《生产建设项目土壤流失量测算导则》在铁路建设项目中的应用

张春晖，朱正清，白占雄，王 鑫

（中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院，天津300308）

0 引言

铁路是国家重要的基础设施，是综合交通运输体系的骨干，是践行绿色、低碳、高质量发展的重要环节，在推动我国经济社会又好又快发展中发挥着重要作用。截至2020年底，我国铁路营业里程14.63万公里，其中高铁3.8万公里[1]，基本实现省、市、县全覆盖。铁路建设项目规模大、范围广、时间长，并且受沿线地形地貌、施工运距、土壤质地等条件的限制，不可避免地扰动原地貌，同时面对降雨及大风天气，对于铁路土建工程作业面极易造成更为严重的水土流失[2]。因此，探索高效的生产建设项目土壤流失预测方法，准确描述水土流失重点部位及水土流失重点时段，有针对性地采取相应的水土流失防护措施十分重要。

目前，有多种方法可用于土壤流失预测，较为常用的有类比法、试验观测法、通用土壤流失方程法(USLE)、分类分级法、加速侵蚀系数和流失系数法等[3]，不同的方法均有其优缺点。2018年，水利部批准《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL773—2018)[4]，进一步完善了生产建设项目土壤流失预测方法，而该方法在铁路建设项目上的应用鲜有介绍。本文以铁路建设项目为例，着重探讨《生产建设项目土壤流失量测算导则》在铁路建设项目土壤流失量预测中的应用，旨在为铁路建设项目土壤流失量的准确预测提供参考。

1 铁路建设项目土壤流失预测

1.1 土壤流失量预测方法

生产建设项目土壤流失量预测方法主要根据土壤流失的发生情况确定：对于已开工生产建设项目，多结合水土保持监测工作开展现场实地观测，获取代表性点位监测数据；对于新建生产建设项目，水土保持方案土壤流失量计算多采用类比法及应用《生产建设项目土壤流失量测算导则》。

1.1.1 数学模型法

数学模型法源于美国开发的通用土壤流失方程(USLE)，我国自20世纪80年代引入该预报模型，各地水土保持研究所、试验站结合其自身观测资料和研究成果对预报模型加以修正，进行本地区土壤流失量预测。

同为线性工程的铁路和公路，因铁路建设项目水土保持监测工作起步晚，土壤流失定位观测和动态监测数据缺失，难以采用此方法；采用修正的USLE对公路建设项目的土壤流失进行预测，预测结果与实测数据偏差较大，分析造成该结果的主要原因是公路建设地域跨度大、地貌类型多样、持续时间长，模型法参数选取代表性差[5]，因而应用数学模型法进行线性工程土壤流失量预测效果不佳。

1.1.2 类比法

类比法是生产建设项目水土流失预测较为常用的一种方法，通过利用本地区同类型生产建设项目水土流失观测、研究成果，对重点水土流失诱发因子进行分析比较，确定合理的土壤侵蚀模数，进行生产建设项目土壤流失量的预测。类比法的优点在于操作相对简单、便于实施。采用类比法进行铁路建设项目土壤流失量预测时，需结合主体工程施工特点及施工时段，划分不同预测单元进行分区预测[5]。

1.1.3 应用《生产建设项目土壤流失量测算导则》

《生产建设项目土壤流失量测算导则》是通过划分土壤流失类型、规定土壤流失测算流程和应用范围来进行建设项目土壤流失量预测的方法。按照该导则，生产建设项目土壤流失预测分级宜划分为3级：一级分类依据项目区侵蚀外营力主导因子(水力侵蚀、风力侵蚀)划分，二级分类依据项目区下垫面工程扰动形态(一般扰动地表、工程开挖面、工程堆积体)划分，三级分类依据项目区扰动程度、上方有无来水等因素划分，水力侵蚀和风力侵蚀一级、二级分类均适用，风力侵蚀无第三级分类[4]。具体分类分级情况如表1所示。

