生产建设项目区土壤侵蚀研究进展

2014-01-02张乐涛高照良

中国水土保持科学 2014年1期

张乐涛，高照良

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，712100，陕西杨凌;2.中国科学院大学，100049，北京;3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌)

生产建设活动扰动并重塑了地表物质形态，改变了侵蚀营力环境，导致了项目区土壤侵蚀发生基础条件的深刻变化，加剧了项目区土壤侵蚀进程。

生产建设项目造成的土壤侵蚀作为生产建设条件下集不同环境因子控制、人为因素影响及下垫面条件为一体的综合环境影响体现，在改变原有地表物质组成及水沙规律的同时，也导致了周边环境的破坏、水文状况改变和非点源污染源扩散。基于生产建设项目区土壤侵蚀与传统农耕地土壤侵蚀基本范畴上的区别，其在时空分布、侵蚀方式、特征及危害，防治原则、目标和技术体系、效益分析等方面的特征与传统农耕地土壤侵蚀也不尽相同［1］。

从生产建设实践看，生产建设项目区土壤侵蚀在其基本概念、划分方案、动力机制、土壤侵蚀预报模型等方面的研究还存在诸多亟待解决的问题。

1 基本内涵

生产建设项目区土壤侵蚀属加速侵蚀的范畴，其内涵较传统农耕地土壤侵蚀更为丰富，其作用营力是以人类生产建设活动为主的外营力，主要人为活动包括地表土体及地下岩土层扰动、废弃物堆置、人工边坡的构筑及各类有毒有害物质的排放等，其作用结果是造成水土资源破坏、土地生产力下降乃至丧失［1］。近年的研究有将其概念细化的趋势。王治国等［2］首次提出“岩土侵蚀”的概念，并以黄土区大型露天矿排土场为例，探讨了岩土侵蚀的基本特征、形成原因、潜在危害，提出了岩土侵蚀的控制技术体系;李夷荔等［3］提出“工程侵蚀”的概念，认为其侵蚀类型主要包括水力岩土侵蚀、工程建设诱发的重力侵蚀、泥石流、风蚀和其他特殊侵蚀类型，并开展了相关方面的初步研究，凸显了其区别于传统农耕地土壤侵蚀的特殊性，增强了概念的科学性，拓宽了土壤侵蚀的内涵。

2 研究现状

2.1 研究方法

鉴于自然条件下基础数据的获取所需时间较长，近年来生产建设项目区土壤侵蚀的研究工作，多以人工降雨［4］、放水冲刷［5］或二者组合［6］及天然降雨［7］条件下小区尺度上的短期定位观测或模拟试验为主，研究范围包括采矿工程［8］、公路工程［9］、水电站工程［10］等建设类型，涉及矿区复垦地［11］、排土场［12-13］、建筑工地［14］、路堤及路堑边坡［15-17］、弃土弃渣堆置体［18-19］、矿区原生及扰动地面［20-21］、非硬化道路［22-23］、施工营地及施工便道［4］等下垫面条件，通过数理统计方法概化生产建设项目区不同下垫面在降雨及水动力条件下的土壤侵蚀过程，构建一定的数学或经验模型以模拟其水沙过程，探讨土壤侵蚀过程的影响因素和侵蚀产沙机制。

2.2 土壤侵蚀影响因子

按其基本属性进行划分，生产建设项目区土壤侵蚀的影响因素大致可以分为主导因素、原动因素和从动因素3 种类型［24］。这3 类因素在RUSLE(修正的通用土壤流失方程)中均有其量化体现。其中，第1.06 版在计算矿区、建筑工地及复垦土地的土壤流失量方面较准确，第2 版更是不因土地利用类型而受限制;因此二者在生产建设特殊条件下的土壤侵蚀量计算、环境影响评价、制订复垦计划及复垦土地的评价等方面均有着较为广泛的应用［25］。RUSLE2 的基本结构为

式中:A 为矿区、建筑工地及复垦土地的年均土壤流失量，t/(hm2·a);S 为坡度因子，量纲为1;ri为侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h);ki为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);li为坡长因子，量纲为1;ci为覆盖与管理因子，量纲为1;pi为水土保持措施因子，量纲为1;i 为一年中的第i 天。RUSLE2 基于因子的日变化计算日均土壤流失量，然后求和作为年均土壤流失值［26］。

