工程开挖面特征及土壤流失量快速监测方法探讨

张平仓，周 若，程冬兵，李亚龙，许文盛

(长江科学院a.水土保持研究所;b.科研计划处，武汉 430010)

1 研究背景

随着我国社会经济的高速发展，交通运输、城镇建设、大型水利水电、矿山开采、石油化工等工程建设项目迅猛增长，工程建设所造成的人为水土流失在全国水土流失总量中占据越来越大的比重。“十五”期间，我国生产建设项目扰动面积达到5.53万km2，弃土弃渣量92亿t，平均每年实际发生的水土流失面积约为2.74万 km2，造成的水土流失量9.5亿t。“十一五”期间，全国生产建设项目扰动地表面积和水土流失面积较“十五”增加11.5%，弃土弃渣增加8.8%，水土流失量增加6.7%。工程建设造成的水土流失强度高、范围广、危害大，严重危及人类赖以生存的水土资源和自然环境，给经济社会发展、生态安全以及人民群众的生产生活带来威胁［1］。

工程开挖面是人为水土流失的主要来源之一，尽管我国围绕人为水土流失问题进行了一定的研究工作，但针对工程开挖面水土流失监测方面的研究非常有限，一般都是采用常规的水土流失监测技术方法，没有特别区分其与原生下垫面差异，难以对工程开挖面水土流失进行准确估算，不能为决策者、执法者提供依据，也无法科学布设防治措施，因此，准确、快速监测工程开挖面水土流失量具有重要的现实意义和迫切的社会需求。

2 工程开挖面调查与分类

2.1 工程开挖面调查

开挖面是指因生产建设项目需要而开挖的、由风化壳或母质(母岩)构成的坡面。本研究于2010—2011年分4次分别对北方土石山区、东北黑土区、西南土石山区、南方红壤区的生产建设项目形成的开挖面进行了野外调查与勘测，主要调查内容包括生产建设项目类型、行政区划、地理位置，开挖面下垫面的土壤类型、质地、土层厚度、成土母质、物质组成、土石比例、坡度、坡长、侵蚀形式、时间等。累计调查开挖面100多个，典型开挖面76个，涉及公路、城镇建设、铁路、渠道堤防、露采矿、电力、水利水电、农林开发、管线、冶金化工等生产建设项目类型，见图1。其中公路开挖面数量最多，占总开挖面的47%;其次是城镇建设，占总开挖面的20%。这与近年来国家加强交通建设和城镇建设的战略是相符的。

根据下垫面物质组成，一般可将开挖面分为土质、石质、土石混合3类。根据调查结果(如图2)，在典型开挖面中，土质开挖面38个，数量最多，占总开挖面的50%;其次土石混合开挖面28个，占总开挖面的37%;土质和土石混合开挖面占总开挖面的87%;石质开挖面10个，数量最少，仅占总开挖面的13%。

图1 开挖面涉及的生产建设项目类型Fig.1 Types of engineering involving excavated slope

2.2 工程开挖面分类

由于石质开挖面为纯岩石坡面，不存在土壤流失，本研究不予考虑，所以本研究下面所提开挖面仅指土质和土石混合开挖面。根据开挖面坡面组成物质分异特征、周围环境状态、有无汇水影响等，结合土壤流失量监测工作需要，对开挖面进行概化，重新提出工程开挖面分类体系，如图3。

首先根据开挖面的坡面物质分异特征，可将开挖面划分为均质面和非均质面两类。均质面是指整个坡面物质组成及分布相对均一的开挖面。

非均质面是指整个坡面物质组成及分布存在明显分异特征，或成规律的上下分层，或成无规律的斑块状分布，下垫面特征复杂多样，对测算其土壤流失量和研究水土流失规律造成极大困难。为便于土壤流失量测算，可将非均质面进一步概化为若干条分界线将整个坡面分隔为若干个均质面，根据各均质面测算结果累加得到非均质面。