表1 生产建设项目土壤流失类型划分

水力及风力作用下土壤流失类型的界定可参照《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL773—2018)的类型划分说明予以确定，对于未采取水土流失防治措施的碾压底边、填压面(填筑面)，水力及风力作用下的土壤流失可分别参照工程开挖面及一般扰动地表进行计算；未经夯实的工程回填面，水力及风力作用下的土壤流失均可参照一般扰动地表进行计算[4]。

1.2 铁路建设项目土壤流失预测内容

对于铁路、公路等线性工程的土壤流失预测，应结合工程沿线地形地貌条件、工程建设特点、施工方式、气象特征及主导气候因子等划分不同的预测单元进行预测。参照《生产建设项目水土保持技术标准》(GB 50433—2018)[6]的要求，土壤流失预测内容主要包括：建设阶段扰动原地表面积；建设阶段取土、弃土(渣)量；不同预测单元土壤侵蚀模数的确定；建设阶段原地貌土壤流失量、新增土壤流失量及土壤流失总量预测。确定预测区土壤流失发生面积及不同预测单元土壤侵蚀模数为土壤流失预测的关键工作。

1.3 铁路建设项目土壤流失预测时段的划分

铁路工程建设分为施工期和运营期(自然恢复期)2个阶段。施工期，因主体工程路堤、路堑、桥梁墩台、站场场坪的开挖和填筑，隧道出渣，取土场开采，弃土(渣)场弃渣堆置，施工便道及施工生产生活区平整场地等原因，大范围扰动建设区内土体、岩石，破坏原地貌、土壤和植被，诱发新增土壤流失。铁路工程竣工后进入运营期(自然恢复期)，水土保持工程措施、植物措施逐步发挥作用，现状土壤侵蚀模数降低，土壤流失量减少，生态环境日趋改善。

土壤流失预测时段应根据施工进度确定：施工期为施工过程中实际扰动地表的时间，需结合相应单元的工期分别予以确定；自然恢复期为施工扰动结束后，不采取水土保持防治措施的情况下，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，自然恢复期应根据当地自然条件确定[6]。

2 实例分析

2.1 工程概况

某新建高速铁路线路全长531.246 km，路基长度330.208 km，桥梁长度180.131 km/151座，隧道长度20.907 km/2座，站场11座，建设工期4年。全线设取土场37处，弃土(渣)场46处，取弃结合13处，水土流失防治责任范围6 329.25 hm2，其中永久占地2 014.74 hm2、临时占地1 722.39 hm2、风沙路基防护用地2 592.12 hm2。

工程土石方总量6 018.47万m3，填方4 280.06万m3，挖方1 738.41万m3，工程挖方尽可能利用为填方，利用方571.72万m3，总借方3 708.34万m3，总弃方1 166.69万m3。该工程弃方主要来源于路基、桥梁、隧道、站场工程和施工建筑垃圾等确实无法利用的，全部清运至46处弃土(渣)场。

2.2 项目区水土流失特点

项目区涉及黄河多沙粗沙国家级水土流失重点治理区、阴山北麓国家级水土流失重点预防区，按照水土保持区划位于西北黄土高原区、北方风沙区，对应地貌类型为平原微丘区、风沙区，侵蚀类型为水力和风力侵蚀，侵蚀强度以轻度、中度为主，容许土壤流失量为1 000 t/(km2·a)。

在工程施工过程中，由于工程修筑路基、桥梁、站场等施工活动及取弃土行为，对原地貌和自然植被造成破坏并形成挖土、填土的再塑地貌，降低或丧失了其原有的水土保持功能，在侵蚀外营力的作用下极易引起新的水土流失。

根据项目区水土流失特点，工程建设造成的水土流失类型主要为水力侵蚀和风力侵蚀，主要分布在铁路路基及两侧占地区、站场、桥梁、隧道洞口、改移工程、取土场、弃土(渣)场、施工便道、施工生产生活区等。

