鄂北地區(qū)水資源配置工程土壤侵蝕及水土保持特征

摘 要：作為山丘區(qū)引調(diào)水工程的典型代表，鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)過程會引起地表擾動、植被損壞，從而造成土壤侵蝕，不僅影響工程自身安全，還會對周邊生態(tài)環(huán)境造成破壞?；谶B續(xù)性觀測獲取的降雨、擾動地表面積和土壤流失量等數(shù)據(jù)，分析工程建設(shè)土壤侵蝕規(guī)律及其防治機理。結(jié)果表明：引調(diào)水工程的主體工程區(qū)、存料場區(qū)和交通道路區(qū)的擾動地表面積占項目總面積的85.29%，導(dǎo)致的土壤流失量占工程總土壤流失量的92.57%，是開展水土保持工作的重點區(qū)域；采取工程、植物和臨時措施后項目區(qū)土壤流失量減少至最不利工況條件下的39.69%。研究結(jié)果可為后續(xù)類似工程開展水土流失防治和水土保持措施配置提供科學指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：引調(diào)水工程；土壤流失；水土保持；降雨特征

中圖分類號：S157.1 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

0 引言

近年來，我國大力興建骨干水源工程和河湖水系連通工程，水資源調(diào)控能力和供水保障能力得到提高[1]。山丘區(qū)引調(diào)水工程通過水利工程手段，調(diào)整山丘區(qū)水文循環(huán)，實現(xiàn)水資源的合理配置和利用，有效解決水資源短缺和緩解干旱災(zāi)害等問題，同時有助于促進山丘區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[2]。土壤侵蝕是山丘區(qū)水土資源面臨的主要問題之一，而水土保持措施則是改善土壤侵蝕狀況、維護生態(tài)環(huán)境的重要手段[3-5]。如何選擇和實施適合山丘區(qū)特征的水土保持措施，最大限度地減輕土壤侵蝕對生態(tài)環(huán)境的影響，是亟待解決的科學問題[6]。

目前，山丘區(qū)引調(diào)水工程土壤侵蝕研究方面已取得一定成果。有研究表明引調(diào)水工程的建設(shè)和運行會改變山丘區(qū)的水文循環(huán)格局，導(dǎo)致地表徑流增加、土壤侵蝕加劇[7-8]；另一方面，引調(diào)水工程通過合理設(shè)計水土保持措施可以在一定程度上減輕土壤侵蝕狀況[9]。但已有研究主要從定性角度開展工程建設(shè)水土保持工作評估，較少從定量角度開展工程建設(shè)對土壤侵蝕影響的系統(tǒng)研究[10]。針對山丘區(qū)引調(diào)水工程導(dǎo)致的土壤侵蝕問題，水土保持措施的實施顯得尤為關(guān)鍵，斜坡防護、防洪排導(dǎo)、土地整治、植被措施和臨時措施等水土保持措施在山丘區(qū)引調(diào)水工程中的應(yīng)用已經(jīng)有了一定的實踐經(jīng)驗，但不同措施及其組合效益的定量分析尚需深入研究[11]。此外，不同地區(qū)的氣候、地形、土壤等條件差異，也對引調(diào)水工程水土保持措施的選擇提出了差異性要求[12]。

