張春暉，朱正清，白占雄，王 鑫

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 機(jī)械動力與環(huán)境工程設(shè)計研究院，天津300308）

0 引言

鐵路是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是綜合交通運(yùn)輸體系的骨干，是踐行綠色、低碳、高質(zhì)量發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，在推動我國經(jīng)濟(jì)社會又好又快發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。截至2020年底，我國鐵路營業(yè)里程14.63萬公里，其中高鐵3.8萬公里[1]，基本實(shí)現(xiàn)省、市、縣全覆蓋。鐵路建設(shè)項(xiàng)目規(guī)模大、范圍廣、時間長，并且受沿線地形地貌、施工運(yùn)距、土壤質(zhì)地等條件的限制，不可避免地擾動原地貌，同時面對降雨及大風(fēng)天氣，對于鐵路土建工程作業(yè)面極易造成更為嚴(yán)重的水土流失[2]。因此，探索高效的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失預(yù)測方法，準(zhǔn)確描述水土流失重點(diǎn)部位及水土流失重點(diǎn)時段，有針對性地采取相應(yīng)的水土流失防護(hù)措施十分重要。

目前，有多種方法可用于土壤流失預(yù)測，較為常用的有類比法、試驗(yàn)觀測法、通用土壤流失方程法(USLE)、分類分級法、加速侵蝕系數(shù)和流失系數(shù)法等[3]，不同的方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)。2018年，水利部批準(zhǔn)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL773—2018)[4]，進(jìn)一步完善了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失預(yù)測方法，而該方法在鐵路建設(shè)項(xiàng)目上的應(yīng)用鮮有介紹。本文以鐵路建設(shè)項(xiàng)目為例，著重探討《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》在鐵路建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量預(yù)測中的應(yīng)用，旨在為鐵路建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量的準(zhǔn)確預(yù)測提供參考。

1 鐵路建設(shè)項(xiàng)目土壤流失預(yù)測

1.1 土壤流失量預(yù)測方法

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量預(yù)測方法主要根據(jù)土壤流失的發(fā)生情況確定：對于已開工生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，多結(jié)合水土保持監(jiān)測工作開展現(xiàn)場實(shí)地觀測，獲取代表性點(diǎn)位監(jiān)測數(shù)據(jù)；對于新建生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，水土保持方案土壤流失量計算多采用類比法及應(yīng)用《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》。

1.1.1 數(shù)學(xué)模型法

數(shù)學(xué)模型法源于美國開發(fā)的通用土壤流失方程(USLE)，我國自20世紀(jì)80年代引入該預(yù)報模型，各地水土保持研究所、試驗(yàn)站結(jié)合其自身觀測資料和研究成果對預(yù)報模型加以修正，進(jìn)行本地區(qū)土壤流失量預(yù)測。

同為線性工程的鐵路和公路，因鐵路建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測工作起步晚，土壤流失定位觀測和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，難以采用此方法；采用修正的USLE對公路建設(shè)項(xiàng)目的土壤流失進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)偏差較大，分析造成該結(jié)果的主要原因是公路建設(shè)地域跨度大、地貌類型多樣、持續(xù)時間長，模型法參數(shù)選取代表性差[5]，因而應(yīng)用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行線性工程土壤流失量預(yù)測效果不佳。

1.1.2 類比法

類比法是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測較為常用的一種方法，通過利用本地區(qū)同類型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失觀測、研究成果，對重點(diǎn)水土流失誘發(fā)因子進(jìn)行分析比較，確定合理的土壤侵蝕模數(shù)，進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量的預(yù)測。類比法的優(yōu)點(diǎn)在于操作相對簡單、便于實(shí)施。采用類比法進(jìn)行鐵路建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量預(yù)測時，需結(jié)合主體工程施工特點(diǎn)及施工時段，劃分不同預(yù)測單元進(jìn)行分區(qū)預(yù)測[5]。

