高速公路棄渣場水土流失特征試驗研究

張 凱

（山西省交通科學研究院，山西 太原030006）

高速公路建設過程中會進行大量的土石方開挖與回填，對原地面擾動較大，開挖的土石方若不能完全利用則會根據施工安排在適合的溝道中堆棄，形成棄渣場。通常棄渣結構松散、表面裸露，且缺乏相應的坡面水土保持治理措施，水土流失現象十分嚴重。目前，關于高速公路主體工程的水土流失調查、水土流失防治措施體系研究已形成了大量的成果，但針對高速公路棄渣場水土流失特征的研究相對較少[1]。因此，本文以山西省榆次龍白至祁縣城趙高速公路棄渣場為研究對象，開展高速公路棄渣場水土流失特征研究，研究成果可為高速公路棄渣場水土流失治理和生態恢復提供必要的科學依據。

1 試驗概況

1.1 試驗地概況

榆次龍白至祁縣城趙高速公路（以下簡稱龍城高速）是山西省“三縱十二橫十二環”高速公路規劃網的重要組成部分，起點位于晉中市榆次區龍白村，終點止于祁縣城趙村，路線全長71.588 km。全線按雙向六車道高速公路標準建設，路基寬度33.5 m，設計速度100 km/h，工程實際設置取土場7處、棄渣場3處。

項目區位于晉中盆地東部邊緣。根據路線走廊帶位置，它的東部接近盆地周圍太岳山脈周邊山區，西部為汾河東岸及其支流形成的廣闊的河谷階地，路線處在汾河河谷東部的一、二級階地之上。線路走廊區內地貌劃分黃土丘陵階地區和沖積平原區，土壤流失容許量為1 000 t/km2·a。本項目位于山西省重點預防保護區，水土流失防治標準執行建設類一級標準。項目所處地帶屬溫帶大陸性季風氣候區，年平均降水量424.9～456.0 mm，最大凍土深度約95 cm。

本文選取龍城高速公路K8+150、K8+200和K8+300路段的3處棄渣場為研究對象，進行水土流失野外試驗觀測。

1號棄渣場位于K8+150路左10 m，棄渣量37.5萬 m3，占地面積 1.5 hm2，堆渣坡比 1∶1.3，坡腳已設置擋渣墻，渣體頂面和坡面種植紫穗槐及白羊草，植被蓋度65%。

2號棄渣場位于K8+200路左11 m，棄渣量30.1萬 m3，占地面積 1.2 hm2，堆渣坡比 1∶1，坡腳已設置擋渣墻，渣體頂面和坡面種植紫穗槐及白羊草，植被蓋度60%。

3號棄渣場位于K8+300路右20 m，棄渣量45.2萬 m3，占地面積 1.5 hm2，堆渣坡比 1∶1.5，坡腳已設置擋渣墻，渣體頂面和坡面種植紫穗槐及白羊草，植被蓋度67%。

1.2 試驗方法

在3處棄渣場選取合適位置設置試驗觀測小區，對各觀測小區土樣進行采集，分析土壤顆粒粒徑組成，同時對降雨量、土壤侵蝕量進行觀測。

1.2.1 土壤顆粒組成

根據各小區土壤結構特征，取0～20 cm的表層土樣，每個小區分別取3份。土壤樣品風干后分別用10目（2 mm）、18目（1 mm）、35目（0.5 mm）和 120目（0.15 mm）的土壤篩逐次過篩，得到各粒徑級細土和石礫，再稱重，從而得到各粒徑級土壤和石礫的重量，并計算出質量百分含量。

1.2.2 降雨量觀測

在試驗區各觀測小區附近設置多個50 mL量筒，用來記錄單次降雨量，同時利用秒表記錄單次降雨歷時，通過降雨量與降雨歷時的比值計算獲取單次降雨強度。

1.2.3 土壤侵蝕量

采用體積測算法和徑流小區測定法進行土壤侵蝕量的觀測。

體積測算法用于侵蝕溝測量，在單位坡面內從上到下，布設觀測斷面，量測每一斷面侵蝕溝的寬（包括上底寬和下底寬）和深，并累計算出斷面的總深度和總寬度，直到測完每個斷面，最終計算出土壤侵蝕量。

徑流小區是對坡地水土流失規律進行定量研究的一種測驗設施。一般由邊埂、邊埂圍成的小區、集流槽、徑流和泥沙集蓄設備、保護帶及排水系統組成。徑流小區測驗主要用于降水、徑流及泥沙觀測等。

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒分形

土壤作為一種由不同顆粒組成、具有不規則形狀自相似結構的多孔介質，具有一定的分形特征，通過土壤粒徑分形維數不僅可以進一步比較不同土壤的顆粒分布特征和質地均勻程度，還可以用于反映土壤的其他特征，如土壤發生、土壤肥力和土地利用類型對質地的影響、土壤退化程度等。本研究以2號棄渣場坡面土壤為對象，研究其土壤的粒度組成和分形特征。樣品采集如圖1、圖2所示，在A、B和C三處使用S形布點法采樣。取0～20 cm土層深度的土壤1 kg左右混合，共23個樣品，去除表面雜質后進行風干處理，并分別編號裝入樣品袋帶回實驗室進行室內分析。

