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        基于USLE的線性生產(chǎn)建設(shè)項目區(qū)土壤侵蝕特征分析

        2021-04-11 07:00:34賀俊斌潘振宇
        中國水土保持 2021年12期
        關(guān)鍵詞:施工期模數(shù)土壤侵蝕

        賀俊斌,潘振宇,屈 同,劉 剛

        (1.黃河水土保持天水治理監(jiān)督局/天水水土保持科學(xué)試驗站,甘肅 天水 741000;2.河南黃河河務(wù)局 焦作黃河河務(wù)局,河南 焦作 454000;3.北京水保生態(tài)工程咨詢有限公司,北京 100055)

        隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展,生產(chǎn)建設(shè)活動日益頻繁,但工程建設(shè)會破壞區(qū)域地面的完整性和良好的植被狀況,加劇土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展。近年來,國家對生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作日益重視,并高度重視線路長、取棄土量大的生產(chǎn)建設(shè)項目驗收工作[1-3]。

        目前線性生產(chǎn)建設(shè)項目土壤流失監(jiān)測方法有簡易坡面量測法、徑流小區(qū)法、插釬法、遙感調(diào)查法等。通用土壤流失方程(USLE)是土壤侵蝕模數(shù)測算的經(jīng)驗?zāi)P?,在水土流失預(yù)測中得到廣泛應(yīng)用[4],但應(yīng)用于生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測的相對較少。根據(jù)水保監(jiān)督函〔2019〕20號、辦水保函〔2020〕564號和辦水保〔2020〕160號文件相關(guān)要求,未及時開展水土保持監(jiān)測的生產(chǎn)建設(shè)項目應(yīng)采用歷史遙感影像分析、人工模擬試驗、現(xiàn)場調(diào)查、資料查閱等方法補充開展水土保持監(jiān)測,對未開展水土保持監(jiān)測期間的水土流失及水土保持狀況進行分析評價。鑒于此,本研究以改建鐵路干塘至武威南鐵路增建二線工程為例,基于通用土壤流失方程(USLE),采用人工模擬試驗方法,對建設(shè)過程中項目區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)變化及其影響因素進行分析和量化識別,以期為線性生產(chǎn)建設(shè)項目區(qū)的土壤侵蝕特征分析評價提供參考。

        1 項目區(qū)概況

        改建鐵路干塘至武威南鐵路增建二線工程位于甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和寧夏回族自治區(qū)三省區(qū)境內(nèi),主要經(jīng)過騰格里沙漠南緣干旱無水區(qū)及武威地區(qū)黃河水系石羊河流域,水土流失防治分區(qū)劃分為山前沖洪積平原區(qū)和騰格里沙漠區(qū)2個一級分區(qū),路基工程防治區(qū)、站場工程防治區(qū)、橋梁工程防治區(qū)、取土場防治區(qū)、施工便道防治區(qū)、施工生產(chǎn)生活防治區(qū)等6個二級分區(qū)。工程地表擾動主要有開挖、回填、平整、堆放占壓等方式。路基、站場、取土場、橋梁、施工便道等防治區(qū)以開挖、回填、臨時堆放占壓擾動為主;施工生產(chǎn)生活防治區(qū)以場地平整、臨時堆放占壓擾動為主。

        2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

        2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

        采用項目沿線途經(jīng)的中衛(wèi)站、阿拉善右旗站、景泰站和武威站4個氣象站2013—2018年的降水資料,數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心。選擇施工前2013年、施工期2014—2016年、植被恢復(fù)期2017—2018年的日降雨數(shù)據(jù)。根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL 773—2018,以下簡稱《測算導(dǎo)則》)中土壤流失量測算規(guī)定,從降雨數(shù)據(jù)中篩選出日降雨量大于12 mm的降雨數(shù)據(jù)進行人工降雨模擬試驗。選取主體工程擾動相對穩(wěn)定的2016年12月遙感影像作為解譯本底數(shù)據(jù),采用人工目視解譯,勾繪各防治區(qū)擾動范圍圖斑和計算圖斑面積。

        2.2 研究方法

        2.2.1 試驗區(qū)設(shè)置

        根據(jù)工程的施工前、施工期和植被恢復(fù)期3個時間階段進行分區(qū)模擬還原。試驗區(qū)布設(shè)依托天水水土保持科學(xué)試驗站設(shè)置,利用各分區(qū)所在的平原區(qū)和沙漠區(qū)的原狀土布設(shè)還原了11個施工前原地貌徑流小區(qū)、15個施工期徑流小區(qū)和11個植被恢復(fù)期徑流小區(qū)(表1)。徑流小區(qū)垂直投影長10 m、寬2 m,每個徑流小區(qū)均設(shè)置1個自記雨量計。

        表1 試驗區(qū)設(shè)置情況

        2.2.2 通用土壤流失方程及因子取值

        本研究采用通用土壤流失方程(USLE模型)計算項目區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù),計算公式為

        A=R·K·L·S·C·P

        (1)

        式中:A為平均土壤侵蝕模數(shù),t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子,MJ·mm/(hm2·h·a);K為土壤可蝕性因子,t·(hm2·h)/(hm2·MJ·mm);L、S分別為坡長與坡度因子,無量綱;C為植被覆蓋與管理因子,無量綱;P為水土保持措施因子,無量綱。

        (1)降雨侵蝕力因子。依據(jù)《測算導(dǎo)則》,采用公式(2)計算逐日降雨侵蝕力因子Rr,累加得到多日、月、多月和年等不同時間尺度的降雨侵蝕力因子R。

        Rr=αPrβ

        (2)

