城市道路工程土壤侵蚀模数及流失量预测研究

余定椿

(高科环保工程集团有限公司，福建泉州362000)

0 引言

公路工程建设过程中破坏了原地貌的地表植被以及岩土结构，或多或少地改变了原有地表水循环途径，对沿途生态(景观)生产环境，以及沿线居民的生产、生活环境和公路自身安全产生了一定的负面影响[1]。合理确定工程扰动前后的土壤侵蚀模数，对科学预测土壤流失量，分区块合理确定水土保持措施和防治体系具有显著支撑作用。

1 项目概况

晋江市国际企业大道南延伸工程起于侨晖路，止于灵石公路，路线全长约1.22 km，红线宽度42 m，设计行车速度60 km/h，双向六车道，道路等级为城市主干道，沥青混凝土路面。项目主要包括道路工程、桥涵工程、交通工程、雨水工程、管线综合、污水工程、照明工程、电力工程、通信工程、绿化工程等。

2 水土流失量预测

2.1 预测单元

根据工程施工特点确定预测单元分区。预测单元包括：主体工程区、施工场地、表土堆场、临时堆土场和淤泥干化场。预测面积方面，本项目总征占地面积约10.3672 hm2，其中主体工程区9.6672 hm2、施工场地0.2000 hm2、表土堆场0.3000 hm2、临时堆土场0.1000 hm2、淤泥干化场0.1000 hm2。

2.2 预测时段

预测时段按照各分区工程施工工艺、施工进度、水土流失特点及扰动地面植被恢复时间确定。预测时段不足1 a时，若时长超过雨季按全年计算，不超雨季的按所占比重计算。由于工程地处南亚热带海洋性季风湿润气候区，雨量充沛，植被易恢复，将预测时段分为施工期和自然恢复期。植被恢复期为2 a，本工程总预测时段长为3.0 a。

2.3 土壤侵蚀模数确定

2.3.1 土壤侵蚀模数背景值

根据《土壤侵蚀分类分级标准》和水土流失现状图，参考邻近项目监测资料，同时结合项目区水土流失现状和实际土地利用情况，本工程土壤侵蚀强度为微度，土壤侵蚀模数背景值为350 t/(km2·a)。

2.3.2 扰动后土壤侵蚀模数

本工程水土流失主要发生在主体工程区、施工场地等区域。开挖扰动地表产生的水土流失量受地形、降雨、水土保持措施等水土流失因子影响，采用试验观测法预测。

本项目与南安市水土保持试验站距离较近，且气候、土壤、植被等条件相似，因此采用南安市水土保持试验站径流小区试验和南安市水土保持试验站流失桩法水土保持监测资料作为本次水土流失预测的资料。

南安市水土保持试验站位于南安市，所在地地貌属低山丘陵，气候属南亚热带海洋性季风气候，年平均降雨量1436.7 mm，植被属南亚热带雨林。土壤侵蚀强度以微度为主，背景土壤侵蚀模数为300 t/(km2·a)。

(1)径流小区试验法

1)试验条件：①小区规格为5 m×20 m；②小区为丘陵区裸地，土壤侵蚀模数为4205 t/(km2·a)，坡度12°；③扰动其地表土壤500 mm；④平均降雨量1436.7 mm。

2)试验方法：实测水土流失量，计算土壤侵蚀模数为15747 t/(km2·a)。

(2)流失桩法

根据南安市水土保持试验站在降雨量1436.7 mm的条件下运用流失桩法，测定不同坡度和地表情况下的土壤侵蚀模数，见表1。

表1 类比资料可比性分析表

(3)相符性分析

南安市水土保持试验站与本工程环境条件和产生水土流失的特点类似，相符性分析见表2。

表2 相符性分析表

(4)修正系数

根据各工程区块的地形地貌，以南安市水土保持试验站监测成果为基础，各区块水土流失因子与相应类比工程水土流失因子进行对比，以确定本工程分区土壤侵蚀强度。具体见式(1)。

(1)

