張麗萍,葉碎高

(1.浙江大學(xué)浙江省亞熱帶土壤與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/污染環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 310058;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問(wèn)題的提出

開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目所引起的水土流失是典型的人為加速水土流失,伴隨著建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施而產(chǎn)生,它既是一個(gè)新問(wèn)題,也是一種由來(lái)已久的水土流失現(xiàn)象,只要有建設(shè)就會(huì)有不同程度的水土流失。近20 a來(lái),各級(jí)政府部門(mén)對(duì)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目引起的水土流失特別重視,開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案的編制已成為項(xiàng)目立項(xiàng)審批的前置條件之一。其主要原因是:①隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目密度大、速度快且類(lèi)型多,開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)造成的水土流失所占比例快速增長(zhǎng);②對(duì)地表的擾動(dòng)規(guī)模和強(qiáng)度巨大;③中國(guó)人口多,人均占有空間和資源有限,開(kāi)發(fā)和保護(hù)的矛盾十分突出;④環(huán)境的破壞和劣變已影響到人類(lèi)的持續(xù)發(fā)展,引起人類(lèi)的關(guān)注。

開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施布設(shè)的依據(jù)是水土流失特征的預(yù)測(cè)結(jié)果,預(yù)測(cè)精度對(duì)工程的水土保持影響很大,預(yù)測(cè)結(jié)果大于實(shí)際流失量會(huì)造成工程投資增大,反之則起不到應(yīng)有的水土保持作用。水土流失強(qiáng)度預(yù)測(cè)是水土保持方案編制的重要內(nèi)容[1-2]。

目前,開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)計(jì)算所采用的方法主要可分為3大類(lèi):第1類(lèi),主要采用USLE模型和變形的USLE模型[3-4]。這一模型主要適用于沒(méi)有干擾的緩坡農(nóng)耕地多年平均土壤侵蝕量的預(yù)測(cè),而工程建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)的時(shí)段、范圍和土體結(jié)構(gòu)都與農(nóng)耕地相差很大,因此工程建設(shè)項(xiàng)目施工引起的水土流失并不適用USLE模型進(jìn)行估算;第2類(lèi),主要采用類(lèi)比的預(yù)測(cè)方法。這一預(yù)測(cè)方法在水土保持方案編制中使用的比例很大,其主要優(yōu)點(diǎn)為可以加快方案編制時(shí)間,節(jié)省方案編制費(fèi)用,不失為一種簡(jiǎn)便易用的方法[1,5-7]。但每一個(gè)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目,無(wú)論是擾動(dòng)程度或是規(guī)模不可能完全相同,其相似度也不盡相同,這樣近似類(lèi)比,其預(yù)測(cè)結(jié)果的精度有限;第3類(lèi),資料分析和現(xiàn)有模型借用方法[8]。根據(jù)可行性研究報(bào)告和實(shí)地調(diào)查資料,采用已有的水土流失預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?進(jìn)行水土流失預(yù)測(cè)。這一類(lèi)預(yù)測(cè)模型大多是根據(jù)各影響因素的長(zhǎng)系列試驗(yàn)或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的多個(gè)子模塊組成,預(yù)測(cè)周期是年水土流失量,在開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失的預(yù)測(cè)中有局限性?；谏鲜鲱A(yù)測(cè)方法在開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)中存在的問(wèn)題,本文擬根據(jù)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的特點(diǎn),設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出適應(yīng)建設(shè)項(xiàng)目水土流失的預(yù)測(cè)模型。

2 土壤可侵蝕面概念的引入

侵蝕過(guò)程不是所有的地面都會(huì)發(fā)生。在平原區(qū)和硬化地面,不會(huì)發(fā)生土壤侵蝕;在植被覆蓋度超過(guò)80%的坡面,土壤侵蝕很微弱;只有在一些植被覆蓋度低或裸露的土質(zhì)或土石坡面才會(huì)發(fā)生土壤侵蝕,一些專(zhuān)家稱(chēng)其為土壤可侵蝕面。所謂土壤可侵蝕面,就是在每平方公里的面積上,能夠產(chǎn)生土壤侵蝕 (主要指水蝕和重力侵蝕)的斜坡面積[9]。