        α=21.586β-7.182

        (3)

        β=0.836+17.144Pd12-1+24.455Py12-1

        (4)

        上三式中:Rr為第r日的降雨侵蝕力因子;Pr為第r日的降雨量,mm,日降雨量≥12 mm,否則按0計;α、β為降雨侵蝕力因子統(tǒng)計系數(shù);Pd12為日降雨量≥12 mm的日均雨量,mm;Py12為日降雨量≥12 mm的年均雨量,mm;計算過程中需將R乘以系數(shù)17.02,從而將美制單位轉(zhuǎn)化為國際制單位。

        (2)土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子K根據(jù)徑流小區(qū)174場人工降雨模擬觀測資料計算得到。試驗采集一定比例的攪拌均勻的泥沙水樣,將水樣靜置去除上層清水,放入烘箱在105 ℃條件下將泥沙烘干稱量獲得單位體積泥沙水樣中所含泥沙質(zhì)量,由此換算出徑流小區(qū)單次降雨所產(chǎn)生的水土流失總量Mp。依據(jù)《測算導(dǎo)則》,土壤可蝕性因子的計算公式為

        K=Mp/Rp

        (5)

        式中:Mp為小區(qū)實測土壤流失量,t/hm2;Rp為小區(qū)相應(yīng)觀測時段的降雨侵蝕力,MJ·mm/(hm2·h)。

        (3)坡長坡度因子。依據(jù)《測算導(dǎo)則》,坡長、坡度因子的計算公式為

        L=(λ/22.13)m

        (6)

        λ=λxcosθ

        (7)

        S=-1.5+17/[1+e(2.3-6.1sinθ)]

        (8)

        上三式中:λ為計算單元水平投影坡長,m;θ為計算單元坡度,(°),坡度≤35°時按實際值計算,>35°時按35°計算;m為坡長指數(shù),其中θ≤1°時取值0.2,1°<θ≤3°時取值0.3,3°<θ≤5°時取值0.4,θ>5°時取值0.5;λx為計算單元斜坡長度,m。

        (4)植被覆蓋因子。植被覆蓋因子C是指某一地區(qū)種植植被土地上的土壤流失率與休閑土地上相對應(yīng)的土壤流失率之比。當?shù)孛嫱耆懵稌r,C=1.0;當植被很好時,C=0.001。擾動地表計算單元可通過照相或目估法確定郁閉度和植被蓋度,依據(jù)《測算導(dǎo)則》采用直接確定或運用線性插值的方法確定C因子值。

        (5)水土保持措施因子。水土保持措施因子P取值范圍是0~1,未采取任何保護措施的地區(qū)可取1,未發(fā)生侵蝕地區(qū)可取0。根據(jù)本工程采取的主要措施,P因子具體取值參照表2。

        表2 水土保持措施因子P參考值

        3 結(jié)果與分析

        根據(jù)USLE模型進行土壤侵蝕模數(shù)測算,確定施工前、施工期、植被恢復(fù)期平均土壤侵蝕模數(shù)為1 055、2 588、979 t/(km2·a)。圖1為不同施工階段各分區(qū)土壤侵蝕模數(shù)變化特征。由圖1知,從時間上看,施工期擾動最為劇烈,土壤流失最為嚴重,后期隨著水土保持措施的實施,水土流失逐漸得到控制。利用統(tǒng)計的施工期逐月平均降雨量,結(jié)合人工模擬試驗和USLE方程計算不同分區(qū)的土壤侵蝕模數(shù),并根據(jù)分區(qū)面積推求施工期的逐月土壤流失量,見圖2。由圖2知,施工期年內(nèi)土壤流失量隨降雨強度變化,且汛期(6—9月)土壤流失量最大。

        圖1 不同施工階段各分區(qū)土壤侵蝕模數(shù)變化特征

        圖2 施工期土壤流失量年內(nèi)變化特征

        沙漠區(qū)各分區(qū)施工前、施工期和植被恢復(fù)期的平均土壤侵蝕模數(shù)分別為1 039、3 140、1 031 t/(km2·a),明顯大于平原區(qū)各分區(qū)施工前、施工期和植被恢復(fù)期的平均土壤侵蝕模數(shù)995、2 590、935 t/(km2·a)。

        根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007),施工前原地貌土壤侵蝕強度以輕度為主,輕度侵蝕面積占總擾動面積的80.18%;施工期土壤侵蝕強度以中度為主,中度侵蝕面積占總擾動面積的88.83%;植被恢復(fù)期土壤侵蝕強度以微度為主,微度侵蝕面積占總擾動面積的91.35%。植被恢復(fù)期各防治區(qū)均布設(shè)了工程、植物和臨時措施進行全面治理,水土流失基本得到控制,各項防治措施的水土保持效果逐漸發(fā)揮,使項目區(qū)的水土流失得到控制。

        4 結(jié) 語

        本研究基于人工模擬試驗將通用土壤流失方程應(yīng)用于生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測之中,計算出各個施工階段各防治區(qū)的土壤侵蝕模數(shù),并分析了土壤侵蝕模數(shù)的時間變化特征,反演不同階段水土流失情況。從時間上看,施工期土壤侵蝕模數(shù)最大,且土壤流失量多出現(xiàn)在汛期(6—9月),植被恢復(fù)期較施工期土壤侵蝕模數(shù)大大減小。土壤侵蝕強度變化呈現(xiàn)隨施工進度先增加后減小的趨勢,說明本項目采取的水土保持措施較適宜,防治效果較明顯,人為水土流失得到了有效控制。

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