鄂北地區(qū)水資源配置工程水工建筑物多樣，水土流失影響面廣，是山丘區(qū)引調(diào)水工程的典型代表。工程建設(shè)過程大量擾動地表，破壞原始地貌，可能造成嚴重的水土流失，應(yīng)在分析水土流失成因的基礎(chǔ)上，通過采取攔擋、護坡、排水、土地整治及綠化美化等水土流失綜合防治措施，控制項目區(qū)新增水土流失。開展山丘區(qū)引調(diào)水工程土壤侵蝕及水土保持措施特征研究，不僅能夠為山丘區(qū)水資源管理和生態(tài)保護提供科學依據(jù)，同時對于推動山丘區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 項目及項目區(qū)概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程是以丹江口水庫為水源的線狀工程，以清泉溝輸水隧洞進口為起點，線路自西北向東南穿越鄂北崗地，終點為大悟縣城附近的王家沖水庫。干渠途經(jīng)襄陽市的老河口市、襄州區(qū)、棗陽市，隨州市的隨縣、曾都區(qū)、廣水市以及孝感市的大悟縣等。研究區(qū)處于南襄盆地、桐柏山與大洪山之間，主要為低山、丘陵、垅崗和河谷平原地形。西邊為武當山脈，呈東西向分布，至丹江口、老河口及谷城一線以東，武當山脈被南襄盆地所切斷，地勢平坦，主要為崗波狀平原及殘丘剝蝕平原；東北邊為桐柏山地，為桐柏山脈的東南余脈，海拔300～500 m，屬中低山蔓延的丘陵；南邊為大洪山脈，海拔300～1 000 m，屬中低山區(qū)?？傮w上工程全線壟崗丘陵相間，大致以棗陽沙河為界，沙河以西以壟崗地形為主，沙河以東以丘陵地形為主。工程劃分為主體工程區(qū)、永久辦公生活區(qū)、存料場區(qū)、棄渣場區(qū)、土料場區(qū)、交通道路區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)和拆遷安置與專項設(shè)施復(fù)改建區(qū)。其中建設(shè)區(qū)面積2 505.81 hm2，區(qū)域內(nèi)土壤類型以潮土、水稻土、黃棕壤和黃褐土為主，屬于輕度土壤侵蝕區(qū)，容許土壤流失量為500 t/（km2·a），土壤侵蝕類型主要為水力侵蝕，侵蝕形態(tài)以面蝕為主。降雨量、擾動地表面積和土壤流失量均通過工程實地監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取。項目區(qū)地理位置見圖1。

2 土壤侵蝕及其影響因素特征

2.1 侵蝕影響因素降雨特征

降雨是坡面侵蝕的主要外營力，對于工程建設(shè)區(qū)，由于受機械、人為活動等擾動強烈，原地表植被破壞進而發(fā)生水土流失，在南方地區(qū)，短歷時高強度和長歷時降雨往往會導(dǎo)致嚴重的侵蝕。分析工程施工期間降雨在年內(nèi)和年際的差異性是研究工程土壤侵蝕規(guī)律的重要前提。圖2為研究區(qū)2016年5月（開工時間）至2022年12月（主體工程接近竣工）不同季度及不同年度降雨量?？芍?，2020年降雨總量最大（1 194.90 mm），2019年降雨總量最?。?33 mm），項目區(qū)多年平均降雨總量為853.36 mm。從降雨量年內(nèi)分布看，第二季度（4—6月）和第三季度（7—9月）降雨量顯著高于第一季度和第四季度，2016—2022年第二季度和第三季度降雨量占全年降雨總量的比例達到56.19%～79.04%，多年均值為71.85%?？梢钥闯?，項目區(qū)降雨主要集中在4—9月，與已有研究結(jié)果相近[13]。降雨是侵蝕的主要動力因素，研究并揭示研究區(qū)降雨特征可為后續(xù)開展項目區(qū)土壤侵蝕規(guī)律分析奠定基礎(chǔ)。

2.2 侵蝕影響因素擾動地表面積特征

圖3為項目區(qū)和不同防治分區(qū)累計擾動地表面積隨年份的變化。從累計擾動地表面積來看，2016—2019年項目區(qū)總擾動地表面積呈顯著遞增趨勢，2019年相較于2016年增長率達到199.96%，2019年項目總擾動地表面積即達到水土保持方案批復(fù)總擾動地表面積（2 505.81 hm2）的96.04%，2020年相較于2019年新增擾動地表面積為20.27 hm2，遞增幅度為0.84%，2021—2022年相較于2020年無新增擾動地表面積。

