劉 超，曹博召，王 健，任 艷

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

引言

隨著我國(guó)生產(chǎn)力水平不斷發(fā)展，人民對(duì)美好生活提出了更高要求，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步下也逐漸增多［1-3］。然而，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的增多造成地表裸露頻現(xiàn)、土方堆置松散、人類機(jī)械活動(dòng)頻繁、施工工藝和運(yùn)行方式多元，這些現(xiàn)象常誘發(fā)強(qiáng)烈的水土流失，該類水土流失具有侵蝕類型多樣、發(fā)生規(guī)律復(fù)雜、時(shí)空分布不均和危害嚴(yán)重等特點(diǎn)［4］。針對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。Rovira等［5］研究表明，采礦區(qū)河流泥沙與生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體水土流失密不可分；鐘誠(chéng)等［6］對(duì)廣濟(jì)水電站建設(shè)項(xiàng)目的研究表明，項(xiàng)目建設(shè)是造成區(qū)域水土流失的主要原因，且棄土場(chǎng)水土流失占新增水土流失總量的67.28%；蒲玉宏［7］對(duì)廢棄堆積物坡面侵蝕特征研究發(fā)現(xiàn)，廢棄堆積物不僅易造成砂礫化面蝕和泥石流等侵蝕，其堆放形式也易導(dǎo)致崩塌、滑塌等現(xiàn)象的發(fā)生；也有研究表明，工程堆積體坡面侵蝕量是裸露荒坡的10.76～12.33倍［8］；Riley［9］針對(duì)堆積體開展小尺度沖刷試驗(yàn)表明，棄渣場(chǎng)坡面可蝕性是原始坡面的10 倍～100 倍?？梢?，與裸露自然坡面相比，工程堆積體侵蝕特點(diǎn)改變，土壤侵蝕模數(shù)陡增。郭明明等［10］對(duì)神府地區(qū)棄土棄渣侵蝕特征的研究表明，由于工程堆積具有隨意性、不均勻性，堆積體堆積形式不盡相同，極大程度加大了土壤侵蝕模數(shù)的預(yù)測(cè)難度。王繼增等［11］對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤侵蝕模數(shù)的研究表明，土壤侵蝕模數(shù)監(jiān)測(cè)是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

為了有效計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)，我國(guó)2018 年頒布的《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》（GB50433-2018）對(duì)水土保持工作具有合理的指導(dǎo)性。但因生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)時(shí)間序列短，水土流失量預(yù)測(cè)基礎(chǔ)工作開展不及時(shí)，使得預(yù)測(cè)結(jié)果常與真實(shí)值偏差較大［12-13］。李宏偉等［14］針對(duì)黃土區(qū)工程堆積體可蝕性開展了較為深入的研究，對(duì)工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)的確定產(chǎn)生推動(dòng)作用。目前，關(guān)于工程堆積體水土流失規(guī)律的研究多集中于坡面侵蝕特征方面，針對(duì)工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)預(yù)測(cè)的研究較少，對(duì)于堆積體堆置形式對(duì)土壤侵蝕模數(shù)的影響研究尚未發(fā)現(xiàn)。

在預(yù)測(cè)土壤侵蝕模數(shù)時(shí)，常運(yùn)用水蝕預(yù)報(bào)模型［15］（Water Erosion Prediction Project，WEPP）。WEPP 模型是以天為步長(zhǎng)預(yù)測(cè)徑流量、泥沙量以及量化降雨事件中水土流失情況的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，具有精確預(yù)估坡面尺度水土流失的優(yōu)點(diǎn)。任柯蒙等［16］應(yīng)用WEPP 模型提出了不同降雨強(qiáng)度下最優(yōu)減流阻沙臺(tái)面寬度；Rachman等［17］通過WEPP模型對(duì)流域降水和土壤沉積量模擬，所得結(jié)果與觀測(cè)值基本一致；基于田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，熊勤學(xué)等［18］應(yīng)用WEPP模型提出了5°坡度下4種植物籬的最佳種植間距；劉世梁等［19］模擬了不同坡度條件下梯田空間配置的水土保持效應(yīng)，表明WEPP模型可以很好地定量模擬土壤在坡面的流失情況。然而，應(yīng)用該模型進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體堆置坡度優(yōu)化的研究相對(duì)較少。因此，本研究通過分析生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的棄土堆置特征，運(yùn)用WEPP模型預(yù)測(cè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體土壤流失量，探索不同堆置方式下土壤侵蝕規(guī)律和不同坡型條件下最優(yōu)堆置坡度，并以此為基礎(chǔ)豐富生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持理論，進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持。

