开发建设项目水土流失中水损失的预测

张 鸿

(西平县水利局，河南西平 463900)

开发建设项目水土流失，是因人类在生产建设活动中对地表或地下强烈扰动破坏而造成的水土资源和土地生产力的破坏和损失，是强度很大的人为侵蚀［1］，水土资源损失包括了水的损失和土壤流失。开发建设项目水土流失预防和治理的水土保持工作主要是预防、监督，其中的水土保持方案报告制度确立了开发建设项目水土保持方案编制的地位。然而在编制水土保持方案时，由于实践和研究的限制，使得开发建设项目水土流失预测特别是水损失预测存在概念不完善的问题，进而导致水土保持方案编制中水损失预测缺项和预测量缺失［2－3］。

为了给开发建设项目水土保持设计提供科学依据，有必要完善水损失的概念及内涵，合理预测水土流失中的水损失。

1 开发建设项目水损失的概念及内涵

自然界中的水分布在大气圈、地表水圈、地下水圈，3个圈带中的水通过降水、蒸发、入渗、径流4种基本形式完成相互转换，在一定时间内水体之间的循环转换会保持相对均衡［4］。

水文地质单元是具有统一补给边界和补给、径流、排泄条件的地下水系统。对开发建设项目而言，所涉及的区域与地下水系统基本不重合，因此我们要确定的水损失预测单元只能按开发建设项目区范围和下垫面状况划分，在进行具体预测时还应结合水土流失分区进行划分。

我们把每个预测单元看成是独立的水文地质单元，每个单元内水分均衡，总量一定，除了接受降水外自成一个封闭的空间。参考已有文献［5］，并将预测单元划分原则完善为:同一预测单元内的原地形地貌、气候特征、产汇流特点、径流系数、实际蒸发、入渗系数一致;同一预测单元内项目建成后下垫面状况、产汇流和水循环特征、径流系数、入渗系数、实际蒸发一致;同一预测单元应集中连片。

对开发建设项目水损失，有论述为:项目水文地质单元中的水均衡转换关系被建设项目人为干扰活动所破坏，造成储存量减少，流出量增加，增加的流出量即为损失量，包括水的质和量两个方面［3］。该论述将项目区看成是一个水文地质单元，流失量仅对项目区内有影响，对项目区外无影响，显然不合适。开发建设项目水损失应考虑全面影响，对水损失应从入渗、蒸发、径流3个方面进行分析才准确，开发建设项目打破了项目区水自身的均衡，对项目区内外造成了影响，进而形成水损失。开发建设项目水损失就是项目水文地质单元中的水均衡转换关系被建设项目人为干扰活动所破坏，造成径流加大、蒸发量减小、入渗量减小，其增减的量即为损失量，包括水的质和量两个方面。

2 开发建设项目水损失分析及预测

2.1 径流损失

开发建设活动改变了项目区下垫面的状况，使地表径流量发生了变化，可以将项目建成后地表水输出量与项目区原生地貌条件下地表水输出量之差值看作径流损失。结果是正值则说明产生了水损失，是负值则说明治理措施发挥了防止径流损失的作用。对于水土保持生态建设工程，径流损失的计算结果可能为负值，其绝对值的大小反映了工程措施的防治效果。

径流系数法计算径流损失的公式为

式中:Ww为项目建成后年径流损失量，m3/a;i为预测单元，i=1，2，3，…，n;Fi为第 i个预测单元的面积，km2;Pi为项目区年降水量，mm;ai为第i个预测单元项目建成后自然恢复期的地表径流系数;a0i为第i个预测单元原状地表径流系数。

2.2 入渗损失

开发建设活动改变了原生地表状况，使降水入渗情况发生了变化，甚至破坏了入渗途径，可以将项目区原生地貌条件下地表平均入渗水量与项目建成后地表平均入渗水量之差值看作入渗损失。计算入渗损失有益于进行项目区降水蓄渗工程设计。

降水入渗系数法计算入渗损失公式为

式中:WF为项目建成后年入渗损失量，m3/a;i为预测单元，i=1，2，3，…，n;Fi为第 i个预测单元的面积，km2;Pi为项目区年降水量，mm;fi为第i个预测单元项目建成后自然恢复期的降水入渗补给系数;f0i为第i个预测单元原状地表降水入渗补给系数。

