高速公路弃渣场水土流失特征试验研究

张 凯

（山西省交通科学研究院，山西 太原030006）

高速公路建设过程中会进行大量的土石方开挖与回填，对原地面扰动较大，开挖的土石方若不能完全利用则会根据施工安排在适合的沟道中堆弃，形成弃渣场。通常弃渣结构松散、表面裸露，且缺乏相应的坡面水土保持治理措施，水土流失现象十分严重。目前，关于高速公路主体工程的水土流失调查、水土流失防治措施体系研究已形成了大量的成果，但针对高速公路弃渣场水土流失特征的研究相对较少[1]。因此，本文以山西省榆次龙白至祁县城赵高速公路弃渣场为研究对象，开展高速公路弃渣场水土流失特征研究，研究成果可为高速公路弃渣场水土流失治理和生态恢复提供必要的科学依据。

1 试验概况

1.1 试验地概况

榆次龙白至祁县城赵高速公路（以下简称龙城高速）是山西省“三纵十二横十二环”高速公路规划网的重要组成部分，起点位于晋中市榆次区龙白村，终点止于祁县城赵村，路线全长71.588 km。全线按双向六车道高速公路标准建设，路基宽度33.5 m，设计速度100 km/h，工程实际设置取土场7处、弃渣场3处。

项目区位于晋中盆地东部边缘。根据路线走廊带位置，它的东部接近盆地周围太岳山脉周边山区，西部为汾河东岸及其支流形成的广阔的河谷阶地，路线处在汾河河谷东部的一、二级阶地之上。线路走廊区内地貌划分黄土丘陵阶地区和冲积平原区，土壤流失容许量为1 000 t/km2·a。本项目位于山西省重点预防保护区，水土流失防治标准执行建设类一级标准。项目所处地带属温带大陆性季风气候区，年平均降水量424.9～456.0 mm，最大冻土深度约95 cm。

本文选取龙城高速公路K8+150、K8+200和K8+300路段的3处弃渣场为研究对象，进行水土流失野外试验观测。

1号弃渣场位于K8+150路左10 m，弃渣量37.5万 m3，占地面积 1.5 hm2，堆渣坡比 1∶1.3，坡脚已设置挡渣墙，渣体顶面和坡面种植紫穗槐及白羊草，植被盖度65%。

2号弃渣场位于K8+200路左11 m，弃渣量30.1万 m3，占地面积 1.2 hm2，堆渣坡比 1∶1，坡脚已设置挡渣墙，渣体顶面和坡面种植紫穗槐及白羊草，植被盖度60%。

3号弃渣场位于K8+300路右20 m，弃渣量45.2万 m3，占地面积 1.5 hm2，堆渣坡比 1∶1.5，坡脚已设置挡渣墙，渣体顶面和坡面种植紫穗槐及白羊草，植被盖度67%。

1.2 试验方法

在3处弃渣场选取合适位置设置试验观测小区，对各观测小区土样进行采集，分析土壤颗粒粒径组成，同时对降雨量、土壤侵蚀量进行观测。

1.2.1 土壤颗粒组成

根据各小区土壤结构特征，取0～20 cm的表层土样，每个小区分别取3份。土壤样品风干后分别用10目（2 mm）、18目（1 mm）、35目（0.5 mm）和 120目（0.15 mm）的土壤筛逐次过筛，得到各粒径级细土和石砾，再称重，从而得到各粒径级土壤和石砾的重量，并计算出质量百分含量。

1.2.2 降雨量观测

在试验区各观测小区附近设置多个50 mL量筒，用来记录单次降雨量，同时利用秒表记录单次降雨历时，通过降雨量与降雨历时的比值计算获取单次降雨强度。

1.2.3 土壤侵蚀量

采用体积测算法和径流小区测定法进行土壤侵蚀量的观测。

体积测算法用于侵蚀沟测量，在单位坡面内从上到下，布设观测断面，量测每一断面侵蚀沟的宽（包括上底宽和下底宽）和深，并累计算出断面的总深度和总宽度，直到测完每个断面，最终计算出土壤侵蚀量。

径流小区是对坡地水土流失规律进行定量研究的一种测验设施。一般由边埂、边埂围成的小区、集流槽、径流和泥沙集蓄设备、保护带及排水系统组成。径流小区测验主要用于降水、径流及泥沙观测等。

2 结果与分析

2.1 土壤颗粒分形

土壤作为一种由不同颗粒组成、具有不规则形状自相似结构的多孔介质，具有一定的分形特征，通过土壤粒径分形维数不仅可以进一步比较不同土壤的颗粒分布特征和质地均匀程度，还可以用于反映土壤的其他特征，如土壤发生、土壤肥力和土地利用类型对质地的影响、土壤退化程度等。本研究以2号弃渣场坡面土壤为对象，研究其土壤的粒度组成和分形特征。样品采集如图1、图2所示，在A、B和C三处使用S形布点法采样。取0～20 cm土层深度的土壤1 kg左右混合，共23个样品，去除表面杂质后进行风干处理，并分别编号装入样品袋带回实验室进行室内分析。