1.1.3 應(yīng)用《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》

《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》是通過劃分土壤流失類型、規(guī)定土壤流失測算流程和應(yīng)用范圍來進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量預(yù)測的方法。按照該導(dǎo)則，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失預(yù)測分級宜劃分為3級：一級分類依據(jù)項(xiàng)目區(qū)侵蝕外營力主導(dǎo)因子(水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕)劃分，二級分類依據(jù)項(xiàng)目區(qū)下墊面工程擾動形態(tài)(一般擾動地表、工程開挖面、工程堆積體)劃分，三級分類依據(jù)項(xiàng)目區(qū)擾動程度、上方有無來水等因素劃分，水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕一級、二級分類均適用，風(fēng)力侵蝕無第三級分類[4]。具體分類分級情況如表1所示。

表1 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失類型劃分

水力及風(fēng)力作用下土壤流失類型的界定可參照《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL773—2018)的類型劃分說明予以確定，對于未采取水土流失防治措施的碾壓底邊、填壓面(填筑面)，水力及風(fēng)力作用下的土壤流失可分別參照工程開挖面及一般擾動地表進(jìn)行計算；未經(jīng)夯實(shí)的工程回填面，水力及風(fēng)力作用下的土壤流失均可參照一般擾動地表進(jìn)行計算[4]。

1.2 鐵路建設(shè)項(xiàng)目土壤流失預(yù)測內(nèi)容

對于鐵路、公路等線性工程的土壤流失預(yù)測，應(yīng)結(jié)合工程沿線地形地貌條件、工程建設(shè)特點(diǎn)、施工方式、氣象特征及主導(dǎo)氣候因子等劃分不同的預(yù)測單元進(jìn)行預(yù)測。參照《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50433—2018)[6]的要求，土壤流失預(yù)測內(nèi)容主要包括：建設(shè)階段擾動原地表面積；建設(shè)階段取土、棄土(渣)量；不同預(yù)測單元土壤侵蝕模數(shù)的確定；建設(shè)階段原地貌土壤流失量、新增土壤流失量及土壤流失總量預(yù)測。確定預(yù)測區(qū)土壤流失發(fā)生面積及不同預(yù)測單元土壤侵蝕模數(shù)為土壤流失預(yù)測的關(guān)鍵工作。

1.3 鐵路建設(shè)項(xiàng)目土壤流失預(yù)測時段的劃分

鐵路工程建設(shè)分為施工期和運(yùn)營期(自然恢復(fù)期)2個階段。施工期，因主體工程路堤、路塹、橋梁墩臺、站場場坪的開挖和填筑，隧道出渣，取土場開采，棄土(渣)場棄渣堆置，施工便道及施工生產(chǎn)生活區(qū)平整場地等原因，大范圍擾動建設(shè)區(qū)內(nèi)土體、巖石，破壞原地貌、土壤和植被，誘發(fā)新增土壤流失。鐵路工程竣工后進(jìn)入運(yùn)營期(自然恢復(fù)期)，水土保持工程措施、植物措施逐步發(fā)揮作用，現(xiàn)狀土壤侵蝕模數(shù)降低，土壤流失量減少，生態(tài)環(huán)境日趨改善。

土壤流失預(yù)測時段應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度確定：施工期為施工過程中實(shí)際擾動地表的時間，需結(jié)合相應(yīng)單元的工期分別予以確定；自然恢復(fù)期為施工擾動結(jié)束后，不采取水土保持防治措施的情況下，土壤侵蝕強(qiáng)度自然恢復(fù)到擾動前土壤侵蝕強(qiáng)度所需要的時間，自然恢復(fù)期應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件確定[6]。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

某新建高速鐵路線路全長531.246 km，路基長度330.208 km，橋梁長度180.131 km/151座，隧道長度20.907 km/2座，站場11座，建設(shè)工期4年。全線設(shè)取土場37處，棄土(渣)場46處，取棄結(jié)合13處，水土流失防治責(zé)任范圍6 329.25 hm2，其中永久占地2 014.74 hm2、臨時占地1 722.39 hm2、風(fēng)沙路基防護(hù)用地2 592.12 hm2。

工程土石方總量6 018.47萬m3，填方4 280.06萬m3，挖方1 738.41萬m3，工程挖方盡可能利用為填方，利用方571.72萬m3，總借方3 708.34萬m3，總棄方1 166.69萬m3。該工程棄方主要來源于路基、橋梁、隧道、站場工程和施工建筑垃圾等確實(shí)無法利用的，全部清運(yùn)至46處棄土(渣)場。

