基于工程设计经验的表土保护与利用设计流程优化及思考

张雪杨，马 力，郭镒维，叶 欢，张 新，田红卫

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.云南省滇中引水工程建设管理局，云南 昆明 650021)

水土保持是指防治水土流失，保护、改良和合理利用水土资源，建立良好生态环境的工作。其常规措施包括运用农、林、牧、水利等综合措施，如修筑梯田、植树种草，以及修筑谷坊、塘坝和开挖环山沟等，借以涵养水源，减少地表径流，增加地面覆盖，防止土壤侵蚀。根据上述定义可知，水土保持工作需要保护土壤，重点是保护优质表土的质量(即肥力)和数量。

2010年12月25日，《中华人民共和国水土保持法》得到修订，增加了“对表土进行分层剥离、保存和利用”等内容。2019年9月24日，水利部水利水电规划设计总院《关于印发水利水电工程水土保持技术规范(SL 575—2012)补充技术要点(试行)的通知》(水总环〔2019〕635号)，该文件新增“表土保护与利用设计”篇章，要求设计人员必须分别划定表土剥离范围及土地整治范围，对不适宜剥离表土的区域要布置表土保护措施。

上述法律法规对表土保护与利用工作做了详细诠释，具有重要意义。然而，我们认为上述内容仍存在改良的空间。①迄今为止，在法律条款和水利水电及水土保持专业的工程规范中，均没有就“如何界定表土的可剥离性”做出具体说明，即无法根据明确的标准或方法，确定可剥离表土量。因此，有必要补充界定表土可剥离性的标准或方法。②在设计工作开始前，根据灰箱模型，项目区内的表土供求关系(即可剥离表土量与表土需求量的数量关系)，表土的土壤农化性质是否达到能直接用作覆土的要求，是否存在改良土壤(包括表土培肥和土壤熟化)的必要性，以及项目区周围是否存在可靠的外购表土来源等问题，是不可知的。如果出现“可剥离表土量≥表土需求量”的情况，则难以参照既定的章节设置进行正向设计。因此，有必要首先确定实际的表土剥离量、表土供求关系、是否需要进行表土改良及土壤熟化等问题。

在本研究中，我们根据实际的设计成果，就上述问题进行探讨，并提出参考性的建议。

1 现行规范中的表土章节及其逻辑

水总环〔2019〕635号文对水利水电工程水土保持方案报告书的提纲做出了更新。其中，新提纲第8章的标题为“表土保护与利用设计”。笔者认为，上述章节的设计思路如下：

(1)调查项目区内表土资源的详细分布情况。根据调查的结论，选择某种评价体系，确定项目区内可剥离表土的范围及表土的可利用量。

(2)根据主体工程设计及水土保持设计，确定工程所需的覆土范围及覆土量。

(3)以“项目区内表土储量≥表土可剥离量≥表土需求量”为既定前提，确定实际的表土剥离量，设计表土平衡，包含表土的剥离、调配、临时堆存及防护方案。根据既定的前提，设计人员无需考虑表土数量不足，或表土质量较差、不能直接作为覆土的情况。

(4)根据(3)的结论，明确实际剥离表土的用途。部分不剥离表土的区域存在现有生态条件较差、受施工扰动程度较大、容易引发水土流失等特点，对这部分区域设计保护措施。

在土地整治工程的规范中，例如《土地开发整理项目规划编制规程》(TD/T 1011—2016)和《土地整治项目规划设计规范》(TD/T 1012—2016)，鲜有涉及表土利用与保护问题的内容。在高标准农田项目的规范中，《高标准农田建设通则》(GB/T 30600—2014)仅对土壤改良进行了原则性的说明，无其他内容。在土地复垦工程的规范中，按项目类型，《土地复垦技术标准(试行)》(UDCTD—2011)分别对四种复垦项目的覆土工艺设定标准，对复垦土地质量的检验设置了测试指标，制定了评价复垦效果的初步流程，但是该流程内容简单，可执行性差。《土地复垦方案编制规程第I部分：通则》(TD/T 1031.1—2011)设置了土壤损毁预测、土壤复垦适宜性评价、确定复垦目标和选定复垦标准等环节，要求设计人员选取地力评价因子，结合特尔斐法和层次分析法，通过对地力评价因子的加权计算，获得每个评价单元的综合地力指数(IFI)，但是该方法的工作量极大，且缺少评分细则，评分结果的主观性较强，因此客观性较差。

