类比法在高速公路建设工程水土流失预测中的应用

陈 浩

(深圳市深水水务咨询有限公司，广东 深圳 518000)

0 引 言

随着我国高速公路等交通基础设施建设速度的加快，我国公路建设任务日益繁重，考虑到全国约70%地区为山区或丘陵区，在此类地区新建高速公路必将造成原地形地貌的扰动和破坏，如不采取及时有效的水土保持措施，必然造成严重的水土流失和环境破坏。所以，开展山区和丘陵区高速公路水土保持流失量的预测对于遏制水土流失意义重大。

1 预测方法

结合相关经验，公路工程建设项目水土流失量预测方法主要包括试验观测法、公式法、类比法等，其中类比法最为常用，《生产建设项目水土保持技术标准》(GB50433-2018)也肯定了类比法在工程建设项目水土流失量预测方面的主导地位。该方法快速、直观，结果精确度高，如果应用得当，可得出定性和定量两个方面的预测结果。应用类比法预测高速公路建设工程水土流失量就是充分利用和预测工程类似的工程所对应的预测单元土壤侵蚀模数实测结果，结合相关性分析，进行预测工程和类比工程在地形地貌、气候条件、土壤及植被、侵蚀类型等土壤侵蚀因子可比性、相似性分析，得到修正系数，并通过修正类比工程水土流失实测结果，最终得出预测工程水土流失量[1]。

应用类比法进行高速公路建设工程水土流失量预测，主要用到以下公式：

(1)

(2)

(3)

式中：W为高速公路建设工程施工扰动地表的土壤流失量，t；Fi为第i个预测单元面积，km2；Mik为地表扰动后不同预测单元土壤侵蚀模数，t/(km2·a)；Tik为预测时段，a；△W为高速公路建设工程施工扰动地表新增水土流失量，t；△Mik为不同预测单元不同时段新增土壤侵蚀模数，t/(km2·a)；Mi0为高速公路建设工程施工扰动地表前不同预测单元土壤侵蚀模数，t/(km2·a)；i为预测单元，取1、2、3、…n；k为预测时段，k=1为施工准备期，k=2为施工期，k=3为工后自然恢复期。

2 工程应用

2.1 工程概况

X高速公路位于深圳市罗湖区、龙岗区及坪山新区内，区域内多为中地山-丘陵地貌，山间夹河谷凹地；路线基本呈西南、东北走向，全线分两期建设，其中，一期工程(本次实施段)起点位于莲塘水厂处，与本项目二期工程及同时建设的市政连接线相连，终点接入现况深汕、惠盐高速公路的金钱坳立交，与粤东地区高速路网相连。途经莲塘工业区、梧桐山、大望片区、西坑村、安良大康片区、东海工业园，简龙工业园，宝龙工业区，坪山镇，同乐工业区等，路线全长31.1km。该高速公路主线设计速度80km/h，莲塘隧道段结合市政连接线统一考虑，按照60km/h设计，速度过渡段设置在隧道出口仙湖一号桥。起点至梧桐立交为双向八车道断面，路基宽35.5m。考虑到本路段位于深圳水库二级水源保护线范围内，在路两侧各设置2m宽的环保设施用地，故本路段路基总宽度为39.5m。梧桐立交至终点段道路断面为双向六车道，标准路基宽32m。工程沿线地势起伏、高差大，路线穿越河谷区、低丘区、剥蚀性高台地等地貌单元，沿线地形复杂。该工程设置特大桥4754.2m/3座(含互通立交主线桥1座)，大、中桥8112.2m/25座(含互通立交主线桥4座)，涵洞45道，隧道5330m(双洞)/4座，互通式立交5处(含匝道桥4887.6m/15座)，天桥1座，通道14座，主线收费站1处，水处理站3处。

根据国家水土保持法律、法规，有水土流失防治任务的公路开发建设单位必须进行水土流失动态专项监测，并委托具有水土保持监测资质的单位承担监测任务，监测成果需定期向省水利厅、市水土保持监测总站、区水土保持监测分站报告，并在水保工程全部实施后提交水土保持监测总结报告，作为工程水土保持专项验收的主要依据之一。根据深圳市基本生态控制线查询系统，本项目K1+900～K11+520、K13+137～K15+965、K16+320～K17+670、K18+660～K30+810、K31+690～终点段均位于深圳市基本生态控制线范围内。