2.2 項(xiàng)目區(qū)水土流失特點(diǎn)

項(xiàng)目區(qū)涉及黃河多沙粗沙國家級水土流失重點(diǎn)治理區(qū)、陰山北麓國家級水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)，按照水土保持區(qū)劃位于西北黃土高原區(qū)、北方風(fēng)沙區(qū)，對應(yīng)地貌類型為平原微丘區(qū)、風(fēng)沙區(qū)，侵蝕類型為水力和風(fēng)力侵蝕，侵蝕強(qiáng)度以輕度、中度為主，容許土壤流失量為1 000 t/(km2·a)。

在工程施工過程中，由于工程修筑路基、橋梁、站場等施工活動及取棄土行為，對原地貌和自然植被造成破壞并形成挖土、填土的再塑地貌，降低或喪失了其原有的水土保持功能，在侵蝕外營力的作用下極易引起新的水土流失。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)水土流失特點(diǎn)，工程建設(shè)造成的水土流失類型主要為水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕，主要分布在鐵路路基及兩側(cè)占地區(qū)、站場、橋梁、隧道洞口、改移工程、取土場、棄土(渣)場、施工便道、施工生產(chǎn)生活區(qū)等。

2.3 土壤流失預(yù)測

2.3.1 預(yù)測單元劃分

根據(jù)工程建設(shè)中土壤流失量影響因素和不同區(qū)域水土流失的特點(diǎn)，結(jié)合水土流失防治分區(qū)劃分水土流失預(yù)測單元，該項(xiàng)目水土流失預(yù)測單元劃分為2級：一級分區(qū)根據(jù)工程沿線地貌及土壤侵蝕類型，分為平原微丘區(qū)(水力侵蝕)、風(fēng)沙區(qū)(風(fēng)力侵蝕)；二級分區(qū)根據(jù)工程建設(shè)特點(diǎn)分為路基區(qū)、站場區(qū)、橋梁區(qū)、隧道區(qū)、取土場區(qū)、棄土(渣)場區(qū)、改移工程區(qū)、施工便道區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)9個防治分區(qū)。

2.3.2 預(yù)測時段確定

結(jié)合各預(yù)測單元施工進(jìn)度，鐵路建設(shè)項(xiàng)目水土流失預(yù)測時段分為施工期和自然恢復(fù)期。

（1）施工期。各預(yù)測單元的預(yù)測時間根據(jù)各區(qū)的施工進(jìn)度安排、雨季長度及各單元土石方工程持續(xù)時間確定。

（2）自然恢復(fù)期。該工程位于干旱區(qū)，自然恢復(fù)期按5年考慮。

不同預(yù)測單元的預(yù)測時段劃分情況如表2所示。

表2 鐵路工程不同預(yù)測單元水土流失預(yù)測時段表年

2.4 土壤侵蝕模數(shù)確定

2.4.1 原地貌土壤侵蝕模數(shù)

本方案依據(jù)收集的水土流失遙感調(diào)查成果資料并結(jié)合實(shí)地調(diào)查，對項(xiàng)目建設(shè)區(qū)的地形地貌、氣候、植被、水土流失現(xiàn)狀等進(jìn)行了詳細(xì)分析，根據(jù)工程沿線地貌及土壤侵蝕類型，分為平原微丘區(qū)、風(fēng)沙區(qū)。平原微丘區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度及類型以微度、輕度水力侵蝕為主；風(fēng)沙區(qū)以風(fēng)力侵蝕為主，伴有水力侵蝕，土壤侵蝕強(qiáng)度為輕度及以上侵蝕；綜合沿線水土流失現(xiàn)狀，確定原地貌土壤侵蝕模數(shù)。工程沿線原地貌土壤侵蝕模數(shù)如表3所示。

表3 工程沿線原地貌土壤侵蝕模數(shù)

