基于USLE的线性生产建设项目区土壤侵蚀特征分析

贺俊斌，潘振宇，屈 同，刘 刚

(1.黄河水土保持天水治理监督局/天水水土保持科学试验站，甘肃 天水 741000；2.河南黄河河务局 焦作黄河河务局，河南 焦作 454000；3.北京水保生态工程咨询有限公司，北京 100055)

随着我国经济社会的不断发展，生产建设活动日益频繁，但工程建设会破坏区域地面的完整性和良好的植被状况，加剧土壤侵蚀的发生发展。近年来，国家对生产建设项目水土保持监测工作日益重视，并高度重视线路长、取弃土量大的生产建设项目验收工作[1-3]。

目前线性生产建设项目土壤流失监测方法有简易坡面量测法、径流小区法、插钎法、遥感调查法等。通用土壤流失方程(USLE)是土壤侵蚀模数测算的经验模型，在水土流失预测中得到广泛应用[4]，但应用于生产建设项目水土保持监测的相对较少。根据水保监督函〔2019〕20号、办水保函〔2020〕564号和办水保〔2020〕160号文件相关要求，未及时开展水土保持监测的生产建设项目应采用历史遥感影像分析、人工模拟试验、现场调查、资料查阅等方法补充开展水土保持监测，对未开展水土保持监测期间的水土流失及水土保持状况进行分析评价。鉴于此，本研究以改建铁路干塘至武威南铁路增建二线工程为例，基于通用土壤流失方程(USLE)，采用人工模拟试验方法，对建设过程中项目区的土壤侵蚀模数变化及其影响因素进行分析和量化识别，以期为线性生产建设项目区的土壤侵蚀特征分析评价提供参考。

1 项目区概况

改建铁路干塘至武威南铁路增建二线工程位于甘肃省、内蒙古自治区和宁夏回族自治区三省区境内，主要经过腾格里沙漠南缘干旱无水区及武威地区黄河水系石羊河流域，水土流失防治分区划分为山前冲洪积平原区和腾格里沙漠区2个一级分区，路基工程防治区、站场工程防治区、桥梁工程防治区、取土场防治区、施工便道防治区、施工生产生活防治区等6个二级分区。工程地表扰动主要有开挖、回填、平整、堆放占压等方式。路基、站场、取土场、桥梁、施工便道等防治区以开挖、回填、临时堆放占压扰动为主；施工生产生活防治区以场地平整、临时堆放占压扰动为主。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

采用项目沿线途经的中卫站、阿拉善右旗站、景泰站和武威站4个气象站2013—2018年的降水资料，数据来源于国家气象科学数据中心。选择施工前2013年、施工期2014—2016年、植被恢复期2017—2018年的日降雨数据。根据《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL 773—2018，以下简称《测算导则》)中土壤流失量测算规定，从降雨数据中筛选出日降雨量大于12 mm的降雨数据进行人工降雨模拟试验。选取主体工程扰动相对稳定的2016年12月遥感影像作为解译本底数据，采用人工目视解译，勾绘各防治区扰动范围图斑和计算图斑面积。

2.2 研究方法

2.2.1 试验区设置

根据工程的施工前、施工期和植被恢复期3个时间阶段进行分区模拟还原。试验区布设依托天水水土保持科学试验站设置，利用各分区所在的平原区和沙漠区的原状土布设还原了11个施工前原地貌径流小区、15个施工期径流小区和11个植被恢复期径流小区(表1)。径流小区垂直投影长10 m、宽2 m，每个径流小区均设置1个自记雨量计。

表1 试验区设置情况

2.2.2 通用土壤流失方程及因子取值

本研究采用通用土壤流失方程(USLE模型)计算项目区平均土壤侵蚀模数，计算公式为

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A为平均土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，t·(hm2·h)/(hm2·MJ·mm)；L、S分别为坡长与坡度因子，无量纲；C为植被覆盖与管理因子，无量纲；P为水土保持措施因子，无量纲。

(1)降雨侵蚀力因子。依据《测算导则》，采用公式(2)计算逐日降雨侵蚀力因子Rr，累加得到多日、月、多月和年等不同时间尺度的降雨侵蚀力因子R。

Rr=αPrβ

(2)

α=21.586β-7.182

(3)

β=0.836+17.144Pd12-1+24.455Py12-1

(4)

