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        府谷縣大路峁礦井水土流失分析與預(yù)測(cè)

        2022-08-22 10:17:46高佳佳
        海河水利 2022年4期
        關(guān)鍵詞:施工

        高佳佳

        (府谷縣水土保持中心,陜西 府谷 719499)

        府谷縣大路峁礦井位于風(fēng)積沙地貌區(qū)。工程建設(shè)不可避免地對(duì)當(dāng)?shù)赝寥篮椭脖辉斐善茐模觿≡孛娴乃亮魇Вo周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成不良的影響。因此,科學(xué)合理地預(yù)測(cè)項(xiàng)目建設(shè)過程中的水土流失類型、強(qiáng)度和空間分布,客觀評(píng)價(jià)其造成的危害及其對(duì)周邊生態(tài)的影響,對(duì)防治項(xiàng)目水土流失具有重要作用。

        1 概況

        府谷縣大路峁礦井及選煤廠位于府谷縣廟溝門鎮(zhèn),礦井及選煤廠建設(shè)規(guī)模均為15.0 Mt/a,工程總占地面積85.74 hm2,其中永久占地63.48 hm2、臨時(shí)占地22.26 hm2,占地類型全部為草地。根據(jù)水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)[1],結(jié)合項(xiàng)目區(qū)的下墊面情況分析,原地貌土壤侵蝕形式以風(fēng)力侵蝕為主,屬中度強(qiáng)烈風(fēng)力侵蝕區(qū),水力侵蝕微弱。

        2 水土流失影響因素分析

        礦井開發(fā)建設(shè),人為擾動(dòng)地面造成水土資源的破壞和土地生產(chǎn)力的下降,同時(shí)在降雨和大風(fēng)的作用下,誘發(fā)、加劇了新的水土流失,造成礦區(qū)水土流失既有自然因素,又有人為因素。自然因素是潛在的[2],人為因素引起的地表抗蝕力降低是造成新增水土流失的主導(dǎo)因素。

        2.1 自然因素

        自然因素主要包括風(fēng)力、水力等侵蝕外營(yíng)力和地形地貌、土壤物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)及植被蓋度等下墊面條件,是產(chǎn)生新增水土流失的潛在因素[3]。

        (1)風(fēng)力。項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候。年平均風(fēng)速為3.4 m/s。連續(xù)性大風(fēng)主要集中于春季及秋冬季,3—6月大風(fēng)日數(shù)占全年大部分,春季是全年最大風(fēng)速季節(jié),極端最大風(fēng)速可達(dá)30 m/s。強(qiáng)勁的大風(fēng)構(gòu)成了風(fēng)力侵蝕的動(dòng)力源。

        (2)降水。本項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)俑珊瞪儆甑貐^(qū),多年平均降水量為360.4 mm,降雨多集中于夏季,占全年80%左右,特征為降雨集中、強(qiáng)度大,且常以暴雨形式出現(xiàn)。強(qiáng)降雨給地表提供了強(qiáng)大的雨滴擊濺動(dòng)能和徑流沖刷能量,易發(fā)生土壤水力侵蝕和重力侵蝕。

        (3)土壤。項(xiàng)目區(qū)土壤以風(fēng)沙土為主,地貌類型為風(fēng)積沙地貌,在風(fēng)雨作用下,易產(chǎn)生水土流失。

        2.2 人為因素

        礦井建設(shè)期,各施工單位平整場(chǎng)地,開挖、回填建筑物基礎(chǔ),修筑道路,埋設(shè)管道,表土剝離等施工活動(dòng),開挖、擾動(dòng)地表,使原地貌、地表植被及土體結(jié)構(gòu)受到破壞失去固土防沖能力,降低或喪失了原有水土保持功能,改變了外營(yíng)力與土體抵抗力之間的自然相對(duì)平衡,最終導(dǎo)致加速侵蝕。

        自然恢復(fù)期,擾動(dòng)地表的各項(xiàng)施工活動(dòng)已經(jīng)停止,水土流失量較施工期明顯減少,并逐漸趨于原地貌水平,但在植被逐年恢復(fù)的過程中仍有一定的水土流失。

