張 鴻

(西平縣水利局，河南西平 463900)

開發(fā)建設(shè)項目水土流失，是因人類在生產(chǎn)建設(shè)活動中對地表或地下強烈擾動破壞而造成的水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失，是強度很大的人為侵蝕［1］，水土資源損失包括了水的損失和土壤流失。開發(fā)建設(shè)項目水土流失預(yù)防和治理的水土保持工作主要是預(yù)防、監(jiān)督，其中的水土保持方案報告制度確立了開發(fā)建設(shè)項目水土保持方案編制的地位。然而在編制水土保持方案時，由于實踐和研究的限制，使得開發(fā)建設(shè)項目水土流失預(yù)測特別是水損失預(yù)測存在概念不完善的問題，進而導(dǎo)致水土保持方案編制中水損失預(yù)測缺項和預(yù)測量缺失［2－3］。

為了給開發(fā)建設(shè)項目水土保持設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，有必要完善水損失的概念及內(nèi)涵，合理預(yù)測水土流失中的水損失。

1 開發(fā)建設(shè)項目水損失的概念及內(nèi)涵

自然界中的水分布在大氣圈、地表水圈、地下水圈，3個圈帶中的水通過降水、蒸發(fā)、入滲、徑流4種基本形式完成相互轉(zhuǎn)換，在一定時間內(nèi)水體之間的循環(huán)轉(zhuǎn)換會保持相對均衡［4］。

水文地質(zhì)單元是具有統(tǒng)一補給邊界和補給、徑流、排泄條件的地下水系統(tǒng)。對開發(fā)建設(shè)項目而言，所涉及的區(qū)域與地下水系統(tǒng)基本不重合，因此我們要確定的水損失預(yù)測單元只能按開發(fā)建設(shè)項目區(qū)范圍和下墊面狀況劃分，在進行具體預(yù)測時還應(yīng)結(jié)合水土流失分區(qū)進行劃分。

我們把每個預(yù)測單元看成是獨立的水文地質(zhì)單元，每個單元內(nèi)水分均衡，總量一定，除了接受降水外自成一個封閉的空間。參考已有文獻［5］，并將預(yù)測單元劃分原則完善為:同一預(yù)測單元內(nèi)的原地形地貌、氣候特征、產(chǎn)匯流特點、徑流系數(shù)、實際蒸發(fā)、入滲系數(shù)一致;同一預(yù)測單元內(nèi)項目建成后下墊面狀況、產(chǎn)匯流和水循環(huán)特征、徑流系數(shù)、入滲系數(shù)、實際蒸發(fā)一致;同一預(yù)測單元應(yīng)集中連片。

對開發(fā)建設(shè)項目水損失，有論述為:項目水文地質(zhì)單元中的水均衡轉(zhuǎn)換關(guān)系被建設(shè)項目人為干擾活動所破壞，造成儲存量減少，流出量增加，增加的流出量即為損失量，包括水的質(zhì)和量兩個方面［3］。該論述將項目區(qū)看成是一個水文地質(zhì)單元，流失量僅對項目區(qū)內(nèi)有影響，對項目區(qū)外無影響，顯然不合適。開發(fā)建設(shè)項目水損失應(yīng)考慮全面影響，對水損失應(yīng)從入滲、蒸發(fā)、徑流3個方面進行分析才準確，開發(fā)建設(shè)項目打破了項目區(qū)水自身的均衡，對項目區(qū)內(nèi)外造成了影響，進而形成水損失。開發(fā)建設(shè)項目水損失就是項目水文地質(zhì)單元中的水均衡轉(zhuǎn)換關(guān)系被建設(shè)項目人為干擾活動所破壞，造成徑流加大、蒸發(fā)量減小、入滲量減小，其增減的量即為損失量，包括水的質(zhì)和量兩個方面。

2 開發(fā)建設(shè)項目水損失分析及預(yù)測

2.1 徑流損失

開發(fā)建設(shè)活動改變了項目區(qū)下墊面的狀況，使地表徑流量發(fā)生了變化，可以將項目建成后地表水輸出量與項目區(qū)原生地貌條件下地表水輸出量之差值看作徑流損失。結(jié)果是正值則說明產(chǎn)生了水損失，是負值則說明治理措施發(fā)揮了防止徑流損失的作用。對于水土保持生態(tài)建設(shè)工程，徑流損失的計算結(jié)果可能為負值，其絕對值的大小反映了工程措施的防治效果。

徑流系數(shù)法計算徑流損失的公式為

式中:Ww為項目建成后年徑流損失量，m3/a;i為預(yù)測單元，i=1，2，3，…，n;Fi為第 i個預(yù)測單元的面積，km2;Pi為項目區(qū)年降水量，mm;ai為第i個預(yù)測單元項目建成后自然恢復(fù)期的地表徑流系數(shù);a0i為第i個預(yù)測單元原狀地表徑流系數(shù)。

