区域水土保持水土流失预测分析及实例研究

王美玉，戴长雷，张凯文，韩心宇

（1黑龙江大学寒区地下水研究所，哈尔滨 150080；2黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080；3黑龙江大学-俄科院西伯利亚冻土所寒区水文与水利工程中俄联合实验室，哈尔滨 150080)

0 引言

2019年5月水利部印发《水利部关于进一步深化“放管服”改革全面加强水土保持监管的意见》（水保〔2019〕160号），明确提出各类开发区建设推行水土保持区域评估，并在“五通一平”（通水、通电、通气、通路、通讯、平整土地）之前由开发区管理机构组织编制水土保持区域评估报告，报相关部门审批[1]。水土保持区域评估的重点包括水土流失的任务、责任主体、防治范围、防治目标、水土保持措施及水土保持投资等内容，同时应遵循土石方自平衡、水生态保护、水土保持措施与自然生态相协调、按照区块确定防治目标等原则[2]。开发区入驻企业在水土保持区域评估报告的基础上对水土保持方案实行承诺制或备案制管理，开发区管理机构督促入驻生产建设单位履行好水土流失防护责任和义务。

重庆、浙江、江苏等地对开发区水土保持区域评估已有一定的研究基础，但在东北黑土区水土保持区域评估相关研究不够充分。由于水土保持区域评估报告的编制依据及大纲并没有明确，领域内相关专家对水土保持区域评估的主要内容、编制要点等进行了探讨。刘春宪等[3]在对552个国家级开发区分析的基础上，提出了水土保持区域评估的原则及评估重点，提出开发区水土保持区域评估是入园区企业开展水土流失防治工作的基础，简化企业水土保持方案的依据。姜德文[2]对国内各类开发区总体情况进行了介绍，开发区应明确建成区、在建区、未建区三大区块的水土流失防治任务，提出包括土石方全部利用等5项水土流失防治控制性指标，阐述并分析了开发区管理模式及水土保持责任落实。

1 区域水土保持水土流失量预测方法分析

水土流失量预测是指在工程施工建设扰动地表土层后，未采取任何水土保持措施的最不利条件下预测可能造成的水土流失量；土石方挖填量估算是指对因工程施工建设需要而造成的土方挖、填量的估算，是水土流失防治工作中的重要部分[4-5]。预测水土流失量的方法主要包括类比法、数学模型法及实验观测法，类比法预测水土流失量是利用与预测工程类似的工程对应预测单元的扰动地表土壤侵蚀模数实测研究成果，通过对应性分析预测工程与类比工程在水土流失主要因子相似性、可比性，得出预测工程与类比工程之前的修正系数，类比出通预测工程各预测单元土壤侵蚀模数，最后计算出水土流失量预测结果[6]。类比法具有直观、快速等优点，但在获取理想的类比资料难度较大、类比修正系数取值弹性较大、类比资料的实用性限制等方面具有一定的局限性[7]。预测水土流失量包括：划分预测单元、预测时段、确定土壤侵蚀模数和计算预测结果4个步骤。

2 区域水土保持土壤流失量计算实例研究

2.1 区域水土保持调查分析

庆安县位于黑龙江省中部松嫩平原与小兴安岭余脉的交汇地带，属呼兰河流域中上游，地理坐标为127°30′—128°35′E，46°30′—47°35′N，总人口41万，土地总面积为5466.71 km²，其中，耕地和林地分别占总土地面积的36.65%和51.49%[8]。庆安开发区位于庆安县西南部，2011年由黑龙江省人民政府批准设立，享受省级开发区政策，开发区核心区域已实现“五通一平”。园区范围分为东、西、北3个区域，总用地面积953.08 hm²，规划建设成为食品产业园、医药产业园、循环经济产业园和保税区的“三园一区”格局。

根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190—2007)，庆安开发区属于水力侵蚀类型区——东北黑土区—松嫩平原区，庆安县属温带大陆性气候，有明显季节变化，冬季漫长、干燥而寒冷，秋季多雨降温急剧[9-10]。年平均气温2.4℃，多年平均降水量567.5 mm。地貌属于低山丘陵平原区，南、北部为低山，地势较高，并逐步向中部倾斜，中部形成宽阔的河谷平原，在山地与平原之间有丘陵漫岗过渡地带。地质构造区域为小兴安岭—松嫩冲击带东部，分布于河谷、高漫滩、低漫滩地带，地层为第四系全新统冲积沼泽沉积层，岩性为亚粘土、淤泥质粘土、亚砂土、沙及砂砾石[11]。区域内无河流水系，与格木克河相邻，庆安开发区区域位置如图1。