開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目引發(fā)水土流失的最大特點(diǎn)是開(kāi)挖面和堆積面的產(chǎn)生,硬化地面的出現(xiàn)。松散物質(zhì)堆積體的容重和抗侵蝕能力明顯小于原狀土體,這部分面積是導(dǎo)致水土流失量增加的主體,是預(yù)測(cè)的重點(diǎn)。雖然開(kāi)挖面是原狀土體,但地表植被覆蓋度全部破壞,屬于裸露地面,水土流失也很?chē)?yán)重。項(xiàng)目建設(shè)區(qū)各類(lèi)水土流失影響因子均發(fā)生不同程度的變化,也會(huì)造成不同程度水土流失量的增加。但在項(xiàng)目建設(shè)的后期,裸露開(kāi)挖面和松散堆積面的面積會(huì)有所減少,硬化地面的面積比例會(huì)增加。由于不同性質(zhì)的可侵蝕面,水土流失的過(guò)程和強(qiáng)度都不同,不同建設(shè)期的水土流失特性差異很大。由此可見(jiàn),開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目引發(fā)的水土流失量主要是由于工程區(qū)域地面性質(zhì)發(fā)生了大的變化,也就是這些變化了的地面產(chǎn)生了新增的水土流失量。因此,本文試圖從發(fā)生侵蝕的坡面性質(zhì)入手,開(kāi)展建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)模型探討。

3 開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目可侵蝕面的分類(lèi)

在開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中,可侵蝕面是很復(fù)雜的,因此,在預(yù)測(cè)時(shí),首先應(yīng)進(jìn)行可侵蝕面分類(lèi)。項(xiàng)目建設(shè)區(qū)可侵蝕面類(lèi)型的復(fù)雜程度,取決于項(xiàng)目的規(guī)模和所在區(qū)域的地貌類(lèi)型。位于物質(zhì)組成相對(duì)單一的地貌類(lèi)型區(qū)的、點(diǎn)狀的、規(guī)模較小的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目,其可侵蝕面的類(lèi)型較簡(jiǎn)單;線型的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目所經(jīng)之地物質(zhì)組成復(fù)雜、地貌形態(tài)多變,項(xiàng)目區(qū)地表可侵蝕面類(lèi)型則較復(fù)雜。

根據(jù)可侵蝕面的物質(zhì)構(gòu)成,可將開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)可侵蝕面大致分為2級(jí)10種類(lèi)型(見(jiàn)表1)。

表1 開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)可侵蝕面分類(lèi)表

4 基于可侵蝕面類(lèi)型的水土流失預(yù)測(cè)模型的設(shè)計(jì)

水土流失的發(fā)生是侵蝕動(dòng)力與下墊面特性綜合作用的結(jié)果,水土流失強(qiáng)度在項(xiàng)目建設(shè)區(qū)的空間差異是以上2大組合因素在空間相互作用結(jié)果的體現(xiàn)。土壤可侵蝕面類(lèi)型的劃分綜合體現(xiàn)了下墊面環(huán)境要素的特點(diǎn)。在同一個(gè)項(xiàng)目建設(shè)區(qū),侵蝕動(dòng)力因素的空間變化不大,由此可根據(jù)組合數(shù)學(xué)原理,設(shè)計(jì)出基于可侵蝕面類(lèi)型的水土流失預(yù)測(cè)模型。

第1步,分別計(jì)算不同可侵蝕面類(lèi)型的面積(Ai):

式中:Ai為可侵蝕性面面積(km2);l為同類(lèi)型坡地或堆積體底邊周長(zhǎng)(km);h為坡地和堆積體相對(duì)高度(km);α為能夠產(chǎn)生侵蝕的斜坡平均坡度(°);λ為可侵蝕面系數(shù),是由植被覆蓋度和地表物質(zhì)特性所決定的[10]。

