高速公路工程水土流失预测与分析实践

於孟元，赵忠伟

(1.河海大学 环境学院，南京 210024； 2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210024)

1 研究背景

水土流失预测是水土保持方案编制的重点与难点[1]，对指导生产建设项目水土流失防治与监测具有重要意义[2]。类比法是目前最广泛使用的水土流失预测方法，具有直观快速、简单易行等优点[3-4]，但也存在明显的缺陷，主要表现在：①由于生产建设项目类型和地域分布的差异，很多项目难以获取理想的水土流失预测类比资料；②目前水土流失监测仍在初始阶段，监测资料的连续性和代表性较差，使得类比法的修正系数取值空间和弹性较大[5-6]；③水土流失预测的基础是在工程建设扰动地表后，未采取水土保持措施等最不利条件下，预测可能造成的水土流失量及其危害，而在实际施工过程中，水土流失监测资料一般会受到水土保持措施布设的影响，从而对类比资料的适用性构成一定限制。

2018年10月，水利部批准发布了《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL 773—2018)[7](以下简称《导则》)。《导则》适用于水力和风力作用下生产建设项目土壤流失量的事前预测、事中监测和事后计算，为生产建设项目水土流失预测提供了一个全新的数学模型方案。其适用性与测算效果亟需在实践中进行检验。

表1 土壤流失类型划分Table 1 Classification of soil erosion types

高速公路工程具有线路长、占地广、土石方工程量大、扰动类型多样等特点[8-10]，工程建设伴随大量的土石方开挖填筑，地表的剧烈扰动，导致沿线地形地貌、土壤结构与景观生态遭到极大破坏，造成大量水土流失，对土地资源的生态效益、经济效益和社会效益构成严重威胁[11-13]。本文以西南地区某高速公路工程为例，运用《导则》，对项目水土流失情况进行预测，并与类比法计算结果进行对比分析，以验证《导则》对于高速公路工程的适用性，为《导则》的进一步完善提供参考，也可为高速公路工程水土流失预测工作提供借鉴。

2 项目区概况

某高速公路地处重庆市江津区境内，建设内容包括路基、桥梁、隧道、互通立交、附属设施、施工便道、施工营地、弃渣场等，占地面积518.83 hm2，其中永久占地437.77 hm2，临时占地81.06 hm2。项目挖方922.31万 m3，填方528.38万 m3，弃方393.93万 m3，无借方。

项目地处低山丘陵区，属亚热带湿润季风气候区，多年平均降水量为1 031 mm；土壤以紫色土为主；植被类型为亚热带常绿阔叶林区，工程沿线林草植被覆盖率约45%。公路所经过地区为以水力侵蚀为主的西南紫色土区，沿线土壤侵蚀背景值为1 184 t/(km2·a)。

3 基于《导则》测算土壤流失量

3.1 预测范围与时段

根据《生产建设项目水土保持技术标准》(GB 50433—2018)[14]，水土流失预测范围为项目水土流失防治责任范围。其中，自然恢复期的预测范围不含建筑物占地、地面硬化和水域面积。

该项目为建设类新建项目，其水土流失预测时段分为施工期(含施工准备期)和自然恢复期。该项目总体建设工期为3.2 a(含施工准备期0.2 a)，施工结束后即进入自然恢复期。自然恢复期为施工扰动结束后，不采取水土保持措施的情况下，土壤侵蚀强度自然恢复到扰动前土壤侵蚀强度所需要的时间。该项目位于湿润区，自然恢复期取2.0 a。

3.2 划分扰动单元

3.2.1 划分土壤流失类型

根据扰动类型的不同，划分各防治分区不同土壤流失部位的土壤流失类型，具体见表1。

3.2.2 划分扰动单元

根据《导则》，按照防治分区一致、扰动方式相同、扰动强度相仿、土壤类型和质地相近、气象条件相似、空间上相连续的原则划分扰动单元。据此，结合工程设计文件和现场调查资料，将该项目划分为1 906个扰动单元，包括一般扰动地表扰动单元158个、工程开挖面扰动单元1 681个、工程堆积体扰动单元67个。