工程施工過程擾動地表主要集中在2016—2019年，但施工過程中擾動地表面積未超過批復(fù)方案總擾動地表面積，表明工程施工嚴格控制擾動范圍，未出現(xiàn)明顯超防治責任范圍施工，工程水土保持工作得到有效落實。工程侵蝕的對象為施工擾動地表，擾動地表面積增加會增大水土流失風險，從累計擾動地表面積變化來看，本工程的水土流失主要集中在2016—2019年和2020年。從不同防治分區(qū)來看，不同區(qū)域的累計擾動地表面積在2016—2019年期間呈顯著遞增變化，在2020—2022年僅主體工程區(qū)和存料場區(qū)有小幅度新增，其他區(qū)域（永久辦公生活區(qū)、棄渣場區(qū)、土料場區(qū)、交通道路區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)、拆遷安置與專項設(shè)施復(fù)改建區(qū)）無新增擾動地表面積，說明工程建設(shè)侵蝕主要發(fā)生在擾動地表面積快速擴張時期。8個防治分區(qū)擾動地表面積均未超過批復(fù)方案設(shè)計擾動地表面積，其中永久辦公生活區(qū)由于主體尚未竣工，該工程選址未完成，因此在2016年實施了局部永臨結(jié)合辦公區(qū)，占地面積占批復(fù)方案設(shè)計的11.60%；而其他防治分區(qū)，截至2022年底擾動區(qū)域占地范圍已達到批復(fù)方案設(shè)計的81.34%～100%。從不同防治分區(qū)來看，主體工程區(qū)擾動地表面積最大，占項目總擾動面積的45.82%，其次是存料場區(qū)，占24.05%，交通道路區(qū)占15.42%，以上3個防治分區(qū)擾動地表面積占項目總擾動地表面積達85.29%。因此，引調(diào)水工程開展水土流失預(yù)防和治理工作時，尤其要注重主體工程區(qū)、存料場區(qū)和交通道路區(qū)的水土保持工作。

2.3 土壤流失量

圖4為工程總土壤流失量和不同年份各防治分區(qū)土壤流失量統(tǒng)計。批復(fù)方案預(yù)測工程施工期間造成土壤流失總量為63.97萬t，其中存料場區(qū)預(yù)測土壤流失量占比最大，為42.16%，其次是主體工程區(qū)（28.16%）和棄渣場區(qū)（20.11%），以上3個防治分區(qū)預(yù)測土壤流失量占工程總土壤流失量的90.43%，交通道路區(qū)和施工生產(chǎn)生活區(qū)預(yù)測土壤流失量分別占總土壤流失量的7.98%和1.48%，而永久辦公生活區(qū)、土料場區(qū)和拆遷安置與專項設(shè)施復(fù)改建區(qū)預(yù)測土壤流失量占比均低于1%。

不同年份總土壤流失量觀測結(jié)果表明，2016—2019年項目區(qū)總土壤流失量呈顯著遞增趨勢，2019年相較于2016年增長率達到552.42%，且在整個施工期中2019年土壤流失量最大為8.39萬t，2020年土壤流失量仍較大，為6.05萬t，相較于2016年增大370.83%。2021年和2022年土壤流失量突降至

