海南省生产建设项目堆土侵蚀规律研究

吕春明

（海南省水利水电勘测设计研究院，海南 海口 570203）

近年来，海南省经济发展迅速，城市建设规模不断扩大，据2014—2018年《海南省水土保持公报》数据显示，海南省生产建设项目水土保持方案审批从每年的378个增加至520个。生产建设项目产生的堆土改变了下垫面性质，造成河道及城市排水管道淤堵，增大防洪排泄压力，成为制约社会经济发展和水土资源可持续利用的重要因素[1]。

我国生产建设项目水土流失预测工作起步较晚，多采用类比法开展预测工作，与实际水土流失情况的差距较大，无法为水土流失治理提供科学的数据支撑[2]。此研究在模拟条件下对土方堆置体的产流产沙规律进行定量分析，对揭示堆置体坡面侵蚀机理、建立侵蚀模型具有重要意义。

1 研究区概况

此次研究选取海南省典型生产建设项目为研究对象。研究区属典型南方红壤区，地势中部高、四周低，梯级结构显著；热带季风气候，多年平均降水1639mm，时空分布不均。研究区植被覆盖情况较好，据全国第二次土地调查的数据，海南省植被覆盖率67.5%，高覆盖面积占比79.2%。研究区以水力侵蚀为主，根据2013年海南省水土流失现状遥感调查数据，全省水土流失面积为2116.04km2。其中，轻度侵蚀占比54.7%，中度侵蚀29.1%，强烈侵蚀11.4%，极强烈侵蚀2.1%，剧烈侵蚀2.7%。海南省水土流失情况整体较好控制，但局部水土流失危害严重。

2 研究方法

2.1 试验设计

此次研究基于野外实地降雨条件，对生产建设项目土方堆置体的水土流失情况进行定量分析。试验设计包括堆置形态和降雨强度2个试验因素，其中堆土形态根据实际堆置情况划分为散乱锥状、分层碾压、线状起垅、堆体平台、复合形态5种试验条件。

2.2 试验方法

此次研究结合生产建设项目水土流失监测工作，探索实际条件下土方堆置体水土流失规律。根据试验设计，选取海南省典型生产建设项目，为保证试验结果可靠，此次研究选择监测设施完善的项目进行观测，共选取12个典型项目的24个典型堆置体。堆置体附近布设雨量筒进行降雨强度率定测量。现场采用无人机结合倾斜摄影完成堆土面积及方量等基础数据的采集；采用测钎法、简易径流小区法及沉沙池法完成侵蚀量的测定；对于简易径流小区法及沉沙池法计算侵蚀量的堆置体，降雨后24h内完成对降雨侵蚀泥沙的采样及定量分析。

此次研究共收集了24个典型堆置体不同降雨强度下的182组数据。限于野外实际降雨条件下坡面水流流动和侵蚀过程十分复杂，获取的相关参数准确度较低，文章采用MATLAB小波过滤对采集数据进行降噪分析，过滤处理后得到有效数据121组，如表1所示。

表1 试验场次概况

2.3 技术路线

技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

3 数据获取与回归分析

3.1 数据获取

堆土方量采用无人机倾斜摄影技术，从1个垂直方向、4个倾斜方向分别采集影像，矢量化转换为3D实景模型计算土方量数据[3-4]；土方量较小的堆置体采用皮尺、坡度尺、高度仪等常规测量工具进行测算[5]。降雨强度采用雨量计进行测定，采集过程雨量、最大降雨强度和过程平均降雨强度为分析指标。堆置体坡顶和坡脚高程差与其相应坡长的水平距离的比值为坡面比降，此次研究采用5次测量平均值为坡面比降指标。侵蚀量和侵蚀模数采用测钎法、简易径流小区法及沉沙池法完成测定[6]。

3.2 回归分析

采用单因素和多因素Logistic回归分析不同堆置形态与侵蚀量（侵蚀模数）之间的关系，多因素Logistic回归模型中调整了堆土量、降雨强度、坡面比降控制变量[7]。采用逐步回归分析模型逐个引入解释模型，结合F检验与t检验手段提出多重共线性指标，得出最优解释变量（组）[8]。以上统计学分析工具采用SPSS软件，数据降噪采用MATLAB小波过滤工具，检验模式采用双侧检验，显著性检验水平设定为0.05。

4 结果与分析

4.1 降雨对堆置体侵蚀模数的影响

通过野外侵蚀量实际调查，对121组有效数据进行分析，计算得到不同堆置形态下土体的坡面侵蚀模数。将侵蚀模数与过程降雨量、最大降雨强度、过程平均降雨强度进行回归分析，探讨降雨因素与堆置体侵蚀之前的关系，拟合侵蚀速率和降雨特征指标的关系，结果如表2所示。

