137Cs示踪技术在线性工程渣场选址中的应用

2014-04-02苟学强

中国水土保持 2014年6期

苟学强，吴杨

(四川铁路产业投资集团路桥勘察设计公司，四川成都 610041)

137Cs是20世纪50～70年代核试验过程释放的人工核素，半衰期为30.1 a，137Cs进入平流层后随着大气环流，最终随降水过程沉降到地表。研究发现137Cs在土壤中主要和黏土颗粒结合，基本不被雨水淋溶和植被摄取，只随土壤颗粒发生机械迁移，非常适合用来开展土壤侵蚀与沉积的定量及趋势研究[1-4]。公路和铁路、输变电线路、油气管道等线型工程是涉及国计民生、社会发展的重要基础设施，近几十年来随着大量线型工程的建设，相关区域的生态环境、水环境、地质环境破坏问题也日趋突出，特别是干旱半干旱地区以及生态脆弱区域。以青藏高原为例，该区域的海拔高，生态阈值低，植物生长周期短，生态环境一旦破坏则极难恢复，在这些区域设置的渣场施工期间造成的水土流失可占到工程建设造成水土流失总量的50%以上[5]。因此，这类区域的线型工程建设所导致的水土流失和地质灾害问题受到了重视[5-6]。目前，公路、铁路等线型工程在取弃土场选址过程中多选用容量、地被类型、地质条件等常规指标作为控制要素[7-10]，缺少对渣场所在地域坡面整体侵蚀特征、侵蚀趋势的定量控制指标[11]。本研究以拉日铁路曲水区间段为例，探讨137Cs示踪技术在取弃土场选址判定中应用的可能性，以期为相关行业工程弃(土)渣场选址提供新的技术方法。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

拉日铁路(拉萨—日喀则)位于西藏自治区青藏高原西南部，线路全长252.81 km。本研究涉及的范围为拉日线渣场集中的曲水至色麦区间段的雅江宽谷区，长45 km，约占线路总长的18%。该段河谷地形开阔，谷宽1～2 km，两岸一、二级阶地发育。河谷两侧山体高大，山体坡面侵蚀剧烈[12-13]。工程建设始于2010年9月，预计2014年9月竣工，工期4 a。

1.2 样品采集及试验方法

1.2.1137Cs土壤样品采集

(1)背景采样点与目标坡面采样点布设。土壤样品采集于曲水县城附近无名山体(N29°17′49.11＂、E90°32′13.38＂，海拔5 324 m)顶部，该区域地势平坦，距线位距离约7.2 km，有约40 a的荒地背景，较少受到人为扰动，无明显侵蚀和沉积现象。在采样区选择3个有代表性的自然坡面，每个坡面布置一条样带，每条样带布设3条采样线，采取同水平线样品混合的方式来削减因样带布设而造成的误差[14-16]。3条采样带的特征及特征值见表1。

(2)样品采集。在单一采样点水平布置3个长100 cm、宽45 cm、深30 cm的土壤剖面，各剖面之间距离不超过2 m[17]。样品采集时先去掉表层植被及杂物，然后按照0—5、5—10、10—20、20—30 cm距离采集[18]。均匀混合3个点相同层次的样品即代表样点该层的样品。每一水平线地块共采集4个土壤全样，同时用环刀采样以测定土壤容重。

表1 采样带特征及特征值

1.2.2 样品处理与方法

样品风干、充分研磨、筛分(40目)、称重，取2 mm以下土壤样品塑封送至兰州大学核物理实验室进行137Cs测定。侵蚀强度按吴杨等研究中得到印证的计算公式[19]

A=A0(1-R)(1-ΔH/H)(N-1963)

式中：A为侵蚀地点的137Cs的面积浓度，Bq/m2；A0为137Cs背景值面积浓度，Bq/m2；R为径流系数，这里取0.5[20]；H为耕作层厚，这里取0—20 cm；ΔH为年均土壤流失厚度，cm；N为采样或137Cs测定年份。

1.2.3 拉日线渣场特征及水土保持设计选址分析

通过采样点137Cs特征值计算样带多年平均侵蚀速率，采用实测结合GIS分析方法，获得研究区内堆渣体所在地系统坡长、坡度特征值。根据项目水土保持方案报告统计研究区内渣场选址情况，分析系统坡长对坡面侵蚀的影响及现渣场选址的合理性。

2 结果与分析

2.1 项目水保方案中渣场选址控制性结论及弊端

项目水土保持方案以地形、植被、民房、地质灾害为渣场选址的定性控制要素，除堆渣量、占地面积外无定量控制指标。具体来说，拉日铁路曲水区间段的渣场，除26#渣场因位于水电站规划区下游、27#渣场因附近有村庄而增加相关控制因素论证外，其余渣场的控制性结论均与14#—16#的基本相同(详见表2)。该论证方法存在随意性强、受主观因素影响大的弊端，且不具有唯一性和量化性特点，论证时没有考虑原地水土流失特点对渣场选址判定的影响。