2.3 土壤流失预测

2.3.1 预测单元划分

根据工程建设中土壤流失量影响因素和不同区域水土流失的特点，结合水土流失防治分区划分水土流失预测单元，该项目水土流失预测单元划分为2级：一级分区根据工程沿线地貌及土壤侵蚀类型，分为平原微丘区(水力侵蚀)、风沙区(风力侵蚀)；二级分区根据工程建设特点分为路基区、站场区、桥梁区、隧道区、取土场区、弃土(渣)场区、改移工程区、施工便道区、施工生产生活区9个防治分区。

2.3.2 预测时段确定

结合各预测单元施工进度，铁路建设项目水土流失预测时段分为施工期和自然恢复期。

（1）施工期。各预测单元的预测时间根据各区的施工进度安排、雨季长度及各单元土石方工程持续时间确定。

（2）自然恢复期。该工程位于干旱区，自然恢复期按5年考虑。

不同预测单元的预测时段划分情况如表2所示。

表2 铁路工程不同预测单元水土流失预测时段表年

2.4 土壤侵蚀模数确定

2.4.1 原地貌土壤侵蚀模数

本方案依据收集的水土流失遥感调查成果资料并结合实地调查，对项目建设区的地形地貌、气候、植被、水土流失现状等进行了详细分析，根据工程沿线地貌及土壤侵蚀类型，分为平原微丘区、风沙区。平原微丘区土壤侵蚀强度及类型以微度、轻度水力侵蚀为主；风沙区以风力侵蚀为主，伴有水力侵蚀，土壤侵蚀强度为轻度及以上侵蚀；综合沿线水土流失现状，确定原地貌土壤侵蚀模数。工程沿线原地貌土壤侵蚀模数如表3所示。

表3 工程沿线原地貌土壤侵蚀模数

2.4.2 扰动后土壤侵蚀模数的确定

该工程扰动后的土壤侵蚀模数采用《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL773—2018)数学模型法确定。根据工程沿线侵蚀外营力划分为水力、风力预测分区，水力作用分区内依次按照水土流失防治分区、下垫面类型及扰动程度和上方有无来水划分为三级预测单元，风力作用分区按照水土流失防治分区及下垫面类型划分为二级预测单元[4]，各预测单元的土壤侵蚀模数计算如下。

（1）水力作用工程堆积体。水土流失防治区的开挖土方临时堆放及表土临时堆放区域，周边布设有截排水沟，因而施工期该区域可按照工程堆积体上方无来水土壤流失量公式计算；自然恢复期该部分可参照一般扰动区域地表翻扰型土壤侵蚀量测算。计算方法详见表1(公式（5）)，公式中各计算因子含义见《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL773—2018)，下同。

（2）水力作用工程开挖面。边坡开挖区域周边布设有截排水沟，因而该区域施工期土壤侵蚀模数可按照上方无来水工程开挖面土壤流失量公式计算；自然恢复期可参照一般扰动区域地表翻扰型土壤侵蚀公式测算。计算方法详见表1(公式（3）)。

（3）水力作用一般扰动地表区。①一般扰动地表区植被破坏型，土壤侵蚀模数计算方法详见表1(公式（1）)。②一般扰动地表区地表翻扰型，土壤侵蚀模数计算方法详见表1(公式（2）)；自然恢复期不同年份土壤侵蚀模数计算参照(公式（2）)，综合考虑各项计算因子的变化情况予以确定。

（4）风力作用工程堆积体。工程堆积体无风速观测资料，土壤侵蚀模数计算方法详见表1(公式（8）)。自然恢复期参照风力作用一般扰动地表区，综合考虑各项计算因子变化情况予以确定。

（5）风力作用一般扰动地表区。一般扰动地表区无风速观测资料，土壤侵蚀模数计算方法详见表1(公式（7）)。自然恢复期不同年份土壤侵蚀模数计算参照(公式（7）)，综合考虑各项计算因子的变化情况予以确定。

按照不同下垫面类型计算不同预测单元的土壤侵蚀模数如表4所示。

表4 扰动后土壤侵蚀模数汇总 t/（km2·a）

2.4.3 水土流失面积预测

施工期水土流失面积为各预测单元扰动地表面积；自然恢复期预测面积应在各预测单元扰动面积的基础上扣除硬化面积和构建筑物占地面积，该工程各单元施工期、自然恢复期水土流失面积预测数据如表5所示。