综上所述，在表土保护与利用工作中，非水土保持专业的行业规范均存在一定的问题，不能直接借鉴，需要根据水土保持专业的特点，进行调整。

2 灰箱模型的原理及其应用

2.1 灰箱模型原理

灰箱模型(Gray Box)或概念模型(Conceptual Model)，指那些内部规律尚不十分清楚，在建立和改善模型方面都还不同程度地有许多工作要做的问题，它所针对的研究对象是那些知识背景不完全清晰的问题，一般难以完全提取模型暗含的规律性信息及经过训练学习的知识。

2.2 灰箱模型在表土保护中的应用

根据灰箱理论，在表土保护工作开展之前，有很多问题是未知的，例如：各区域表土的土壤农化性质，处于何种水平？如果农化性质不佳，是否存在改良土壤的必要性？项目区内的表土供求关系如何？工程是否存在表土缺口？如果存在缺口，项目区周围是否存在可靠的外购表土来源？如果不能通过外购表土来消除表土缺口，如何消除表土缺口？如果不存在表土缺口，如何充分利用表土？因此，水总环〔2019〕635号文中的既定前提有可能是无法成立的，需基于灰箱模型，完善流程。

3 现行规范中存在的障碍

3.1 无界定表土可剥离性的评价体系

在现行的水利水电及水土保持规范中，由于没有界定表土可剥离性的评价体系，因此设计人员只能借鉴农、林、土壤专业现有的办法或标准进行界定。但是，该做法仍存在很多问题。

以A工程和B工程为例：A工程的坝址区位于干热河谷上游地区，雨热同季，雨季时容易发生短期的暴雨溅蚀，旱季时容易因季节性缺水而发生土壤“干化”灾害，水土流失问题十分严重，土壤农化性质较差，表土资源十分匮乏；B工程位于鄂西地区，跨越多个县市，项目区内地质结构的变化规律很复杂，不同区域生态环境及土壤条件的差异很大,部分地区内表土资源较丰富，且土壤农化性质较好，而另外部分地区内表土资源有限，土壤低程度地缺少某些营养元素，可能存在显著的土壤障碍(例如土壤酸化)。

很明显，在上述两个工程中，表土农化性质相差甚远，不可能使用完全相同的客观指标界定两个工程中的表土可剥离性。因此，有必要设置界定表土可剥离性的评价体系。

3.2 未判断表土供求关系等

按照上述表土分类，在假定“不采用其他办法来消除表土缺口”的前提下，项目区内的表土供求关系、实际的表土剥离量，以及是否存在改良表土的必要性等问题，通常存在以下4种情况：①如果将第一类表土全部剥离后，不存在表土缺口，则剥离全部的第一类表土即可，实际的表土剥离量=第一类表土量，多余表土可用于项目区周围工程的覆土。②如果将第一类表土全部剥离后，仍存在表土缺口，则剥离全部的第一类表土和一定量的第二类表土，使实际的表土剥离量=表土需求量，无多余表土，必须以较低强度培肥第二类表土。③如果将第一、二类表土全部剥离后，仍存在表土缺口，则剥离全部的第一、二类表土和一定量的第三类表土，使实际的表土剥离量=表土需求量，无多余表土，必须以较低强度培肥第二类表土，必须以较高强度培肥第三类表土。④如果将第一、二、三类表土全部剥离后，仍存在表土缺口，即表土总储量<表土需求量，则剥离全部表土，使实际的表土剥离量=表土需求量，无多余表土，必须以较低强度培肥第二类表土，必须以较高强度培肥第三类表土，必须采用其他办法来消除表土缺口，例如外购表土或进行土壤熟化。

根据实践可知，项目区的生态环境大多不佳，且水土流失问题较严重，因此上述四种情况中，第一种情况比较少见，第二种和第三种情况最常见，在某些大型工程当中，甚至会出现第四种情况。

