水蚀区生产建设项目土壤侵蚀模数动态计算——以北海原油商业储备基地项目为例

牛 俊，王一峰，李建明，高 强，赵久长，王志刚

(1.长江水利委员会 长江科学院，湖北 武汉430000；2.水利部 山洪地质灾害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430000；3.长江水利委员会 国际合作与科技局，湖北 武汉430000； 4.中国石化管道储运有限公司，江苏 徐州221008)

水力侵蚀是我国分布最广、危害最严重的土壤侵蚀类型，其分布区域一般地形起伏、坡度较大，具有较好的降水条件，土壤覆盖层较厚，为水力侵蚀提供了地形条件、水力条件和侵蚀物质条件[1]。同时，水力侵蚀分布区域多为人类活动剧烈的地带[1]。生产建设项目是人类活动的重要表现形式，对地表产生强烈扰动，导致植被破坏、地表裸露，加速了水力侵蚀进程。

土壤侵蚀模数是指单位时段内单位水平面积地表土壤及其母质被侵蚀的总量，通常以t/(km2·a)表示[2]，它是土壤侵蚀强度分级的主要指标[3]。土壤侵蚀模数概念由通用土壤流失方程发展而来[4]，用以反映某区域多年平均土壤侵蚀强度大小。生产建设项目施工过程中，人为活动对地表扰动频繁，扰动范围及扰动程度在时间维度上呈现高频动态变化特征，土壤侵蚀强度亦在短时期内发生快速变化。对生产建设项目土壤侵蚀模数进行动态计算，是评判项目施工过程中人为扰动条件下土壤侵蚀强度等级及其动态变化情况的手段。而以年为时间单位统计得到的土壤侵蚀模数，并不能直观反映生产建设项目土壤侵蚀强度在短期内快速变化的特征，故在进行生产建设项目土壤侵蚀模数计算时，应将时间单位——年划分为更短的时间单位。

在“水利工程补短板、水利行业强监管”的水利发展改革大背景下，要求水土保持监管工作要“充分运用高新技术手段开展监测，实现年度水土流失动态监测全覆盖和人为水土流失监管全覆盖”。根据水利部2015年6月发布的《生产建设项目水土保持监测规程(试行)》相关要求，项目建设单位应按季度向水行政主管部门报送水土保持监测季报。为满足“水利行业强监管”工作要求及生产建设项目水土保持监测规程要求，应以季度为时间单位进行土壤侵蚀模数动态计算，以客观反映项目施工过程中人为活动影响下的土壤侵蚀强度动态变化情况。因水蚀区降雨年内分布不均，各季度降雨量存在差异，如简单地将1年等分为4个季度并将其作为时间单位用于季度侵蚀模数计算，则人为忽略了降雨对土壤侵蚀的影响，亦不能充分反映人为因素与侵蚀强度间的相互关系，这就需要引入一个由季度降雨量转换而来的季度侵蚀时长参数，并用于土壤侵蚀模数动态计算。此外，关于土壤侵蚀模数的研究，已有成果[5-13]多见采用模型预测、实地调查等方法确定小流域或区域土壤侵蚀模数的报道，鲜见以实测侵蚀数据为基础进行生产建设项目土壤侵蚀模数动态计算与分析的相关内容。本研究以北海原油商业储备基地项目为例，基于项目建设过程中实测扰动面积、土壤侵蚀量等数据，引入季度侵蚀时长参数，以季度为时间单位，对土壤侵蚀模数进行动态计算，并对计算结果进行分析，为生产建设项目水土流失动态监测提供参考。

