包满铁路(白巴段)工程水土流失预测及损益分析

周铁军

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所,北京100081)

1 研究区域及工程概况

新建铁路包头至满都拉(白云鄂博至巴音花段)工程位于内蒙古自治区包头市的白云鄂博矿区和达尔罕茂明安联合旗境内。工程地处大青山北麓,内蒙古高原中部地带,地势南高北低,向北倾斜,南部为低山丘陵,北部为波状高平原,平均海拔1 376 m;工程沿线属温带半干旱大陆性气候,多年平均降水260 mm左右,降水年际和月际变化悬殊,蒸发量大,风大风多,无霜期短;沿线地表水匮乏;土壤以栗钙土和棕钙土为主。

工程正线自白云鄂博南场与既有铁路接轨,全长83.163 km,建设内容包括路基工程、站场工程、桥梁工程及施工场地、施工道路、取弃土场等。工程共征用土地474.62 hm2,其中永久占地347.68 hm2,临时用地126.94 hm2;土石方共计 883.07×104m3,其中填方为750.37×104m3,挖方为132.70×104m3,土石方移挖作填后,需取土 669.56×104m3,弃土51.90×104m3(另有剥离表土 27.45×104m3作为绿化用土重新利用);工程设置集中取土场13处,弃土场3处;新(扩)建施工便道38 km,设置存梁场、材料场、存碴场和铺轨基地各1处。

2 工程建设水土流失预测

水土流失预测的任务是根据主体工程的线路布局及铁路的施工工艺,结合水土流失防治责任范围,在实地调研查勘及分析工程设计资料的基础上,分析工程建设占地、破坏原地貌、植被和水土保持设施的数量,分析土石方的来源与分布情况,估算弃方量;在调查分析估判原地貌和建设扰动土地水土流失的基础上预测新增水土流失量;从各方面综合分析评价防治责任范围内的水土流失程度、强度、危害及其对周围区域的影响,为合理布设水土保持防治措施,制定水土保持监测方案提供依据[1-3]。

2.1 预测方法、内容

铁路工程属线型工程,水土流失影响主要发生于工程扰动区内,因此,本次水土流失预测范围为工程各防治分区的扰动面积,其中主体工程包括路基、站场和桥梁,临时工程包括取土场、弃土(渣)场、施工便道、施工营地和作业场地等。水土流失预测针对不同的预测内容采取不同的方法进行:对扰动原地貌、损坏地表植被、破坏水土保持设施、弃土量的预测采用实地调查结合工程可研资料分析的方法;对可能造成水土流失量和危害预测采取经验公式法和类比法相结合的方法,具体内容见表1。

表1 水土流失预测内容

可能造成水土流失量预测是建设项目水土流失预测的重点内容,通常采用的方法有数学模型法、类比调查法和试验观测法,具体实践中可以采用其中一种方法,也可多种方法综合运用[4]。系统考虑建设类项目的特点和铁路工程本身的水土流失特点,本次预测采用经验公式法[5-9],计算公式如下:

现状水土流失量预测公式为:

式中:Ws1为现状水土流失量(t);Mwi为原地貌土壤侵蚀模数〔t/(km2◦a)〕;Fi为扰动地表面积(km2);Ti为预测时段(a);n为预测单元。

工程建设可能造成的水土流失量预测公式为:

式中:Ws2为建设过程中的水土流失量(t);Mri为工程扰动地貌土壤侵蚀模数〔t/(km2◦a)〕;Fi为扰动地貌面积(km2);Ti为预测时段(a);n为预测单元。

新增水土流失量计算公式为:

原地貌土壤侵蚀模数由土壤侵蚀遥感普查结果,结合现场实地调查,综合考虑项目区降雨与风力特征、地形地貌、地面组成物质、土地利用与植被生长状况,并在咨询沿线相关专家的基础上确定。

扰动地貌土壤侵蚀模数的确定采用类比法。本工程扰动地貌土壤侵蚀模数通过类比邻近的“呼市-武川公路”工程和“内蒙古内陆河农牧交错区水土保持生态建设试验研究”成果,经修正后确定。

2.2 预测结果及分析

经预测,本工程扰动原地貌、损坏地表和植被的面积,即工程扰动地表面积,为永久征地和临时用地之和,共计474.62 hm2;工程损坏的水土保持设施主要为生物设施,面积为474.62 hm2(工程占地类型均为天然草地),无损坏水土保持工程设施;工程弃土主要来源于区间路基工程和站场工程,工程总弃方为51.90×104m3,其中区间路基弃方51.24×104m3,站场弃方0.66×104m3;工程建设新增水土流失总量为4.02×104t。