以B工程为例，该工程位于鄂西地区，部分地区内表土资源较丰富，且土壤农化性质较好，属于第二种情况，即需要剥离全部的优质表土和一定量的中等表土，对中等表土进行低强度的培肥；另外的部分地区内表土资源有限，土壤低程度地缺少某些营养元素，或者存在显著的土壤障碍(例如土壤酸化)，属于第三种情况，即需要剥离全部的优质表土和一定量的中下等表土，对中下等表土进行低～高强度的培肥。

以A工程为例，该工程的坝址区位于干热河谷上游地区，水土流失问题十分严重，土壤农化性质较差，且周围生态环境不佳，不存在大量的外购表土来源，属于第四种情况，即必须剥离全部表土，且需实施土壤熟化措施。

因此，有必要先分析表土的供求关系。根据分析结果，设计人员才能确定实际的表土剥离量。

4 建议方案

4.1 表土保护与利用工作流程的建议

(1)初步确定表土需求量(即回覆量)。该值取决于主体工程设计和水土保持设计，是固定值。

(2)调查项目区的表土资源现状。按照农学、土壤学或土壤农化专业的经典取样及测样方法，开展表土资源调查。

(1)根据当地社会经济条件和水资源条件，合理选择确权路径。通过流域用水总量、区域用水总量控制指标，厘清经济社会发展用水和生态需水的合理边界；通过分行业水量配置方案，将经济社会用水分解到生活、工业、农业等各个行业；综合考虑土地、用水定额、人口、种植结构等因素，因地制宜把水权确权到工业企业单位和农民用水者协会、农村集体经济组织等用水户。

(3)初步判断表土供求关系。按照章节3.2中讨论的流程，将不同类别的可剥离表土量与表土需求量进行对比，确定实际的表土剥离范围及剥离量，使实际的表土剥离量≥表土需求量。

(4)确定表土可剥离性的界定标准。根据“实际的表土剥离量=实际的表土需求量”原则，确定表土可剥离性的界定标准及实际的表土需求量。

(5)设计表土调配与利用规划。根据实际的表土剥离量及需求量，设计表土平衡等内容。

(6)设计表土改良、表土临时堆存与防护方案。根据表土农化性质，设计改良方案；根据表土调配与利用规划，划定临时堆存场地，设计表土的临时堆存与防护方案。

(7)最好能开展现场小试，验证部分设计成果。

4.2 界定表土可剥离性的推荐评价体系

本研究中，有三种推荐的评价体系。

4.2.1 通行标准法

1979—1985年，我国开展了全国第二次土壤普查工作，针对全国土地的普遍情况，设计了土壤养分分类的六级通行标准(详见表1)。

表1 土壤大量养分元素的分级标准

根据B工程的经验，建议按照如下的步骤，对表土可剥离性进行判断与决策(详见图1)：①如果土壤养分含量属于Ⅰ级标准，则表示其养分含量极高，表土具有剥离价值，无须培肥，需综合分析土壤养分含量、其他土壤指标及作物的需肥偏好等因素，判断是否已经造成土壤障碍。②如果土壤养分含量属于Ⅱ～Ⅲ级标准，则表示其养分含量处于中上等水平，表土具有剥离价值，无须培肥。③如果土壤养分含量属于Ⅳ级标准，则表示其养分含量处于中等水平，表土具有剥离价值，但是需根据作物的需肥偏好等因素，判断是否需对部分表土实施低强度的、工艺简单的培肥。④如果土壤养分含量属于Ⅴ级标准，则表示其养分含量处于中下等水平，表土剥离的价值有限，一般不建议剥离，仅在项目区内存在较小的覆土缺口时，剥离该部分表土，且需对该部分表土实施中等强度的、工艺难度中等的培肥。⑤如果土壤养分含量属于Ⅵ级标准，则表示其养分含量处于下等水平，表土明显缺乏剥离价值，通常不予剥离，仅在项目区内生态环境恶劣、匮乏覆土时剥离该部分表土，且必须对该部分表土实施高强度的、工艺复杂的培肥。⑥根据土壤养分含量及第二次全国土壤普查中的参考值，按照内插法，推算可剥离表土的厚度，初步划定扰动但不剥离表土的范围。⑦结合可剥离表土的分布范围及其厚度，初步估算表土可利用量。通常可剥离的表土是指养分含量处于Ⅰ～Ⅳ级标准的表土。

