二次扰动地貌水土流失中新增水土流失量预测

尹晓煜

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原030024）

开发建设项目水土流失预测是水土保持措施布局和设计的基础[1]，科学且符合实际的水土流失预测，可为合理布设水土流失防治措施和确定重点监测区提供科学依据，而且直接关系到水土保持方案中水土保持措施和造价，因此作为水土流失预测核心的新增水土流失量的计算尤为重要[2]。目前开发建设项目新增水土流失量预测中对公式、面积、时段的确定都有规范可遵照执行，对于原地貌土壤侵蚀模数的确定有的是依据全国第二次土壤侵蚀遥感数据即项目区土壤、土地利用、植被覆盖度及地表坡度等情况，经过实地调查测算[3]，或者通过实地调查、咨询或者查阅当地相关水保资料而得，其中实地调查时对有扰动地块实地调查到的原地貌土壤侵蚀模数往往要高于本地块真正的数值，从而采用调查到的模数进行新增水土流失量预测的结果会有所偏差。为了研究同区域在原地貌和扰动地貌二种情况下的新增水土流失量不同，分析探讨对新增水土流失量的影响程度，从而提出在类似情况下怎样确定原地貌土壤侵蚀模数使预测的新增水土流失量更符合实际，更好的为布设水土保持措施和水土流失监测服务。

1 土流失量预测方法

1.1 开发建设项目新增水土流失量预测

开发建设项目新增水土流失量是指开发建设项目在建设过程中可能造成的土壤流失总量的增加值，根据《开发建设项目水土保持技术规范》[4]（GB50433－2008）类比法计算公式为:

式中:ΔW为扰动地表新增水土流失量（t）；ΔMik为不同单元各时段新增土壤侵蚀模数；n为预测单元，1、2、3…，n－1，n；k为预测时段，1、2、3… 指施工准备期、施工期和自然恢复期；Fi为第i个预测单元的面积（km2）；Mik为扰动后不同预测单元不同时段的土壤侵蚀模数；Mi0为扰动前不同预测单元不同时段的土壤侵蚀模数；Tik为预测时段（a）。

规范[4]要求对于新建项目扰动前的土壤侵蚀模数Mi0应根据项目所在地自然条件、当地水文手册、相关试验研究等资料合理确定。实际工作中扰动前的土壤侵蚀模数Mi0是按以下方法确定，首先确定项目所处区的地貌类型区（平原、台地、丘陵、低山、中山、高山、极高山）[5]、水土流失产生的主要类型（水力侵蚀、风力侵蚀）、土壤侵蚀类型区（西北黄土高原区、东北黑土区、北方土石山区、南方红壤区、西南土石山区）、项目区的土壤侵蚀强度（微度、轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈）[6]，依据上面所确定项目区土壤侵蚀模数的大致范围，然后根据项目区的县志或者水土保持规划确定项目区的平均土壤侵蚀模数，最后根据实地调查项目占地区的微地貌（坡度、植被覆盖等）确定项目区扰动前土壤侵蚀模数Mi0。扰动后的模数Mik可根据施工组织设计、地表情况等分析确定[4]。

以上所说的扰动前的地貌是指占地区地表是处于自然稳定状态下的，并且根据前面的公式（2）如果Mi0大于Mik预测结果为0，可见扰动前的土壤侵蚀模数的确定是水土流失预测结果准确的前提之一。

1.2 二次扰动地貌情况

二次扰动地貌是指同一区域在原始地貌被人为扰动过一次后，由于开发建设项目将进行第二次扰动的区域地貌。二次扰动地貌包括经过第一次扰动自然恢复期后和正处于自然恢复期间二种情况。在进行现场查勘进行微地貌土壤侵蚀模数的确定时，会根据项目区的各单元的地表坡度、植被覆盖率等确定微地貌的土壤侵蚀模数，却极易忽视项目区的地表是否是在近期内被扰动过，对于近期（正处于自然恢复期）被扰动过的地貌所确定的土壤侵蚀模数就会偏大于地表未扰动前的稳定状态的原始地貌土壤侵蚀模数，从而计算出的新增量就会偏小失真，造成项目水土流失量预测结果和工程水土保持的效益偏小失真。

1.3 二次扰动地貌水土流失中新增水土流失量预测

主要是根据二次扰动地貌的二种情况针对上述公式（2）中的Mi0进行修正。如果上次扰动距离本次扰动时间间隔超过该项目区自然恢复期，即二次扰动处于第一次扰动自然恢复期后情况，则Mi0的确定以实地调查到土壤侵蚀模数为准；如果上次扰动距离本次扰动时间间隔小于该项目区自然恢复期，即二次扰动处于第一次扰动自然恢复期内情况，则Mi0的确定需在实地调查到土壤侵蚀模数的基础上进行适当减小，或者以该区域附近未被扰动的自然稳定状态下土壤侵蚀模数来确定Mi0。

Mi0修正后采用前面式（1）和式（2）进行新增水土流失量的计算。

2 新增水土流失量计算实例

2.1 工程概况

某一水利工程位于山西省运城市，项目包括大坝工程、分洪工程、排水泵站及排水渠工程、输电线路、施工临建和取（弃）土场、弃渣场区7个防治分区。总占地面积60.98hm2，其中永久性占用39.65hm2，临时性占用21.33hm2。工程总投资1.3亿元，工期2a。