1 项目及项目区概况

研究项目为点型建设类项目，位于广西壮族自治区北海市铁山港区营盘镇(N21°29′05″、E109°30′09″)，南邻北部湾；属我国东南沿海山地丘陵区的西南缘，地势总体呈北高南低，地形平缓开阔，海拔8.3～25.4 m；气候类型为亚热带海洋性季风气候，高温多雨，干湿分明，多年平均气温为23.1 ℃，多年平均降水量为1 670 mm，多年平均蒸发量为953 mm；土壤类型为赤红壤，植被类型属热带常绿阔叶灌丛带，原始地面土地利用类型以农田为主，主要种植木薯。研究区在我国土壤侵蚀类型分区中属水力侵蚀类型区中的南方红壤丘陵区[14]，土壤侵蚀以水力侵蚀为主，容许土壤流失量为500 t/(km2·a)，原生土壤侵蚀模数为600 t/(km2·a)，属轻度侵蚀。项目总占地面积70.51 hm2，于2010年9月开工，2013年6月完工。项目建设单位于2010年11月委托开展水土保持监测，监测工作实际于2010年12月开始，2010年12月至2013年6月为施工期监测阶段，2013年7月至2014年6月为自然恢复期监测阶段。

2 数据获取与处理

2.1 降雨量

施工期(2010年12月至2013年6月)降雨量采用雨量筒实测获得，早晨8:00测量雨量筒中所收集雨水的体积，通过计算得到24 h累计降雨量；自然恢复期(2013年7月至2014年6月)降雨量从当地气象部门获取。获得降雨量数据后，以季度为单位，分别统计各季度降雨总量及侵蚀性降雨量。

2.2 扰动地表面积

根据研究项目建设过程中的施工扰动形式，将地表扰动区域按扰动类型划分为不同的下垫面类型：工程施工期，扣除建筑物占压和地面硬化区域，将扰动区域划分为松散坡地、松散平地、压实平地及绿化平地(盖度>15%)4种下垫面类型；自然恢复期，扣除建筑物占压和地面硬化区域，将扰动区域划分为压实平地和绿化平地(盖度>15%)2种下垫面类型。

扰动地表面积采用手持式GPS结合项目总平面布置图量算获得，具体方法如下：施工期监测阶段，每季度最后一个月，由现场监测人员携带手持式GPS记录各不同类型下垫面的边界、转角等关键点坐标，之后将坐标数据输出至电脑，并将经纬度坐标转换为公里网坐标，再勾绘出不同下垫面类型边界线，与项目总平面布置图叠合后量算各下垫面类型的面积；自然恢复期监测阶段，在项目总平面布置图上量算各下垫面类型面积。

2.3 土壤侵蚀量

在项目施工过程中，针对不同扰动下垫面类型，分别选择典型地块(坡面)布设监测设施进行土壤侵蚀量监测。研究项目监测过程中，对于松散坡地，先后布设1处全坡面径流小区、1处侵蚀沟体积测量简易小区和1处简易测钎小区；在松散平地和压实平地各布设1个沉沙池，并在沉沙池周边用土袋围挡，形成一个闭合汇水区，使汇水区内雨水全部汇流至沉沙池内，区外雨水全部排导；绿化平地施工期布设了1个沉沙池，用土袋围挡形成闭合汇水区汇集雨水，自然恢复期利用主体工程已建成的混凝土排水沟，在紧邻绿化区的排水沟内用砂浆砌砖修建了1处临时集水槽(监测结束后拆除)，集水槽宽度小于排水沟宽度，以免对排水产生不利影响，并在紧邻排水沟的绿化区内用土袋围挡形成汇水区，以使汇水区内雨水全部汇流至集水槽，区外雨水全部排导。

监测设施建成后，分别采用径流小区法、测钎法、坡面细沟观测法、相关沉积法等方法[15]获得不同下垫面典型观测小区(样地)的土壤侵蚀量，之后与相应下垫面类型所对应的面积相乘，得到各下垫面类型的土壤侵蚀量，累加后得到项目建设区内土壤侵蚀总量。地面被建筑物占压或硬化后，不再产生土壤侵蚀，所以在统计侵蚀量时占压/硬化区域的土壤侵蚀量以0计。

土壤侵蚀量计算公式为

(1)

式中：W为项目建设区土壤侵蚀总量，kg；Mi为第i种下垫面类型的土壤侵蚀强度，kg/m2；Ai为第i种下垫面类型的总面积，m2；n为下垫面类型总数。

2.4 侵蚀时长

侵蚀时长是指发生土壤侵蚀的累计时间长度，季度侵蚀时长即为单个季度内发生土壤侵蚀的累计时间长度。季度侵蚀时长可用该季度侵蚀性降雨量与年侵蚀性降雨总量的比值表达。年内某季度的侵蚀时长表达式为