2.2.1 主导因素人为因素是土壤侵蚀产生和发展的主导因素:负面影响主要是生产建设活动破坏了项目区原生地质地貌、生态水文、土壤植被等，为土壤侵蚀的发生创造了条件;正面影响主要是项目区部分有意无意的人为活动抑制了土壤侵蚀的发生，如人为使用地被物覆盖降低雨滴及径流对地表的打击破坏、特殊扰动方式造就的土壤重构体可能会降低相关侵蚀因子的作用等(表1［27］和表2)。

RUSLE2 中，ci表征植被覆盖、糙率、土壤生物量及扰动活动对土壤侵蚀速率的复合效应［28］，不同扰动方式下的ci因子见表3;pi反映水土保持措施的作用，受人为作用的影响显著，归为主导因素。在有保护措施条件下，pi＜1，pi减少土壤流失量的程度取决于坡度，坡度过缓(≤1%)或者过陡(≥21%)，水土保持措施的意义不大，即pi=1［26］。C.E.Israelsen等［29］对生产建设项目中建筑工地及扰动土地的典型ci因子值进行了量化(表2)，提出以侵蚀控制因子(等同于ci与pi的复合因子，量纲为1)表示ci和pi2 个因素的综合影响，以表征不同措施条件下的土壤侵蚀防护程度，其更容易反映由生产建设背景下地表条件的多样性，侵蚀控制因子值的变化范围为0.01(土壤表层为植被覆盖)～1(新翻松土15 ～20 cm)［28］。

表1 扰动土地覆盖条件下的ci 因子值［27］Tab.1 ci factor values for mulch under disturbed-land conditions

综上所述，人为作用对生产建设项目区土壤侵蚀的影响有正负之分，不可一概而论，人为因素在生产建设区土壤侵蚀发生过程中的作用及地位要视生产建设项目的性质、扰动类型及程度、人文社会经济条件而做出因时因地制宜的划分，以衡量各类因素在土壤侵蚀过程中的重要性。这是生产建设区水土保持工作需要解决的基本问题，否则，在水土保持实践中可能会产生错误的导向。

目前我国仅定性描述了生产建设活动的危害程度及其与土壤侵蚀强度、范围间的关系［24］，对于ci、pi值，如何定义符合我国国情的测算标准，到目前尚未有统一的结论［30］，不同扰动类型对土壤侵蚀强度、侵蚀速率贡献方面的研究仍需加强。

生产建设中土壤侵蚀规律及其防治的研究实际

也是围绕着人为活动在不同层次上对土壤侵蚀的影响而展开的，从生产实践的角度，基于对不同生产建设项目类型、特性、扰动方式及扰动程度的划分，对比分析不同扰动条件下下垫面土壤侵蚀特征的差异，以此作为不同生产建设项目生产工艺合理优化的依据，对于全面合理规划项目区的水土保持工作具有重要的生产和指导意义。

2.2.2 原动因素降雨/径流侵蚀力因子属原动因素，次降雨引起的土壤净分离量与EI30成正比，是RUSLE2 在计算侵蚀力的基本假设，EI30为次降雨总动能(E，MJ/hm2)与最大30 min 降雨强度(I30，mm/h)之积，降雨侵蚀力的月值及年值可以通过次降雨EI30值的求和得到［31］。在RUSLE2 中，次降雨总动能按下式计算:

表2 建筑工地及扰动土地典型ci 因子值［28］Tab.2 Typical ci factor values for construction sites and disturbed landss

表3 建筑工地区裸地的ci 因子值［27］Tab.3 ci values for bare soil at construction site

式中:ek为单位降雨量的动能，MJ/(hm2·mm);ΔVk为第k 时段内的降雨量，mm;k 为降雨过程中降雨强度可近似看作恒定的某一时段;m 为时段数。ek的计算公式为