3.2.3 确定各扰动单元规模

按照扰动面积、挖方量、填方量的大小，分别将一般扰动地表、工程开挖面及工程堆积体扰动单元划分为大、中、小3个规模。

3.3 确定典型扰动单元

该项目扰动单元较多，宜以抽样方式确定典型扰动单元。抽样时，按大、中、小规模分别抽样，抽样数量为同一类型下同等规模扰动单元数量的10%，且涉及的各种类型和规模的扰动单元至少选取1个。各分区虽然存在某同一土壤流失类型，但由于扰动方式与强度的差异，土壤流失强度可能不同。因此，为确保典型扰动单元的代表性，且便于后续各防治分区土壤流失量的统计计算，宜在不同的防治分区、不同扰动类型框架下分别抽样。最终，抽样得到典型扰动单元205个。

3.4 划分计算单元

根据现场查勘和实验测定的相关信息，按照扰动方式、坡度、坡长、地表覆盖、土壤类型和质地、气象条件等参数相对一致的原则，在主体工程设计图件上，将选定的205个典型扰动单元进一步划分为701个生产建设项目土壤流失类型三级分类对应的计算单元。具体情况见表2。

表2 计算单元划分Table 2 Classification of calculation units

3.5 施工期土壤流失量计算

3.5.1 单元土壤流失量计算

该项目所涉及计算单元较多，本文以路基工程区挖方边坡某上方无来水工程开挖面计算单元为例，计算土壤流失量。根据《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL 773—2018)，上方无来水工程开挖面计算单元土壤流失量计算公式为

Mkw=RGkwLkwSkwA。

(1)

式中：Mkw为上方无来水工程开挖面计算单元土壤流失量(t)；R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm/(hm2·h))；Gkw为上方无来水工程开挖面土质因子(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))；Lkw为上方无来水工程开挖面坡长因子；Skw为上方无来水工程开挖面坡度因子；A为计算单元的水平投影面积(hm2)。

已知该计算单元所处区域多年平均降雨资料，降雨侵蚀力因子R取值为多年平均降雨侵蚀力因子Rd，并确定该计算单元土壤流失量计算周期为1 a。多年平均降雨侵蚀力因子Rd的计算公式为

Rd=0.067Pd1.627。

(2)

式中Pd为多年平均降雨量(mm)。

该计算单元所在地区多年平均降雨量为1 031 mm，土壤质地为壤土，实地坡长15 m，所处坡度为45°，占地面积22.98 m2。结合该计算单元施工期侵蚀时长，即预测时段，经计算，该计算单元施工期内土壤侵蚀量为0.24 t，详见表3。

3.5.2 典型扰动单元土壤流失量计算

典型扰动单元中各计算单元的土壤流失量之和即为该典型扰动单元的土壤流失量。据此，计算各防治分区共205个典型扰动单元的土壤流失量。

3.5.3 项目施工期土壤流失量计算

首先计算各土壤流失类型下各规模典型扰动单元土壤流失量平均值；然后将各类型和规模的扰动单元数量与相应的典型扰动单元土壤流失量平均值相乘，各乘积之和即为项目施工期土壤流失量。

3.6 自然恢复期土壤流失量计算

施工扰动结束即进入自然恢复期，在不采取水土保持措施的情况下，土壤侵蚀强度将自然恢复到扰动前土壤侵蚀强度。在计算施工期各计算单元土壤流失量的同时，可得到各计算单元的土壤侵蚀模数。基于此，该项目各计算单元自然恢复期第1年土壤侵蚀模数取值为施工期土壤侵蚀模数与土壤侵蚀背景值的平均值，第2年土壤侵蚀模数取土壤侵蚀背景值。根据各计算单元确定的土壤侵蚀模数，结合计算单元的面积、预测时段等综合预测土壤流失量，从而确定项目自然恢复期土壤流失量。