1 試驗(yàn)概況

1.1 研究區(qū)概況

為探尋工程堆積體最優(yōu)堆放形式，試驗(yàn)以位于陜西省漢中市洋縣某生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體為例。工程位于陜西省南部，屬洋縣范圍（33°02'N ～33°43'N，107°11'E ～108°33'E）。項(xiàng)目所在區(qū)地勢(shì)東北高陡，南部低緩，中部低平；氣候?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，溫和濕潤(rùn)，四季分明。該區(qū)多年平均氣溫14.5 ℃，年最高氣溫38.7 ℃，最低氣溫-10.1 ℃，降雨主要集中在7～10 月份，多年平均降雨量達(dá)839.7 mm。土壤以黃棕壤為主，土體強(qiáng)度遇水衰減快，抗風(fēng)化能力差，土壤可蝕性因子參考值為0.003 9（t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1）［20］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)土方量為5×105m3，堆土基底占地面積5×104m2，堆土形式為圓臺(tái)狀。堆土地基水平，以垂直于堆土地基的剖面確定坡型參數(shù)，設(shè)計(jì)坡型有直線型（圖1（a），折線型（圖1（b）），臺(tái)階型（圖1（c））3種坡面。在保證氣候文件，土壤文件，作物管理文件一致的情況下改變坡度文件，運(yùn)行WEPP模型，計(jì)算得到不同坡型條件下土壤侵蝕模數(shù)。利用SPSS23.0 在顯著性水平P＜0.05 的條件下多元擬合得到坡型參數(shù)與土壤侵蝕模數(shù)間最優(yōu)擬合方程。

圖1 工程堆積體坡型Fig.1 Slope type of engineering accumulation

1.3 WEPP模型文件的建立

WEPP 模型坡面版在科研、教學(xué)、生產(chǎn)單位的共同攻關(guān)下不斷修正與完善，目前坡面版的應(yīng)用較為成熟［21］。WEPP模型將土壤侵蝕因子概化為模型內(nèi)部可以識(shí)別的語(yǔ)言，基于物理過程生成模型所需要的土壤、坡度、氣候、作物管理文件［22-23］。

1.3.1 土壤文件的建立

文中以項(xiàng)目區(qū)典型土壤黃棕壤建立土壤文件。根據(jù)表1 實(shí)測(cè)土壤理化性質(zhì)，計(jì)算［24］得到試驗(yàn)土壤反照率為0.596，初始飽和導(dǎo)水率為70%，土壤臨界剪切力為1.80 Pa，細(xì)溝土壤可蝕性0.015 8 s/m，細(xì)溝間土壤可蝕性2.81×106kg·s/m4，有效水力傳導(dǎo)系數(shù)為3.712 mm/h；同時(shí)輸入砂粒含量（%）、黏粒含量（%）、有機(jī)質(zhì)含量（%）、陽(yáng)離子代換量（CEC）（meq/100 g）和礫石含量（%）五個(gè)分層土壤特性。

表1 試驗(yàn)用土壤物理化學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil

1.3.2 坡度文件的建立

坡度坡長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括坡長(zhǎng)、坡寬、坡度、坡面形狀4 類描述數(shù)據(jù)，利用WEPP 模型中的Slope Profile Editor編輯器編輯4類描述數(shù)據(jù)，根據(jù)所輸入的坡型參數(shù)，通過單擊頁(yè)面Preview 按鈕更新預(yù)覽隨著參數(shù)變化的坡面形狀。

1.3.3 氣候文件的建立

氣候文件包括降雨量、降雨歷時(shí)、最大雨強(qiáng)出現(xiàn)的歷時(shí)與總歷時(shí)的比率、最高溫度、最低溫度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)向、風(fēng)速、露點(diǎn)溫度9個(gè)逐日參數(shù)。在預(yù)測(cè)土壤侵蝕量時(shí)，降雨、最高溫度和最低溫度是主要?dú)庀笠蜃?，而太?yáng)輻射、風(fēng)速、風(fēng)向等氣候因子為次要?dú)夂蛞蜃樱?5］。通過分析7 個(gè)氣候參數(shù)（降雨量、最高溫度、最低溫度、太陽(yáng)輻射量、風(fēng)速、風(fēng)向和露點(diǎn)溫度）對(duì)土壤侵蝕量的敏感性發(fā)現(xiàn)降雨量對(duì)土壤侵蝕量最敏感，太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、風(fēng)向等次要?dú)夂蛞蜃訉?duì)土壤侵蝕預(yù)測(cè)結(jié)果影響不大［26-28］。結(jié)合中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心公布的洋縣1981年～2010年30年氣候資料，建立洋縣1981年～2010年的30個(gè)PAR氣候文件。