        3 擾動(dòng)面積調(diào)查與預(yù)測(cè)

        根據(jù)工程性質(zhì)、分布、施工活動(dòng)特點(diǎn)以及不同功能區(qū)水土流失的特點(diǎn),分為工業(yè)場(chǎng)地及周邊、施工生產(chǎn)生活區(qū)、臨時(shí)排矸場(chǎng)及周邊、場(chǎng)外道路和供電線路各水土流失預(yù)測(cè)單元[4,5]。本工程已擾動(dòng)面積31.53 hm2,建設(shè)期擾動(dòng)地表、損毀植被面積54.21 hm2,詳見表1。

        表1 擾動(dòng)地表、損毀植被面積 hm2

        本礦井工程建設(shè)期共動(dòng)用土方216.92 萬m3,其中挖方108.46 萬m3、填方108.46 萬m3,挖填平衡無棄方。

        4 水土流失量預(yù)測(cè)

        4.1 預(yù)測(cè)時(shí)段

        本礦井于2012 年9 月開工,由于礦區(qū)總體規(guī)劃遲遲不能批復(fù),于2015 年2 月停工,2020 年6 月復(fù)工,計(jì)劃于2023 年12 月底建成達(dá)產(chǎn),總工期73 個(gè)月。水土流失預(yù)測(cè)分為施工期(含施工準(zhǔn)備期)和自然恢復(fù)期2 個(gè)時(shí)段,預(yù)測(cè)時(shí)段確定為施工期6 a、自然恢復(fù)期5 a。其中,施工期調(diào)查時(shí)段2.5 a,預(yù)測(cè)時(shí)段3.5 a。

        4.2 土壤侵蝕模數(shù)

        本工程所處區(qū)域地貌類型為風(fēng)積沙地貌,區(qū)域水文單元屬內(nèi)陸水系。項(xiàng)目區(qū)土地利用主要為草地,土壤類型以風(fēng)沙土為主,擾動(dòng)前風(fēng)蝕模數(shù)約為4 000 t/(km2·a),水蝕模數(shù)約為500 t/(km2·a),區(qū)域容許土壤流失量為1 000 t/(km2·a)。

        擾動(dòng)地貌土壤侵蝕模數(shù)采用引用監(jiān)測(cè)資料法進(jìn)行確定。風(fēng)蝕模數(shù)采用中國(guó)科學(xué)院大氣物理所在毛烏素進(jìn)行的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)成果資料,廠區(qū)風(fēng)蝕模數(shù)12 000 t/(km2·a),施工生產(chǎn)生活區(qū)風(fēng)蝕模數(shù)10 000 t/(km2·a),凈水廠施工區(qū)風(fēng)蝕模數(shù)12 000 t/(km2·a)。水蝕模數(shù)采用燃?xì)怆姀S的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),即場(chǎng)外道路水蝕模數(shù)為1 500 t/(km2·a)、施工生產(chǎn)生活區(qū)水蝕模數(shù)為1 200 t/(km2·a)、廠區(qū)施工區(qū)水蝕模數(shù)為2 000 t/(km2·a)、供水管線水蝕模數(shù)為1 800 t/(km2·a)。本工程與類比資料屬同一地區(qū),其地形地貌、氣象、土壤、植被、水土流失類型等基本相同,因此本工程的風(fēng)蝕和水蝕模數(shù)直接采用引用資料監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),不再作修正。自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)將逐漸降低,最終達(dá)到原地貌水平。開發(fā)建設(shè)活動(dòng)停止后,沒有了人為活動(dòng)的影響,施工擾動(dòng)區(qū)域在植被恢復(fù)的情況下,其土壤侵蝕模數(shù)要低于施工活動(dòng)存在的情況,也就是說第一年中隨著土壤的自然沉降、變形、植被生長(zhǎng)等,水土流失強(qiáng)度將逐步降低,而第二年的情況就弱于第一年,以此類推。根據(jù)調(diào)查情況,本工程建設(shè)擾動(dòng)區(qū)在無人擾動(dòng)時(shí)第五年基本可以達(dá)到原地貌水平。