表2 侵蚀模数-降雨相关分析

由表2可知，不同形态的土方堆置体的侵蚀速率与降雨呈正相关关系，降雨是堆置体水土流失的主要动力因素。不同堆置形态下，坡面侵蚀模数-降雨回归分析的幂指数普遍为过程降雨量＞最大降雨强度＞过程平均降雨强度，表明侵蚀模数受过程降雨量及最大降雨强度的影响较大，受过程平均降雨强度的影响相对较小；说明土方堆置体坡面侵蚀受降雨量及降雨强度极值影响较显著，而降雨平均状态对其影响较小，即雨型（离散程度）与雨量（降雨动能）对堆置体侵蚀影响较大，降雨的均匀度对侵蚀影响相对较小。

比较不同堆置形态的土方侵蚀量回归模型，散乱锥状堆置体关于过程降雨量和最大降雨强度的幂指数（1.4175、4.3125）最高，过程平均降雨强度幂指数（0.8094）与其他堆置形态无显著差异，表明散乱锥状堆土相对容易发生水土流失，土壤侵蚀随降雨变化幅度较大，同等条件下水土流失风险相对是最高的，在降雨量或降雨强度峰值较大时更加明显。同时，堆体平台关系式的各项幂指数（1.3512、3.9581、0.7894）相对较高，且常数项（-1092.2115）为各堆土方式中的最高值，表明堆土平台型的堆置体在降雨较小时发生侵蚀速率较慢，但随降雨量及降雨强度增加，水土流失风险急剧增加，这是堆土平台顶部由于渗透、填洼等作用耗散部分初始径流量和降雨击溅力，但当发生蓄渗产流和蓄满产流后，降雨汇集产生冲刷径流，径流冲刷力和降雨溅散力共同作用导致堆土平台水土流失较其他类型增速大，当孔隙水压力和静水压力增加到一定阈值时，有发生滑坡的风险，即堆土平台型的堆置体启动侵蚀较慢，但增速较快，在降雨强度较大时更为明显。

4.2 侵蚀模数定量分析

堆置体土壤侵蚀过程中的侵蚀面变形、侵蚀形态复合、降雨下渗填洼、坡面产流机理都会导致堆置体侵蚀形态的改变，研究实际降雨情况下堆置体侵蚀影响因素及模型构建对生产建设项目水土流失防治具有重要意义。为研究堆置体侵蚀规律，此次研究采用坡度、坡长、堆土量、降雨（过程雨量、最大降雨强度和过程平均降雨强度）、临时苫盖作为控制因子，对堆置体侵蚀模数进行逐步回归分析，将侵蚀模数表达为

式中：Ia为过程降雨量，mm；Im为最大降雨强度，mm/min；Iv为过程平均降雨强度，mm/min；i为坡面坡度，°；L为坡长，m；C为坡面植株密度，株/m2；S为地表覆盖度（密目网、彩条布），%。

为排除临时苫盖、植被覆盖及裸地3种不同状况对侵蚀模型结果的影响，横向对比覆盖因子对堆土侵蚀的影响，此次研究采用（C+1）及（S+1）作为参数因子引入逐步回归模型，即裸地的苫盖因子和植被覆盖因子分别为（1，1），仅有植被覆盖的为（C+1，0），仅有临时苫盖的为（0，S+1）。对121组有效数据进行逐步回归分析，得到以下侵蚀模数表达式：

逐步回归结果中，不同形态下的坡面堆置体与过程降雨量、最大降雨强度、坡面坡度及坡面覆盖关系密切，与过程平均降雨强度和坡长关系较不显著，表明堆置体侵蚀与降雨雨量和雨型、坡度及地表覆盖关系密切。比较各参数因子的指数，1.2124（过程降雨量）＞1.0231（坡面坡度）＞0.4122（最大降雨强度），为正值，即过程降雨量、最大降雨强度、坡面坡度能促进堆置体侵蚀发生，且过程降雨与坡面坡度对侵蚀的促进作用较显著；植被覆盖因子及坡面临时覆盖因子的幂指数为负值，坡面覆盖对侵蚀发生有抑制作用，且植被覆盖因子幂指数的绝对值（0.7111）显著低于临时苫盖（密目网和彩条布）（1.4223），表明临时苫盖对堆置体土壤侵蚀的防控效果显著优于植被覆盖。进一步可以认为，不考虑成本及其他因素情况下，生产建设项目堆土水土流失防治措施推荐采用临时苫盖手段。

对式（2）求取一阶全微分：

式中：f1’、f2’、f3’、f4’、f5’分别为式（2）关于过程降雨量、最大降雨强度、坡面坡度、坡面植株密度、地表覆盖度（密目网、彩条布）的一阶偏导简化式。在指定参数条件下，f1’、f2’、f3’均大于0，f4’、f5’均小于0，即过程降雨量、最大降雨强度、过程平均降雨强度推动堆置体坡面侵蚀发生发展，而坡面植株密度、地表覆盖度抑制侵蚀发展。