2.2 入滲損失

開發(fā)建設(shè)活動改變了原生地表狀況，使降水入滲情況發(fā)生了變化，甚至破壞了入滲途徑，可以將項目區(qū)原生地貌條件下地表平均入滲水量與項目建成后地表平均入滲水量之差值看作入滲損失。計算入滲損失有益于進行項目區(qū)降水蓄滲工程設(shè)計。

降水入滲系數(shù)法計算入滲損失公式為

式中:WF為項目建成后年入滲損失量，m3/a;i為預(yù)測單元，i=1，2，3，…，n;Fi為第 i個預(yù)測單元的面積，km2;Pi為項目區(qū)年降水量，mm;fi為第i個預(yù)測單元項目建成后自然恢復(fù)期的降水入滲補給系數(shù);f0i為第i個預(yù)測單元原狀地表降水入滲補給系數(shù)。

降水入滲補給系數(shù)等于降水入滲補給地下水的水量Q與降水量P的比值，它與潛水埋深、包氣帶巖性、降水、地形等條件有關(guān)。計算降水入滲補給系數(shù)的公式為

式中:f為降水入滲補給系數(shù);μ為給水度;Δh為年內(nèi)各次降水入滲補給形成的地下水位升幅，mm;P年為年降水量，mm。

2.3 蒸發(fā)損失

將原地貌年均實際蒸發(fā)量與項目建成后年均實際蒸發(fā)量之差值看作蒸發(fā)損失。計算結(jié)果是正值說明項目區(qū)水土保持措施起了作用，可依此評價措施的合理性;如果是負值則說明產(chǎn)生了損失，即蒸發(fā)損失。由水量平衡原理推導(dǎo)出蒸發(fā)損失的計算公式為

式中:WE為項目建成后年蒸發(fā)損失量，m3/a;i為預(yù)測單元，i=1，2，3，…，n;Fi為第 i個預(yù)測單元的面積，km2;Pi為項目區(qū)年降水量，mm;βi為第i個預(yù)測單元項目建成后自然恢復(fù)期的平均蒸發(fā)系數(shù);β0i為第i個預(yù)測單元原狀地貌平均蒸發(fā)系數(shù)。

由于流域或區(qū)域下墊面情況比較復(fù)雜，所以流域或區(qū)域?qū)嶋H蒸散量的計算是一個需要不斷深入研究的難點。目前關(guān)于實際蒸散量的估算方法有多種，主要有水量平衡法、水熱平衡法、互補相關(guān)法，而利用衛(wèi)星遙感并結(jié)合模型模擬研究非均勻陸面上的蒸散量是一個新的趨勢。項目區(qū)蒸發(fā)是水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植物散發(fā)的綜合值，一般難以直接觀測。當(dāng)有多年平均降水和徑流時可按水量平衡原理推求多年平均蒸發(fā)量，多年平均蒸發(fā)系數(shù)則可由下式推出［6］:

式中:αp為多年平均徑流系數(shù);βp為多年平均蒸發(fā)系數(shù)。

2.4 水損失預(yù)測應(yīng)注意的主要問題

(1)預(yù)測范圍。開發(fā)建設(shè)項目水損失預(yù)測的范圍，以項目水土保持方案確定的占地和擾動范圍為準;疏干水項目預(yù)測范圍還應(yīng)包括疏干水積聚和影響的區(qū)域［5］。

(2)預(yù)測時間。有關(guān)水損失的預(yù)測，不宜類似土壤流失量預(yù)測那樣分不同時段進行，只需對項目建成后平均每年損失量作粗略估算即可。對于疏干水項目，如果投產(chǎn)后規(guī)模不斷擴大、疏干水量逐步增加，則需根據(jù)實際情況分階段進行預(yù)測［4］。

(3)預(yù)測參數(shù)的確定。根據(jù)目前的氣象水文試驗和研究工作現(xiàn)狀，有很多涉及年降水量、徑流系數(shù)、入滲系數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)的實測、試驗、科研成果，因此開發(fā)建設(shè)項目水土保持方案編制人員可以參考相似工程及下墊面的數(shù)據(jù)。年降水量可參考當(dāng)?shù)貧庀蟛块T多年平均降水量值，線性工程按實際跨區(qū)分別取值;項目區(qū)原地貌以及植被恢復(fù)期的徑流系數(shù)、入滲系數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)，則需參考相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，并結(jié)合實地調(diào)查和專家估判，開展必要的試驗，綜合分析確定。