表5 各单元施工期、自然恢复期水土流失面积预测

2.5 预测结果

通过采用《生产建设项目土壤流失量测算导则》，分别确定各预测单元施工期、自然恢复期土壤侵蚀模数值，基于预测面积、预测时段及土壤侵蚀模数值，计算土壤流失总量及新增土壤流失量，参照公式（9）和公式（10）。

式中：W为工程土壤流失总量，t；ΔW为本工程新增土壤流失量，t；Fji、Mji、ΔMji、Tji分别为某时段某单元的预测面积(km2)、土壤侵蚀模数(t/(km2·a))、新增土壤侵蚀模数(t/(km2·a))及预测时间(a)；i为预测单元，i=1，2，……，n；j为预测时段，j=1表示施工期，j=2表示自然恢复期[4]。

经预测，本工程水土流失总量为168.97万t，原地貌水土流失量为49.91万t，新增水土流失量为119.06万t。

2.6 水土流失综合分析

通过对项目工程建设中水土流失类型、分布和水土流失量进行综合分析和预测，根据工程建设特点，确定工程建设区水土流失重点时段为施工期。建设期可能产生的水土流失量路基区最大，取土场区、桥梁区、施工生产生活区、弃土(渣)场区次之，主要原因是路基区、取土场区、桥梁区、施工生产生活区、弃土(渣)场区原地貌面积、扰动土壤侵蚀模数较大。

与类比法相比较，采用《生产建设项目土壤流失量测算导则》预测水土流失总量偏大，分析其原因主要为导则划分防治分区预测类型多，充分利用相应区县降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子及风蚀率等多年统计参考值，较为准确计算土壤侵蚀模数，根据不同侵蚀类型及特点，系统反映水土流失预测结果。

水土流失预测结果表明，施工期为水土流失防治重点时段。针对施工期水土流失防治，应优化施工组织安排，缩短水土流失严重时段的作业时长。主体工程施工前的平整场地应提早进行，剥离表土产生的临时堆土场应及时采取临时挡护措施，不得滞后；站场建设、基础开挖应避开雨季和风季，无法避开时应加强施工场地的排水、苫盖、拦挡等临时防护措施；植物措施布设需及时跟进，土建工程完工段落需同步进行植树造林、生态恢复。对取土、弃土(渣)场，在施工结束后不仅需立即进行迹地恢复和挡护工程的完善，还需对植被多加养护，以尽快发挥植物措施效益。落实“三同时”原则，主体工程与防治措施同时进行，如基础土方回填后，需及时进行土地整治；同时，应加强临时堆土场、取土场和弃土(渣)场的排水和拦挡措施。

由于铁路工程建设持续时间长，沿线涉及行政区及水土流失类型多，本次预测时间以年为单位，各计算因子的确定采用各行政区加权平均的方式，参数选取及计算精度上存在进一步优化的空间，后期可尝试更为精细化的计算方式，保证预测结果更好地反映实际情况。

3 结束语

生产建设项目土壤流失预测是分析水土流失特点、制定水土保持防治措施的基础，基于铁路建设项目土壤流失监测起步晚、数据缺乏的状况，土壤流失量的预测多采用类比法，该方法侵蚀模数的确定多依靠同类项目的经验值，缺少科学依据且不具备广泛适用性。为了提高土壤流失预测结果的准确性，应根据铁路建设项目土壤流失特点，结合施工区域、施工方法及施工计划等对铁路建设造成的土壤流失进行分区、分类型、分时段预测，通过《生产建设项目土壤流失量测算导则》可以细化土壤流失预测过程，针对不同侵蚀外营力、不同下垫面类型及扰动程度采用数学模型计算方法，有利于突出不同类型预测单元的水土流失特点，相对准确计算土壤侵蚀模数的大小，获得较好的土壤流失预测结果，从而确保水土保持防治措施的合理性和可行性，有效治理铁路建设引起的水土流失，减缓对生态环境的影响，使铁路建设与环境保护协调发展。