式中I 为降雨强度，mm/h。

年均降雨侵蚀力是M 年内降雨侵蚀力的算术平均值，计算公式为

式中:Rj为年均降雨侵蚀力;EI30为次降雨侵蚀力;j为每一次降雨，Jm'为第m'年的降雨次数。

Yoon K.S.［28］在对韩国沿海流域建筑工地的土壤侵蚀进行估算时，采用式(5)计算了1996—2000年的降雨侵蚀力

式中:E'为降雨动能，J/(m2·cm);Rd为降雨量，cm;I'为降雨强度，cm/h;采用谢尔曼法运用式(6)对1、2、3 h 降雨强度的外推插值确定最大30 min 降雨强度I'30。

式中:z、n 为由区域条件决定的常数;t 为降雨历时，min。

目前的研究尚未很好地阐明次降雨过程中降雨强度的时空分布特征对土壤侵蚀的贡献，影响了对坡面土壤侵蚀过程的理解，并对次降雨事件中土壤侵蚀预报模型的开发形成了一定的障碍，加强雨型对土壤侵蚀过程影响的研究尤为必要。

D.C.Flanagan 等［32］在保持总降雨量一致的条件下比较了次降雨过程恒定降雨强度与非恒定降雨强度对入渗、径流及土壤流失量等的差异，指出雨型是决定径流及土壤流失的重要因素，然而其效应可能会被不同的土壤前期条件及某一特定雨型的普遍性掩盖，认为对次降雨过程中非恒定降雨强度作用的考虑会改善土壤侵蚀的预测结果。B.Frauenfeld等［33］讨论了非恒定降雨强度对径流及细沟间侵蚀的影响，认为次降雨过程中降雨强度的不同变化对总径流量及总入渗的影响不大，对最大径流量、产流时间及不同土壤的流失量等均具有重要影响，而这种影响因土壤类型而异，指明了此类研究的重要价值。S.I.Ahmed 等［34］研究了次降雨事件中降雨强度的时间分布特征对土壤侵蚀速率的影响，建立了三参数及四参数的降雨功率方程，讨论了使用降雨功率模型描述降雨侵蚀力的可能性。

黄土高原地区高强度次降雨对侵蚀产沙的主导作用及股流的强烈侵蚀效应［35-36］，导致RUSLE 及其各改进版本无法直接应用于我国的生产实际，限于当前的研究水平、数据可获取性及有效性等方面的不足，RUSLE 在生产建设领域的可推广性仍值得商榷。从上述角度研究不同雨型的土壤侵蚀效应对于改善降雨侵蚀力因子的计算理论及提升土壤侵蚀预报精度具有重要意义。

2.2.3 从动因素从动因素指的是下垫面的基本条件，包括地质结构及组成、地形因子(坡型、坡度、坡长、坡向等)、土壤理化性质(土壤质地、密度、孔隙度、团聚体等)、植被覆盖因子(覆盖度、郁闭度、植被种类及分布格局等)，生产建设项目区工程堆积体具有土壤结构缺失，砂砾、石块含量丰富，地表硬化，缺乏植物根系及有机质等特点［37-38］，由此导致扰动区的土壤侵蚀特征与传统农耕地有所不同。

在RUSLE2 中li、S、ki属从动因素，其中，ki包括2 部分，一是土壤可蚀的固有属性，二是受管理措施影响的可蚀性。

关于坡度因子，S.A.Schroeder［39］以露天矿区弃土为例，探讨了坡度因子对USLE 在预测矿区弃土侵蚀速率方面的影响，认为在坡度＜9%时，USLE会“低估”坡度的影响，坡度＞9%时，则会“高估”坡度的作用。C.F.Mclsaac 等［40］对扰动土地的研究也得出了类似的结论，并发现在试验区土壤流失率与坡度间的关系变动性很大。M.A.Nearing［41］、C.J.Sheridan 等［42］在总结前人研究成果的基础上建立了计算坡度因子的单一连续函数，其表达通式为

式中:θ 为坡度，(°)，a、b、K、p 为由土壤性质及其侵蚀特征决定的回归系数，其适用范围较广，几乎包罗研究中所可能涉及到的全部坡度。Liu Baoyuan等［43］在黄土高原陡坡(坡度55%)的研究成果亦符合上式。

基于对坡度、坡型、细沟侵蚀及细沟间侵蚀(面蚀)的综合考虑，RUSLE2 中的坡长因子

式中:Li为不规则坡面第i 坡段的坡长因子;xi为从坡顶到第i 段底端的坡长;λu为标准小区坡长，22.1 m;α 为第i 坡段的坡长指数，由下式确定:

式中β 为第i 坡段细沟侵蚀与细沟间侵蚀之比。

W.H.Wischmeier 等［44］提出坡长坡度因子

式中:l 为坡长，m;S 为坡度，%;x 为指数(S ＜1%，x=0.2;1%＜S ＜3%，x=0.3;3.5%＜S ＜4.5%，x=0.4;S≥5%，x=0.5)。

当前生产建设项目区地形因子的概化多以式(10)为基础进行修正［29］，以增强使用效果、提高结果的准确度。

基于对土壤结构因子的调整，RUSLE2 给出的土壤可蚀性因子ki的计算方法［45］为

式中:M=(fsilt+fvfs)(100-fclay):fsilt为粉砂粒质量分数，mg/g;fvfs为极细砂粒(0.05 ～0.1 mm)质量分数，mg/g;fclay为黏粒质量分数，mg/g;O 为土壤有机质质量分数，mg/g;s 为结构系数;P 为渗透性等级。

RUSLE2 对某些计算公式的修正使之更加适用于生产建设项目扰动区土壤侵蚀量的预测，因而极大地扩展了RUSLE2 的适用范围;然而，由于受到人为不均一的剧烈扰动，生产建设项目区的下垫面条件具有极大的不均一性，土壤可蚀性的变化也趋于复杂，加之k 值的计算方法争议性极大［46］，限制了RUSLE2 在生产建设项目区的推广。

从土壤抗冲性研究的角度看，土壤抗冲性是土壤的固有属性，是土壤对径流机械性破坏和推移的抵抗能力［47］，20 世纪90 年代中后期，黄土高原土壤抗冲性的研究取得了突破性进展［48］，从土壤抗冲性的评价指标、研究方法到土壤抗冲性的机制、分异规律及改善途径等方面的研究日臻完善［49］，研究的下垫面条件涉及草地、林地、农耕地、撂荒地以及土质道路等不同土地利用类型［50］，揭示了黄土高原土壤抗冲性的形成机制，却未关注生产建设区不同扰动方式下不同土体类型的土壤抗冲性研究。基于生产建设项目区下垫面条件的改变，其基本概念宜在新的背景下得到延伸或重新刻画。土壤抗冲性包含一定的水动力条件及土壤抗冲响应过程2 个基本的不同层面，因而探讨特定水动力条件下不同扰动类型(如挖方、填方、堆垫、埋压等)造成的各类扰动土壤的抗冲性差异、形成过程及其对生产建设项目区土壤侵蚀过程的影响，建设期不同阶段土壤抗冲特征及其在项目区恢复阶段内的演变过程具有重要的生产价值。从深化土壤抗冲性理论研究的角度出发，上述有关土壤可蚀性的问题可能会得到某种程度上的解决。

2.3 水沙规律及其过程模拟

产流产沙规律的研究多以生产建设项目区排土场、弃土弃渣体和路堤及路堑等作为主要研究对象。前者属人工松散堆积物，土壤可侵蚀性比自然坡面高出10 ～100 倍［12］，其侵蚀产沙量一般是自然裸露荒坡的10 倍以上［19］;后者属人工构筑边坡，作为道路建设施工期形成的重要地形单元，挖方坡(路堑)及填方坡(路堤)是道路建设工程土壤侵蚀的重要来源［51-52］。

研究主要通过模拟一定的降雨或径流水动力条件，在小区尺度上，探讨不同扰动方式下重塑下垫面的土壤侵蚀过程，以通用土壤流失方程(USLE)的经典模型框架进行侵蚀因子的分析，归纳侵蚀过程的水沙演变规律，并试图建立不同的预报方程［51-55］。

表4 所列内容体现了生产建设项目区不同下垫面在不同试验条件时的产流、产沙特征，具有一定的代表性，在理论研究及生产实践中均有较强的参考意义。可以看出:径流量、径流率与降雨强度或放水流量间分别以线性关系为主;不同下垫面条件时，侵蚀产沙与产流状况间的量化关系则较为复杂，存在线性函数、幂函数及对数函数3 种数学关系，这实际与生产建设项目区存在的多种扰动方式和复杂的地形单元有关。当前的多数研究大都以某一特定的地形单元(如弃土弃渣等工程堆积体)为主，对施工营地、施工便道等单元的关注不足，未能系统地研究土壤侵蚀的特征及演变过程;因而，相关结论的局限性很大，成果的运用也受诸多现实条件的限制。