表2 项目水土保持方案报告中研究区段渣场特征及其选址控制性结论

2.2 测点坡面侵蚀特征

实测的3个典型样带的土壤侵蚀强度见表3。137Cs本底值1 120 Bq/m2，对照既有西藏一江两河地区137Cs本底值研究成果[19]，本次试验测定结果与之基本相符。

从表3可以看出，样带侵蚀强度差异性较大。三个样带平均侵蚀强度分别为4 287、2 114、2 511 t/(km2·a)，1#样带侵蚀强度的异常可能是受坡度影响，与其坡度值位于侵蚀临界坡度范围内有关[22-24]。

2.3 基于137Cs示踪技术的渣场选址坡面元素控制节点判据

1#、2#、3#样带坡面侵蚀强度均在坡长400～500 m发生侵蚀强度变异，随着坡长增加侵蚀强度达到峰值，而后又呈现递减趋势，但仍处于较强的侵蚀水平(图1)。为最大可能地控制侵蚀，降低水土流失危害，将侵蚀强度控制坡长按最低限即400 m进行控制。

表3 典型坡面不同坡长观测点侵蚀强度

三个代表性坡面在同一坡长值的约束下，其侵蚀强度也存在较大差异。造成该种现象的原因主要是三个坡面的坡度不同[21-22]。因本研究并未进行等步长坡度布点观测，故坡度影响机制未能得到良好体现。

图1 典型坡面侵蚀强度随坡长变化曲线

侵蚀强度拐点可作为渣场选址坡长要素判据之一。曲线趋势表明坡长介于350～400 m时侵蚀曲线出现陡增并至拐点，以坡度处于25°～35°区间外的2#、3#曲线2 500 t/(km2·a)(轻、中度侵蚀)为响应点，取其坡长值400 m控制。坡度选择受研究样带数量所限，结果未能很好地反映控制指标，这里综合借鉴已有坡度控制指标，选择25°～35°[23-24]区间外，避开峰值坡度影响。

2.4 研究区渣场选址合理性判定

判定结果见表4。研究区内14座渣场中，仅14#渣场符合坡长、坡度控制要素，其余各点位均存在不合理要素，合理点位仅占原论证结论的7%。因此，原水土保持方案确定的渣场势必因存在长期侵蚀隐患而带来渣体失稳及水沟堵塞风险。

表4 基于核示踪技术的渣场选址合理性判定

目前拉日铁路曲水区间段正在建设期，根据研究成果，设计将原有14#—27#渣场中除14#外的其余渣场均按判断条件重新选址。但在实际点位实施过程中受土地所有权、区域民俗文化等制约，所选点位经进一步核实，19#、20#点位略有偏差。根据目前实施效果，新选点位弃渣稳定。待弃渣行为结束后将采用PVC-桩结构径流场[25]对其进行侵蚀量观测，对比各点位尤其是19#、20#差异性点位的侵蚀变异情况，这也是今后研究的一个重要方向和内容。

3 结语

以铁路、公路为代表的线型工程，其渣场选址合理性对于区域生态安全尤为重要。137Cs示踪技术用于线性工程的渣场选址具有可量化性与可操作性，可以作为完善此类工程水保方案编制的定量依据之一。该技术方法还需要更多的理论支撑与实际工程验证，其理论构建、标准制定与完善及渣体稳定性后期定位监测性检验、对比仍是今后研究的重要方向。

[参考文献]

[1] 张华峰，张华强，康慧，等.137Cs示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用综述[J].中国水土保持，2003(2):17-18.

[2] 唐翔宇，杨浩，赵其国，等.137Cs示踪技术在土壤侵蚀估算中的应用研究进展[J].地理科学进展，2000，15(5):576-582.

[3] 杨明义，田均良，刘普灵.137Cs测定法研究不同坡面土壤侵蚀空间的分布特征[J].核农学报，1999，13 (6): 368-372.

[4] 石辉，刘普灵，田均良.核示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用[J].水土保持通报，1997，17(3): 44-49.

[5] 邹长新，沈渭寿，张慧. 新建青藏铁路施工期土壤侵蚀预测[J].水土保持通报，2003，23(6):15-18.

[6] 杨思忠，金会军. 寒区线性工程沿线冻土区的植被恢复[J]. 冰川冻土，2008(5): 875-880.

[7] 付杰. 高速公路弃渣场设计原则与思路研究[J]. 北方交通，2012(6): 23-25.

[8] 张华君. 山丘区高速公路弃渣场选址原则及复垦方式探讨[J]. 公路交通技术，2011(4): 11-15.

[9] 韩华轩，许占良. 复杂山区隧道弃渣场选址及设计的探讨[J]. 铁道勘察，2011(6): 35-39.

[10] 尹思勤，邵社刚. 山区公路弃渣场恢复措施与验收标准探讨[J].公路交通科技：应用技术版，2009(1): 21-25.

[11] 陈宇，冉磊. 山区高速公路弃土场选址和设计原则综述[J]. 四川建筑，2012(2): 34-36.