降水入渗补给系数等于降水入渗补给地下水的水量Q与降水量P的比值，它与潜水埋深、包气带岩性、降水、地形等条件有关。计算降水入渗补给系数的公式为

式中:f为降水入渗补给系数;μ为给水度;Δh为年内各次降水入渗补给形成的地下水位升幅，mm;P年为年降水量，mm。

2.3 蒸发损失

将原地貌年均实际蒸发量与项目建成后年均实际蒸发量之差值看作蒸发损失。计算结果是正值说明项目区水土保持措施起了作用，可依此评价措施的合理性;如果是负值则说明产生了损失，即蒸发损失。由水量平衡原理推导出蒸发损失的计算公式为

式中:WE为项目建成后年蒸发损失量，m3/a;i为预测单元，i=1，2，3，…，n;Fi为第 i个预测单元的面积，km2;Pi为项目区年降水量，mm;βi为第i个预测单元项目建成后自然恢复期的平均蒸发系数;β0i为第i个预测单元原状地貌平均蒸发系数。

由于流域或区域下垫面情况比较复杂，所以流域或区域实际蒸散量的计算是一个需要不断深入研究的难点。目前关于实际蒸散量的估算方法有多种，主要有水量平衡法、水热平衡法、互补相关法，而利用卫星遥感并结合模型模拟研究非均匀陆面上的蒸散量是一个新的趋势。项目区蒸发是水面蒸发、土壤蒸发、植物散发的综合值，一般难以直接观测。当有多年平均降水和径流时可按水量平衡原理推求多年平均蒸发量，多年平均蒸发系数则可由下式推出［6］:

式中:αp为多年平均径流系数;βp为多年平均蒸发系数。

2.4 水损失预测应注意的主要问题

(1)预测范围。开发建设项目水损失预测的范围，以项目水土保持方案确定的占地和扰动范围为准;疏干水项目预测范围还应包括疏干水积聚和影响的区域［5］。

(2)预测时间。有关水损失的预测，不宜类似土壤流失量预测那样分不同时段进行，只需对项目建成后平均每年损失量作粗略估算即可。对于疏干水项目，如果投产后规模不断扩大、疏干水量逐步增加，则需根据实际情况分阶段进行预测［4］。

(3)预测参数的确定。根据目前的气象水文试验和研究工作现状，有很多涉及年降水量、径流系数、入渗系数、蒸发系数的实测、试验、科研成果，因此开发建设项目水土保持方案编制人员可以参考相似工程及下垫面的数据。年降水量可参考当地气象部门多年平均降水量值，线性工程按实际跨区分别取值;项目区原地貌以及植被恢复期的径流系数、入渗系数、蒸发系数，则需参考相关资料和数据，并结合实地调查和专家估判，开展必要的试验，综合分析确定。

确定水文地质参数的方法一般有经验数据法、经验公式法、室内试验法和野外试验法4种，降水入渗系数、给水度、蒸发系数、径流系数均可以利用以上4种方法取得。如降雨入渗系数可用动态分析法、水量平衡法求得，在地下水水平排泄微弱的平原地区，降水后补给潜水的水量引起地下水位上升，利用地下水自记水位计或其他仪器能准确测得降水后地下水位上升幅度值，地下水位上升幅度值和水位变动带给水度值的乘积大致等于降水入渗补给量，降水入渗补给量除以同期的降水量即得降水入渗补给系数。当计算时段内有数次降水时，将每次降水引起的地下水位上升幅度相加，再乘以给水度，除以该时段的总降水量，即可得到该时段的降水入渗补给系数。在地下水水平径流强的山区或山前地区，该法不适用，此时可有计划地布置5个以上的观测孔，同时观测地下水水位，用有限单元法或有限差分法近似计算降水入渗补给量，再求出降水入渗补给系数;如能在一个闭合流域设置地下水平衡试验场，则可通过实测各平衡要素，求得降水入渗补给系数。每次降水后，将实测的降水量减去实际蒸发量、植物截留量、坑塘河沟拦蓄量、地表径流量、包气带土壤含水量的增量等，即可求得降水入渗补给量，进而求得降水入渗补给系数。也有用地中渗透仪观测资料［7］、钻孔资料［8］、地中蒸渗仪观测资料［9］、回归分析方法推求［10］等取得了较为翔实的资料数据;对于实际蒸发量的研究也有理论方面的实例，如杨远东的多年平均陆面蒸发量的计算［11］、沈行毅的下垫面蒸发量的计算［12］，都为我们获取相关数据提供了科学可行的方法。