上三式中：Rr为第r日的降雨侵蚀力因子；Pr为第r日的降雨量，mm，日降雨量≥12 mm，否则按0计；α、β为降雨侵蚀力因子统计系数；Pd12为日降雨量≥12 mm的日均雨量，mm；Py12为日降雨量≥12 mm的年均雨量，mm；计算过程中需将R乘以系数17.02，从而将美制单位转化为国际制单位。

(2)土壤可蚀性因子。土壤可蚀性因子K根据径流小区174场人工降雨模拟观测资料计算得到。试验采集一定比例的搅拌均匀的泥沙水样，将水样静置去除上层清水，放入烘箱在105 ℃条件下将泥沙烘干称量获得单位体积泥沙水样中所含泥沙质量，由此换算出径流小区单次降雨所产生的水土流失总量Mp。依据《测算导则》，土壤可蚀性因子的计算公式为

K=Mp/Rp

(5)

式中：Mp为小区实测土壤流失量，t/hm2；Rp为小区相应观测时段的降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h)。

(3)坡长坡度因子。依据《测算导则》，坡长、坡度因子的计算公式为

L=(λ/22.13)m

(6)

λ=λxcosθ

(7)

S=-1.5+17/[1+e(2.3-6.1sinθ)]

(8)

上三式中：λ为计算单元水平投影坡长，m；θ为计算单元坡度，(°)，坡度≤35°时按实际值计算，>35°时按35°计算；m为坡长指数，其中θ≤1°时取值0.2，1°<θ≤3°时取值0.3，3°<θ≤5°时取值0.4，θ>5°时取值0.5；λx为计算单元斜坡长度，m。

(4)植被覆盖因子。植被覆盖因子C是指某一地区种植植被土地上的土壤流失率与休闲土地上相对应的土壤流失率之比。当地面完全裸露时，C=1.0；当植被很好时，C=0.001。扰动地表计算单元可通过照相或目估法确定郁闭度和植被盖度，依据《测算导则》采用直接确定或运用线性插值的方法确定C因子值。

(5)水土保持措施因子。水土保持措施因子P取值范围是0～1，未采取任何保护措施的地区可取1，未发生侵蚀地区可取0。根据本工程采取的主要措施，P因子具体取值参照表2。

表2 水土保持措施因子P参考值

3 结果与分析

根据USLE模型进行土壤侵蚀模数测算，确定施工前、施工期、植被恢复期平均土壤侵蚀模数为1 055、2 588、979 t/(km2·a)。图1为不同施工阶段各分区土壤侵蚀模数变化特征。由图1知，从时间上看，施工期扰动最为剧烈，土壤流失最为严重，后期随着水土保持措施的实施，水土流失逐渐得到控制。利用统计的施工期逐月平均降雨量，结合人工模拟试验和USLE方程计算不同分区的土壤侵蚀模数，并根据分区面积推求施工期的逐月土壤流失量，见图2。由图2知，施工期年内土壤流失量随降雨强度变化，且汛期(6—9月)土壤流失量最大。

图1 不同施工阶段各分区土壤侵蚀模数变化特征

图2 施工期土壤流失量年内变化特征

沙漠区各分区施工前、施工期和植被恢复期的平均土壤侵蚀模数分别为1 039、3 140、1 031 t/(km2·a)，明显大于平原区各分区施工前、施工期和植被恢复期的平均土壤侵蚀模数995、2 590、935 t/(km2·a)。

根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)，施工前原地貌土壤侵蚀强度以轻度为主，轻度侵蚀面积占总扰动面积的80.18%；施工期土壤侵蚀强度以中度为主，中度侵蚀面积占总扰动面积的88.83%；植被恢复期土壤侵蚀强度以微度为主，微度侵蚀面积占总扰动面积的91.35%。植被恢复期各防治区均布设了工程、植物和临时措施进行全面治理，水土流失基本得到控制，各项防治措施的水土保持效果逐渐发挥，使项目区的水土流失得到控制。

4 结 语

本研究基于人工模拟试验将通用土壤流失方程应用于生产建设项目水土保持监测之中，计算出各个施工阶段各防治区的土壤侵蚀模数，并分析了土壤侵蚀模数的时间变化特征，反演不同阶段水土流失情况。从时间上看，施工期土壤侵蚀模数最大，且土壤流失量多出现在汛期(6—9月)，植被恢复期较施工期土壤侵蚀模数大大减小。土壤侵蚀强度变化呈现随施工进度先增加后减小的趋势，说明本项目采取的水土保持措施较适宜，防治效果较明显，人为水土流失得到了有效控制。