水蚀区生产建设项目用地开挖面分类体系及其应用

许文盛，童晓霞，李亚龙，程冬兵，张平仓

(长江科学院水土保持研究所，430010，武汉)

近年来，随着我国社会经济的高速发展，大型水利水电、石油化工、交通运输等系列生产建设项目迅猛增长。大量生产建设项目用地形成的开挖面，不仅剧烈地改变了原地表形态，而且为土壤侵蚀提供了侵蚀面，导致土壤流失量迅速增加，已成为影响山区公共安全和工程安全的重大灾害之一［1-2］;但由于生产建设项目类型多样、开挖面坡度大、组成物质复杂，且目前针对开挖面水土流失观测的资料十分有限，还无法对开挖面造成的土壤流失量进行准确测算，并为决策者、执法者提供技术支持，因此，建立一套有效的开挖面土壤流失量测算方法十分必要，其中，对生产建设项目用地开挖面进行分类是建立该测算方法的前提。

开挖面广泛存在于矿业开采、交通运输、水电工程、城镇建设及农林开发等多个行业用地，有关其分类，目前已有多位国内外学者进行了探讨，并取得了较多成果。宋胜武等［3］针对水电工程，在分析现有开挖边坡分类的基础上，建立了新的水电工程用地边坡分类体系框架;尹志东［4］根据调查分析，指出已有边坡分类的缺点，提出了新的生态防护工程用地边坡分类;任伟中等［5］以鄂西北山区为背景，提出了边坡综合分类体系;姜德义等［6］以高速公路工程用地边坡为对象，依据地质特点，对开挖边坡进行了分类;刘明维等［7］根据岩质边坡结构面特点，提出了开挖边坡分类方法;A.S.Al-Homoud 等［8］从边坡稳定性分析角度，对Jordan 内高速公路用地的边坡进行了分类;L.Pantelidis［9］建立了岩石边坡质量分类体系;A.Taheri 等［10］在边坡稳定性分析的基础上，建立了岩石边坡稳定率分类体系;S.K.Das 等［11］基于神经网络技术，在计算预测安全因子的基础上，对开挖边坡进行了分类。然而，现有成果多是以开挖边坡稳定为宗旨而进行的分类，以开挖面土壤流失量测算为目的进行的分类还鲜有报道，且现有分类体系还难以满足生产建设项目用地开挖面土壤流失量准确测算的需求。

因此，笔者以我国东部水蚀区为背景，在大量野外调查基础上，通过对不同区域、不同类型生产建设项目用地开挖面的调查，总结分析水蚀区开挖面特征及水土流失特性，建立以土壤流失量准确测算为目的的开挖面分类体系，并把该体系与现有工程用地边坡分类体系进行比较，为构建科学、合理、适用的水蚀区开挖面土壤流失量测算方法奠定基础，并为开挖面水土流失防治提供技术和理论支撑。

1 调查范围与对象

调查范围主要集中于我国东部水蚀区，涉及北方土石山区、东北黑土区、西南土石山区及南方红壤区等4 大典型区域，累计调查开挖面120 余个，涵盖了铁路、公路、电厂、水电站、水库、跨流域调水、工厂、煤矿、房地产、堤防整治等10 余种生产建设项目用地。其中:北方土石山区以河北省为典型区域，以该区域内的南水北调工程用地为对象，调查了包括石家庄市、鹿泉市、元氏县及高邑县在内的南水北调工程开挖面28 个;东北黑土区以黑龙江省为典型区域，以该区域内的鹤岗—哈尔滨高速公路的伊春—绥化段及达连河煤矿用地为对象，调查开挖面27个;西南土石山区以贵州省为典型区域，以该区域内的遵毕高速、福泉电厂、高铁贵阳南编组站、天门河水库、遵宝钛业有限公司厂址、华电塘寨电厂运灰公路、索风营水电站、高速路龙里收费站及遵义县洗煤厂用地为对象，调查开挖面31 个;南方红壤区以江西省为典型区域，以该区域内的抚吉高速、唱凯堤整治工程、凤凰工业园、北际医用塑胶业(江西)有限公司厂址、枫林印象房地产开发建设项目、抚州市桐源乡民营砖厂、恒大绿洲房地产开发建设项目、石虎塘杭电枢纽工程、万载县花塘村煤矿、向蒲铁路、宜明公路、宜丰县万国矿业新庄铜铅锌矿等用地为对象，调查开挖面37 个。调查区域的地貌类型及GPS定位图可参见文献［2］。