项目所在河流属于黄河流域涑水河水系，项目地处运城盆地中南缘、中条山西段北麓山前冲洪积、湖积倾斜平原区，地面标高一般在300m～350m；项目区属于暖温带干旱大陆性季风气候，年平均气温14℃，年均降雨量501.5mm，降水量主要集中在6月～9月，多年平均蒸发量2 034.2mm，无霜期216d，多年平均最大冻土深度47cm；工程沿线涉及的县（市）经过的主要土壤类型有沼泽土、盐土和褐土性土；项目区属于暖温带落叶阔叶林植被类型区，林草覆盖率10%。，工程占地区以草本和灌丛为主；项目区水土流失以水蚀为主，属于全国土壤侵蚀类型中二级类型区中的北方土石山区[6]，根据项目区地貌类型分区图确定项目区微地貌为冲积平原区，土壤容许流失量为200t/（km2·a），项目区土壤侵蚀模数400t/（km2·a）～800t/（km2·a），侵蚀类型以水力侵蚀为主，项目区的自然恢复期为3a。

该项目1＃泵站占地面积1hm2，占地类型为其它草地，地形平缓，地面高程345.8m～346.8m，根据实地查勘目前土壤侵蚀模数约800t/（km2·a），据调查前1a～2a时间作为另一工程的临时占地被扰动过，该站址周边地未扰动区土壤侵蚀模数约500t/（km2·a）。因该站址区目前处于第一次扰动的自然恢复期内，在该区新增水土流失量计算时需对实地调查到的Mi0（800t/（km2·a））进行修正，使其更接近于自然恢复期后该站址区稳定的土壤侵蚀模数，修正后的Mi0小于现在的地貌土壤侵蚀模数，应该接近于该站址周边地未扰动区土壤侵蚀模数500t/（km2·a），根据修正后的Mi0再根据前面的公式逐步计算。

2.2 计算结果及分析

该站址二年前被扰动过，并且未采取水土保持恢复措施，目前处于自然恢复期，据调查站址周边地区的土壤侵蚀模数为500t/（km2·a），由于二年前的扰动未采取水土保持恢复措施而站址区目前的土壤侵蚀模数为800t/（km2·a），此时进行本项目水土保持方案的编制工作，在进行现场查勘时需确定站址二次扰动前地貌的土壤侵蚀模数，Mi0采用800 t/（km2·a）和500t/（km2·a）经计算后新增水土流失量是不同的，为了说明新增水土流失量的不同，采用800t/（km2·a）和500t/（km2·a）二种Mi0方案对其新增水土流失量计算，见表1、表2，本项目扰动后的土壤侵蚀模数为2 000t/（km2·a），当地的自然恢复期为3a。

表1 建设期扰动地表后土壤流失量预测表

表2 自然恢复期扰动地表后土壤流失量预测表

对以上计算结果进行分析对比见图1、图2，图1为第二次扰动在第一次扰动的自然恢复期内，图2为第二次扰动在第一次扰动的自然恢复期后，二种预测方案的曲线见图中所示。

图1 第二次扰动在第一次扰动自然恢复期间

从上面的对比图可以看出:

（1）Mi0采 用 800t/（km2·a）比 采 用 500 t/（km2·a）预测的新增水土流失量少，二者之差为四边形ABCD的面积。项目区土壤侵蚀模数在第二次扰动后经过三年自然恢复期最终要恢复到接近500t/（km2·a），所以采用500t/（km2·a）的预测更准确、更符合实际情况。

图2 第二次扰动在第一次扰动自然恢复期后

（2）第一次扰动对第二次扰动的影响大小取决第二次扰动的介入时间；如果是在第一次扰动自然恢复期后介入就是没有影响的，处于自然恢复期后所以Mi0为500t/（km2·a），不需要修正，计算出来的新增水土流失量为图中的斜影ABMNCD面积；如果是在第一次扰动自然恢复期内介入，则是介入越早

表2 费歇判别分析法所得到的预测结果表

（2）费歇判别分析方法首次运用到地下洞室的超挖预测研究中，仍然存在一些问题有待深入研究。例如影响隧洞超挖的主要因素主要有些，本文给出的选择是否一定合理？判别模型中的判别因子怎样选取等等。在今后的研究工作中，可以考虑搜集更多的工程实例数据，建立相应的数据库，加强隧洞超挖预测费歇判别分析模型的训练，并使得该模型更加完善，进而使预测结果更加接近实际情况。

[1]Chakraborty A K，Raina A K，Ramulu M，et al.Development of rational models for tunnel blast prediction based on a parametric study[J].Geotechnical and Geological Engineering，2004，22（4）:477－496.

[2]Maerz N H，Ibarra J A，Franklin J A.Overbreak and underbreak in underground openings part 1:measure－ment using the light section method and digital image processing[J].Geotechnical and Geological Engineering，1996，14（4）:307－323.

[3]魏继红，孙少锐，彭建忠，等.高速公路连拱隧道超挖预测及评价研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25（S1）:3324－3329.

[4]孙少锐，吴继敏，魏继红.基于地质统计模型的小波神经网络在地下隧洞超挖预测中的应用[J].岩石力学与工程学报，2003，22（8）:1344－1349.

[5]苏永华，孙晓明，赵明华.隧道围岩超挖的分形特征研究[J].中国矿业大学学报，2006，35（1）:89－93.

[6]吴继敏，孙少锐，魏继红.应用力学机制的网络模拟预测洞室超挖问题[J].岩土力学，2004，25（8）:1220－1224.

[7]王学民.应用多元分析[M].上海:上海财经大学出版社，1999.