(2)

式中：Ti为第i季度侵蚀时长，a；T为1标准年，a；Pi为第i季度侵蚀性降雨量，mm；Pa为年度侵蚀性降雨总量，mm。

2.5 土壤侵蚀模数计算

根据土壤侵蚀模数的定义，其计算公式为

M=W/(A·T)

(3)

式中：M为土壤侵蚀模数，t/(km2·a)；W为土壤侵蚀量，t；A为侵蚀面积，km2；T为侵蚀时长，a。

3 结果与分析

3.1 监测数据统计分析

3.1.1 降雨量及侵蚀性降雨量

在自然界，并非所有降雨都能引起土壤侵蚀，侵蚀实际是由侵蚀性降雨所引起的[16]。在获得降雨量数据后，按季度统计当季总降雨量及侵蚀性降雨量。侵蚀性降雨是以次降雨量为标准进行统计的，而研究项目监测过程中，获得的降雨量均为日降雨量，而日降雨量与次降雨量又非一一对应关系，这为侵蚀性降雨量的统计带来困扰。章文波等[17]建立了基于日雨量的降雨侵蚀力模型，用日雨量代替次降雨量进行降雨侵蚀力计算，并将日降雨量≥12 mm作为侵蚀性日雨量标准。根据相关研究，土壤侵蚀主要由次降雨大于10 mm的降雨引起，因而可将10 mm作为侵蚀性降雨标准[15]。国内其他学者也有以≥9.9 mm、≥12.3 mm、≥12.7 mm等作为侵蚀性日降雨标准的[18]。本研究借鉴上述处理方法，根据研究区实际情况，将24 h累计降雨量≥10 mm的降雨统计为侵蚀性降雨。因2010年12月进场后仅监测到1次降雨，实测降雨量8.8 mm，小于侵蚀性降雨标准，所以在统计时将2010年12月降雨数据剔除。

项目建设期各季度降雨量及侵蚀性降雨量统计结果见图1。可以看出，项目区年内降雨分布不均，主要集中在第2、3季度，存在较明显的雨季和旱季，从统计时段看，年内第2、3季度降雨量合计占到全年降雨量的71.6%～79.1%，为雨季，第1、4季度降雨量合计不到全年降雨量的30%，为旱季。对比各季度侵蚀性降雨量占当季降雨总量的比值发现，统计时段内项目区各季度侵蚀性降雨量占当季总降雨量的比值为44.0%～96.0%，其中，第1季度侵蚀性降雨量占比较小，为44.0%～63.8%，显著小于第2、3、4季度侵蚀性降雨量占比(81.8%～96.0%)。

3.1.2 扰动面积

生产建设项目开发活动显著改变了下垫面自然状况，主要表现在：改变植被覆盖、地形、土壤密实度及土壤物质组成等，形成各类“人工下垫面”，不同的“人工下垫面”，其产流及侵蚀产沙规律存在明显差异[19-21]。扰动地表面积按照工程建设过程中不同“人工下垫面”类型分别统计，施工扰动区域“人工下垫面”类型根据地面扰动情况进行划分。

图1 降雨量及侵蚀性降雨量统计

研究项目建设期各季度扰动面积量算统计结果见图2。从图中可以看出，工程建设期内，各“人工下垫面”面积变化明显：2011年第1季度，主要进行场平施工，扰动方式以土石方大规模回填为主，地面扰动类型主要有松散坡地、松散平地、压实平地等3种；从2011年第2季度起，随着主体工程建(构)筑物施工逐步推进，占压/硬化面积逐渐增加，松散平地面积总体呈逐渐减少趋势，压实平地面积因建筑基坑开挖、机械碾压等扰动，各季变化情况不一；场地四周填方边坡采取工程护坡措施，2012年第2季度末完工，松散坡地面积减少为0；2011年第3季度，部分较长时间未扰动的松散裸露地面逐渐有杂草生长，主要是蒿类、禾本科草本植物，盖度20%左右，2013年第1季度起植物措施全面实施，绿地面积大幅增加。