图1 庆安开发区区域位置

2.2 区域水土保持流失现状及影响因素分析

2.2.1 水土流失现状 根据《黑龙江省水土保持规划（2015—2030年）》及《庆安县水土保持规划（2019—2030年）》成果显示，庆安县水土流失面积707.02 km2，占总土地面积的12.93%。全部为水蚀面积，平均土壤侵蚀模数为1578 t/(km2·a)左右。按侵蚀强度划分，轻度侵蚀面积386.47 km2，中度侵蚀面积159.83 km2，强烈侵蚀面积101.93 km2，极强烈侵蚀面积50.71 km2，剧烈侵蚀面积8.08 km2，分别占侵蚀面积的54.66%、22.61%、14.42%、7.17%和1.14%[12]。2012—2018年统计结果显示，庆安县累计治理水土流失面积217.86 km2，其中基本农田为64.58 km2，水土保持林为28.57 km2，封禁治理为46.60 km2，其他为78.1l km2[13]。庆安开发区水土保持现状较为良好，均处于微度侵蚀分布区，但部分在建企业施工期未按要求编制水土保持方案。庆安县数字高程DEM及土地利用情况如图2。

图2 庆安县数字高程DEM及土地利用

2.2.2 影响因素分析 在施工过程中，会损坏原地表形态、地表植被和土壤结构，增加裸露面积，减弱抗蚀、抗冲能力，易造成较严重的水土流失[14-15]。在建设期内，主要施工内容包含场地平整、建筑物结构施工、道路路面铺设、绿化景观建设等。场地平整过程中，大部分占地地表都受到不同程度的人为扰动和破坏，在降雨等自然因素的作用下形成新的水土流失；建筑物施工过程中，基坑开挖阶段的边坡是最容易发生水土流失的区域；当建设进入建筑物主体结构阶段，区域内道路、公园绿地区的地表裸露，会造成地表水土流失[16-17]。工程施工结束后，因施工引起水土流失的各项因素逐渐减弱，地表扰动基本停止，水土流失将明显减小，但由于植物措施不能在短时间内发挥水土保持功能，在自然恢复期仍会有一定量的水土流失。

2.3 水土保持区域划分

在《庆安县产业园区总体规划（2018—2035年）》的基础上，结合开发区产业结构特点，考虑扰动地表形式、强度等大体一致的施工区划分为一个区域，故将开发区水土保持区域划分为工业用地区、商业及公用设施用地区（包括公共管理与公共服务设施用地、商业服务业设施用地、物流仓储用地、公用设施用地）、道路与交通设施用地区、绿地与广场区（非建设用地主要为农林用地，划入绿地与广场区）4个区域，开发区内各水土保持分区面积统计如表1。

表1 区域内用地类型及面积统计

2.4 土壤流失量预测

2.4.1 预测单元及预测时段 预测单元划分为工业用地区、商业及公用设施用地区、道路与交通设施区、绿地与广场区（含非建设用地）共4个区域单元，根据施工及运行特点，水土流失预测时段分为施工期和自然恢复期。施工期1年内跨雨季的按照占雨季长度比例计算，但不超过1年，工程施工连续施工，分期施工预测时段计算按照自然月为主，庆安县雨季主要是5—9月份，共计5个月。自然恢复期设定为2年，主要为植被恢复期[16]。由于各建设项目水土保持配套设施不完善，部分项目没有水土保持方案，以水土流失最不利条件为原则，水土流失预测区域面积包含区域内已建、在建及未建面积，合计953.08 hm2。

2.4.2 土壤侵蚀模数的确定 区域内4个水土保持分区在施工期对地面干扰较大，根据《黑龙江省水土保持规划（2015—2030年）》结果分析，土壤侵蚀模数参考庆安县平均土壤侵蚀模数1578 t/(km2·a)，考虑施工期水土流失略微严重，因此扰动后土壤侵蚀模数取2000 t/(km2·a)；绿地与广场区由于工程施工面积较小，土壤侵蚀模数取平均值1578 t/(km2·a)；植被恢复期工程施工已结束，植被未完全恢复，仍存在一定程度的水土流失，土壤侵蚀模数取值200 t/(km2·a)，土壤侵蚀模数背景值取值为150 t/(km2·a)。