1 661 t和1 606 t，相較于2016年分別減少了87.08%和87.50%，可能是由于該時段內(nèi)無新增擾動地表面積，原擾動地表已硬化或者落實了水土保持措施，使得土壤流失顯著下降。不同防治分區(qū)土壤流失量結(jié)果表明，主體工程區(qū)土壤流失總量占總水土流失量比例最大，為44.41%，其次是存料場區(qū)（32.61%）和交通道路區(qū)（11.55%），棄渣場區(qū)、土料場區(qū)以及施工生產(chǎn)生活區(qū)土壤流失量占比均小于10%，分別是7.84%、2.42%和1.11%，而永久辦公生活區(qū)和拆遷安置與專項設(shè)施復(fù)改建區(qū)占比均小于0.05%。項目區(qū)2016—2022年觀測到的土壤流失總量為27.75萬t，占預(yù)測土壤流失總量的43.38%，其中主體工程區(qū)、永久辦公生活區(qū)、存料場區(qū)、棄渣場區(qū)、土料場區(qū)、交通道路區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)和拆遷安置與專項設(shè)施復(fù)改建區(qū)2016—2022年觀測到總土壤流失量分別為批復(fù)方案預(yù)測流失量的68.42%、23.85%、33.56%、16.92%、1162.56%、62.82%、32.56%、422.22%，可以看出，土料場區(qū)和拆遷安置與專項設(shè)施復(fù)改建區(qū)的觀測土壤流失量比預(yù)測流失量大，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是在批復(fù)方案設(shè)計階段，對土料場區(qū)設(shè)計的措施包括臨時攔擋、臨時排水溝、臨時沉沙池以及實施喬灌草的綜合綠化，對專項設(shè)施復(fù)改建區(qū)僅實施臨時攔擋，在實際施工過程中，由于受人為和機械擾動嚴重，施工過程中僅落實了臨時防護措施，但由于臨時措施具有一定的時效性，后續(xù)無法持續(xù)發(fā)揮水土保持效益，同時植物措施實施較滯后，導(dǎo)致了以上2個分區(qū)的侵蝕量高于預(yù)測值。但其他防治區(qū)觀測土壤流失量均顯著小于預(yù)測值，占比在16.92%～68.42%，均值為39.69%，說明工程實際施工過程中由于落實了水土保持措施，發(fā)生水土流失的風險和程度顯著降低，水土保持“三同時”制度得到較好的落實，水土保持綜合防護效益凸顯，造成的水土流失量顯著下降。

對比分析年總土壤流失量與年降雨總量、年累計擾動地表面積，可知土壤流失量變化區(qū)域與累計擾動地表面積呈顯著的耦合關(guān)系，均在2016—2019呈顯著遞增趨勢。工程擾動范圍逐漸增大時，項目區(qū)水土流失面積顯著遞增，在降雨條件下尤其是短歷時高強度和長歷時等極端降雨天氣條件下極易引發(fā)嚴重水土流失。本研究中土壤流失量與年降雨總量的相關(guān)性無明顯規(guī)律，主要是因為擾動地表面積對土壤侵蝕的作用掩蓋了降雨的作用，但降雨作為土壤流失的主要驅(qū)動力，是導(dǎo)致項目區(qū)水土流失的主要外因。

3 水土保持措施配置

批復(fù)方案對項目區(qū)土壤流失量的預(yù)測是基于無措施且最不利工況開展的。而實際施工過程中，根據(jù)《中華人民共和國水土保持法》及相關(guān)標準、規(guī)范等要求，水土保持需要與主體工程“同時設(shè)計、同時施工和同時投產(chǎn)使用 ”，采取水土保持措施后，工程建設(shè)造成的水土流失能夠得到有效緩解。

批復(fù)方案針對各防治分區(qū)采取了工程措施、植物措施和臨時措施于一體的綜合防護體系。水土保持措施布設(shè)的原則是以臨時防護措施為先導(dǎo)，確保施工過程中的水土流失得到有效控制，同時重點保護各防治區(qū)的表層耕植土，便于后期植被恢復(fù)或復(fù)耕；以工程措施為重點，發(fā)揮其速效性和保障作用；以植物措施為輔助，起到長期穩(wěn)定的水土保持作用，同時綠化和美化項目區(qū)周邊環(huán)境。按照工程措施和植物措施相結(jié)合、重點治理和一般防護相結(jié)合、安全保護和水土資源保護相結(jié)合、治理水土流失和恢復(fù)并提高土地生產(chǎn)力相結(jié)合等原則，對建設(shè)區(qū)水土流失進行系統(tǒng)、全面設(shè)計，形成完整的水土流失防治體系。由于本工程所在區(qū)域涉及國家級水土流失重點預(yù)防區(qū)和湖北省省級水土流失重點治理區(qū)，水土流失防治標準分別按照一級標準和二級標準執(zhí)行。根據(jù)實地調(diào)查統(tǒng)計，本工程實際實施的水土保持工程措施包括表土剝離及回覆、漿砌石擋墻、漿砌石腳槽、截排水溝、沉沙池和土地整治；植物措施包括栽植喬灌和撒播草籽；臨時措施包括袋裝土攔擋、臨時排水溝、臨時沉沙池和臨時苫蓋等。