图2 项目建设期“人工下垫面”面积统计

3.1.3 土壤侵蚀量

项目建设过程中土壤侵蚀量统计结果见图3。可以看出，施工期土壤侵蚀总量显著大于自然恢复期，原因是施工期地表扰动面积和扰动程度均显著大于自然

图3 土壤侵蚀量统计

恢复期，扰动越剧烈、扰动面积越大，产生的土壤侵蚀量也就越大；同时，项目建设过程中，施工扰动造成的松散平地面积较大，相应地，松散平地土壤侵蚀量亦大于其他扰动类型，说明地表扰动面积和扰动类型与土壤侵蚀量关系密切；年度内，第2、3季度土壤侵蚀量大于第1、4季度，这是因为年内第2、3季度降雨量和侵蚀性降雨量大于第1、4季度，降雨量大，侵蚀动力就强，相应地土壤侵蚀量也大。

3.1.4 侵蚀时长

我国季风区划分以大兴安岭—阴山—贺兰山—巴颜喀拉山—冈底斯山一线为界[22]，对比我国季风区与水力侵蚀区的分布关系[22-23]可知：水力侵蚀区基本位于季风区范围内，因而我国水力侵蚀类型区降雨特征与季风区一致，具有年内分布不均及存在较明显雨季和旱季的特点。一般来说，年降水总量大，侵蚀总能量也大，侵蚀因而增强[23]。对于水力侵蚀区来说，年内雨季降雨量大于旱季，相应地雨季降雨侵蚀总能量大于旱季，产生的土壤侵蚀量亦大于旱季。假使雨季时长适当缩短或旱季时长适当延长，雨季降雨总量与旱季降雨总量大致相当，那么雨季与旱季降雨侵蚀总能量相当，相应地雨季与旱季产生的土壤侵蚀量亦相当。基于上述假设及推论，单个季度的侵蚀时长可用当季降雨量与年降雨总量的比值表达。考虑到水力侵蚀区土壤侵蚀实际由侵蚀性降雨所引起，故单个季度侵蚀时长用当季侵蚀性降雨量与年侵蚀性降雨总量的比值表达更为合理。

各季度侵蚀时长计算结果见表1。可以看出，各季度侵蚀时长分布区间为0.02～0.44 a，统计时段内，雨季(第2、3季度)平均侵蚀时长为0.37 a，旱季(第1、4季度)平均侵蚀时长为0.10 a，雨季平均侵蚀时长是旱季的3.7倍。

表1 各季度侵蚀时长计算结果

3.2 土壤侵蚀模数动态分析

3.2.1 平均土壤侵蚀模数动态变化情况

将项目建设期各季度平均土壤侵蚀模数绘制成图4。根据南方红壤丘陵区土壤侵蚀强度分级标准，得到项目建设期内各季度土壤侵蚀强度分布情况。

图4 土壤侵蚀模数动态变化情况

从图4中可以看出，施工期(2011年第1季度至2013年第2季度)各季度土壤侵蚀模数基本处于轻度及中度侵蚀区间，且变动幅度较大，施工期末，土壤侵蚀模数迅速下降至微度侵蚀区间；自然恢复期(2013年第3季度至2014年第2季度)各季度平均土壤侵蚀模数均低于容许土壤流失量500 t/(km2·a)，土壤侵蚀模数回落至微度侵蚀区间。对土壤侵蚀模数计算值做进一步分析：项目区原生土壤侵蚀模数为600 t/(km2·a)，施工期各季度平均土壤侵蚀模数为1 705 t/(km2·a)，土壤侵蚀模数最大值为3 704 t/(km2·a)，分别是原生土壤侵蚀模数的2.8和6.2倍，与原生土壤侵蚀模数相比，施工期侵蚀模数增大明显；自然恢复期各季度各下垫面平均土壤侵蚀模数为149 t/(km2·a)，最大土壤侵蚀模数为293 t/(km2·a)，分别是原生土壤侵蚀模数的0.25和0.49倍，明显低于原生土壤侵蚀模数；施工期平均土壤侵蚀模数是自然恢复期平均土壤侵蚀模数的11.4倍，施工期平均土壤侵蚀模数显著大于自然恢复期。