2 调查内容与方法

调查时间主要集中于2010 年3 月—2011 年11月，调查内容主要包括开挖面所处的行政区划、地理位置、所在工程项目名称等位置参数，开挖面的物质组成、母质、土层厚度、坡长、坡度、土石比、侵蚀形式、形成时间、侵蚀量等特征参数，以及开挖面上部的汇水面积、植被覆盖度、所在局部区域地形等环境参数。各参数的调查方法如下。

1)位置参数。行政区划由行政区划图直接查得，地理位置利用手持GPS 直接测得，开挖面所属工程项目名称由向参与工程建设的施工、设计、监理等单位咨询而得。

2)特征参数。开挖面的物质组成、母质依据经验判别，土层厚度、坡长利用卷尺或手持测距仪直接测量，坡度利用手持坡度仪测得，土石比(体积比)由开挖面内多个典型单位面积内土壤与石块面积比的平均值换算得出，侵蚀形式由开挖面所处状态依据经验判别(分为重力侵蚀和水力侵蚀2 类)，侵蚀时间由向参与工程建设的施工、设计、监理等单位或周边居民咨询而得，侵蚀量由侵蚀体积与侵蚀土壤干密度的乘积而得(其中侵蚀体积由单位宽度内直接测算的侵蚀体积与开挖面宽度的乘积计算得出，侵蚀土壤的干密度由采集的土壤样品带回实验室后经烘干称量测得)。

3)环境参数。汇水面积由测高、测距仪的量测结果经几何计算而得，植被覆盖度由开挖面顶部植被现状依据经验判别，所在局部区域地形特点由开挖面周边地形特点依据经验判别而得。

3 开挖面分类体系构建

3.1 分类目的

对生产建设项目用地开挖面进行分类，是为了打破区域和生产建设项目类型的界限，建立普适性的开挖面土壤流失量测算模型和方法，快速、准确地获取不同类型开挖面土壤流失量，为定量化评价生产建设项目用地开挖面水土流失危害并进行水土流失防治提供依据。

3.2 分类原则

根据分类目的和开挖面野外调查结果，对生产建设项目用地开挖面进行分类时，应坚持概括性原则、简单性原则及普适性原则。

1)概括性原则。分类应可以代表所有的生产建设项目类型，突破以生产建设项目类型为分类基础的局限，即无论公路、铁路、火电厂、水电站，其工程建设过程中所形成的开挖面均可在开挖面的分类体系中找到相应的类型。

2)简单性原则。生产建设项目开挖面的分类，应简单易懂，既适用于水土保持科研人员，也适用于水行政主管部门，同时还必须让基层水土保持工作人员容易接受;如果分类体系过于复杂，则操作性差，适用范围变窄。

3)普适性原则。开挖面的分类应适用于全国范围内不同水土流失类型区，即北方土石山区、东北黑土区、西南土石山区及南方红壤区均可采用同一分类体系。

3.3 分类依据

根据野外调查，生产建设项目用地开挖面的土壤流失以水力侵蚀为主，重力侵蚀较少，且由于重力侵蚀量可直接通过现场测量计算而得;因此，本文所指的开挖面侵蚀主要是水力侵蚀。在进行开挖面分类时，分类依据主要考虑开挖面的野外调查结果及影响开挖面土壤流失的主控因子。