在這些參數(shù)中,l、h和α值都可以實(shí)測(cè)到,關(guān)鍵是λ值的獲取。本文擬采用專(zhuān)家評(píng)分方法獲取,初步規(guī)定計(jì)分按遞降方法分布在0～1(見(jiàn)表2)。

表2 可侵蝕面系數(shù) λ值計(jì)分表

第2步,通過(guò)監(jiān)測(cè)不同可侵蝕面的單場(chǎng)侵蝕性降雨過(guò)程,利用微積分原理將產(chǎn)沙過(guò)程與監(jiān)測(cè)小區(qū)面積卷積,獲得侵蝕模數(shù)(Mi)[11-12]:

式中:Mi為次降雨不同可侵蝕面的侵蝕模數(shù)(t/km2);S(t)為不同可侵蝕面的次降雨產(chǎn)沙過(guò)程函數(shù);a為不同可侵蝕面類(lèi)型的面積(km2);t為次降雨歷時(shí)(min)。

第3步,根據(jù)組合數(shù)學(xué)原理,建立基于可侵蝕面類(lèi)型的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)模型:

式中:M為預(yù)測(cè)時(shí)段的侵蝕模數(shù)(t/km2);i為可侵蝕面類(lèi)型;k為預(yù)測(cè)期的侵蝕性降雨次數(shù);A為項(xiàng)目區(qū)面積(km2);β為侵蝕性換算系數(shù),利用監(jiān)測(cè)坡面與同一區(qū)域非擾動(dòng)坡面土壤容重之差,進(jìn)行分等確定β值。以監(jiān)測(cè)坡面的侵蝕性換算系數(shù)1,在其它同類(lèi)型可侵蝕坡面計(jì)算水土流失量時(shí),如果土壤容重大于監(jiān)測(cè)坡面容重,則β＜1,否則,則β＞1;其它同前。

最后,根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)段項(xiàng)目區(qū)的系列次降雨資料轉(zhuǎn)化為系列權(quán)重,與上式進(jìn)一步組合,便可預(yù)測(cè)出項(xiàng)目區(qū)的水土流失量。

5 結(jié) 論

通過(guò)上述分析討論,可概括如下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)基于可侵蝕面類(lèi)型所建立的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)模型,引入了可侵蝕面的概念,充分體現(xiàn)了開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生水土流失坡面的復(fù)雜性和堆積體的松散性,優(yōu)越于以往所利用的類(lèi)比法和USLE模型的預(yù)測(cè)精度;侵蝕性次降雨資料的應(yīng)用,精度高于年降雨量資料的引入計(jì)算,也區(qū)別于方案編制的3個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)段的討論。模型中各計(jì)算參數(shù)容易獲得,計(jì)算方便。所預(yù)測(cè)結(jié)果符合開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)際情況。

(2)上述所建立的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測(cè)模型,是特定下墊面和產(chǎn)沙函數(shù)卷積的組合,既體現(xiàn)了侵蝕動(dòng)力過(guò)程的動(dòng)態(tài)和累積,也反映了項(xiàng)目建設(shè)區(qū)水土流失的空間差異,為有的放矢地布設(shè)水土保持措施提供了依據(jù)。其難點(diǎn)或投資較大之處,在于需通過(guò)不同可侵蝕面次降雨侵蝕過(guò)程的監(jiān)測(cè)和模擬試驗(yàn)以獲得侵蝕模數(shù),為方便計(jì),也可借助于已有研究結(jié)論。

(3)在計(jì)算過(guò)程中要密切注意:①不同物質(zhì)組成的可侵蝕面類(lèi)型的抗蝕能力和容重特點(diǎn);②可侵蝕面的空間分布和面積比例構(gòu)成;③可侵蝕面類(lèi)型隨建設(shè)周期的動(dòng)態(tài)變化;④可侵蝕面面積是實(shí)際的地表起伏的曲面面積,而計(jì)算侵蝕模數(shù)時(shí)面積則是按照投影面積,應(yīng)注意面積的換算。

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