从各预测单元来看,线路工程区新增水土流失1.97×104t,占新增总量的49%;站场工程区新增0.35×104t,占新增总量的8.71%;取土场区新增1.39×104t,占新增总量的34.58%;弃土场区新增0.13×104t,占新增总量的3.23%;施工便道区新增0.09×104t,占新增总量的2.24%;施工营地和作业场区0.09×104t,占新增总量的2.24%。由各预测单元新增水土流失量图1看出,本工程线路工程区新增水土流失量＞取土场区新增水土流失量＞站场工程区新增水土流失量＞弃土场区新增水土流失量＞施工便道区新增水土流失量≈施工营地和作业场区新增水土流失量。同时,可以确定出本工程水土流失重点防治区段为主体工程区段(包括线路与站场)、取土场区和弃土场区。

图1 各预测单元新增水土流失量

从预测时段来看,本工程施工期工程建设扰动地表新增水土流失量为2.78×104t,占新增流失量的69.2%,自然恢复期新增水土流失量为1.24×104t,占新增流失量的30.8%。但由于工程施工期较短(1.5 a)、自然恢复期长(3 a),因此施工期和自然恢复期均是水土流失重点防护时段。

结合工程沿线环境特征和铁路工程自身特点,取土场、弃土场的防护宜采取工程措施为主,植物措施为辅的防护类型,路基边坡和两侧的防护措施宜采取工程和植物防护并重的防护类型,临时施工场地和施工便道等防护措施宜采取永临结合与植被恢复相结合的防护类型。

3 水土保持损益分析

水土流失影响指数SWII评价模型是姜德文在分析研究了千余个不同区域、不同行业的开发建设项目水土保持方案案例的基础上,将水土保持损益分析中的关键影响指标进行加权后求和,从而构建的一种反映建设项目水土流失影响程度的方法,目前已广泛应用于各行业开发建设项目水土保持损益分析。水土流失影响指数评价模型的核心是建立无量纲的SWII指数,计算SWII指数需要5个对水土流失影响最直接、最直观和最有影响力关键指标,即占地面积与影响范围、对地表扰动程度、影响时间、造成的水土流失总量和可恢复程度[10]。水土流失影响指数计算公式如下:

式中:ai为第i个因子的权重,i=1,2,3…5;xi为第i个因子数据归一后的值,i=1,2,3…5。

本工程水土流失影响指数计算结果见表2,计算方法和权重值选取参见《开发建设项目水土保持损益分析研究》。

表2 水土流失影响指数计算

SWII是对水土流失影响的一个定量评价值,因此,当计算得出的SWII值愈小时,说明建设项目对水土流失的影响范围及面积愈小、对地表的扰动强度愈小、影响的时间愈短、造成的水土流失量愈小、不可恢复的面积愈小,这些都是对水土保持有利的;反之,当SWII值愈大时,造成的水土流失影响愈大,对水土保持愈不利。经计算,本工程的SWII计算值为0.2721。根据姜德文对不同类型铁路工程的统计研究,铁路建设项目水土流失影响指数最小值SWIImin=0.1047,最大值 SWIImax=0.5233,平均影响指数=0.3134[11]。可见,本工程的水土流失影响指数低于铁路行业平均水平,表明本工程施工对水土流失的影响程度较小,从水土保持角度来看本工程是可行的。由计算结果来看,5项关键指标中数值较高的是施工影响时间、扰动面积及影响范围和对地表的扰动强度3项。因此,可以通过对这三方面进行改进来减缓工程建设带来的水土流失危害,可采取的措施包括合理安排工程的施工建设期,缩短施工扰动时间;优化工程选址选线,尽可能减少大挖大填,减轻对地表的扰动强度;从工程设计、施工管理方面进行改进,减小施工扰动面积。

4 结 语

本文以新建包满铁路(白巴段)工程为例,通过预测得出,工程建设新增水土流失总量为4.02×104t,工程水土流失重点防治区段为主体工程区段(包括线路与站场)、取土场区和弃土场区,施工期和自然恢复期均是水土流失重点防护时段。本工程的水土流失影响指数SWII为0.2721,低于铁路行业平均水平,说明工程造成的水土流失影响程度较小。此外,还可采取缩短施工影响时间,减少扰动面积及影响范围,减轻扰动强度等措施进一步减缓因工程建设带来的水土流失危害。

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