1)开挖面野外调查结果。图1 给出了我国水蚀区生产建设项目用地开挖面不同特征参数的野外调查结果。可以看出:对于坡度而言，主要分布于30°～70°之间，该坡度的开挖面占到了样本总数的70%(图1(a));对于坡长而言，小于10 m 的最多，占样本总数的48.15%，10 ～20 m 之间的占28.40%，而大于100 m 的只占1.23%(图1(b));土层厚度小于0.1 m 的占26.0%，在0.1 ～0.5 m 之间的占15.6%，在0.5 ～1.0 m 之间的占11.7%，大于1 m 的占46.8%(图1(c));土壤干密度变化范围在1.00 ～1.74 g/cm3之间，其中在1.40 ～1.60 g/cm3之间的占41%，大于1.60 g/cm3的约占9%(图1(d));对于石质比例而言，小于20%的样本占49.35%(图1(e));开挖面形成时间一般在1 ～36个月，个别样本在数年以上，其中形成时间小于6 个月的所占比例最高，达37.1%，形成时间超过36 个月的最少(图1(f))。可见，对于我国东部水蚀区而言，生产建设项目产生的开挖面以坡度位于30°～70°之间、坡长小于10 m、土层厚度大于1 m、土壤干密度介于1.40 ～1.60 g/cm3之间、开挖时间小于36个月的土质开挖面为主。

2)影响开挖面土壤流失量的主控因子。总体而言，影响土壤流失量的主要因素有上垫面因素和下垫面因素［12］;但由于开挖面一般具有形成时间短、坡度大、土体裸露、易遭水力侵蚀等特点，因此，影响开挖面土壤流失的因素，除了上述2 方面因素之外，还应包括开挖面形成时间。对于开挖面而言，上垫面因素主要包括降雨强度、降雨历时等参数，下垫面因素主要包括开挖面上方汇水面积、植被覆盖度、开挖面物质组成、土层厚度、坡度、坡长、土石比等参数，其中，上方汇水面积反映上方来水对开挖面土壤流失量的影响，植被覆盖度反映上方植被对来水的阻碍情况，进而影响开挖面的土壤流失量。

3.4 分类体系

以生产建设项目用地开挖面野外调查结果为基础，结合开挖面分类的目的，考虑影响开挖面土壤流失量的主控因子，按照开挖面分类原则，提出生产建设项目用地开挖面分类体系，如图2 所示。根据图2，生产建设项目用地开挖面分类体系可依次划分为3 个层次，第1 层次为均质开挖面和非均质开挖面，第2 层次为有汇水影响开挖面和无汇水影响开挖面，第3 层次为非稳定开挖面与稳定开挖面。

1)第1 层次。根据开挖面的质地与物质组成，把开挖面分为均质面和非均质面。①均质面是指整个坡面物质组成相对均匀的开挖面，可为土质面、石质面或土石均匀混合的面。此类开挖面如为未风化的母质或基岩时，一般水力侵蚀程度较小;但如果母质或基岩风化强烈，质地疏松，则易发生水力侵蚀。②非均质面是指整个坡面呈现出明显的分带或分块特征，物质组成非均匀分布的开挖面，一般顶部有一定厚度的熟土层，下部为生土层、母质或基岩。此类开挖面在土壤侵蚀过程中，顶部如有熟土层，则该层是主要的侵蚀对象，也是土壤流失的主体，而下部的生土层、母质或基岩往往不易被侵蚀。

图2 水蚀区生产建设项目用地开挖面分类体系Fig.2 Classification system of the artificially excavated surfaces in water erosion areas

2)第2 层次。根据开挖面上方有无来水，把开挖面分为无汇水影响开挖面和有汇水影响开挖面。①当开挖坡面顶部越过分水岭，或在坡面顶部有人工截水沟、天然截水沟等截水措施，开挖面不受坡面顶部以上的来水冲刷时，称为无汇水影响开挖面。对于此类开挖面，其侵蚀外营力主要来自于坡面上的降雨及其形成的径流。②当开挖坡面顶部未越过分水岭，且坡面顶部无人工截水沟或天然截水沟等截水措施，开挖面受坡面顶部以上的汇流来水冲刷时，称为有汇水影响的开挖面。有汇水影响时，水流集中从开挖面流出，水流流速加大，剪切力增加，水流对开挖面的冲刷作用增强，从而引起开挖面土壤流失量增大。此时，其侵蚀外营力主要来源于坡面降雨及其形成的径流，以及上方汇流来水的冲刷。