        4.3 水土流失量計(jì)算

        經(jīng)過調(diào)查,工程建設(shè)已造成水土流失量0.674 2萬t,施工期可能造成新增流失量采用下式計(jì)算:

        式中:Ws1為施工期水土流失總量(t);Fi為第i個(gè)單元預(yù)測(cè)面積(km2);MSi為風(fēng)蝕模數(shù)[t/(km2·a)];MOi為水蝕模數(shù)[t/(km2·a)];TSi為風(fēng)蝕預(yù)測(cè)時(shí)段(a);Toi為水蝕預(yù)測(cè)時(shí)段(a)。

        施工期末發(fā)生水土流失量預(yù)測(cè),詳見表2。

        表2 施工期末發(fā)生水土流失量預(yù)測(cè)

        同理,自然恢復(fù)期水土流失量計(jì)算結(jié)果詳見表3。

        表3 自然恢復(fù)期水土流失量預(yù)測(cè)

        本工程可能造成的水土流失總量為2.812 3萬t,其中施工期新增水土流失量2.099 4 萬t、自然恢復(fù)期造成新增水土流失量0.712 9萬t。

        4.4 預(yù)測(cè)結(jié)果

        通過預(yù)測(cè)分析,本工程水土流失預(yù)測(cè)結(jié)果如下。

        (1)水土流失預(yù)測(cè)時(shí)段確定施工期為6 a,自然恢復(fù)期為5 a。

        (2)根據(jù)工程建設(shè)特點(diǎn),確定工程建設(shè)水土流失類型為中度強(qiáng)烈風(fēng)力侵蝕區(qū),水力侵蝕微弱。

        (3)預(yù)測(cè)工程建設(shè)在水土流失預(yù)測(cè)期內(nèi)擾動(dòng)地表、損毀植被面積為85.74 hm2。

        (4)本工程建設(shè)期共動(dòng)用土方工程量216.92萬m3,其中挖方108.46 萬m3、填方108.46 萬m3,挖填平衡無棄方。

        (5)預(yù)測(cè)本工程建設(shè)可能造成的水土流失總量為3.82萬t,其中新增水土流失量為2.37萬t。

        4.5 水土流失危害分析

        由于工程建設(shè)導(dǎo)致地表原生地形地貌與植被被破壞、擾動(dòng),新增水土流失量顯著提高,進(jìn)而使一定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境迅速惡化,其危害主要表現(xiàn)在以下幾方面。

        (1)破壞土地資源。工程建設(shè)使大量表土層擾動(dòng),若不采取措施,表層土將被大風(fēng)吹走或被地表徑流沖走,土壤中的氮、磷、鉀等有效養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)也隨之喪失,施工區(qū)土壤趨于貧瘠化,土地生產(chǎn)力降低,可利用土地減少。

        (2)為沙塵暴、揚(yáng)沙天氣提供物質(zhì)源。工程施工過程中形成大范圍的裸露面,在強(qiáng)風(fēng)的吹蝕下表土隨風(fēng)搬運(yùn),增加了空氣中的沙塵量,促進(jìn)了揚(yáng)沙天氣的形成。該區(qū)域處于生態(tài)脆弱區(qū),植被與地表結(jié)皮遭到破壞后很難恢復(fù),易成為局部風(fēng)沙源地。

        (3)增加水土流失量。煤礦建設(shè)采挖活動(dòng),擾動(dòng)區(qū)地表植被與結(jié)皮遭到完全破壞,土壤的結(jié)構(gòu)、組成等發(fā)生變化,進(jìn)而影響土壤的抗侵蝕能力,加上施工過程中產(chǎn)生的疏松堆土,造成新增水土流失,加劇水土流失量。