1.3.4 作物管理文件的建立

作物管理文件可結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際的耕作方式、耕作時(shí)間、作物種類等來確定，包括與作物生長(zhǎng)和耕作等相關(guān)的詳細(xì)資料。試驗(yàn)地初始條件為填土斜坡，坡面不布設(shè)排水設(shè)施，不采用耕作措施，按照裸露休閑地處理，采用模型自帶的休閑地文件建立作物管理文件。

1.4 分析方法

1.4.1 模型驗(yàn)證與評(píng)價(jià)方法

模型通過相對(duì)誤差（δ）進(jìn)行驗(yàn)證：

式中：XP為模型模擬值；X0為實(shí)測(cè)值，一般認(rèn)為當(dāng)δ＜10%時(shí)，模型模擬效果較好。

依據(jù)某客運(yùn)專線水土保持監(jiān)測(cè)報(bào)告，位于洋縣的某棄土棄渣區(qū)建設(shè)期實(shí)測(cè)土壤侵蝕模數(shù)為17 635 kg·m-2·a-1。將構(gòu)建的參數(shù)文件導(dǎo)入模型，模擬結(jié)果換算后得到坡面土壤侵蝕模數(shù)為17 870 kg·m-2·a-1，相對(duì)誤差δ=1.33%（δ＜5%），模擬效果較好，表明WEPP模型在洋縣土壤流失量預(yù)測(cè)上具有適用性。

1.4.2 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡的穩(wěn)定性受坡高、坡角、邊坡形式、土壤物理性質(zhì)等較多因素的影響。本文基于洛巴索夫圖解法，按照工程技術(shù)規(guī)范要求選取安全系數(shù)K=1.15［29］，運(yùn)用極限平衡理論分析不同坡型邊坡穩(wěn)定性，以滿足工程堆積體堆置要求的最小底坡坡角（14°）和試驗(yàn)區(qū)土壤休止角為最大坡角（圓錐法測(cè)得試驗(yàn)區(qū)土壤休止角為47°），在此條件下通過SPSS23.0 分析得到最大理論堆土高度與工程堆積體底坡坡角的最優(yōu)擬合方程（式2）和關(guān)系曲線（圖2）：

圖2 最大堆積高度與底坡坡角關(guān)系Fig.2 The relationship between the maximum pile height and the slope angle of the bottom slope

式中：α1表示底坡坡角，（°）；Hm表示理論最大堆土高度，（m）。一般認(rèn)為，當(dāng)實(shí)際堆土高度H＜Hm時(shí)，滿足工程穩(wěn)定性要求。

1.4.3 堆積體尺寸求解圓臺(tái)型堆積體可以看作是直角梯形繞縱軸一周而成的旋轉(zhuǎn)體［30］，則該圓臺(tái)體積為：

側(cè)面積則按旋轉(zhuǎn)體側(cè)面積計(jì)算［31］：

式中：V表示堆積體體積，（m3，本試驗(yàn)選取V=5×105m3）；r1、r2分別表示堆積體的上下底面半徑，（m）；S1、S2是與r1、r2于其相對(duì)應(yīng)堆積體上下底面面積，滿足Si= πri2，其中S2= 5× 104m2；h表示堆積體高度，（m）；f(x)是堆積體剖面形狀的函數(shù)，即f(x)=φ(h)。

1.4.4 最優(yōu)擬合方程分析

WEPP 模型涉及的參數(shù)眾多，但在一定土方量和占地面積條件下工程堆積體坡面土壤侵蝕模數(shù)僅是底坡坡角α1、上部坡角α2和馬道寬d的函數(shù)，采用SPSS23.0 軟件多元擬合可得到不同坡型下最優(yōu)擬合方程：