项目总土壤流失量即为施工期土壤流失量与自然恢复期土壤流失量之和。

表3 某上方无来水开挖面计算单元土壤流失量计算结果Table 3 Calculated result of soil erosion from a calculation unit in bare slope due to excavation of projectin the absence of upslope runoff

表4 预测项目与类比工程水土流失因子对照Table 4 Comparison of soil and water loss factors between the predicted project and the analogy project

4 采用类比法测算土壤流失量

采用类比法测算项目土壤流失量时，类比工程选取地理位置临近、建设规模相仿的某同类型高速公路工程。经类比，2个项目的土壤流失类型与方式、气候、植被、土壤、地形地貌、水土保持概况、施工工艺等水土流失主要影响因子均相同或相近，在土壤侵蚀方面具有较强的类比性，对比情况见表4。类比项目水土保持监测单位按照有关技术规程，对类比项目施工期和自然恢复期的水土流失状况进行了系统的监测，监测资料满足类比需求。因此，可以类比工程的水土流失监测资料为依据，在此基础上对土壤侵蚀模数进行修正，预测该项目土壤流失量。

根据各分区土壤侵蚀模数修正值，结合项目各分区扰动时长、扰动面积，按照式(3)即可测算项目土壤流失量。

(3)

式中：W为土壤流失量(t)；j为预测时段，j=1，2，即指施工期和自然恢复期2个阶段；i为预测单元，i=1，2，3，…，n-1，n；Fji为第j预测时段、第i预测单元的面积(km2)；Mji为第j预测时段、第i预测单元的土壤侵蚀模数(t/(km2·a))；Tji为第j预测时段、第i预测单元的预测时段长(a)。

5 结果和讨论

5.1 水土流失预测分析

利用《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL 773—2018)对该项目进行水土流失预测，结果表明，该项目施工期和自然恢复期共计产生土壤流失量106 772.41 t，其中施工期土壤流失量81 135.05 t，自然恢复期土壤流失量25 637.36 t。

采用传统类比法对该项目进行水土流失预测，结果表明，该项目施工期和自然恢复期共计产生土壤流失量121 795.43 t，其中施工期土壤流失量115 190.76 t，自然恢复期土壤流失量6 604.67 t。计算结果详见图1。

图1 工程土壤流失量测算结果Fig.1 Calculation result of soil and water loss

2种方法的计算结果均表明，项目区经施工扰动后，土壤流失量最大的区域为路基工程区、附属设施区和弃渣场区，其次为施工便道区，其余各分区土壤流失量相对较小。因此，路基工程区、附属设施区和弃渣场区为项目水土流失防治和监测的重点区域。项目区施工扰动后，土壤侵蚀活动主要发生在施工期，2种方法计算得到的施工期土壤流失量分别占流失总量的76.0%和94.6%，因此，施工期的雨季为项目水土流失防治和监测的重点时段。

对比2种方法的土壤流失量计算结果，土壤流失量相差较大的区域主要为路基工程区和隧道工程区，施工期相差分别达到46.4%和61.9%；其余分区计算结果较为接近，施工期土壤流失量相差均在19.2%以内。这是由于路基工程区和隧道工程区扰动区域土壤流失类型大多为工程开挖面，而通过工程开挖面测算模型得到的土壤侵蚀模数，与类比法获取的相应区域的土壤侵蚀模数相差较大。

以路基工程区某特定土壤质地的挖方边坡为例，利用该导则计算不同坡长计算单元的土壤侵蚀模数(图2)。工程开挖面计算单元土壤侵蚀模数与坡度呈正相关，主体工程设计中土质挖方边坡的最大坡比为1∶1，只有当计算单元坡长<6 m时，土壤侵蚀模数才会接近类比法中的土壤侵蚀模数取值(8 885 t/(km2·a))。而实际上，大部分挖方边坡坡长在10 m以上，考虑到面积权重的因素，整个挖方边坡工程开挖面的土壤侵蚀模数相比类比法中的土壤侵蚀模数较小。

图2 某挖方边坡土壤侵蚀模数随坡长变化曲线Fig.2 Curves of soil erosion modulus of anexcavated slope varying with slope length

