浅析陕北黄土高原区线性工程的水土流失预测

姜 浩

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

线性工程的建设通常具有扰动土地面积大、涉及影响范围广以及时空跨度长的特点，常见的线性工程有公路、铁路建设，输送水、汽以及油的管道建设等，这些工程的建设为国民经济作出巨大贡献的同时，也严重破坏了线路所途径区域的生态环境。黄土高原区的土质疏松、沟多沟深、地面坡度较大、降水量较少、暴雨通常集中、植物稀少，这些特点加剧了线性工程建设过程中的水土流失[1]，线性工程建设过程中基础的开挖会扰动原地貌，破坏地表植被，从而改变了原有地貌类型、植被以及土壤结构，使土地丧失了原有的固土抗蚀能力。同时，建设过程中会产生大量的废弃土石方，导致项目区内土壤侵蚀强度加剧，水土流失量增加。如不采取有效的水土保持防护措施，极易产生水土流失，影响建设区域的生态环境，产生严重的水土流失危害[2]。本文以神华能源股份有限公司神东煤炭分公司大柳塔煤矿至开拓准备中心道路维修改造工程为例，依据实际分析工程水土流失预测单元、预测时段，应用数学模型法研究各预测时段的土壤侵蚀模数，预测建设过程中可能产生的水土流失量，为陕北黄土高原区线性工程的水土流失预测提供评价方法和依据，同时也为陕北黄土高原区线性工程制定水土流失防治方案提供有效的数据支撑。

1 研究背景

大柳塔煤矿至开拓准备中心道路维修改造工程位于陕西省榆林市神木市大柳塔镇，行政区划隶属神木市大柳塔镇管辖。工程南起于大石公路与乌兰木伦河三号桥连接线平交口，沿既有大石公路布置，经维修三厂支护材料厂、哈拉沟煤矿、大柳塔水土保持公园、哈拉沟洗煤厂、开拓准备中心、瓷窑湾物资库、石圪台煤矿、石圪台洗煤厂等，至陕蒙交界止，路线全长18.383km。本项目为改扩建建设类项目，总占地54.87hm2，拟于2022年4月施工准备，计划于2023年11月底完工，总工期20个月(含施工准备期)。主要建设内容为对道路进行维修改造，路基宽度由8.5m拓宽为12m，部分路段加大转弯半径，改建为二级公路。本项目由路基工程区、桥涵工程区、弃土场区、施工生产区以及施工便道区共5部分组成。

2 预测方法

项目区水土流失成因复杂、类型多样。本次采用实地调查法和数学模型法相结合的方法进行水土流失强度和水土流失量预测；采取引用资料法和设计资料统计相结合的方法对工程建设扰动原地貌及破坏土地和植被面积预测、弃土石渣量预测；采用数学模型法对扰动前和扰动后风蚀和水蚀土壤侵蚀模数进行模拟计算[3]；水土流失危害预测采取实地跟踪调查、参考相似工程施工扰动后造成危害实例进行预测。

2.1 地表翻扰型一般扰动地表(水蚀)

Myd=RKydLySyBETA

(1)

式中，Myd为地表翻扰型一般扰动地表计算单元土壤流失量，t；R为降雨侵蚀力因子，取1323.28MJ·mm/(hm2·h)；Kyd为地表翻扰后土壤可蚀性因子，Kyd=NK，N为地表翻扰后土壤可蚀性因子增大系数，取2.13，K为土壤可蚀性因子，取0.0132；Ly为坡长因子，取1.9037；Sy为坡度因子，取0.9753；B为植被覆盖因子，取0.20；E为工程措施因子，取1.0；T为耕作措施因子，取1.0；A为计算单元的水平投影面积，hm2，根据各预测单元占地面积确定。

2.2 上方无来水工程开挖面(水蚀)

Mkw=RGkwLkwSkwA

(2)

式中，Mkw为上方无来水工程开挖面计算单元土壤流失量，t；R为降雨侵蚀力因子，取1323.28MJ·mm/(hm2·h)；Gkw为上方无来水工程开挖面土质因子，取0.1814t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；Lkw为坡长因子，取0.1813；Skw为坡度因子，取0.9928；A为计算单元的水平投影面积，hm2，根据各预测单元占地面积确定。

2.3 上方无来水工程工程堆积体(水蚀)

Mdw=XRGdwLdwSdwA

(3)

式中，Mdw为上方无来水工程堆积体计算单位土壤流失量，t；R为降雨侵蚀力因子，取1323.28MJ·mm/(hm2·h)；X为堆积体形态因子，取1；Gdw为上方无来水工程堆积体土石质因子，取0.0021t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；Ldw为坡长因子，取5.96230；Sdw为坡度因子，取2.03887；A为计算单元的水平投影面积，hm2，根据各预测单元占地面积确定。

2.4 一般扰动地表(风蚀)

Mf=QIJAGf

(4)

式中，Mf为一般扰动地表计算单元土壤流失量，t；Q为计算当月单位面积风蚀率，取1700t·km-2；I为粗糙干扰因子，取0.98215；J为地表物质紧实程度系数，取1.33；A为计算单元水平投影面积，hm2，根据各预测单元占地面积确定；Gf为风蚀可蚀性因子，取1。

2.5 工程堆积体(风蚀)

Mfd=QIHPAGf

(5)

式中，Mfd为工程堆积体计算单元土壤流失量，t；Q为计算当月单位面积风蚀率，取3500t·km-2；I为粗糙干扰因子，取0.99910；H为工程堆积体高度因子，取3.09819；P为工程堆积体堆放方式因子，取0.5700；A为计算单元水平投影面积，hm2，根据各预测单元占地面积确定；Gf为风蚀可蚀性因子，取1。