式中：MS表示土壤侵蝕模數(shù)，（kg·m-2·a-1）；α1表示底坡坡角，（°）；α2表示上部坡角，（°）；d表示馬道寬度，（m）。

對(duì)于折線坡和臺(tái)階型坡，方程可寫成形如Φ(α1)=f(α1,α2,d)的形式，有時(shí)，方程在α0處有極小值。

式中：α1?[ 14°,47° ],α2?[ 14°,47° ],d≥0。通過比較Φ( α0),Φ( 14 ),Φ( 47 )求得MS最小值，一般認(rèn)為，MS取得最小值所對(duì)應(yīng)的α1，α2，d為所需的不同坡型下最優(yōu)斷面尺寸。

2 結(jié)果與分析

2.1 直線型坡面對(duì)土壤侵蝕的影響

2.1.1 直線型坡面土壤侵蝕特征分析

直線型坡面是工程堆積體堆置過程中一種簡(jiǎn)單的形式，其土壤侵蝕模數(shù)模擬變化規(guī)律隨坡度變化特征如圖3所示。由圖3模擬結(jié)果可見，隨著設(shè)計(jì)底坡坡角α1的增大，直線型坡面土壤侵蝕模數(shù)總體表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)設(shè)計(jì)底坡坡角α1在14°～26°范圍內(nèi)變化時(shí)直線型坡面土壤侵蝕模數(shù)隨著設(shè)計(jì)底坡坡角α1的增大而減??；在底坡坡角α1=26°時(shí)，土壤侵蝕模數(shù)取得最小值，此時(shí)最小土壤侵蝕模數(shù)MS=28.45 kg·m-2·a-1，工程堆積體表面積為5.2 hm2，坡面年平均土壤侵蝕量達(dá)W=1 478.93 t；當(dāng)設(shè)計(jì)底坡坡角α1＞26°時(shí)，直線型坡面土壤侵蝕模數(shù)隨著設(shè)計(jì)底坡坡角α1的增大而增大，在最小設(shè)計(jì)底坡坡角α1min=14°和最大設(shè)計(jì)底坡坡角α1max=47°時(shí)土壤侵蝕強(qiáng)度劇烈，此時(shí)工程堆積體坡面最大土壤侵蝕模數(shù)MS=35.6 kg·m-2·a-1，表面積達(dá)5.1 hm2，坡面年平均土壤侵蝕量達(dá)W=1669.42 t。

圖3 直線型坡面土壤侵蝕模數(shù)模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of soil erosion modulus on straight slope

結(jié)果表明，直線型坡面在底坡坡角α1為26°附近土壤侵蝕強(qiáng)度最小，其原因是：坡度、坡長(zhǎng)的不同組合對(duì)坡面土壤侵蝕的影響分為2 個(gè)階段：圖4 可見，直線型底坡坡角從最小坡角14°增加到26°過程中，坡度增加百分比占總坡度變化的36.4%，坡長(zhǎng)減少百分比總坡長(zhǎng)變化的80.7%，該階段坡長(zhǎng)的變化對(duì)土壤侵蝕的影響起主導(dǎo)作用，隨著坡長(zhǎng)的減小，坡面徑流不斷分散，侵蝕能力不斷降低，水流攜帶泥沙能力降低，當(dāng)坡度減小到26°后，坡長(zhǎng)變化對(duì)土壤侵蝕的影響微弱；當(dāng)直線型底坡坡角從26°增加到最大坡角過程中，坡度增加百分比占總坡度變化的63.6%，坡長(zhǎng)減少百分比總坡長(zhǎng)變化的19.3%，該階段坡度變化對(duì)土壤侵蝕的影響占主導(dǎo)作用，隨著坡度增大，坡面徑流量（入滲量）變化不大，坡面流速增大，土壤侵蝕力加強(qiáng)，坡面土壤侵蝕模數(shù)隨之增大。

圖4 直線型坡面坡長(zhǎng)隨坡角變化關(guān)系Fig.4 The relationship between slope length and slope angle on straight slope

2.1.2 直線型堆土方式優(yōu)化

基于SPSS23.0對(duì)直線型工程堆積體底坡坡角α1和土壤侵蝕模數(shù)Ms分析得到最優(yōu)擬合方程如下（式6）：

式中：MS表示土壤侵蝕模數(shù)，（kg·m-2·a-1）；α1表示底坡坡角，（°）。由式（7）和（8）可求得直線型坡面參數(shù)最優(yōu)解。直線型最優(yōu)擬合方程MS是α1的函數(shù)，對(duì)α1在區(qū)間［14°，47°］內(nèi)求得MS最小值：

