(huì)區(qū)、懷遠(yuǎn)縣境內(nèi)，于2016 年12 月開(kāi)工，2020 年6 月完工。工程包含黃蘇段、天河封閉堤和塌荊段3 段堤防，主要建設(shè)內(nèi)容涉及新筑堤岸、堤身加培、新建堤頂?shù)缆?、新建管理區(qū)、拆除重建涵閘和泵站，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，堤防級(jí)別為3 級(jí)。項(xiàng)目區(qū)所屬土壤侵蝕類型為北方土石山區(qū)，土壤侵蝕強(qiáng)度以微度為主，侵蝕類型以水力侵蝕為主，表現(xiàn)形式主要為面蝕，其次為溝蝕，水土流失容許值為200t/（km2·a）。

3 研究對(duì)象及方法

3.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象選取安徽省淮河干流一般堤防加固工程（蚌埠段）具有代表性的工程堆積體（天河封閉堤后湖站臨時(shí)堆土）作為A 觀測(cè)點(diǎn)、地表翻擾型一般擾動(dòng)地表（天河封閉堤后湖站施工作業(yè)場(chǎng)地）作為B 觀測(cè)點(diǎn)、工程開(kāi)挖面（塌荊段芡荊站基坑開(kāi)挖面）作為C 觀測(cè)點(diǎn)。其中天河封閉堤后湖站臨時(shí)堆土來(lái)源為外購(gòu)?fù)?，?019 年1 月堆放完成，穩(wěn)定保持1 年以上，觀測(cè)樣地投影面積3100m2；天河封閉堤后湖站施工作業(yè)場(chǎng)地主要用于存放預(yù)制混凝土塊和停放機(jī)械，地面裸露無(wú)硬化，持續(xù)擾動(dòng)1 年，觀測(cè)樣地面積5000m2；塌荊段芡荊站基坑于2019 年1月達(dá)到最大挖深，形成穩(wěn)定開(kāi)挖面，施工作業(yè)1 年后回填，觀測(cè)樣地投影面積2200m2。

研究采用控制變量法，除自然修復(fù)因素不同外，控制3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的其余影響因素均處于同一水平。一般環(huán)境因素：降雨量及降雨強(qiáng)度、宏觀地形、氣溫、濕度、風(fēng)力等須處于同一水平（選取的3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)距離較近，環(huán)境條件一致）；特殊環(huán)境因素：觀測(cè)點(diǎn)均不可受河流沖刷、上方來(lái)水沖刷、泥石流、滑坡、崩落等影響；人為因素：觀測(cè)點(diǎn)均不主動(dòng)布設(shè)人為防治措施。

3.2 研究方法

（1）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及取樣驗(yàn)算，得到必要的基礎(chǔ)參數(shù)后，應(yīng)用《導(dǎo)則》測(cè)算模型分別計(jì)算出各觀測(cè)點(diǎn)2019 年土壤侵蝕模數(shù)[6]。

A 觀測(cè)點(diǎn)土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算：

式中：Mdw為上方無(wú)來(lái)水工程堆積體計(jì)算單元土壤侵蝕模數(shù)，t/（km2·a）；X 為工程堆積體形態(tài)因子，無(wú)量綱；R 為年降雨侵蝕力因子，MJ·mm/hm2·h；Gdw為上方無(wú)來(lái)水工程堆積體土石質(zhì)因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；Ldw為上方無(wú)來(lái)水工程堆積體坡長(zhǎng)因子，無(wú)量綱；Sdw為上方無(wú)來(lái)水工程堆積體坡度因子，無(wú)量綱。

B 觀測(cè)點(diǎn)土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算：

式中：Myd為地表翻擾型一般擾動(dòng)地表計(jì)算單元土壤侵蝕模數(shù)，t/（km2·a）；R 為年降雨侵蝕力因子，MJ·mm/hm2·h；Kyd為地表翻擾后土壤可蝕性因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；Ly為坡長(zhǎng)因子，無(wú)量綱；Sy為坡度因子，無(wú)量綱；B 為植被覆蓋因子，無(wú)量綱；E 為工程措施因子，無(wú)量綱；T 為耕作措施因子，無(wú)量綱。

C 觀測(cè)點(diǎn)土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算：

式中：Mkw為上方無(wú)來(lái)水工程開(kāi)挖面計(jì)算單元土壤侵蝕模數(shù)，t/（km2·a）；R 為年降雨侵蝕力因子，MJ·mm/hm2·h；Gkw為上方無(wú)來(lái)水工程開(kāi)挖面土質(zhì)因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；Lkw為上方無(wú)來(lái)水工程開(kāi)挖面坡長(zhǎng)因子，無(wú)量綱；Skw為上方無(wú)來(lái)水工程開(kāi)挖面坡度因子，無(wú)量綱。