3 实例分析

深圳星河雅宝科技创新园项目占地约20.34 hm2，项目总投资30亿元，工期4年，为深圳市2011年重大项目。根据现状调查，参考深圳市当地水文数据参数，对本项目水损失进行预测:本项目水损失预测划分为两个分区，原生地貌均按杂填土碾压裸地间有杂草，建成后地貌有房屋建筑区(0.176 km2)、绿地区(0.027 km2)。深圳地区多年平均降雨量为1 966 mm。由本文公式可计算出径流损失、蒸发损失、入渗损失分别为6.27万、2.10 万、2.27 万 m3/a，总的水损失为 10.64 万 m3/a，见表1。

表1 星河雅宝科技创新园项目水损失估算 m3/a

由表1可看出，本项目的建设造成了每年10.64万m3的水损失，其中径流损失占58.9%，蒸发损失占19.7%、入渗损失占21.4%。建设项目引起的水资源问题、生态问题对城市可持续发展以及人类本身的发展都有重要的影响。由本文提出的概念和公式计算可知，开发建设项目实施引起的水损失主要表现在径流加大、蒸发量减小、入渗量减小等几个方面。在实际项目水损失估算中，按上述公式计算会出现负值、零、正值3种不同结果，若出现负值则表示项目措施起到了防止水损失的作用;若出现零则表示项目措施维持了原状水均衡状态;若出现正值则表示项目产生了水损失，下一步可以根据水损失预测结果以及水资源利用来设计防治水损失的具体措施。

4 结语

水土流失水损失的预测分析，目前只是处于探索实践阶段，鉴于城市建设项目、疏干水项目及排水项目水损失途径不一样，因此只能采用定量预测与定性预测相结合的方法来进行。由于缺少可供参考的文献和资料，本文旨在补充提出有关水损失的看法和设想以进行交流。同时，由于水土流失预测方法的选取及其参数的确定都具有很强的地域性，因此，为做好开发建设项目水土保持方案编制工作，提高水土保持方案编制的技术质量，进一步为水土保持工作提供科学的设计依据，需要我们加大研究力度，利用技术和理论创新，开展必要的科学试验，为水土流失预测分析的成熟完善奠定基础。

［1］李智广.开发建设项目水土保持监测［M］.北京:中国水利水电出版社，2008:24－31.

［2］赵永军.开发建设项目水土保持方案编制技术［M］.北京:中国大地出版社，2007:200－202.

［3］朱太芳.开发建设项目水土保持方案编制要考虑水流失［J］.中国水土保持，2006(6):8 －10.

［4］杨成田.专门水文地质学［M］.北京:中国地质出版社，1981:8－10.

［5］赵永军，孙顺蒂，王云璋.开发建设项目水流失量预测及其方法探讨［J］.人民黄河，2007，29(5):48－49.

［6］梁学田.水文学原理［M］.北京:水利电力出版社，1992:9－11.

［7］王雪松，姚先.地中蒸渗仪降水入渗补给系数分析研究［J］.安徽水利水电职业技术学院学报，2006，6(3):19 －21.

［8］陈引锋，王爱玲.利用钻孔资料确定降雨入渗系数［J］.地下水，2008，30(1):37 －39.

［9］周旻，靳孟贵，魏秀琴，等.利用地中渗透仪观测资料进行降雨入渗补给规律分析［J］.地质科技情报，2002，21(1):37－40.

［10］梁文彪.应用回归分析方法推求降水入渗补给系数［J］.地下水，2002，24(2):72 －73，81.

［11］杨远东.多年平均陆面蒸发量的计算［J］.地理研究，1987，6(4):62 －69.

［12］沈行毅.下垫面蒸发量的计算［J］.中国农业气象，1981(3):18－24.