2.2 折線型坡面對(duì)土壤侵蝕的影響

2.2.1 折線型坡面土壤侵蝕特征分析

堆積體堆放采用折線型時(shí)，坡面形狀取決于底坡和上部坡角。為了方便計(jì)算，先固定一個(gè)坡角，根據(jù)設(shè)定土方體積，再調(diào)整另一坡角大小，采用WEPP模型計(jì)算坡面土壤侵蝕模數(shù)。圖5為上部坡角α2保持不變的條件下，土壤侵蝕模數(shù)隨底坡坡角變化關(guān)系?？梢钥闯?，在上部坡角α2保持不變的條件下，工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)隨底坡坡角α1的增大而減??；在保證工程堆積體邊坡穩(wěn)定的前提下，研究取當(dāng)?shù)赝寥佬葜菇牵?7°）為上限，此時(shí)工程堆積體侵蝕程度微弱；在底坡坡角α1=14°時(shí)土壤侵蝕強(qiáng)度劇烈，設(shè)計(jì)條件下最大土壤侵蝕模數(shù)MS=36.29 kg·m-2·a-1。

圖5 土壤侵蝕模數(shù)隨底坡坡角變化關(guān)系Fig.5 The relationship between soil erosion modulus and bottom angle

在工程堆積體底坡坡角α1保持不變的條件下，土壤侵蝕模數(shù)隨著上部坡角α2的增大整體呈先減小后增大的趨勢(shì)，底坡坡角α1在［14°，22°］的范圍內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)MS呈下降趨勢(shì)，在α2=22°時(shí)設(shè)計(jì)條件下土壤侵蝕模數(shù)最小值MS=26.98 kg·m-2·a-1，此時(shí)工程堆積體表面積達(dá)5.3 hm2，坡面年平均土壤侵蝕量W=1 418.59 t；當(dāng)α1＞22°時(shí)，工程堆積體土壤侵蝕量明顯增大，且存在明顯的差異（圖6）；即上部坡角較大時(shí)所對(duì)應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)大于上部邊坡較小時(shí)所對(duì)應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)，且在上部坡角趨于項(xiàng)目區(qū)土壤休止角（47°）時(shí)，工程堆積體土壤侵蝕程度越發(fā)劇烈。

圖6 土壤侵蝕模數(shù)隨上部坡角變化關(guān)系Fig.6 The relationship between soil erosion modulus and upper slope angle

2.2.2 折線型堆土方式優(yōu)化

基于WEPP模型得到折線型坡面土壤侵蝕模數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果，通過多元擬合得到α1、α2與折線型坡面土壤侵蝕模數(shù)MS預(yù)測(cè)結(jié)果最優(yōu)擬合方程（式9）：

式中：MS表示土壤侵蝕模數(shù)，（kg·m-2·a-1）；α1表示底坡坡角，（°）；α2表示上部坡角，（°）。由式（10）～（13）可求得直線型坡面參數(shù)最優(yōu)解。

折線型最優(yōu)擬合方程Ms的取值與底坡坡角α1和上部坡角α2有關(guān)，Ms的最小值可轉(zhuǎn)換為求關(guān)于α2的二次函數(shù)最小值，即求：

則函數(shù)MS(α2)在處取得最小值

令Φ(α1)=Ms(α2)min

由于α1?[14°,47°]，故在區(qū)間[14°,47°]恒小于零，故Φ(α1)在Φ(47)處取得最小值，則Ms(α2)min=Φ(47)，此時(shí)α2= 21.8°。故折線型工程堆積體最優(yōu)坡度組合為α1= 47°,α2=22°。

2.3 臺(tái)階型坡面對(duì)土壤侵蝕的影響

2.3.1 臺(tái)階型坡面土壤侵蝕特征分析

基于前期建立的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，先固定底坡坡角α1和馬道寬度d，得到臺(tái)階型工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)隨上部坡角α2的變化規(guī)律曲線。圖7直觀的反映了在工程堆積體底坡坡角α1和馬道寬度d保持不變的情況下，土壤侵蝕模數(shù)MS隨著上部坡角α2的增大總體表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，α2在［14°，25°］內(nèi)工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)MS在設(shè)計(jì)條件下有最小值，此時(shí)土壤侵蝕模數(shù)最小值MS=25.41 kg·m-2·a-1，工程堆積體表面積為5.4 hm2，坡面年平均土壤侵蝕量W=1 373.02 t；當(dāng)上部坡角α2接近項(xiàng)目區(qū)土壤休止角（47°）時(shí)，工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)無明顯差異，設(shè)計(jì)條件下土壤侵蝕模數(shù)最大值MS=34.46 kg·m-2·a-1，此時(shí)工程堆積體表面積達(dá)5.4 hm2，坡面土壤侵蝕量W=1 851.91 t。