為直觀分析水土保持措施對工程土壤流失的影響，以批復(fù)方案各項措施量為基礎(chǔ)，統(tǒng)計了截至2022年底各項措施的完成情況（見圖5）?？傮w來看，植物措施的實施進度在27%～79%，均值為53%；臨時措施的實施進度達到92%～100%，均值為96%；工程措施的實施進度為89%～100%，均值為95%。已實施措施綜合進度達到81%?？芍?，在工程施工過程中，批復(fù)方案的各項水土保持措施基本得到了落實，對項目區(qū)土壤侵蝕起到有效的防治效果，建議盡快落實植物措施，充分發(fā)揮植物措施防治水土流失的可持續(xù)性，更有效地防治水土流失。

4 結(jié)論

針對典型山丘區(qū)引調(diào)水工程土壤侵蝕和水土保持特征開展定量分析。主要結(jié)論如下：

（1）引調(diào)水工程的主體工程區(qū)、存料場區(qū)和交通道路區(qū)占地面積最大，是土壤侵蝕最嚴重的區(qū)域，應(yīng)作為水土保持工作重點關(guān)注區(qū)域，同時施工前期擾動地表面積快速增大時期是水土流失防治的重點時段，尤其4—9月份雨季期間施工容易造成嚴重水土流失。

（2）采取水土保持工程措施、植物措施和臨時措施，可以使工程建設(shè)過程造成的土壤流失量下降至最不利條件下預(yù)測土壤流失量的39.69%。

（3）建議在工程施工過程中對于已完成區(qū)域加快植物措施的實施進度，通過增加地表覆蓋達到減少水土流失目的。

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Characteristics of Soil Erosion and Water and Soil Conservation in North Hubei Water Resources Allocation Project

LI Shiwei1，LIU Chenxi2，TAN Shuping3

（1. Construction and Management Bureau of North Hubei Water Transfer Project，Wuhan 430062，China；2. Soil and Water Conservation Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3. Sichuan Jiuma Expressway Co.，Ltd.，Akan Tibetan and Qiang Autonomous Prefecture 624600，China）

Abstract：North Hubei water resource allocation project is a typical representative in water diversion projects in hilly regions. Terrain disturbance and vegetation destruction caused by the construction of this project will trigger soil erosion，endangering the safety of the project itself and also damaging the local ecological environment. We analyzed the soil erosion patterns，prevention and control mechanisms in construction project using data obtained by continuous observation including rainfall level，disturbed surface area and soil loss. Research findings indicate that the disturbed regions encompassing core project area，material storage area，and transportation route area of the water diversion project constituted 85.29% of the total project area，contributing to 92.57% of the overall soil loss. This identifies these zones as pivotal for implementing water and soil conservation practices. Through strategic engineering，vegetation，and interim interventions，soil loss in the project area decreased to 39.69% under the most adverse conditions. The research outcomes offer scientific insights for guiding future efforts in the measure allocation for prevention and control of soil erosion and soil and water conservation in similar projects.

Key words：water diversion project；soil erosion；water and soil conservation；rainfall characteristics

作者簡介：李世維，男，高級工程師，本科，主要從事水利工程建設(shè)管理。E-mail：17104492@qq.com