南水北调保沧段工程的水土流失问题研究

魏思怡 ，蔡玉如 ，王爱爱 ，吴宇航

（ 1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.华北理工大学经济学院，河北 唐山 063210；3.华北理工大学以升创新教育基地，河北 唐山 063210；4.华北理工大学数学建模创新实验室，河北 唐山 063210；5.河北省数据科学与应用重点实验室，河北 唐山 063210）

0 引言

南水北调工程水土流失防治责任范围总面积2313.03 hm2，其中包括项目建设区2169.42 hm2和直接影响区153.61 hm2。根据初设主体工程施工组织设计，项目建设过程中共动用土石方3398.0400 m3。保沧干渠地处暖温带大陆性季风气候区，四季分明。多年平均气温一般在12.3℃左右，全年无霜期一般在185～193d。封冻期一般在12月，解冻期一般在2月，最大冻土深度67～78 cm。年日照时数为2590～2881 h，多年平均蒸发量为1755～2230 mm（φ20 cm）。干渠沿线多年平均降水量540.7 mm。降水量年内及年际分配不均，丰枯相差悬殊，年内降水量的70～80%集中于汛期，多以暴雨形式出现。保沧干渠与众多河流共交叉了15次。工程区沿线主要为平原地貌。渠线沿线总体地势平坦开阔，由西南向东及北东倾斜，渠首至调压井地面高程15.4～73.4 m，调压井至河间分水口地面高程10.3～15.4 m，调压井至大城分水口地面高程2.9～15.4 m。保沧干渠供水线路如图1所示。

表1 水土流失防治目标表Table 1 Target list for soil erosion control

图1 保沧干渠供水线路图Fig. 1 Water supply route map of Baocang main canal

1 水土流失防治目标

根据水利部《关于划分国家级水土流失重点防治的公告》和《河北省人民政府关于划分水土流失重点防治区的公告》，项目区属于一般水土流失防治区。项目区水土流失防治标准同水土保持方案报告书，采用二级标准[1]。各项防治目标见表1。

1.1 土地侵蚀动力因素的分析

当土壤的外力作用大于其本身所具有的结构应力时，土壤的结构就会被破坏。外力的作用不断增加时，土壤因子的物理状态就会发生改变，进而发生位移，通俗讲土壤受到了侵蚀。在管道的施工中，使土壤产生侵蚀的主要因素是：重力、水力、风力、冻融以及人为的作用。

1.2 水利管道工程建设中水土流失的预测分析

管道施工的过程中需要对土方进行挖掘，开挖建筑物地基、顶管施工、管道开挖等对管线附近的地理环境产生了破坏，在施工范围里的农田和土壤会造到破坏，水土流失量也会增加[2-5]。因此需要对管道施工引起的水土流失量进行估算和预测，和原有地貌的水土流失量对比分析后决定是否需要进行治理和防护。若需要防护，依据估算的水土流失量制定方案。

预测内容一般分为管沟的开挖，弃土场、建筑物的基坑开挖，可能发生的水土流失的危害，生活的驻地等破坏原地貌、植被、土地以及破坏的水土保持的面积和数量，有可能产生的弃渣量和流失量等，将其总结为以下三方面：

（1）扰动面积。扰动面积分为：原土地地貌、植被覆盖面积以及破坏土地，包括一般主体工程区，施工营地、穿河流段的主体工程区、临时堆土区、弃渣场的项目建设区和直接影响区的占地面积。

（2）水土流失量预测。以管道工程施工期内水土流失的诱发因素为基础，水土流失基本上发生在以下两个方面：一是因为建筑物基坑、管沟开挖等使得水土侵蚀的速度加快，使得水土大量流失；二是因为工程中的弃土弃渣的不合理堆放增加了水土流失量。对水土流失估算时，考虑的前提是施工期间没有做任何的防护措施。对弃土弃渣区的水土流失的预测依据于管道建设中对土石方量的统计结果，计算分析弃土弃渣区的土方量，综合考虑各因素，用年侵蚀量预测模型计算水土流失量，最终预测出水土流失量。

（3）预测水土流失的危害。管道施工对农田的影响主要表现在以下方面：一是随着降雨的持续，田中的泥土会冲进在农田里施工的管道线管沟里，但管沟里并不存在排水设备，就使得泥沙慢慢积累，农田土壤颗粒和土地肥力流失；二是被破坏的农田有一部分泥土被雨水冲刷形成了黄泥水，流入附近的田地形成了沙压农田。