2.4.2 擾動后土壤侵蝕模數(shù)的確定

該工程擾動后的土壤侵蝕模數(shù)采用《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL773—2018)數(shù)學(xué)模型法確定。根據(jù)工程沿線侵蝕外營力劃分為水力、風(fēng)力預(yù)測分區(qū)，水力作用分區(qū)內(nèi)依次按照水土流失防治分區(qū)、下墊面類型及擾動程度和上方有無來水劃分為三級預(yù)測單元，風(fēng)力作用分區(qū)按照水土流失防治分區(qū)及下墊面類型劃分為二級預(yù)測單元[4]，各預(yù)測單元的土壤侵蝕模數(shù)計算如下。

（1）水力作用工程堆積體。水土流失防治區(qū)的開挖土方臨時堆放及表土臨時堆放區(qū)域，周邊布設(shè)有截排水溝，因而施工期該區(qū)域可按照工程堆積體上方無來水土壤流失量公式計算；自然恢復(fù)期該部分可參照一般擾動區(qū)域地表翻擾型土壤侵蝕量測算。計算方法詳見表1(公式（5）)，公式中各計算因子含義見《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL773—2018)，下同。

（2）水力作用工程開挖面。邊坡開挖區(qū)域周邊布設(shè)有截排水溝，因而該區(qū)域施工期土壤侵蝕模數(shù)可按照上方無來水工程開挖面土壤流失量公式計算；自然恢復(fù)期可參照一般擾動區(qū)域地表翻擾型土壤侵蝕公式測算。計算方法詳見表1(公式（3）)。

（3）水力作用一般擾動地表區(qū)。①一般擾動地表區(qū)植被破壞型，土壤侵蝕模數(shù)計算方法詳見表1(公式（1）)。②一般擾動地表區(qū)地表翻擾型，土壤侵蝕模數(shù)計算方法詳見表1(公式（2）)；自然恢復(fù)期不同年份土壤侵蝕模數(shù)計算參照(公式（2）)，綜合考慮各項(xiàng)計算因子的變化情況予以確定。

（4）風(fēng)力作用工程堆積體。工程堆積體無風(fēng)速觀測資料，土壤侵蝕模數(shù)計算方法詳見表1(公式（8）)。自然恢復(fù)期參照風(fēng)力作用一般擾動地表區(qū)，綜合考慮各項(xiàng)計算因子變化情況予以確定。

（5）風(fēng)力作用一般擾動地表區(qū)。一般擾動地表區(qū)無風(fēng)速觀測資料，土壤侵蝕模數(shù)計算方法詳見表1(公式（7）)。自然恢復(fù)期不同年份土壤侵蝕模數(shù)計算參照(公式（7）)，綜合考慮各項(xiàng)計算因子的變化情況予以確定。

按照不同下墊面類型計算不同預(yù)測單元的土壤侵蝕模數(shù)如表4所示。

表4 擾動后土壤侵蝕模數(shù)匯總 t/（km2·a）

2.4.3 水土流失面積預(yù)測

施工期水土流失面積為各預(yù)測單元擾動地表面積；自然恢復(fù)期預(yù)測面積應(yīng)在各預(yù)測單元擾動面積的基礎(chǔ)上扣除硬化面積和構(gòu)建筑物占地面積，該工程各單元施工期、自然恢復(fù)期水土流失面積預(yù)測數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 各單元施工期、自然恢復(fù)期水土流失面積預(yù)測

2.5 預(yù)測結(jié)果

通過采用《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》，分別確定各預(yù)測單元施工期、自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)值，基于預(yù)測面積、預(yù)測時段及土壤侵蝕模數(shù)值，計算土壤流失總量及新增土壤流失量，參照公式（9）和公式（10）。

式中：W為工程土壤流失總量，t；ΔW為本工程新增土壤流失量，t；Fji、Mji、ΔMji、Tji分別為某時段某單元的預(yù)測面積(km2)、土壤侵蝕模數(shù)(t/(km2·a))、新增土壤侵蝕模數(shù)(t/(km2·a))及預(yù)測時間(a)；i為預(yù)測單元，i=1，2，……，n；j為預(yù)測時段，j=1表示施工期，j=2表示自然恢復(fù)期[4]。