圖7 臺(tái)階型坡面土壤侵蝕模數(shù)隨上部坡角變化關(guān)系Fig.7 Relationship between soil erosion modulus of stepped slopes and upper slope angle

圖8 為底坡坡角α1和上部坡角α2保持不變的情況下，土壤侵蝕模數(shù)隨馬道寬度d變化關(guān)系圖?？梢钥闯觯诠こ潭逊e體底坡坡角α1和上部坡角α2保持不變的情況下，工程堆積體土壤侵蝕量隨著馬道寬d的增大而增加，且增長(zhǎng)速率趨于穩(wěn)定；在滿足工程實(shí)際堆土要求和堆積體邊坡穩(wěn)定的前提下，當(dāng)馬道寬d保持不變時(shí)，底坡坡角α1越小，上部邊坡坡角α2越大，工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)MS越大，土壤侵蝕程度越劇烈。

圖8 臺(tái)階型坡面土壤侵蝕模數(shù)隨馬道變化關(guān)系Fig.8 Relationship between the change of soil erosion modulus of stepped slopes and the step

2.3.2 臺(tái)階型堆土方式優(yōu)化

馬道作為臺(tái)階型堆土方式的重要組成組分，其與底坡坡角α1和上部坡角α2共同影響坡面土壤侵蝕模數(shù)。運(yùn)用SPSS23.0多元擬合得到臺(tái)階型坡面最優(yōu)擬合方程（式14）：

式中：MS表示土壤侵蝕模數(shù)，（kg·m-2·a-1）；α1表示底坡坡角，（°）；α2表示上部坡角，（°）；d表示馬道寬度，（m）。由式（14）和（15）可求得臺(tái)階型坡面坡型參數(shù)最優(yōu)解。

臺(tái)階型最優(yōu)擬合方程可看作關(guān)于上部坡角α2的二次函數(shù)，即：

則函數(shù)Ms(α2)在α2= 25.4處取得最小值。

由于α1?［14°，47°］，d≥0，故α1=47°且d=0 m 時(shí)，Ms(α2)取得最小值。綜上，臺(tái)階型工程堆積體最優(yōu)邊坡組合為α1=47°，α2=24.5°，d=0 m。在堆土高度較大時(shí)，考慮到工程實(shí)際情況，工程堆積體中部往往需要設(shè)計(jì)馬道，此時(shí)為了減少坡面水土流失，馬道不宜太寬，且應(yīng)布設(shè)排水、苫蓋等水土保持措施。

3 討論

生產(chǎn)建設(shè)造成的大量松散工程堆積體由于其高、陡等特點(diǎn)影響著堆積體的侵蝕特性，堆積體堆置坡度、坡長(zhǎng)、坡度坡長(zhǎng)組合等不同，不僅影響著堆積體的不穩(wěn)定性和徑流的重力順坡分力，同時(shí)改變了堆積體侵蝕過程［32-33］。本試驗(yàn)結(jié)果表明直線型、折線形、臺(tái)階型堆積體中底坡坡角α1對(duì)坡面土壤侵蝕模數(shù)的影響有所差異，直線型坡面底坡坡角α1趨于土壤休止角47°時(shí)易發(fā)生土壤侵蝕，折線形和臺(tái)階型坡面在底坡坡角α1在47°時(shí)土壤侵蝕相對(duì)最小，主要是底部坡度最大，可有效增加土方堆置，減少上部堆置土方量。陳俊杰等［34］針對(duì)不同雨強(qiáng)與坡長(zhǎng)條件下坡度對(duì)細(xì)溝侵蝕的影響認(rèn)為，降雨條件相同時(shí)，由于坡長(zhǎng)變短，水流對(duì)坡面的沖刷時(shí)間降低，水深逐漸減小，侵蝕強(qiáng)度相應(yīng)減弱，與本文直線型堆積體坡面土壤侵蝕特征結(jié)論相近。陳利頂?shù)龋?5］研究黃土丘陵區(qū)坡面形態(tài)的土壤侵蝕效應(yīng)表明，上部為凹型坡面，下部為線型坡面，凹型坡土壤侵蝕的截留功能難以有效發(fā)揮，土壤侵蝕程度劇烈，使得該類坡型在整體上表現(xiàn)出較強(qiáng)“源”的作用，其研究結(jié)果與文中折線型（α2＞α1）和臺(tái)階型堆積體坡面土壤侵蝕特征相一致。

