周鐵軍

(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京100081)

1 研究區(qū)域及工程概況

新建鐵路包頭至滿都拉(白云鄂博至巴音花段)工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市的白云鄂博礦區(qū)和達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗境內(nèi)。工程地處大青山北麓,內(nèi)蒙古高原中部地帶,地勢南高北低,向北傾斜,南部為低山丘陵,北部為波狀高平原,平均海拔1 376 m;工程沿線屬溫帶半干旱大陸性氣候,多年平均降水260 mm左右,降水年際和月際變化懸殊,蒸發(fā)量大,風(fēng)大風(fēng)多,無霜期短;沿線地表水匱乏;土壤以栗鈣土和棕鈣土為主。

工程正線自白云鄂博南場與既有鐵路接軌,全長83.163 km,建設(shè)內(nèi)容包括路基工程、站場工程、橋梁工程及施工場地、施工道路、取棄土場等。工程共征用土地474.62 hm2,其中永久占地347.68 hm2,臨時(shí)用地126.94 hm2;土石方共計(jì) 883.07×104m3,其中填方為750.37×104m3,挖方為132.70×104m3,土石方移挖作填后,需取土 669.56×104m3,棄土51.90×104m3(另有剝離表土 27.45×104m3作為綠化用土重新利用);工程設(shè)置集中取土場13處,棄土場3處;新(擴(kuò))建施工便道38 km,設(shè)置存梁場、材料場、存碴場和鋪軌基地各1處。

2 工程建設(shè)水土流失預(yù)測

水土流失預(yù)測的任務(wù)是根據(jù)主體工程的線路布局及鐵路的施工工藝,結(jié)合水土流失防治責(zé)任范圍,在實(shí)地調(diào)研查勘及分析工程設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上,分析工程建設(shè)占地、破壞原地貌、植被和水土保持設(shè)施的數(shù)量,分析土石方的來源與分布情況,估算棄方量;在調(diào)查分析估判原地貌和建設(shè)擾動(dòng)土地水土流失的基礎(chǔ)上預(yù)測新增水土流失量;從各方面綜合分析評價(jià)防治責(zé)任范圍內(nèi)的水土流失程度、強(qiáng)度、危害及其對周圍區(qū)域的影響,為合理布設(shè)水土保持防治措施,制定水土保持監(jiān)測方案提供依據(jù)[1-3]。

2.1 預(yù)測方法、內(nèi)容

鐵路工程屬線型工程,水土流失影響主要發(fā)生于工程擾動(dòng)區(qū)內(nèi),因此,本次水土流失預(yù)測范圍為工程各防治分區(qū)的擾動(dòng)面積,其中主體工程包括路基、站場和橋梁,臨時(shí)工程包括取土場、棄土(渣)場、施工便道、施工營地和作業(yè)場地等。水土流失預(yù)測針對不同的預(yù)測內(nèi)容采取不同的方法進(jìn)行:對擾動(dòng)原地貌、損壞地表植被、破壞水土保持設(shè)施、棄土量的預(yù)測采用實(shí)地調(diào)查結(jié)合工程可研資料分析的方法;對可能造成水土流失量和危害預(yù)測采取經(jīng)驗(yàn)公式法和類比法相結(jié)合的方法,具體內(nèi)容見表1。

表1 水土流失預(yù)測內(nèi)容

可能造成水土流失量預(yù)測是建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測的重點(diǎn)內(nèi)容,通常采用的方法有數(shù)學(xué)模型法、類比調(diào)查法和試驗(yàn)觀測法,具體實(shí)踐中可以采用其中一種方法,也可多種方法綜合運(yùn)用[4]。系統(tǒng)考慮建設(shè)類項(xiàng)目的特點(diǎn)和鐵路工程本身的水土流失特點(diǎn),本次預(yù)測采用經(jīng)驗(yàn)公式法[5-9],計(jì)算公式如下:

現(xiàn)狀水土流失量預(yù)測公式為:

式中:Ws1為現(xiàn)狀水土流失量(t);Mwi為原地貌土壤侵蝕模數(shù)〔t/(km2?a)〕;Fi為擾動(dòng)地表面積(km2);Ti為預(yù)測時(shí)段(a);n為預(yù)測單元。

工程建設(shè)可能造成的水土流失量預(yù)測公式為:

式中:Ws2為建設(shè)過程中的水土流失量(t);Mri為工程擾動(dòng)地貌土壤侵蝕模數(shù)〔t/(km2?a)〕;Fi為擾動(dòng)地貌面積(km2);Ti為預(yù)測時(shí)段(a);n為預(yù)測單元。

新增水土流失量計(jì)算公式為:

原地貌土壤侵蝕模數(shù)由土壤侵蝕遙感普查結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查,綜合考慮項(xiàng)目區(qū)降雨與風(fēng)力特征、地形地貌、地面組成物質(zhì)、土地利用與植被生長狀況,并在咨詢沿線相關(guān)專家的基礎(chǔ)上確定。

擾動(dòng)地貌土壤侵蝕模數(shù)的確定采用類比法。本工程擾動(dòng)地貌土壤侵蝕模數(shù)通過類比鄰近的“呼市-武川公路”工程和“內(nèi)蒙古內(nèi)陸河農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)試驗(yàn)研究”成果,經(jīng)修正后確定。

2.2 預(yù)測結(jié)果及分析

經(jīng)預(yù)測,本工程擾動(dòng)原地貌、損壞地表和植被的面積,即工程擾動(dòng)地表面積,為永久征地和臨時(shí)用地之和,共計(jì)474.62 hm2;工程損壞的水土保持設(shè)施主要為生物設(shè)施,面積為474.62 hm2(工程占地類型均為天然草地),無損壞水土保持工程設(shè)施;工程棄土主要來源于區(qū)間路基工程和站場工程,工程總棄方為51.90×104m3,其中區(qū)間路基棄方51.24×104m3,站場棄方0.66×104m3;工程建設(shè)新增水土流失總量為4.02×104t。

從各預(yù)測單元來看,線路工程區(qū)新增水土流失1.97×104t,占新增總量的49%;站場工程區(qū)新增0.35×104t,占新增總量的8.71%;取土場區(qū)新增1.39×104t,占新增總量的34.58%;棄土場區(qū)新增0.13×104t,占新增總量的3.23%;施工便道區(qū)新增0.09×104t,占新增總量的2.24%;施工營地和作業(yè)場區(qū)0.09×104t,占新增總量的2.24%。由各預(yù)測單元新增水土流失量圖1看出,本工程線路工程區(qū)新增水土流失量＞取土場區(qū)新增水土流失量＞站場工程區(qū)新增水土流失量＞棄土場區(qū)新增水土流失量＞施工便道區(qū)新增水土流失量≈施工營地和作業(yè)場區(qū)新增水土流失量。同時(shí),可以確定出本工程水土流失重點(diǎn)防治區(qū)段為主體工程區(qū)段(包括線路與站場)、取土場區(qū)和棄土場區(qū)。

圖1 各預(yù)測單元新增水土流失量

從預(yù)測時(shí)段來看,本工程施工期工程建設(shè)擾動(dòng)地表新增水土流失量為2.78×104t,占新增流失量的69.2%,自然恢復(fù)期新增水土流失量為1.24×104t,占新增流失量的30.8%。但由于工程施工期較短(1.5 a)、自然恢復(fù)期長(3 a),因此施工期和自然恢復(fù)期均是水土流失重點(diǎn)防護(hù)時(shí)段。

結(jié)合工程沿線環(huán)境特征和鐵路工程自身特點(diǎn),取土場、棄土場的防護(hù)宜采取工程措施為主,植物措施為輔的防護(hù)類型,路基邊坡和兩側(cè)的防護(hù)措施宜采取工程和植物防護(hù)并重的防護(hù)類型,臨時(shí)施工場地和施工便道等防護(hù)措施宜采取永臨結(jié)合與植被恢復(fù)相結(jié)合的防護(hù)類型。