2.4.3 预测结果及分析 根据区域土壤侵蚀的背景资料和工程建设特点，区域内水土流失类型主要为水力侵蚀，水土流失预测采用经验公式法，计算公式如式(1)所示，计算区域建设区不同地貌侵蚀背景值，预测新增水土流失量[19-20]。

式中：W为扰动地表土壤流失量，t；i为预测单元(i=1、2、3)；k为预测时段(k=1、2、3)，指施工准备期、施工期和自然恢复期；Fi为第i个预测单元的面积，km2；Mik为扰动后不同预测单元不同时段的土壤侵蚀模数，t/(km2·a)；Tik预测时段（扰动时段），a。

按式(1)对区域土壤流失进行计算，预测结果按照建设期开挖、回填、产生弃渣、地面没有防护措施，且在雨季最不利情况下进行水土流失量估算，计算结果见表2。根据计算分析，区域内项目建设在不采取任何防治措施的前提下共造成水土流失47053 t，背景流失3773 t，新增水土流失43280 t。其中水土流失量99.84%在施工期，由于工业用地区占地面积较大，70.41%的预测水土流失量集中在工业用地区。因此，工业用地区是水土保持防治的重点区域。

表2 水土流失量预测结果

2.5 区域水土保持填挖量估算

2.5.1 表土剥离及覆土 按照水土保持法相关要求，应对生产建设活动所占用土地的地表进行分层剥离、保存和利用。根据区域内各水土保持防治区的施工建设时序及覆土实际需求，对具有剥离条件的区域进行表土剥离，并在建设区设置临时暂存场地，表土剥离和回覆的厚度均按照0.3 m计算。经区域现场踏察，区域水土保持方案中剥离及覆土设计如表3。经计算，区域内表土剥离量面积为142.22 hm2，剥离土壤42.67×104m3，覆土面积138.10 hm2，覆土量41.43×104m3。

表3 表土剥离及覆土量统计

2.5.2 土方挖填量推算 区域内基础土方填挖量以区域用地性质及已建成典型项目作为推算依据。由于区域内大部门区域项目为展开施工建设，采用类比法，在区域内相似条件下推算同类型建设用地的土方挖填量，所选区域内典型项目均已开展水土保持方案编制，土石方填挖数据接近实际情况。对开发区未建区域土石方填挖量进行推算，可以为后入驻园区企业制定水土保持方案提供测算依据及参考。土方填挖推算结果见表4。

表4 基础土石方挖填量推算

2.5.3 土石方平衡 经推算，区域内生产建设项目总计产生挖方917.3万m（3表土剥离42.67万m3），填方879.22万m3（表土回覆41.43万m3），外借土方37.16万m3，弃土75.21万m3，计算结果见表5。土石方平衡推算采用区域内典型项目类比推算的方法，估算在建区域及规划建设区域内的土石方挖填量，考虑最不利因素，推算结果较大，可以为后入驻园区的企业在水土保持防治工作中提供参考。

表5 区域内土石方平衡 万m3

3 结论

以庆安开发区为例，预测东北黑土区土壤流失量，运用典型项目类比的方法推算土石方平衡，得出结论。

（1）考虑使用土地性质及扰动土壤等因素，划分水土保持区划，并按所划分区域预测土壤流失量；以庆安开发区为例，考虑最不利条件预测将造成土壤流失47053 t，是背景流失量的12.5倍，其中工业用地区在施工期内预测土壤流失量最大。

（2）由于区域内大部分项目未施工建设，无法准确计算土石方挖填量，因此采用区域内已建典型项目类比推算未建设区域项目挖填量的方法是区域水土保持土石方平衡估算较为理想的方法，可为后入驻园区企业编制水土保持方案提供参考。

（3）根据土壤流失量预测及土石方平衡估算，工业用地区是新增水土流失的主要区域，为区域水土保持防治工作找到了核心区。通过调整施工时序、避免汛期土石方施工等优化施工方法也可以起到水土保持的效果。