        4.6 預(yù)測(cè)結(jié)果綜合分析

        不同預(yù)測(cè)時(shí)段新增水土流失量分析如圖1 所示,由此可知產(chǎn)生水土流失的重點(diǎn)時(shí)期為施工期。工程建設(shè)過程中因各項(xiàng)施工活動(dòng)將擾動(dòng)、占?jí)骸⑵茐脑孛布爸脖?,形成裸露的挖損、堆積等再塑地貌,在外營(yíng)力作用下產(chǎn)生加速侵蝕。因此,工程建設(shè)期間,應(yīng)采取工程、植物、臨時(shí)措施相結(jié)合的方法,做好水土流失防治工作;并在工程建設(shè)完成后對(duì)可能造成水土流失的面積內(nèi)各項(xiàng)水保措施加強(qiáng)管護(hù),以便有效控制水土流失的發(fā)生和發(fā)展,改善工程建設(shè)區(qū)及周邊地區(qū)的生產(chǎn)、生活、生態(tài)環(huán)境。

        圖1 不同預(yù)測(cè)時(shí)段新增水土流失量分析

        5 結(jié)論及建議

        5.1 結(jié)論

        通過探討分析,本工程水土流失預(yù)測(cè)可以得出以下結(jié)論。

        (1)水土流失預(yù)測(cè)時(shí)段確定施工期為6 a,自然恢復(fù)期為5 a。

        (2)根據(jù)工程建設(shè)特點(diǎn),確定工程建設(shè)水土流失類型為中度強(qiáng)烈風(fēng)力侵蝕區(qū),水力侵蝕微弱。

        (3)預(yù)測(cè)工程建設(shè)在水土流失預(yù)測(cè)期內(nèi)擾動(dòng)地表、損毀植被面積為54.21 hm2,自然恢復(fù)期水土流失面積為20.09 hm2。工程可能造成的水土流失總量為2.812 3萬t。

        (4)本工程建設(shè)期共動(dòng)用土方216.92萬m3,其中挖方108.46萬m3、填方108.46萬m3,挖填平衡無棄方。

        5.2 建議

        (1)水土流失防治的指導(dǎo)性意見。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果,工業(yè)場(chǎng)地及周邊、臨時(shí)排矸場(chǎng)及周邊是產(chǎn)生新增水土流失量較大的區(qū)域,因此在布設(shè)防護(hù)措施時(shí)應(yīng)以這幾個(gè)區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)。從以往的經(jīng)驗(yàn)看,防治風(fēng)蝕最有效的手段是植物措施,防治水蝕以工程措施為基礎(chǔ),結(jié)合植物措施。在具體實(shí)施時(shí),針對(duì)不同工程的施工與生產(chǎn)區(qū)域、地段,不同的施工工藝、施工特點(diǎn)與施工季節(jié),因地制宜,因害設(shè)防,制定行之有效的防治方案。對(duì)于其他水土流失相對(duì)不突出的侵蝕區(qū)域,也應(yīng)制定有針對(duì)性的防治措施,以減少施工過程中的水土流失量。

        根據(jù)氣候特點(diǎn),本項(xiàng)目區(qū)侵蝕類型以風(fēng)力侵蝕為主,水蝕程度相對(duì)較輕。水土保持防護(hù)措施的設(shè)計(jì)及布設(shè)應(yīng)以風(fēng)力侵蝕為主,兼顧水蝕,結(jié)合施工特點(diǎn)和工程性質(zhì),合理布設(shè)。

        (2)對(duì)施工進(jìn)度安排的意見。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果,施工期是新增水土流失較嚴(yán)重的時(shí)期,建議在施工中加強(qiáng)主體工程施工進(jìn)度的緊湊安排,有效縮短強(qiáng)流失時(shí)段。合理安排各施工區(qū)施工進(jìn)度,在各工程區(qū),植物措施結(jié)合主體工程施工進(jìn)度的安排分期、分批地實(shí)施。

        (3)對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)的指導(dǎo)性意見。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果,工程施工期新增水土流失較為突出,建設(shè)期水土保持監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位應(yīng)包括工業(yè)場(chǎng)地及周邊、施工生產(chǎn)生活區(qū)、臨時(shí)排矸場(chǎng)及周邊等。

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