根据开挖面上方有无汇水影响，可进一步将开挖面划分有汇水影响开挖面和无汇水影响开挖面两类。当开挖面坡顶未越过分水岭，在坡顶无人工截水沟或天然截水沟等截水措施，开挖面受坡顶以上的来水冲刷时，称为有汇水影响的开挖面。已有的研究表明［2］，当坡面接受上方汇水后，各侵蚀方式演变速度明显加快，侵蚀产沙量迅速增大。因为上方有汇水时，使坡面下方的径流量和流速增大，从而引起坡面径流侵蚀能力加大。受降雨强度、坡度和坡面侵蚀发育不同阶段的影响，上方汇水对坡面产沙的作用明显不同。当坡面侵蚀处于片蚀阶段，坡面上方汇水主要使坡面水流速度加快，形成坡面跌水现象较快，从而加快了片蚀向细沟侵蚀的演变。当坡面处于细沟侵蚀发育的初期和中期时，上方汇水成为坡面侵蚀的主要动力，细沟发育的速度明显加快，主要表现为细沟侵蚀的下切侵蚀和侧蚀发展明显。据张新和、郑粉莉等测算，当坡面侵蚀以片蚀和细沟侵蚀为主时，上方汇水引起的净侵蚀产沙量占总侵蚀量的55.6% ～78.15%［2］。当细沟演变为切沟后，上方汇水和降雨径流进一步增大，沟槽水流的侵蚀力及搬运泥沙的能力也随之进一步增强，沟头沟底不断下切加深、沟壁崩塌加宽，上方汇水引起的净侵蚀产沙量占总侵蚀量的90%左右［3］。

当开挖面坡顶越过了分水岭，或在坡顶有人工截水沟、天然截水沟等截水措施，开挖面不受坡顶以上的来水冲刷时，称为无汇水影响的开挖面。对于无汇水影响的开挖面，其侵蚀外营力主要为降雨及其形成的径流。

根据调查结果(如图4所示)，在典型开挖面中，均质面44个，占67%;非均质面22个，占33%;有汇水影响开挖面62个，占94%;无汇水影响开挖面4个，占6%。可见，开挖面受汇水影响非常普遍，易产生沟蚀而造成严重的水土流失。

图2 开挖面物质组成分类Fig.2 Classification of the material composition of excavated slope

图3 开挖面分类体系Fig.3 Classification of excavated slope

图4 开挖面类型分布Fig.4 Distribution of excavated slope types

3 开挖面特征分析

3.1 物质组成界定

土壤指覆盖于地球陆地表面、具有肥力特征的、能够生长绿色植物的疏松物质层。而开挖面在表土剥离后，扰动的土一般由风化壳或母质(母岩)构成，与土壤存在显著差别。因此，工程开挖面流失的土并非是传统意义的土壤，而是工程意义上的土，主要由风化壳或母质(母岩)组成，可能含有一定的土壤。

根据调查取样分析，开挖面平均干密度变化范围在1.01～1.74 g/cm3之间。其中，干密度在1.41～1.60 g/cm3之间的样本最多，占样本总数的41%;其次为1.21 ～ 1.40 g/cm3，占 32%;＜1.2 g/cm3，＞1.61 g/cm3均较少，分别占 18% 和 9%。由此可见，开挖面紧实度高，干密度大。

3.2 坡度坡长

根据调查结果，开挖面坡度在10°～90°之间。其中，60°～70°的开挖面最多，占样本总数的21%;其次是 40°～50°，占 19%，30°～40°占 16%;小于20°的开挖面最少，仅占2%;80°～90°仅占 9%;换言之，30°～70°的开挖面达70%。

开挖面坡长在0.7～230 m之间。其中，小于10 m的开挖面最多，占样本总数的48%，其次为11～20 m，占28%，大于20 m仅占24%。可见开挖面以10 m左右的坡长为主。

3.3 开挖时间

根据调查结果，开挖时间在1～36个月之间，个别样本在数年以上。其中，小于6个月的开挖面所占比例最高，达到37%;其次为7～12个月，占31%;13～24个月占21%。也就是说开挖时间小于24个月占89%。可见开挖面大多在2 a之内，产生的水土流失就集中的前2 a。