3)第3 层次。根据开挖面形成的时间，把开挖面分为非稳定面和稳定面。①非稳定面指开挖面形成时间较短(一般不足1 年)，降雨对坡面上土壤流失量有明显影响的开挖面。对于此类开挖面中的新开挖面而言，由于坡面刚刚形成，土体中原有应力释放与调整明显，坡面土体应变处于快速变化之中，一遇降雨，土壤流失量一般较大;同时，由于新开挖面一般由机械开挖而成，坡面上形成大量的机械抓痕，在水力侵蚀过程中，对水流归槽起到了一定的促进作用，水流流速加大，易形成滚波，进而加剧了坡面土壤流失。②稳定面指开挖面形成时间至少在1 年以上，经过了至少一个完整雨季水力侵蚀的开挖面。此类坡面基本稳定，再经过新的雨季，一般不会产生严重的土壤流失，或土壤流失量基本趋于稳定。

4 与现行工程用地边坡分类体系的比较

为了深入探讨本开挖面分类体系的适用性，笔者从分类目的、原则、依据及结果等方面对该分类体系与现行工程用地边坡分类体系进行比较与分析。

从分类目的来看，现行工程用地边坡分类多在于综合概括边坡的特征，反映边坡在内外地质营力作用下的变形破坏规律，以便为边坡的勘察、评价、预测和防治提供指导;而本文对开挖面分类的目的在于，打破生产建设项目区域性和类型的界限，建立普适性的开挖面土壤流失量测算模型和方法，为生产建设项目用地开挖面水土流失监督执法提供技术支撑，边坡的稳定性分析不是分类的主要目的。

从分类原则来看，现行工程用地边坡分类多遵循针对性原则(分类必须与工程本身密切联系，体现与工程的关系)、本质性原则(抓住能揭示边坡本质，突出岩性、坡体结构及变形特征的主要因素)、层次性原则(依据边坡高度、坡度等进行一般性分类)及系统性原则(建立多指标、多层次的分类体系);而本文在进行开挖面分类时遵循概括性原则、简单性原则及普适性原则。

从分类依据来看，现行工程用地边坡分类多考虑高边坡的稳定性，而本文构建的开挖面分类体系是依据我国东部水蚀区内不同类型的生产建设项目用地多个开挖面的实地调查结果，并在此基础上考虑了影响开挖面土壤流失的主控因子。

从分类结果来看，现有工程用地边坡可从边坡成因角度分类，也可从边坡物质组成、岩体结构、坡高和坡度、岩层走向与坡面走向关系等角度分类，同时，也可从边坡变形与破坏等角度进行分类;因此，采用不同的分类方法，边坡分类结果差异较大。而本文构建的开挖面分类体系仅分为3 个层次，不仅简单，具有易操作性，而且符合多数水土保持工作者对开挖面进行识别、分类及判断的思维和习惯。

总体而言，现行工程用地边坡分类不仅多而复杂，而且多是为了分析边坡的结构与稳定性，没有考虑坡面上土壤流失的特点及影响因素。本文针对生产建设项目用地开挖面，构建的分类体系，不仅打破了现有工程用地边坡分类中以工程类别为基础的制约，而且结合我国东部水蚀区大量生产建设项目用地开挖面土壤流失特点的实地调查结果，综合考虑了影响开挖面土壤流失的主控因子，为建立生产建设项目用地开挖面土壤流失量测算模型和方法奠定了重要的基础。