图1 截面图

图2 平面图

本文采用杨培岭等提出的用粒径的重量分布表征的土壤分形模型来计算土壤颗粒的分形维数[2]。土壤颗粒的重量分布与平均粒径间的分形关系式为：

表1 弃渣场不同位置土壤颗粒组成及分形维数

土壤分形维数是反映土壤结构几何形体的参数，在维数上表现出黏粒含量越高，其分形维数越高；土壤砂粒含量越高，其分形维数越低[3]。采用公式对表1中的数据进行整理，得到3个样地土壤颗粒分布的分形维数分别为2.28、2.51和2.33，A样地和B样地土壤质地较粗，颗粒组成中砂粒含量较多，而C样地相比较其他两个样地土壤质地较细，颗粒组成中粉粒含量较多。

根据已有研究结果，一般砂土分形维数为2.5，壤质砂土分形维数为2.48，壤土分形维数为2.56，黏土分形维数为2.94[4]。本次试验结果表明，弃渣场经人为扰动后，其土壤质地较粗，保水保肥性下降，坡面植被生长环境较差。因此，建议在弃渣场生态恢复中，尽量在弃渣坡面覆盖一定厚度的熟土，以确保植被恢复效果。

2.2 降雨特征与水土流失的关系

在水土流失发生发展过程中，降水是重要的侵蚀力来源，降雨诸要素包括降雨量、降雨历时、降雨强度等。本研究在弃渣场坡面顺坡方向选取长5 m，宽3 m的矩形小区作为简易径流小区，用于观测降雨对弃渣场坡面水土流失的影响。在2015年7月、8月、9月期间共计测量了6次降雨情况，具体观测数据见表2，降雨因子与土壤侵蚀量之间的关系见图3～ 图 5。

表2 降雨因子与弃渣场坡面土壤侵蚀量数值记录

图3 土壤侵蚀量与降雨量变化趋势

图4 土壤侵蚀量与降雨历时变化趋势

图5 土壤侵蚀量与降雨强度变化趋势

由图3～图5可以看出，土壤侵蚀量与部分降雨因子间有密切的线性关系。通过Pearson简单相关系数[5]分析得出（表3），弃渣场坡面土壤侵蚀量与降雨量极显著相关，与降雨强度显著相关。

表3 降雨因子与弃渣场坡面土壤侵蚀量相关分析

2.3 坡度对水土流失的影响

坡度是地面形态的主要特征要素之一，也是对水土流失影响最大的因素之一。1号弃渣场和3号弃渣场除坡度不同外，坡面植被覆盖、措施布设等基本相同，因此选择在1号弃渣场和3号弃渣场布设试验小区进行观测，分析不同坡度对水土流失影响的规律。

表4 体积法测1号弃渣场试验区土壤侵蚀量

表5 体积法测3号弃渣场试验区域土壤侵蚀量

从表4、表5可以看出，在一定坡长、相近植被盖度的情况下，1号试验区较3号试验区坡度陡，其土壤侵蚀量也较3号大。土壤侵蚀量随着坡度的增加而增大，主要是因为坡面侵蚀的主要动力来自降雨及由此而产生的径流，而径流能量的大小又取决于水流流速及径流量大小，二者则皆与坡度的大小密切相关。在一定坡长条件下，坡度大时水流速度快，用较短的时间就能流出坡段，又由于流速快，径流在坡面上的入渗时间必然缩短，其入渗量小，径流量也就必然增大。径流速度加快及径流量增大的双重作用使径流动能迅速增大，冲刷力相应增强，其造成的坡面土壤流失量也就势必增大。

3 结果与讨论

3.1 结果

本文选取龙城高速公路K8+150、K8+200和K8+300路基两侧的3处弃渣场为研究对象，对高速公路弃渣场水土流失相关指标进行野外试验观测，分析了弃渣场水土流失与降雨量、坡度、土壤颗粒组成的关系，得到了弃渣场水土流失的基本特征。

a）弃渣场渣体土壤分形维数较低，表明砂砾含量较多，保水保肥较差，植被生长环境差，容易造成水土流失。

b）弃渣场的水土流失与降雨量、降雨强度显著相关，降雨量越大，水土流失越大。

c）弃渣场的水土流失与坡度相关，坡度越大，水土流失越大。

3.2 讨论

a）植被冠层及枯枝落叶层能够减少雨滴溅蚀以及拦截部分降水量,减少地表径流量，防止地表土壤被侵蚀。另外植被能使土壤具有良好的结构，提高土壤孔隙度和水分渗透性，以此减少地表径流量及其流速。建议在弃渣场恢复时，应考虑弃渣场土壤质地较差，应在渣面上覆盖一定厚度的熟土，改善土壤水肥条件，以确保植被恢复效果。

b）弃渣场水土流失与降雨量、降雨强度以及坡度有关，建议在弃渣场恢复措施中应该根据最大降雨量设计截排水措施，同时弃渣场边坡应尽量采取缓坡，坡面上应进行植被恢复。