確定水文地質(zhì)參數(shù)的方法一般有經(jīng)驗數(shù)據(jù)法、經(jīng)驗公式法、室內(nèi)試驗法和野外試驗法4種，降水入滲系數(shù)、給水度、蒸發(fā)系數(shù)、徑流系數(shù)均可以利用以上4種方法取得。如降雨入滲系數(shù)可用動態(tài)分析法、水量平衡法求得，在地下水水平排泄微弱的平原地區(qū)，降水后補給潛水的水量引起地下水位上升，利用地下水自記水位計或其他儀器能準確測得降水后地下水位上升幅度值，地下水位上升幅度值和水位變動帶給水度值的乘積大致等于降水入滲補給量，降水入滲補給量除以同期的降水量即得降水入滲補給系數(shù)。當(dāng)計算時段內(nèi)有數(shù)次降水時，將每次降水引起的地下水位上升幅度相加，再乘以給水度，除以該時段的總降水量，即可得到該時段的降水入滲補給系數(shù)。在地下水水平徑流強的山區(qū)或山前地區(qū)，該法不適用，此時可有計劃地布置5個以上的觀測孔，同時觀測地下水水位，用有限單元法或有限差分法近似計算降水入滲補給量，再求出降水入滲補給系數(shù);如能在一個閉合流域設(shè)置地下水平衡試驗場，則可通過實測各平衡要素，求得降水入滲補給系數(shù)。每次降水后，將實測的降水量減去實際蒸發(fā)量、植物截留量、坑塘河溝攔蓄量、地表徑流量、包氣帶土壤含水量的增量等，即可求得降水入滲補給量，進而求得降水入滲補給系數(shù)。也有用地中滲透儀觀測資料［7］、鉆孔資料［8］、地中蒸滲儀觀測資料［9］、回歸分析方法推求［10］等取得了較為翔實的資料數(shù)據(jù);對于實際蒸發(fā)量的研究也有理論方面的實例，如楊遠東的多年平均陸面蒸發(fā)量的計算［11］、沈行毅的下墊面蒸發(fā)量的計算［12］，都為我們獲取相關(guān)數(shù)據(jù)提供了科學(xué)可行的方法。

3 實例分析

深圳星河雅寶科技創(chuàng)新園項目占地約20.34 hm2，項目總投資30億元，工期4年，為深圳市2011年重大項目。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，參考深圳市當(dāng)?shù)厮臄?shù)據(jù)參數(shù)，對本項目水損失進行預(yù)測:本項目水損失預(yù)測劃分為兩個分區(qū)，原生地貌均按雜填土碾壓裸地間有雜草，建成后地貌有房屋建筑區(qū)(0.176 km2)、綠地區(qū)(0.027 km2)。深圳地區(qū)多年平均降雨量為1 966 mm。由本文公式可計算出徑流損失、蒸發(fā)損失、入滲損失分別為6.27萬、2.10 萬、2.27 萬 m3/a，總的水損失為 10.64 萬 m3/a，見表1。

表1 星河雅寶科技創(chuàng)新園項目水損失估算 m3/a

由表1可看出，本項目的建設(shè)造成了每年10.64萬m3的水損失，其中徑流損失占58.9%，蒸發(fā)損失占19.7%、入滲損失占21.4%。建設(shè)項目引起的水資源問題、生態(tài)問題對城市可持續(xù)發(fā)展以及人類本身的發(fā)展都有重要的影響。由本文提出的概念和公式計算可知，開發(fā)建設(shè)項目實施引起的水損失主要表現(xiàn)在徑流加大、蒸發(fā)量減小、入滲量減小等幾個方面。在實際項目水損失估算中，按上述公式計算會出現(xiàn)負值、零、正值3種不同結(jié)果，若出現(xiàn)負值則表示項目措施起到了防止水損失的作用;若出現(xiàn)零則表示項目措施維持了原狀水均衡狀態(tài);若出現(xiàn)正值則表示項目產(chǎn)生了水損失，下一步可以根據(jù)水損失預(yù)測結(jié)果以及水資源利用來設(shè)計防治水損失的具體措施。

4 結(jié)語

水土流失水損失的預(yù)測分析，目前只是處于探索實踐階段，鑒于城市建設(shè)項目、疏干水項目及排水項目水損失途徑不一樣，因此只能采用定量預(yù)測與定性預(yù)測相結(jié)合的方法來進行。由于缺少可供參考的文獻和資料，本文旨在補充提出有關(guān)水損失的看法和設(shè)想以進行交流。同時，由于水土流失預(yù)測方法的選取及其參數(shù)的確定都具有很強的地域性，因此，為做好開發(fā)建設(shè)項目水土保持方案編制工作，提高水土保持方案編制的技術(shù)質(zhì)量，進一步為水土保持工作提供科學(xué)的設(shè)計依據(jù)，需要我們加大研究力度，利用技術(shù)和理論創(chuàng)新，開展必要的科學(xué)試驗，為水土流失預(yù)測分析的成熟完善奠定基礎(chǔ)。

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