5 分类体系在土壤流失量预测中的应用

分类体系在用于生产建设项目用地开挖面土壤流失量预测时，主要是据此进行土壤流失量测算模型和方法的构建以及开挖面类型的判断和测算模型的选择。本文主要针对开挖面土壤流失量测算模型和方法构建的思路及开挖面类型判别和测算模型选择的思路提出建议，对于测算模型构建的具体过程和计算使用方法，笔者将另文分析。

利用该分类体系构建开挖面土壤流失量测算模型和方法时，应采用由简单到复杂，逐步修正递进的方式。首先，针对均质、无汇水影响的非稳定面中的新开挖面及稳定面分别建立土壤流失量测算的基础模型和方法。其次，考虑开挖面顶部汇水影响，并对基础模型和方法进行修正，建立均质、有汇水影响的非稳定面中的新开挖面和稳定面土壤流失量测算的模型与方法。最后，针对非均质开挖面，可先把非均质面划分为若干个小的均质面，并对各均质面选用前述相应的模型和方法进行土壤流失量测算，然后把针对各均质面测算的土壤流失量进行累加，即可得出非均质面的土壤流失总量。其中，均质、无汇水影响开挖面土壤流失量测算的基础模型和方法构建的思路为:①沿开挖面坡度方向，以单位宽度开挖面的土壤流失量为对象，采用理论分析、降雨模拟实验及数学统计分析相结合的方法，建立半经验的单位宽度开挖面土壤流失量测算模型;②对于整个开挖面的土壤流失量，可由开挖面宽度与单位宽度开挖面土壤流失量的乘积，并考虑开挖面的形状，进行形状系数修正而得。

当利用本文构建的分类体系进行开挖面类型判别时，应遵循逐层递进的原则。首先根据开挖面的质地和物质组成，判断开挖面是否为均质面;其次根据开挖面顶部的截水情况，判断开挖面是否受上方汇水的影响;最后根据开挖面的形成时间，判断开挖面是否为稳定面。可见，利用此分类体系判别开挖面类型时，无须进行复杂的现场测量或室内实验分析，只要具备一般的专业知识即可完成。一旦开挖面的类型确定，就可以选择相应的测算模型与方法，并利用测得的开挖面特征与环境参数，计算土壤流失量，进而以此为基础，为开挖面水土流失监督执法提供依据，为开挖面水土流失防治提供支撑。

6 结束语

在对我国东部的东北黑土区、北方土石山区、西南土石山区及南方红壤区等典型水蚀区内多个不同类型生产建设项目用地开挖面进行实地调查的基础上，按照概括性、简单性及普适性3 原则，考虑开挖面土壤流失的特点及影响因素，提出了新的开挖面分类体系。该分类体系划分为3 个层次:第1 层次按照质地与物质组成，把开挖面分为均质面和非均质面;第2 层次根据开挖面上方有无来水，把开挖面分为无汇水影响开挖面和有汇水影响开挖面;第3层次按照开挖面形成的时间，把开挖面分为非稳定面和稳定面。

利用该分类体系构建开挖面土壤流失量测算模型和方法时，可首先针对均质、无汇水影响的开挖面，构建开挖面土壤流失量测算的基础模型和方法;然后考虑开挖面顶部汇水影响，对基础模型和方法进行修正，建立均质、有汇水影响的开挖面土壤流失量测算模型与方法。对于非均质面，可先把非均质面划分为若干个均质面，然后对各均质面选用前述相应的模型和方法进行土壤流失量测算，最后把各均质面测算的土壤流失量累加，即可得到非均质面的土壤流失总量。

本文提出的开挖面分类体系，不仅打破了生产建设项目区域性和行业性的界限，适应于不同区域、不同类型生产建设项目用地开挖面的类型划分，为构建开挖面土壤流失量测算模型与方法奠定了重要基础，而且便于在基层水土保持工作者中进行普及和推广;但该分类体系仅是针对水蚀区的，对于在风蚀区、冻融侵蚀区等其他侵蚀区内的应用，还需要对其适用性作进一步的分析和探讨。