我国生产建设项目区的土壤侵蚀至今尚无统一的划分方案［56］，鉴于生产建设项目区土壤侵蚀类型的多样性、复杂性及其与生产建设项目自身特性的紧密联系［24］，在明确项目建设特性的基础上，针对不同的生产建设项目类型，按照其扰动方式、类型、强度特性及新增土壤侵蚀的不同来源，进行单元划分;在不同地形单元下，分别研究其土壤侵蚀发生的形式、强度、范围及其演变特征等规律;在此基础上综合生产建设项目区的土壤侵蚀特征，筛选土壤侵蚀的评价因子，构建土壤侵蚀评价的指标体系，建立土壤侵蚀的评价模型，依模型评价结果对项目区各侵蚀单元进行土壤侵蚀危害程度划分［57］，逐步建立生产建设项目区土壤侵蚀的分区划分体系。

以动力学为基础的土壤侵蚀过程模型开发的滞后，导致目前生产建设项目区土壤侵蚀的研究缺乏对水沙过程的数学刻画;因此，经典分布式模型在生产建设项目区土壤侵蚀领域的适用性亦值得探讨，如基于长时间序列的土-水平衡模型(CREAMS)与基于单次降雨事件的水沙运移过程模型(KINEROS)。D.M.Hartley［11］以模拟降雨试验为基本手段，基于这2 个模型分布式参数的校正及估计，对美国科罗拉多州西北部煤矿开发区扰动土壤的多重处理措施之间进行了对比研究及分析，取得了良好的效果，证明了此类模型在生产建设项目区土壤侵蚀中的适用性。此外，近年来，SIBERIA 景观演化模型在矿区弃土场土壤侵蚀模拟和测量方面表现出了重要的实用价值，其基本过程为利用激光扫描仪测量—数字高程模型选取—SIBERIA 模型参数确定—土壤侵蚀模拟。G.R.Hancock 等［58-59］的研究表明，模型对于参数变化的响应极为灵敏，参数的校正在模型使用过程中极为重要，在模型参数选取及校正准确的前提下，该模型可以准确模拟矿区弃土场边坡细沟侵蚀的时空分布特征及预测废弃矿区的中期(长达50 年)土壤侵蚀过程中的冲沟发育速率;因此，SIBERIA 景观演化模型为矿区开采后的土壤侵蚀预测提供了一种新的工具。

3 研究展望

生产建设项目区土壤侵蚀的控制对于区域生态环境的治理具有重要意义，侵蚀量的预测对生产实践也具有较强的指导性。目前已从侵蚀规律、分布特征、水沙过程、分区防治等多方面对生产建设项目区土壤侵蚀进行了研究，为项目区的水土保持规划提供了一定的参考;然而，相较于生态治理项目土壤侵蚀完备的数据资料、成熟的理论与方法，生产建设项目土壤侵蚀的研究以小区尺度上的短期观测为主，在指导生产实践方面具有很大的局限性。今后应加强长期、定位观测，促进侵蚀机制的研究;加强对项目区雨型的土壤侵蚀效应研究，深化降雨侵蚀

力计算的相关理论;加强对生产建设项目区不同扰动方式下土壤抗冲性的研究，在此基础上对项目区的土壤可蚀性进行量化;加强RUSLE2 在我国生产建设项目土壤侵蚀中的适用性研究加强土壤侵蚀过程模型的研究，我国生产建设项目土壤侵蚀目前的研究主要着眼于局部的情况，并不能从整体上把握其对生态环境的影响，未来的研究宜从整体出发，在流域尺度上系统考察其对流域产沙过程的影响，探讨如何将其整合到已有过程模型中并提高模型精度，为控制区域土壤侵蚀提供理论支撑［60］;加强生产建设项目区土壤侵蚀防治分区划分的研究，并将土壤侵蚀控制纳入流域的规划及管理体系，综合调控流域水沙过程，促进区域生态环境治理。