3 水土保持損益分析

水土流失影響指數(shù)SWII評價(jià)模型是姜德文在分析研究了千余個(gè)不同區(qū)域、不同行業(yè)的開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案案例的基礎(chǔ)上,將水土保持損益分析中的關(guān)鍵影響指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)后求和,從而構(gòu)建的一種反映建設(shè)項(xiàng)目水土流失影響程度的方法,目前已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持損益分析。水土流失影響指數(shù)評價(jià)模型的核心是建立無量綱的SWII指數(shù),計(jì)算SWII指數(shù)需要5個(gè)對水土流失影響最直接、最直觀和最有影響力關(guān)鍵指標(biāo),即占地面積與影響范圍、對地表擾動(dòng)程度、影響時(shí)間、造成的水土流失總量和可恢復(fù)程度[10]。水土流失影響指數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:ai為第i個(gè)因子的權(quán)重,i=1,2,3…5;xi為第i個(gè)因子數(shù)據(jù)歸一后的值,i=1,2,3…5。

本工程水土流失影響指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2,計(jì)算方法和權(quán)重值選取參見《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持損益分析研究》。

表2 水土流失影響指數(shù)計(jì)算

SWII是對水土流失影響的一個(gè)定量評價(jià)值,因此,當(dāng)計(jì)算得出的SWII值愈小時(shí),說明建設(shè)項(xiàng)目對水土流失的影響范圍及面積愈小、對地表的擾動(dòng)強(qiáng)度愈小、影響的時(shí)間愈短、造成的水土流失量愈小、不可恢復(fù)的面積愈小,這些都是對水土保持有利的;反之,當(dāng)SWII值愈大時(shí),造成的水土流失影響愈大,對水土保持愈不利。經(jīng)計(jì)算,本工程的SWII計(jì)算值為0.2721。根據(jù)姜德文對不同類型鐵路工程的統(tǒng)計(jì)研究,鐵路建設(shè)項(xiàng)目水土流失影響指數(shù)最小值SWIImin=0.1047,最大值 SWIImax=0.5233,平均影響指數(shù)=0.3134[11]?？梢?本工程的水土流失影響指數(shù)低于鐵路行業(yè)平均水平,表明本工程施工對水土流失的影響程度較小,從水土保持角度來看本工程是可行的。由計(jì)算結(jié)果來看,5項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)中數(shù)值較高的是施工影響時(shí)間、擾動(dòng)面積及影響范圍和對地表的擾動(dòng)強(qiáng)度3項(xiàng)。因此,可以通過對這三方面進(jìn)行改進(jìn)來減緩工程建設(shè)帶來的水土流失危害,可采取的措施包括合理安排工程的施工建設(shè)期,縮短施工擾動(dòng)時(shí)間;優(yōu)化工程選址選線,盡可能減少大挖大填,減輕對地表的擾動(dòng)強(qiáng)度;從工程設(shè)計(jì)、施工管理方面進(jìn)行改進(jìn),減小施工擾動(dòng)面積。

4 結(jié) 語

本文以新建包滿鐵路(白巴段)工程為例,通過預(yù)測得出,工程建設(shè)新增水土流失總量為4.02×104t,工程水土流失重點(diǎn)防治區(qū)段為主體工程區(qū)段(包括線路與站場)、取土場區(qū)和棄土場區(qū),施工期和自然恢復(fù)期均是水土流失重點(diǎn)防護(hù)時(shí)段。本工程的水土流失影響指數(shù)SWII為0.2721,低于鐵路行業(yè)平均水平,說明工程造成的水土流失影響程度較小。此外,還可采取縮短施工影響時(shí)間,減少擾動(dòng)面積及影響范圍,減輕擾動(dòng)強(qiáng)度等措施進(jìn)一步減緩因工程建設(shè)帶來的水土流失危害。

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