3 参数确定

3.1 水土流失预测范围和预测单元

根据本工程建设实际情况和对裸露地表变化、扰动的分析，工程预测范围为全部扰动并可能产生水土流失的区域，即总占地面积54.87hm2。根据本工程占地类型及工程布局、工程组成、施工扰动特点、水土流失影响程度及地貌特征划分水土流失预测单元，本项目可分为路基工程区、桥涵工程区、弃土场区、施工生产区以及施工便道区共5个预测单元。水土流失面积预测见表1。

表1 水土流失面积预测结果表

3.2 预测时段

预测时段包括施工期(含施工准备期)及自然恢复期。施工期预测单元的预测时段不简单套用施工工期，而是根据施工工期的长度按照最不利的情况考虑，即超过雨(风)季长度不足1a的按全年计算，未超过雨(风)季长度的按占雨(风)季长度的比例计算[4]。项目区水蚀主要发生在6—9月，风蚀主要发生在3—5月、10-11月。自然恢复期预测单元的预测时段一般为2～5a，根据项目区自然条件和干旱程度，天然植物恢复或表土形成相对稳定的结构并发挥水土保持功效等因素，确定自然恢复期预测时段为5a。水土流失预测单元及预测时段详见表2。

表2 水土流失预测单元及时段表

3.3 土壤侵蚀模数的确定

3.3.1 扰动前土壤侵蚀模数

项目区地貌类型为陕北沙丘沙地及草滩盆地亚区，属黄河流域，土壤侵蚀类型以风力侵蚀为主，兼有水力侵蚀，现状侵蚀为中度侵蚀。容许土壤流失量为1000t·km-2·a-1。参照《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL773-2018)，利用数学模型法计算扰动前土壤侵蚀模数。经计算，风蚀模数约为2200.64t·km-2·a-1，水蚀模数约为1380.78t·km-2·a-1。

表3 扰动前土壤侵蚀模数汇总表

3.3.2 扰动后土壤侵蚀模数

施工建设期，项目区原地貌遭到破坏，水土流失量迅速增加。经过对工程概况、项目区自然环境状况、水土流失特点等的综合分析，结合破坏后的各自坡度变化，对各区域扰动前后土壤流失量采用《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL773-2018)中测算公式。经计算，一般扰动地表流失类型风蚀模数约为4644.53t·km-2·a-1，地表翻扰型一般扰动地表流失类型水蚀模数约为2761.56t·km-2·a-1；上方无来水工程开挖面流失类型水蚀模数约为4320t·km-2·a-1；上方无来水工程堆积体流失类型水蚀模数约为3378.11t·km-2·a-1；工程堆积体流失类型风蚀模数约为6175.33t·km-2·a-1。

3.3.3 自然恢复期土壤侵蚀模数

在自然恢复期，随着施工的结束，对地表的扰动破坏和影响也随之消失，在不采取水土保持措施的情况下，经过5a恢复期，植被逐渐恢复至原地貌状态。参照《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL773-2018)，利用数学模型法计算自然恢复期土壤侵蚀模数。经计算，第1年至第5年水蚀模数分别为1656.94t·km-2·a-1、1587.90t·km-2·a-1、1518.86t·km-2·a-1、1449.82t·km-2·a-1、1380.78t·km-2·a-1；第1年至第5年风蚀模数分别为2394.00t·km-2·a-1、2388.61t·km-2·a-1、2377.89t·km-2·a-1、2356.56t·km-2·a-1、2330.18t·km-2·a-1。

表4 扰动后土壤侵蚀模数汇总表

表5 自然恢复期土壤侵蚀模数汇总表

4 预测结果分析

依据各预测单元扰动地貌植被面积、施工扰动前后土壤侵蚀模数、预测时段，进行水土流失预测，按照预测方法及计算公式，计算各个时段的水土流失量。预测结果见表6。

表6 土壤流失量汇总表

从表6可以看出，工程建设期间可能造成的水土流失总量为19544.11t，新增水土流失量14269.17t。其中，施工期的水土流失量为9356.74t，新增水土流失量5404.55t；自然恢复期的水土流失量为10187.37t，新增水土流失量8864.62t。

图1 分时段新增水土流失量图

从图1可以分析出，自然恢复期与施工期相比，新增水土流失量较大，主要原因为自然恢复期时间较长，通过换算成每年水土流失量(施工期新增水土流失量为2702.28t·a-1，自然恢复期新增水土流失量为1772.92t·a-1)，施工期水土流失强度较自然恢复期大，更主要原因在于施工期的人为扰动，因此，施工期水土流失防护措施的实施更为重要，施工期作为水土保持监测的重点时段。

图2 分区段新增水土流失量图

从图2可以分析出，从水土流失产生的区域来看，新增水土流失的重点区域为路基工程区。路基工程区新增水土流失量占新增水土流失总量的77.96%。因此，路基工程区是本项目水土流失重点防治对象和水土流失监测的重点区域。

5 结语

随着我国经济迅速发展，不可避免的要修建公路、铁路、输送管线等生产建设工程。从而造成水土流失，对生态脆弱地区的环境造成巨大的影响。但通过水土流失量的预测可找出项目发生水土流失严重的区域和时间段，定量分析水土流失情况，定性分析水土流失影响的程度，为合理、科学制定水土保持措施体系提供依据，量化各个预测单元的水土流失增量，指导建设单位有针对性地减少因工程建设所引起的水土流失及其引发的不利影响具有重要意义。