圖1 截面圖

圖2 平面圖

本文采用楊培嶺等提出的用粒徑的重量分布表征的土壤分形模型來計算土壤顆粒的分形維數[2]。土壤顆粒的重量分布與平均粒徑間的分形關系式為：

表1 棄渣場不同位置土壤顆粒組成及分形維數

土壤分形維數是反映土壤結構幾何形體的參數，在維數上表現出黏粒含量越高，其分形維數越高；土壤砂粒含量越高，其分形維數越低[3]。采用公式對表1中的數據進行整理，得到3個樣地土壤顆粒分布的分形維數分別為2.28、2.51和2.33，A樣地和B樣地土壤質地較粗，顆粒組成中砂粒含量較多，而C樣地相比較其他兩個樣地土壤質地較細，顆粒組成中粉粒含量較多。

根據已有研究結果，一般砂土分形維數為2.5，壤質砂土分形維數為2.48，壤土分形維數為2.56，黏土分形維數為2.94[4]。本次試驗結果表明，棄渣場經人為擾動后，其土壤質地較粗，保水保肥性下降，坡面植被生長環境較差。因此，建議在棄渣場生態恢復中，盡量在棄渣坡面覆蓋一定厚度的熟土，以確保植被恢復效果。

2.2 降雨特征與水土流失的關系

在水土流失發生發展過程中，降水是重要的侵蝕力來源，降雨諸要素包括降雨量、降雨歷時、降雨強度等。本研究在棄渣場坡面順坡方向選取長5 m，寬3 m的矩形小區作為簡易徑流小區，用于觀測降雨對棄渣場坡面水土流失的影響。在2015年7月、8月、9月期間共計測量了6次降雨情況，具體觀測數據見表2，降雨因子與土壤侵蝕量之間的關系見圖3～ 圖 5。

表2 降雨因子與棄渣場坡面土壤侵蝕量數值記錄

圖3 土壤侵蝕量與降雨量變化趨勢

圖4 土壤侵蝕量與降雨歷時變化趨勢

圖5 土壤侵蝕量與降雨強度變化趨勢

由圖3～圖5可以看出，土壤侵蝕量與部分降雨因子間有密切的線性關系。通過Pearson簡單相關系數[5]分析得出（表3），棄渣場坡面土壤侵蝕量與降雨量極顯著相關，與降雨強度顯著相關。

表3 降雨因子與棄渣場坡面土壤侵蝕量相關分析

2.3 坡度對水土流失的影響

坡度是地面形態的主要特征要素之一，也是對水土流失影響最大的因素之一。1號棄渣場和3號棄渣場除坡度不同外，坡面植被覆蓋、措施布設等基本相同，因此選擇在1號棄渣場和3號棄渣場布設試驗小區進行觀測，分析不同坡度對水土流失影響的規律。

表4 體積法測1號棄渣場試驗區土壤侵蝕量

表5 體積法測3號棄渣場試驗區域土壤侵蝕量

從表4、表5可以看出，在一定坡長、相近植被蓋度的情況下，1號試驗區較3號試驗區坡度陡，其土壤侵蝕量也較3號大。土壤侵蝕量隨著坡度的增加而增大，主要是因為坡面侵蝕的主要動力來自降雨及由此而產生的徑流，而徑流能量的大小又取決于水流流速及徑流量大小，二者則皆與坡度的大小密切相關。在一定坡長條件下，坡度大時水流速度快，用較短的時間就能流出坡段，又由于流速快，徑流在坡面上的入滲時間必然縮短，其入滲量小，徑流量也就必然增大。徑流速度加快及徑流量增大的雙重作用使徑流動能迅速增大，沖刷力相應增強，其造成的坡面土壤流失量也就勢必增大。

3 結果與討論

3.1 結果

本文選取龍城高速公路K8+150、K8+200和K8+300路基兩側的3處棄渣場為研究對象，對高速公路棄渣場水土流失相關指標進行野外試驗觀測，分析了棄渣場水土流失與降雨量、坡度、土壤顆粒組成的關系，得到了棄渣場水土流失的基本特征。

a）棄渣場渣體土壤分形維數較低，表明砂礫含量較多，保水保肥較差，植被生長環境差，容易造成水土流失。

b）棄渣場的水土流失與降雨量、降雨強度顯著相關，降雨量越大，水土流失越大。

c）棄渣場的水土流失與坡度相關，坡度越大，水土流失越大。

3.2 討論

a）植被冠層及枯枝落葉層能夠減少雨滴濺蝕以及攔截部分降水量,減少地表徑流量，防止地表土壤被侵蝕。另外植被能使土壤具有良好的結構，提高土壤孔隙度和水分滲透性，以此減少地表徑流量及其流速。建議在棄渣場恢復時，應考慮棄渣場土壤質地較差，應在渣面上覆蓋一定厚度的熟土，改善土壤水肥條件，以確保植被恢復效果。

b）棄渣場水土流失與降雨量、降雨強度以及坡度有關，建議在棄渣場恢復措施中應該根據最大降雨量設計截排水措施，同時棄渣場邊坡應盡量采取緩坡，坡面上應進行植被恢復。