經(jīng)預(yù)測，本工程水土流失總量為168.97萬t，原地貌水土流失量為49.91萬t，新增水土流失量為119.06萬t。

2.6 水土流失綜合分析

通過對項(xiàng)目工程建設(shè)中水土流失類型、分布和水土流失量進(jìn)行綜合分析和預(yù)測，根據(jù)工程建設(shè)特點(diǎn)，確定工程建設(shè)區(qū)水土流失重點(diǎn)時段為施工期。建設(shè)期可能產(chǎn)生的水土流失量路基區(qū)最大，取土場區(qū)、橋梁區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)、棄土(渣)場區(qū)次之，主要原因是路基區(qū)、取土場區(qū)、橋梁區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)、棄土(渣)場區(qū)原地貌面積、擾動土壤侵蝕模數(shù)較大。

與類比法相比較，采用《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》預(yù)測水土流失總量偏大，分析其原因主要為導(dǎo)則劃分防治分區(qū)預(yù)測類型多，充分利用相應(yīng)區(qū)縣降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子及風(fēng)蝕率等多年統(tǒng)計參考值，較為準(zhǔn)確計算土壤侵蝕模數(shù)，根據(jù)不同侵蝕類型及特點(diǎn)，系統(tǒng)反映水土流失預(yù)測結(jié)果。

水土流失預(yù)測結(jié)果表明，施工期為水土流失防治重點(diǎn)時段。針對施工期水土流失防治，應(yīng)優(yōu)化施工組織安排，縮短水土流失嚴(yán)重時段的作業(yè)時長。主體工程施工前的平整場地應(yīng)提早進(jìn)行，剝離表土產(chǎn)生的臨時堆土場應(yīng)及時采取臨時擋護(hù)措施，不得滯后；站場建設(shè)、基礎(chǔ)開挖應(yīng)避開雨季和風(fēng)季，無法避開時應(yīng)加強(qiáng)施工場地的排水、苫蓋、攔擋等臨時防護(hù)措施；植物措施布設(shè)需及時跟進(jìn)，土建工程完工段落需同步進(jìn)行植樹造林、生態(tài)恢復(fù)。對取土、棄土(渣)場，在施工結(jié)束后不僅需立即進(jìn)行跡地恢復(fù)和擋護(hù)工程的完善，還需對植被多加養(yǎng)護(hù)，以盡快發(fā)揮植物措施效益。落實(shí)“三同時”原則，主體工程與防治措施同時進(jìn)行，如基礎(chǔ)土方回填后，需及時進(jìn)行土地整治；同時，應(yīng)加強(qiáng)臨時堆土場、取土場和棄土(渣)場的排水和攔擋措施。

由于鐵路工程建設(shè)持續(xù)時間長，沿線涉及行政區(qū)及水土流失類型多，本次預(yù)測時間以年為單位，各計算因子的確定采用各行政區(qū)加權(quán)平均的方式，參數(shù)選取及計算精度上存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，后期可嘗試更為精細(xì)化的計算方式，保證預(yù)測結(jié)果更好地反映實(shí)際情況。

3 結(jié)束語

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失預(yù)測是分析水土流失特點(diǎn)、制定水土保持防治措施的基礎(chǔ)，基于鐵路建設(shè)項(xiàng)目土壤流失監(jiān)測起步晚、數(shù)據(jù)缺乏的狀況，土壤流失量的預(yù)測多采用類比法，該方法侵蝕模數(shù)的確定多依靠同類項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)值，缺少科學(xué)依據(jù)且不具備廣泛適用性。為了提高土壤流失預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)根據(jù)鐵路建設(shè)項(xiàng)目土壤流失特點(diǎn)，結(jié)合施工區(qū)域、施工方法及施工計劃等對鐵路建設(shè)造成的土壤流失進(jìn)行分區(qū)、分類型、分時段預(yù)測，通過《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》可以細(xì)化土壤流失預(yù)測過程，針對不同侵蝕外營力、不同下墊面類型及擾動程度采用數(shù)學(xué)模型計算方法，有利于突出不同類型預(yù)測單元的水土流失特點(diǎn)，相對準(zhǔn)確計算土壤侵蝕模數(shù)的大小，獲得較好的土壤流失預(yù)測結(jié)果，從而確保水土保持防治措施的合理性和可行性，有效治理鐵路建設(shè)引起的水土流失，減緩對生態(tài)環(huán)境的影響，使鐵路建設(shè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。