究其原因，按照《导则》工程开挖面土壤流失量测算公式进行推导可知，工程开挖面土壤侵蚀强度与计算单元坡长呈负相关，而国内外研究学者对坡长和侵蚀产沙关系研究的结果表明，坡长对土壤侵蚀的影响较为复杂，甚至部分研究成果显示，土壤侵蚀强度与计算单元坡长呈正相关关系[15]。根据朱显谟[16]的研究成果，坡长与土壤侵蚀的关系，往往因土壤抗蚀抗冲性能的差异、地面坡度、降雨情况等因素的变化而呈现不同的相关关系，且多数情况下，坡长与土壤侵蚀强度呈正相关关系。蔡强国[17]的研究结果也表明，坡面单位面积侵蚀量随坡长的增加，呈现出先增加后下降的趋势。此外，文安邦等[18]在长江上游紫色土坡耕地区域的研究表明，相同坡度条件下，土壤侵蚀强度与坡长呈正相关，这是由于短坡坡地上的土壤侵蚀形态以溅蚀为主，长坡坡地因坡面径流汇集路径的增加，其土壤侵蚀形态既有坡面顶部的溅蚀，又在坡面中下部形成细沟或浅沟侵蚀，侵蚀强度增强。因此，《导则》工程开挖面土壤流失量测算公式中土壤流失量与坡面坡长的负相关单一定量关系，是造成测算结果偏差的一个重要原因。

5.2 《导则》的应用分析与评价

《导则》的确立源于大量生产建设项目工作实践，测算模型基本涵盖生产建设项目各种扰动类型。相比于类比法从宏观层面分区确定土壤侵蚀模数，《导则》从更微观层面着手，将生产建设项目拆分为不同土壤流失类型的计算单元后再行计算土壤流失量，计算结果更具科学意义。

本文所选取的山地丘陵区高速公路工程具有线路长、占地面积大、扰动类型多样等特点，项目施工期共计1 906个扰动单元，在进行典型扰动单元抽样后，结合主体工程设计图件将其划分为205个计算单元，每个计算单元需获取其扰动方式、坡度、坡长、占地面积、地表覆盖、土壤类型和质地、气象条件等参数，现场调查、统计计算工作相对较为繁杂，不利于控制水土保持方案编制工作的进度。而对于占地规模较小、扰动方式单一、施工范围更集中的点状工程，《导则》的实施相对便捷，实用性更强。此外，《导则》对于工程堆积体规模与特性具有一定的限制。根据规定，工程堆积体计算单元土壤侵蚀模数测算方法仅适用于坡长在15 m以内的堆积体。而山区高速公路工程弃渣场数量多、规模大、占地广[19-20]，普遍存在单级边坡坡长>15 m的情形。因此，为增强《导则》的实用性，工程堆积体计算单元土壤流失量测算模型有待进一步修正完善。

6 结论与展望

本文基于《导则》，对西南地区某高速公路建设进行水土流失预测，将项目划分为1 906个扰动单元，抽样获取典型扰动单元后，结合主体工程设计图件划分得到205个计算单元，逐一计算其土壤流失量后，经类比叠加得到项目总土壤流失量。另外采用类比法测算项目土壤流失量，与《导则》进行对比分析。分析结果表明：

(1)该项目路基工程区、附属设施区和弃渣场区的土壤流失量最大，该部分区域应被列为水土流失防治和监测的重点区域；大部分土壤流失发生在施工期，应确定施工期的雨季为项目水土流失防治和监测的重点时段。

(2)采用《导则》与类比法得到的土壤流失量测算结果差异主要表现在工程开挖面区域，其余土壤流失类型下的测算结果差异较小。

(3)《导则》在线型工程水土流失预测中的运用稍显繁杂，而对于点状工程具有更强的实用性。《导则》的运用可以较好地反映项目土壤流失情况，计算结果具有较强的科学意义，可以为生产建设项目水土流失防治与监测提供重要的参考价值。同时，《导则》对于工程堆积体的规模与特性存在一定的限制，为增强其实用性，建议对测算模型进一步修正完善。