（2）以2019 年為觀測(cè)期，從1 月至12 月逐月監(jiān)測(cè)A 觀測(cè)點(diǎn)（測(cè)釘法）、B 觀測(cè)點(diǎn)（集沙池法）、C觀測(cè)點(diǎn)（坡面侵蝕溝觀測(cè)法）的土壤流失量，最終得出各觀測(cè)點(diǎn)2019 年實(shí)際綜合土壤侵蝕模數(shù)。

（3）分析各觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)用《導(dǎo)則》測(cè)算模型計(jì)算值與土壤侵蝕模數(shù)實(shí)測(cè)值的差值，比較各觀測(cè)點(diǎn)之間差值的差異，得出相關(guān)結(jié)論。

4 結(jié)果及分析

4.1 基礎(chǔ)參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及取樣驗(yàn)算，得到必要的基礎(chǔ)參數(shù)如下：

A 觀測(cè)點(diǎn)：年降雨量678.1mm；侵蝕面為傾斜平面；土體礫石含量0.1；土質(zhì)類型為黏壤土；坡度55°；水平投影坡長(zhǎng)度1.54m。

B 觀測(cè)點(diǎn)：年降雨量678.1mm；擾動(dòng)前土壤可蝕性因子0.0038t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；土壤可蝕性因子增大系數(shù)2.13；樣地平均坡度3°；水平投影坡長(zhǎng)度40m；無(wú)植被覆蓋，無(wú)工程措施，無(wú)耕作措施。

C 觀測(cè)點(diǎn)：年降雨量678.1mm；土體干密度2.65g/cm3；粉粒含量0.35；黏粒含量0.35；開(kāi)挖面穩(wěn)定后坡度60°；水平投影坡長(zhǎng)度0.866m。

4.2 結(jié)果分析

應(yīng)用《導(dǎo)則》測(cè)算模型分別計(jì)算出各觀測(cè)點(diǎn)2019 年土壤侵蝕模數(shù)，同時(shí)匯總各觀測(cè)點(diǎn)全年土壤流失量，得出各觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)土壤侵蝕模數(shù)。對(duì)比各觀測(cè)點(diǎn)《導(dǎo)則》測(cè)算模型計(jì)算結(jié)果與土壤侵蝕模數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果，分析縱向誤差，以及不同觀測(cè)點(diǎn)誤差的橫向差異。各觀測(cè)點(diǎn)土壤侵蝕模數(shù)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差對(duì)比表詳見(jiàn)表1。

表1 各觀測(cè)點(diǎn)土壤侵蝕模數(shù)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差對(duì)比表

通過(guò)分析可見(jiàn)，B、C 觀測(cè)點(diǎn)的土壤侵蝕模數(shù)模型計(jì)算值相較實(shí)測(cè)值變化不大，說(shuō)明B、C 觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)用《導(dǎo)則》測(cè)算模型誤差較?。籄 觀測(cè)點(diǎn)土壤侵蝕模數(shù)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較大，誤差比例超過(guò)了8.1%，說(shuō)明A 觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)用《導(dǎo)則》測(cè)算模型誤差較大，主要原因是工程堆積體測(cè)算模型忽略了自然修復(fù)因素的影響。

5 結(jié)論及展望

（1）通過(guò)對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目3 種不同土壤流失類型觀測(cè)點(diǎn)的橫向?qū)Ρ?，地表翻擾型一般擾動(dòng)地表、工程開(kāi)挖面應(yīng)用《導(dǎo)則》測(cè)算模型誤差較小，工程堆積體應(yīng)用《導(dǎo)則》測(cè)算模型誤差較大，說(shuō)明由于工程堆積體的長(zhǎng)期堆放及相對(duì)無(wú)擾動(dòng)，使自然修復(fù)因素對(duì)其土壤流失過(guò)程產(chǎn)生了顯著影響，故工程堆積體土壤流失測(cè)算模型需加入自然修復(fù)因子進(jìn)行修正。

（2）工程堆積體自然修復(fù)能力是筆者總結(jié)大量生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)研究工作經(jīng)驗(yàn)所提出的構(gòu)想，具有一定的概念性，且受不同地區(qū)自然氣候環(huán)境影響，并不是一個(gè)統(tǒng)一的取值，具體的取值方法還須在更廣泛、更多樣的區(qū)域進(jìn)一步研究，以期提升《導(dǎo)則》測(cè)算精度