表2 平均降雨量Table 2 Average rainfall

表3 侵蚀模数取值表Table 3 Erosion modulus table

表4 各区域面积Table 4 The regional area

1.3 年侵蚀量预测模型参数确定

水土流失预测主要用的通用水土流失的方程式：E=Re×K×Ls×C×P。

其中，Re是土壤侵蚀的动力因子，和降雨有关，和施工无关，即在工程期间数值是固定的，计算的公式是式中，j为月份数；为月平均降雨量（单位：mm）；Q为年平均降雨量（单位：mm）。统计保定市近几年的降雨量，选择近五年的降雨量，取其平均值，预测年平均降雨量是552.9 mm，月平均降雨量的如表2所示。

由公式得出Re=201.3，这个值适应于全部的敏感区域。

K取值为土壤遇到侵蚀时候的敏感度，和有机物的含量、土壤的粒度有关。K取值小于0.4，表示农田里的土壤表层有正常的中度渗透速度和细的团粒结构；K取值在0.42～0.46时，表明已施工到表层以下的土壤具有中慢的渗透速度和块状或是片状的结构；根据实际情况对敏感区域赋值。

Ls表示地面的坡度和地表径流长度的函数关系，公式是式中，λ为侵蚀的坡面长；θ为侵蚀的坡面坡度；m为经验系数。管道建设时段不同敏感区其地形因子也不同，计算得各个敏感区地形因子取值结果。

C取值大小表明了植被的覆盖情况和土壤的侵蚀关系。保沧段南水北调工程在建设的期间，把地表上的植被全部移除了，所以地表无植被，C的值是1.0。

P为保持措施因子。通过工程措施对地面进行处理以体现水土流失控制的效果。根据实际情况P的取值结果。

依据以上因子取值的计算，对最终侵蚀模数计算得出各个敏感区的侵蚀模数，结果见表3。

1.4 水土流失敏感区的面积确定

保定市的南水北调配套工程，其总面积为12.20 km2。各区域面积详情如表4所示。

1.5 水土流失量的预测分析

（1）预测时段。水土的流失预测时段分为施工期和恢复期，时间均为1年。

（2）弃渣量预测。弃渣来源于管道建设开挖出来的，没有被利用的弃土，或是泵站拆除原道路的弃渣等，合计295600 m3，工程沿线的弃渣场地的面积是0.15 km2。

（3）新增加水土流失的预测。

①确定预测参数。在施工和恢复期间由于人为因素造成土壤大面积裸露，土壤被侵蚀的程度变得更加严重。由表5可以看出，穿河流段的主体工程区土壤侵蚀模数最大，水土流失情况最为严重，其次便是临时堆土区和弃渣场，一般主体工程区、工程管理区、临时街道，最后是施工营地，水土流失情况最轻。

表5 项目区水土流失量预测分析表Table 5 Prediction and analysis table of soil and water loss in project area

②施工期间水土流失量的预测分析。查阅文献可知，2011年保定市的土壤侵蚀程度是微度侵蚀，侵蚀模数在0～200 t/km2·a 范围里，扰动的面积为12.20 km2，所以每年原地貌的水土流失量在0～2440 t。结合各个区域的侵蚀模数和面积，计算得出最后的水土流失量，结果见表5。

预测时段中原地貌每年产生水土流失量0～2440 t，工程期产生的水土流失总量为8922.55 t，由此，建设期的水土流失量是原地貌的3.67倍。

比较施工期各个敏感区的水土流失量，发现一般主体工程区水土流失量最大，占比达48%，其次是临时推土区，占比达36%。这两个区域相应的恢复期的水土流失量也是最大的，在施工中，要注意这两个区域水土流失的防御和治理。水土流失量预测图如图2所示。

图2 水土流失量预测图Fig.2 The amount of soil erosion prediction

2 水土流失防治措施体系

水土流失防治措施体系需针对工程建设中的土方开挖、土方回填以及施工生产生活区修建、施工道路扰动等具体情况，因地制宜采取水土流失防治措施。水土保持措施布局见图3。

图3 水土保持措施体系图Fig. 3 System diagram of soil and water conservation measures

3 结论

（1）本文研究的水土流失工程建设项目不涉及水土保持监测站网、长期试验示范区、政府公告滑坡泥石流区等，工程建设基本不存在水土保持制约性因素，基本符合水利部184号文和开发建设项目水土保持技术规范的规定，该项目建设可行。

（2）本文提出的建设项目建设方案在工程布置、土石方平衡等方面，均能够贯彻落实水土保持法律法规，并采取相应的设计手段，尽可能减少占地、减少废弃土石方，同时采取植物措施，减少水土流失现象的发生。施工生产生活区以及施工时序等基本符合水土保持的要求。

（3）从水土保持角度分析本文研究的项目建设不存在水土保持制约性因素，其建设是可行的。