通過WEPP 模型確定不同堆積形式下坡面土壤侵蝕量，采用SPSS23.0 得到不同坡型條件下最優(yōu)擬合方程，臺(tái)階型堆積體在馬道寬度d=0 m時(shí)就轉(zhuǎn)變成折線形堆積體，但最優(yōu)擬合方程所求解的最優(yōu)上部坡角α2存在差異，這是由于在建立擬合方程時(shí)折線型最優(yōu)擬合方程使用了50 組數(shù)據(jù)點(diǎn)，而臺(tái)階型最優(yōu)擬合方程使用了100組數(shù)據(jù)點(diǎn)，但二者所得到的最優(yōu)擬合方程相關(guān)系數(shù)R2均趨近1（R32=0.956，R42=0.973），模擬得到令人滿意的結(jié)果［36］。WEPP模型以建立的文件為基礎(chǔ)，模型所需要的土壤、氣候文件等直接影響著預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。研究表明，坡面侵蝕產(chǎn)沙受土壤類型的影響較大［37］，魏曉燕等［38］針對(duì)不同土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征對(duì)比分析認(rèn)為，土壤質(zhì)地的不同，直接影響區(qū)域產(chǎn)沙能力；李建明等［39］針對(duì)不同土質(zhì)工程堆積體徑流產(chǎn)沙差異研究認(rèn)為，砂土堆積體平均侵蝕速率分別是壤土和黏土的3.0 和2.3 倍。由此可見，不同土質(zhì)土壤在侵蝕產(chǎn)沙能力上差異性顯著，而筆者主要針對(duì)項(xiàng)目區(qū)典型土壤黃棕壤開展研究，因此其它類型土壤侵蝕特征有待進(jìn)一步分析。本文主要針對(duì)堆積體土壤侵蝕特點(diǎn)進(jìn)行初步探討，將工程堆積體概化為簡(jiǎn)易圓臺(tái)型，計(jì)算一定土方量和占地面積相對(duì)固定下的土壤侵蝕量，針對(duì)不同下墊面處理、土方量、占地面積條件下堆積體堆積形式的優(yōu)化有待深入研究。

4 結(jié)論

利用氣象站1981～2010 年30 年間的氣象觀測(cè)資料以及項(xiàng)目區(qū)實(shí)測(cè)土壤性質(zhì)，建立氣候文件和土壤文件，基于WEPP模型預(yù)測(cè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)過程中不同堆置方式下工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)，在一定土方量和占地面積條件下尋求優(yōu)化不同坡型堆置坡度最優(yōu)組合方式，得到以下結(jié)論：

（1）直線型堆土方式下工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)與底坡坡角α1有關(guān)，設(shè)計(jì)條件下直線型工程堆積體最優(yōu)底坡坡角α1=26°，此時(shí)坡面土壤侵蝕程度最弱；當(dāng)工程堆積體α1接近14°或者趨于當(dāng)?shù)赝寥佬葜菇?7°時(shí)，土壤侵蝕劇烈，易誘發(fā)嚴(yán)重的水土流失。

（2）折線型堆土方式下工程堆積體底坡坡角α1和上部坡角α2的不同組合直接影響工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)，底坡坡角α1趨于項(xiàng)目區(qū)土壤休止角47°，上部坡角α2設(shè)計(jì)為22°時(shí)，折線型工程堆積體土壤侵蝕程度較弱，設(shè)計(jì)條件下折線型工程堆積體最優(yōu)邊坡組合為α1=47°，α2=22°。

（3）臺(tái)階型堆土方式下工程堆積體底坡坡角α1、上部坡角α2和馬道寬度d的不同組合共同作用工程堆積體土壤侵蝕模數(shù)。隨馬道寬度增大，土壤侵蝕模數(shù)不斷增大，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下臺(tái)階型工程堆積體斷面最優(yōu)組合為α1=47°，α2=24.5°，d=0 m。