2.2 预测范围、预测单元及预测时段

以水土流失防治分区的扰动面积为预测范围。该高速公路建设工程共占地1228.45hm2，其中永久性和临时性占地面积分别为1116.32hm2和112.13hm2。其中，公路工程建设扰动形式、扰动强度及特点基本一致的区域即为预测单元。按照《开发建设项目水土保持技术规范》(GB50433-2019)和公路工程建设水土流失特点，划分出4个水土流失预测单元，依次为主体工程区、施工道路区、临时施工区及弃渣场，其中，施工期内全部占地均面临不同程度水土流失；自然恢复期内除已硬化路面外，其余区域也均存在水土流失。具体情况详见表1。该公路工程拟从2019年6月开工，直2022年1月竣工，施工期为31个月，结合相关规范，高速公路工程建设项目水土流失预测应划分为施工准备期、施工期及自然恢复期。其中施工期是引发水土流失的主要阶段，自然恢复期内随着各项水保措施功能的恢复，水土流失将逐渐降至新的稳定状态。施工准备期和施工期按照各区域对应的施工期限预测，自然恢复期为公路运营的头两年，预测时段的划分具体见表1。

表1 预测单元水土流失面积及预测时段统计

2.3 水土流失量预测

应用类比法进行该高速公路建设工程水土流失量预测，首先预测不同扰动单元的水土流失量，再进行累加后计算工程整体水土流失量。

2.3.1 类比工程的选取

按照与预测工程在地形地貌、气候条件、土壤类型、植被、土壤侵蚀类型、施工工艺等水土流失主要因子[2]方面基本一致的原则，选择长度30km的广东阳东至阳江港高速公路和长度32.12km的广州到连州高速公路为类比工程，具体情况详见表2。

表2 预测工程与类比工程水土流失因子对照表

2.3.2 预测结果及分析

1)类比工程土壤侵蚀模数：根据工程所在省交通科学研究院2021年对广东阳东至阳江港高速公路以及广州到连州高速公路施工现场挖填方单元、桥涵施工区、弃渣场等施工单元的调查与监测，得出公路工程施工期内的土壤侵蚀模数。类比工程在施工期及自然恢复期内的土壤侵蚀模数具体见表3。

表3 类比工程土壤侵蚀模数

考虑到预测工程和类比工程在地形地貌、气候条件、土壤类型、植被、土壤侵蚀类型等水土流失因子方面基本一致，但年降雨量均值方面存在差异，故按照降雨量比值进行土壤侵蚀模数的的修正，施工期和自然恢复期土壤侵蚀模数修正系数分别取0.98和1.12[3]。

2)预测工程土壤侵蚀模数：结合所得出的类比工程土壤侵蚀模数及修正系数，可以量化出预测工程施工准备期、施工期及自然恢复期内土壤侵蚀模数值，具体见表4。

3)原土壤侵蚀模数背景值：将不修建工程情况下原生地貌水土流失量称为土壤侵蚀模数背景值，按照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)及相关调查资料、侵蚀模数等值线图、水文手册、现场勘查资料，工程区土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀，结合区域地形地貌、水文要素、土壤条件、植被覆盖等遭受公路工程建设的扰动情况，将工程区土壤侵蚀模数背景值确定为240t/(km2·a)。

表4 预测工程土壤侵蚀模数计算结果

4)拟建工程水土流失量：将工程建设相关参数取值代入式(1)～(3)可以得出该拟建高速公路工程施工准备期、施工期及自然恢复期内水土流失量。根据预测，新建高速公路在施工准备期、施工期及自然恢复期内不采取任何水保措施的情况下所产生的水土流失量为150048754.79t，预测时段内水土流失量背景值为81801.6t，则水土流失新增量为149966953.19t。

高速公路工程建设挖填方及弃渣场是引发水土流失最为严重的区域，也是水土保持预防监测的重点所在[4]。挖填方和弃渣场施工开挖必将造成原地貌扰动，水保设施蓄水保土功能受到破坏；还可能造成滑坡、崩塌和泥石流等自然灾害。故单从水土保持角度来看，在公路工程设计时必须尽量避免高填挖深，保持土石方平衡，控制弃土弃渣，缩短施工周期，减少水土流失。

3 结 论

综上所述，文章以广东阳东至阳江港高速公路和广州到连州高速公路工程为类比工程，对新建深圳市罗湖区、龙岗区及坪山新区内X高速公路水土流失量进行预测，类比工程和预测工程所处地区地形地貌、水文气象、土壤及植被等基本一致，所测得的水土流失量较为合理，也为类似工程建设所引起的水土流失量预测提供了借鉴经验。但是类比工程土壤流失量预测采用简易坡面量测法，监测手段较为单一，监测数据的准确性有待进一步确定，所以，为保证类比法测算结果的准确性，必须广泛开展类比工程水保监测，提高监测水平和监测成果质量、代表性及可比性，为准确测算新建工程水土流失量提供基础数据。