在一阶偏导计算基础上获取各参数的二次偏导简化式，结果如下：

根据式（9～13）计算结果显示，在控制各参数变量的前提下，f1”、f4”、f5”、f3”为正值，f2”为负值，结合一阶偏导数据及函数凹凸性分析，过程降雨量对堆置体侵蚀的促进/抑制作用随因子数量增加，其对侵蚀的效果更加明显（指数型增长模式）；而最大降雨强度、坡度、坡面植株密度、地表覆盖度促进侵蚀作用随数值的增加有衰减效应，推断存在发展阈值上限。函数分析结果显示，过程降雨量、最大降雨强度、过程平均降雨强度推动堆置体坡面侵蚀发生发展，而坡面植株密度、地表覆盖度抑制侵蚀发展；其中过程降雨量是推动水土流失灾害的重要因素，而其他的因子的影响效率受限于阈值控制，即存在消减效应。

不同的堆置形态堆置体的土壤侵蚀机理不同，为研究堆置形态对堆置体侵蚀的影响，此次研究将堆置形态水平引入逐步回归分析模型中，其侵蚀模数表达式如表3所示。不同堆置形态下侵蚀模数逐步回归参数因子幂指数如表4所示。

表3 不同堆置形态下侵蚀模数逐步回归分析结果

表4 不同堆置形态下侵蚀模数逐步回归参数因子幂指数一览表

表4数据显示，各参数因子对不同堆置形态堆置体的侵蚀模数的贡献程度不一。其中，过程降雨量、最大降雨强度及过程平均降雨强度对散乱锥状堆置体侵蚀促进作用较其他堆置形态显著，而植被、密目网、彩条布等覆盖对侵蚀的抑制作用也较其他堆置体显著，即在降雨量或降雨强度较大的地区，土方不宜采用散乱堆置，受限于实际施工条件，采用土方散乱堆置的堆体宜尽快补充临时苫盖措施。分层碾压堆置体在排除多重共线性关系后结果表明，最大降雨强度及过程平均降雨强度对其侵蚀进展无显著影响，过程降雨量、植被覆盖和临时苫盖对侵蚀有显著作用，但其促进/抑制作用相较散乱堆置形态较弱，表明分层堆置控制水土流失效果较其他堆置情况好，能抵御较大的降水量和降雨强度，可在降水量较大和降雨极值较大的地区使用，同时，临时苫盖措施较植被措施抑制侵蚀作用更明显。堆体平台堆置形态对过程降雨量和植被覆盖的响应相对其他堆置形态较差，但对最大降雨量和临时苫盖的响应程度较其他措施明显，表明堆土平台堆置体受降雨击溅的作用影响较大，受降雨总动能影响相对较少，这也就解释了临时苫盖较植被覆盖更能控制堆土平台侵蚀的机理，因此在降雨雨型变异系数较大的情况下，不建议采用堆土平台堆置土方，应尽量采用密目网和彩条布进行防护。

5 结束语

文章对生产建设项目土方堆置体在野外实地降雨条件下的水土流失情况进行定量分析，以期为揭示土方堆置体的产流产沙机理、建立侵蚀模型奠定理论基础。

（1）土方堆置体的侵蚀速率与降雨呈正相关关系，其中，降雨雨型与雨量对堆置体侵蚀影响较大，降雨均匀度对侵蚀影响相对较小。

（2）散乱锥状堆土容易发生水土流失，水土流失风险最高；堆土平台型的堆置体在降雨较小时发生侵蚀速率较慢，但随降雨量及降雨强度增加，水土流失风险急剧增加。

（3）过程降雨量与坡面坡度对堆置体侵蚀的促进作用相较于最大降雨强度更显著；短期内，临时苫盖对堆置体土壤侵蚀的防控效果显著优于植被覆盖，但从长期与经济性考虑，植被恢复措施不可替代。

（4）不同形态堆置体水土流失与过程降雨量、最大降雨强度、坡面坡度及坡面覆盖关系密切，与过程平均降雨强度和坡长关系不显著。过程降雨量是造成水土流失灾害的重要因素，而其他的因子的影响效率受限于阈值控制存在消减效应。

（5）在降雨量或降雨强度较大的地区，土方不宜采用散乱堆置，应分层碾压堆置，同时应及时采取临时苫盖措施和植被覆盖措施。

（6）此次研究受限于试验条件，噪音数据较多，可纳入研究的参数范围受限，不能建立准确模型，建议今后的研究采用室内模拟变坡土槽结合室内降雨或放水冲刷实验，减少野外实验不可控因子的影响，确保数据的精准度，从而构建侵蚀模型，为水土流失预测预报奠定理论基础。