图1 表土可剥离性的判断流程

该方法的优点是：①选取了土壤农化性质的各项指标，专业程度较高；②适合我国绝大多数的土类及常见植物，具有通行性；③工作量相对较小，且成果可信。缺点是：①没有考虑土壤养分背景值、地域地理及植物适应性等指标的差异，在某些情况下，该标准可能不适用；②没有考虑各指标间的相关性，没有综合考虑土壤肥力；③对工程问题的考虑有限。

4.2.2 农用地自然质量分计算方法

可借鉴《农用地质量分等规程》(GB/T 28407—2012)中农用地自然质量分的计算方法[1]。

该规范根据因素法建立“指定作物-分等因素-自然质量分”评价体系，对指定作物不同的各农用地，分别选取有效土层厚度、表层土壤质地、剖面构型等12个农用地分等因素，设置了推荐权重，并按地域及地形对农用地分类。根据上述农用地分等因素的分值及其权重，通过加权计算，获得农用地的自然质量分，进而评定农用地质量。农用地自然质量分的计算方法包括几何平均法或加权平均法，具体公式为

(1)几何平均法

(1)

式中：C1,ij为分等单元指定作物的农用地自然分；i为分等单元编号；j为指定作物编号；k为分等因素编号；m为分等因素的数目；fijk为第i个分等单元内第j种指定作物第k个分等因素的指标数值，取值为(0,100]。

(2)加权平均法

(2)

式中:wk为第k个分等因素的权重；其他符号的含义同几何平均法。

该方法的优点是：①选取了高标准农田工程的各项指标，工程效益较高；②考虑了地域及地形的差异，十分全面。缺点是：①选取的土壤养分指标过少，难以精确掌握土壤养分水平，更难以诊断土壤是否存在供肥障碍等问题；②如果土壤存在供肥障碍或其他问题，则需要增加测定指标，同时修改评价体系；③调查任务十分繁重，周期较长，可能会影响施工进度；④调查工作对专业熟悉程度的要求较高，执行难度很大。

与农用地自然质量分计算相似的，还有浙江省地方标准《耕地质量评定与地力分等定级技术规范》(DB33/T 895—2013)[2]。

4.2.3 层次分析法

根据工程经验，基于层次分析法，按照下述评价指标，对植被生态修复工程建立评价指标的权重体系，获取相应的指标赋值；再根据既定的指标权重，进行加权计算，进而以计算结果评价植被生态修复工程的综合效益(详见表2)[3]。

表2 植被生态修复工程的评价指标权重

该方法的优点是：①选取水土保持效益、植物生长情况及土壤农化性质等三个方面的指标，是唯一考虑了水土保持问题的评价方法，虽然评价指标个数较少、工作量较小，但是可行性较高；②提供了完整的权重赋值，客观性较高。缺点是：①提供的权重赋值不一定适合大多数项目，需要根据项目区的实际情况进行一定程度的调整；②需要通过较长的监测时间，来获得精确的指标赋值，野外工作的周期较长，可能会影响施工进度。

4.3 判断表土供求关系的建议流程

根据表土分布与可利用量的分析结果，按照如下的步骤进行判断与决策(详见图2)。

图2 表土需求与用量分析的决策流程

5 结 语

近年来，有关部门就表土保护与利用工作，颁布了不少新的规定，提出了新的要求。作为普通设计人员，我们根据其他项目的经验，在原有的工作流程中，增加了界定表土可剥离性的评价体系，以及判断表土供求关系的建议流程。通过建立更完善的工作流程，设计人员将能更有效地完成表土保护与利用工作。以上建议主要基于逻辑推导、土壤农化专业的知识及相关工作的实际经验提出的，仍然存在改进的空间，其可推广性有待商榷，还请各位领导、专家及同行多多斧正。