4 开挖面水土流失特点

4.1 土壤流失量测算精度

根据新水土保持法判罚最小单位为m3，按干密度1.0 ～2.0 g/cm3，折算土壤流失量为 1 ～2 t。因此，可以确定开挖面土壤流失量的监测精度为t。

4.2 开挖面水土流失形式

根据开挖面调查结果，按其最小开挖面大小为100 m2，要产生最小1 m3土壤流失量，其平均流失厚度为1 cm，按照水力强度分级标准，其水土流失强度达极强烈侵蚀。根据水土流失规律，在水土流失发生初级阶段，以降雨击溅侵蚀和面蚀为主，产生的水土流失非常有限，随着产流从漫流形成股流，径流冲蚀力增大，细沟、浅沟，甚至切沟出现，水土流失迅速增大，产生严重的水土流失。根据贾志军研究结果［4］，一次降雨情况下，细沟侵蚀量占侵蚀量的75% ～96%。郑粉莉等［5］研究得出浅沟发育初期和中期阶段，浅沟侵蚀量占总坡面侵蚀产沙的58%。因此，达到极强烈时，水土流失形式主要以细沟、浅沟、切沟等沟状侵蚀为主。由于开挖面表面多已有人为开挖造成的或深或浅的沟痕，也为沟状侵蚀快速发育提供了条件。同时，由于开挖面组成物质紧实，降雨产生的击溅作用有限，漫流未形成股流之前对坡面破坏剥蚀能力有限，致使面蚀产生的水土流失相对沟蚀比重非常小。因此，要产生最小1 m3土壤流失量，开挖面的水土流失形式主要为沟蚀。

5 土壤流失量监测方法优选

5.1 监测对象

综合开挖面特征及水土流失形式，确定工程开挖面土壤流失量监测重点对象为有汇水影响、出现沟蚀、2 a内的开挖面已发生的土壤流失量。

5.2 土壤流失量监测方法

5.2.1 现有监测方法概述

在水土保持监测过程中，一般按照《水土保持监测技术规程》要求，主要采取了常规方法与新技术相结合的方式，如图5所示。

图5 水土保持监测技术体系Fig.5 System of the monitoring technologies for soil and water conservation

径流小区适用于坡面水土流失长期定位观测，技术成熟、适用范围广、监测数据准确，但周期长、成本高。

测钎(桩)适用于坡面水土流失长期定位观测，技术成熟、适用范围广、成本低，易操作，但监测数据精度较差、周期长。

控制站适用于有完整集水区域，且只有唯一出口的区域水土流失长期定位观测，技术成熟、监测数据准确，但适用性受限，不适合坡面监测，且周期长。

沉沙池法适用于泥沙出口易确定、且出口处便于修筑沉沙池的坡面，其水土流失长期定位观测成本低，易操作，但适用性受限、监测数据精度较差、周期长。

侵蚀沟量测法(填充法)适用于已产生明显沟蚀的坡面，成本低、易操作、数据获取快，但适用性受限、监测数据精度较差。

调查一般作为辅助手段，成本低，但获取数据可信度差。

水土流失移动实验室主要适用于模拟短缓坡、无汇水影响的坡面，技术成熟、周期短、监测数据精度高，且可监测水土流失过程，主要为水土流失估算(预测)提供科学依据。但适用性受限、成本较高、操作较复杂。

放水冲刷实验主要适用于模拟有汇水影响的坡面，周期短、监测数据精度高，且可监测水土流失过程，主要为水土流失估算(预测)提供科学依据。但适用性受限、操作较难。

三维激光扫描仪主要适用于已产生明显沟蚀的坡面，具有以下优点:①扫描速度快，地面三维激光扫描仪可在短时间内获取坡面沟谷的三维信息;②非接触式工作，扫描仪发射激光束在测量目标自动反射，避免人为扰动;③数据信息丰富，可以在进行空间三维坐标测量的同时，获取目标表面的激光强度信号和真彩色信息，为目标的识别和分类提供了更多途径;④主动性工作，自动发射测量信号，不需要外部光源配合，可在白天黑夜全天候作业，提高了作业效率;⑤高精度，地面激光扫描能以高精度的方式获取目标的坡面微地形特征;⑥可量测，可以直接在点云上获取三维坐标、距离、方位角、表面法向量，还可以计算得到点云所表达目标的表面积、体积等。霍云云等人［6］利用三维激光扫描仪可以很好地对坡面细沟侵蚀过程进行动态监测，通过它可以直观地监测坡面各点的微地形变化，与以往研究方法相比，具有使用方便、精度高、监测范围大等优点，是一种用于监测坡面微地形变化的新方法，认为三维激光扫描仪非常适合应用于野外实地检测侵蚀发育过程，并且可将扫描结果应用于侵蚀模型的建立。但该技术适用性受限，仅能用于已产生沟蚀的坡面，另外设备成本较高。

以上监测方法各有优缺点，根据监测对象和要求，因地制宜选择监测方法。

5.2.2 开挖面土壤流失量监测方法

鉴于监测精度要求、开挖面特征、水土流失形式，在综合比较各监测方法的基础上，工程开挖面土壤流失量快速监测宜采取三维激光扫描仪。理由如下:

(1)监测对象是已产生沟蚀的开挖面，无需对溅蚀、片蚀进行监测。

(2)监测内容是已发生的土壤流失量，无需对土壤流失过程进行监测，也无需对未来进行预测。

(3)监测精度为t，高精度监测土壤流失量没有必要，低精度监测没有意义。

(4)满足快速监测要求，以便及时为项目业主、水行政执法部门提供决策及执法依据。

因此，三维激光扫描仪±2 mm的测量精度，方便快捷及易操作性等特性，正符合工程开挖面土壤流失量的快速准确监测要求。

6 结论

(1)累计调查开挖面100多个，典型开挖面76个，其中公路开挖面数量最多，占总开挖面的47%;其次是城镇建设，占20%。根据下垫面物质组成，一般可将开挖面分为土质、石质、土石混合3类。土质开挖面38个，数量最多，占总开挖面的50%;其次土石混合开挖面28个，占37%;石质开挖面10个，数量最少，占13%。

(2)根据开挖面的坡面物质分异特征，可将开挖面划分为均质面和非均质面两类。根据开挖面上方有无汇水影响，可进一步将开挖面划分有汇水影响开挖面和无汇水影响开挖面两类。在典型开挖面中，均质面占67%，非均质面占33%，有汇水影响开挖面占94%，无汇水影响开挖面占6%。

(3)工程开挖面流失的土主要由风化壳或母质(母岩)组成，可能含有一定的土壤，紧实度高，重度大，坡度30°～70°达70%，坡长主要为10 m左右，开挖时间大多在2 a之内。

(4)开挖面土壤流失量的监测精度为t，水土流失形式主要为沟蚀。

(5)鉴于监测精度要求、开挖面特征、水土流失形式，工程开挖面土壤流失量快速监测宜采取三维激光扫描仪。当经济条件受限，亦可采取侵蚀沟量测法(填充法)粗略估算土壤流失量。

［1］水利部，中国科学院，中国工程院.中国水土流失防治与生态安全—开发建设活动卷［M］.北京:科学出版社，2010.(Ministry of Water Resources/Chinese A-cademy of Sciences/Chinese Academy of Engineering.Prevention and Control of Soil Erosion and Ecological Security in China:Development and Construction Volume［M］.Beijing:Science Press，2010.(in Chinese))

［2］张新和，郑粉莉，汪晓勇，等.上方汇水对黄土坡面侵蚀方式演变及侵蚀产沙的影响［J］.西北农林科技大学学报(自然科学版)，2008，36(3):105－110.(ZHANG Xin-he，ZHENG Fen-li，WANG Xiao-yong，et al.Effects of Upslope Runoff on Loessial Hillslope Erosion Pattern Evolution Process and Erosion Sediment［J］.Journal of Northwest A＆F University(Natural Science Edition)，2008，36(3):105－110.(in Chinese))

［3］肖培青，郑粉莉.上方汇水汇沙对坡面侵蚀过程的影响［J］.水土保持学报，2003，17(3):25－27，41.(XIAO Pei-qing，ZHENG Fen-li.Effects of Runoff and Sediment from Upslope on Downslope Erosion Process［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2003，17(3):25 －27，41.(in Chinese))

［4］贾志军，李傻义，王小平.地面坡度对坡耕地土壤侵蚀的影响［C］∥晋西黄土高原土壤侵蚀规律实验研究文集.北京:水利电力出版社，1990:26－31.(JIA Zhi-jun，LI Sha-yi，WANG Xiao-ping.Effect on Soil E-rosion in Slope Farmland by Ground Slope［C］∥Proceedings of Research on the Law of Soil Erosion in Loess Plateau in West Shanxi.Beijing:Water Resources and Electric Power Press，1990:26 －31.(in Chinese))

［5］武 敏，郑粉莉，黄 斌.黄土坡面汇流汇沙对浅沟侵蚀影响的试验研究［J］.水土保持研究，2004，(4):74 －77.(WU Min，ZHENG Fen-li，HUANG Bin.Experimental Study on Upslope Runoff Effects on Ephemeral Gully Erosion Processes at Loessial Hillslope［J］.Research of Soil and Water Conservation，2004，(4):74－77.(in Chinese))

［6］霍云云，吴淑芳，冯 浩，等.基于三维激光扫描仪的坡面细沟侵蚀动态过程研究［J］.中国水土保持科学，2011，9(2):32 － 37.(HUO Yun-yun，WU Shufang，FENG Hao，et al.Dynamic Process of Slope Rill Erosion Based on Three Dimensional Laser Scanner［J］.Science of Soil and Water Conservation，2011，9(2):32 －37.(in Chinese))