上述分析表明：通过引入季度侵蚀时长，以季度为单位进行土壤侵蚀模数计算，可以去除降雨因素对土壤侵蚀模数计算结果的影响，实现生产建设项目建设过程中各季度土壤侵蚀模数动态计算。计算结果直观反映了项目建设过程中人为活动影响下的土壤侵蚀强度动态变化特征，充分显示出侵蚀强度受人为活动影响显著的特点：工程施工期人为活动剧烈时，土壤侵蚀模数显著增大，施工期末及自然恢复期人为活动大幅减少或消失后，土壤侵蚀模数迅速回落，实施水土保持措施、对工程水土流失进行有效治理后，土壤侵蚀模数维持在微度侵蚀区间。这符合人为活动对土壤侵蚀影响的一般规律。

3.2.2 不同下垫面侵蚀模数对比

将项目建设期各季度不同下垫面类型土壤侵蚀模数绘制成图5，根据南方红壤丘陵区土壤侵蚀强度分级标准，得到项目建设期内各季度不同“人工下垫面”土壤侵蚀强度分布情况。

图5 不同下垫面土壤侵蚀模数动态变化情况

从图中可以看出：不同下垫面条件下，土壤侵蚀模数差异显著。其中：统计时段内松散坡地侵蚀模数为3 067～30 900 t/(km2·a)，各季度土壤侵蚀模数分别散布于中度、强烈、极强烈及剧烈侵蚀区间；统计时段内松散平地侵蚀模数为940～4 829 t/(km2·a)，各季度土壤侵蚀模数分别散布于轻度、中度侵蚀区间；统计时段内压实平地侵蚀模数为283～2 466 t/(km2·a)，各季度土壤侵蚀模数分别散布于微度、轻度侵蚀区间；统计时段内绿化平地侵蚀模数为0～553 t/(km2·a)，各季度土壤侵蚀模数除2011年第3季度处于轻度侵蚀区间外，其他各季度侵蚀模数均处于微度侵蚀区间。从不同下垫面类型条件下的土壤侵蚀强度等级分布情况看，松散坡地占据了6级侵蚀强度等级中的4级，侵蚀强度大且变动幅度大；松散平地占据了6级侵蚀强度等级中的2级，侵蚀强度较大，变动幅度较大；压实平地占据了6级侵蚀强度等级中的2级，侵蚀强度较小，变动幅度较小；绿化平地占据了6级侵蚀强度等级中的2级，侵蚀微弱，变动幅度很小。

通过上述分析可以得出，地面扰动类型对土壤侵蚀强度影响显著，对研究项目而言，不同“人工下垫面”土壤侵蚀模数及其变幅按大小排序为松散坡地>松散平地>压实平地>绿化平地。

4 结 论

(1)通过引入季度侵蚀时长，即可实现生产建设项目土壤侵蚀模数动态计算，计算结果对于评价生产建设项目施工过程中人为扰动对土壤侵蚀强度的影响及其动态变化情况具有指导意义，可为生产建设项目水土流失动态监测提供参考。

(2)引入季度侵蚀时长，可去除降雨因素对季度土壤侵蚀模数计算结果的影响，侵蚀模数计算结果可充分反映项目施工过程中人为扰动条件下土壤侵蚀强度动态变化情况及人为活动因素对土壤侵蚀的影响。

(3)研究项目土壤侵蚀模数动态计算结果表明：水蚀区生产建设项目土壤侵蚀强度受人为扰动剧烈程度和扰动形式影响显著；工程施工期，人为活动剧烈时，项目建设区平均土壤侵蚀模数显著增大，施工期末及自然恢复期人为活动大幅减少或消失后，土壤侵蚀模数迅速回落，实施水土保持措施后，工程水土流失得到有效治理，土壤侵蚀模数降低到微度侵蚀区间；同一时期，不同地表扰动形式下的土壤侵蚀模数值及其变幅差异较大，研究项目不同“人工下垫面”土壤侵蚀模数及其变幅按大小排序为松散坡地>松散平地>压实平地>绿化平地。