式中：A为类比工程实测土壤侵蚀模数；Re为类比工程降雨侵蚀力因子；Ke为类比工程土壤可蚀性因子；LI为类比工程坡长因子；SI为类比工程坡度因子；Ct为类比工程植被覆盖因子；P为类比工程侵蚀控制措施因子；A′为本工程各区块土壤侵蚀模数；Re′、Ke′、LI′、SI′、Ct′、P′为本工程各区块侵蚀因子。

根据上述公式，结合本项目区与南安市水土保持试验站七项指标类比综合分析，本工程修正系数取0.98。

2.3.3 土壤侵蚀模数的确定

各区各时段土壤侵蚀模数按照试验站相应区和时段土壤侵蚀模数×修正系数的方法予以确定。

(1)施工期

1)主体工程区

主体工程区地势较平坦，只是局部扰动地表产生水土流失，采用坡度3°松土裸地，土壤侵蚀模数取8586×0.98=8414 t/(km2·a)。

2)施工场地

施工场地施工区进行了硬化，不容易产生水土流失，采用坡度5°自然裸地，土壤侵蚀模数取1875×0.98=1838 t/(km2·a)。

3)表土堆场、临时堆土场和淤泥干化场

由于堆土结构疏松，抗蚀抗冲性极差，降水极易入渗，可能造成堆场受冲刷、滑塌和坍塌，极易发生强度水力侵蚀和重力侵蚀。考虑到堆土形成的边坡，因此采用坡度100松土裸地，土壤侵蚀模数取14216×0.98=13932 t/(km2·a)。

(2)自然恢复期

自然恢复期工程已经完成，大规模的施工活动停止，施工结束后，施工场地、表土堆场设施清理，已恢复原用性质或采用植草防护；随着道路地表硬化、植被恢复绿化等的实施，水土流失得到有效控制，主体工程区、表土堆场、临时堆土场和淤泥干化场土壤侵蚀模数取600 t/(km2·a)，施工场地土壤侵蚀模数取800 t/(km2·a)。

根据以上分析结果，确定本工程扰动后各预测单元土壤侵蚀模数见表3。

表3 工程扰动后各预测单元土壤侵蚀模数表 单位：t/(km2·a)

2.4 土壤流失量预测模型

采用扰动前后侵蚀模数计算预测项目建设区损坏地表形成新增侵蚀区域水土流失量，模型见式(2)～式(4)：

(2)

新增水土流失量预测公式：

(3)

(4)

式中：W扰动地表土壤流失量；ΔW为扰动地表新增土壤流失量；n为预测单元，1，2，3，…n；i为各预测单元；Fi为第i个预测单元的面积；k为预测时段，施工准备期、施工期和自然恢复期三个时段；Mik为扰动后不同预测单元不同时段的土壤侵蚀模数；Fik为各工程区不同时段预测面积；Tik为预测时段(扰动时段)；ΔMik为不同单元各时段新增土壤侵蚀模数；Mi0为扰动前不同预测单元土壤侵蚀模数，t/(km2·a)。

2.5 预测结果

按照上述测算方法，工程建设期间开挖扰动造成的水土流失总量达900.30 t，各单元明细见表4。分区域看，主体工程区水土流失量占总量的92.25%，应作为重点监测防治区域。按时段看，水土流失量集中在施工期，应作为水土流失防治监测的重点时段。

表4 项目区水土流失量预测总表 单位：t

预测结果表明应针对防区特点进行水土流失防治。从区域看，主体工程区水土流失量占据总量的92.25%，应采取完善的工程和植物措施重点监测和防治。从时段看，水土流失量主要集中在施工期，占据总量的97.08%，应作为主要的监测和防治时段。

3 结语

常用的水土流失量预测方法有通用土壤流失方程法、分类分级法、类比法、流失系数法等。水土流失量预测是确定水土流失治理措施的基础，采用预测方法时必须充分比对水土保持试验站和项目区在自然条件、地理环境、土壤参数及水文气象方面的差异性，综合确定修正系数予以修正，完成精确预测水土流失量的目标。