基于USLE的線性生產建設項目區土壤侵蝕特征分析

賀俊斌，潘振宇，屈 同，劉 剛

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

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

目前線性生產建設項目土壤流失監測方法有簡易坡面量測法、徑流小區法、插釬法、遙感調查法等。通用土壤流失方程(USLE)是土壤侵蝕模數測算的經驗模型，在水土流失預測中得到廣泛應用[4]，但應用于生產建設項目水土保持監測的相對較少。根據水保監督函〔2019〕20號、辦水保函〔2020〕564號和辦水保〔2020〕160號文件相關要求，未及時開展水土保持監測的生產建設項目應采用歷史遙感影像分析、人工模擬試驗、現場調查、資料查閱等方法補充開展水土保持監測，對未開展水土保持監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，對建設過程中項目區的土壤侵蝕模數變化及其影響因素進行分析和量化識別，以期為線性生產建設項目區的土壤侵蝕特征分析評價提供參考。

1 項目區概況

改建鐵路干塘至武威南鐵路增建二線工程位于甘肅省、內蒙古自治區和寧夏回族自治區三省區境內，主要經過騰格里沙漠南緣干旱無水區及武威地區黃河水系石羊河流域，水土流失防治分區劃分為山前沖洪積平原區和騰格里沙漠區2個一級分區，路基工程防治區、站場工程防治區、橋梁工程防治區、取土場防治區、施工便道防治區、施工生產生活防治區等6個二級分區。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、施工便道等防治區以開挖、回填、臨時堆放占壓擾動為主；施工生產生活防治區以場地平整、臨時堆放占壓擾動為主。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

采用項目沿線途經的中衛站、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，數據來源于國家氣象科學數據中心。選擇施工前2013年、施工期2014—2016年、植被恢復期2017—2018年的日降雨數據。根據《生產建設項目土壤流失量測算導則》(SL 773—2018，以下簡稱《測算導則》)中土壤流失量測算規定，從降雨數據中篩選出日降雨量大于12 mm的降雨數據進行人工降雨模擬試驗。選取主體工程擾動相對穩定的2016年12月遙感影像作為解譯本底數據，采用人工目視解譯，勾繪各防治區擾動范圍圖斑和計算圖斑面積。

2.2 研究方法

2.2.1 試驗區設置

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

表1 試驗區設置情況

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)計算項目區平均土壤侵蝕模數，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，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《測算導則》，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計系數；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17.02，從而將美制單位轉化為國際制單位。

(2)土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子K根據徑流小區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量，由此換算出徑流小區單次降雨所產生的水土流失總量Mp。依據《測算導則》，土壤可蝕性因子的計算公式為

K=Mp/Rp

(5)

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

(3)坡長坡度因子。依據《測算導則》，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，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是指某一地區種植植被土地上的土壤流失率與休閑土地上相對應的土壤流失率之比。當地面完全裸露時，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《測算導則》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可取1，未發生侵蝕地區可取0。根據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 結果與分析

根據USLE模型進行土壤侵蝕模數測算，確定施工前、施工期、植被恢復期平均土壤侵蝕模數為1 055、2 588、979 t/(km2·a)。圖1為不同施工階段各分區土壤侵蝕模數變化特征。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。利用統計的施工期逐月平均降雨量，結合人工模擬試驗和USLE方程計算不同分區的土壤侵蝕模數，并根據分區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土壤侵蝕模數變化特征

圖2 施工期土壤流失量年內變化特征

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

根據《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%。植被恢復期各防治區均布設了工程、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揮，使項目區的水土流失得到控制。

4 結 語

本研究基于人工模擬試驗將通用土壤流失方程應用于生產建設項目水土保持監測之中，計算出各個施工階段各防治區的土壤侵蝕模數，并分析了土壤侵蝕模數的時間變化特征，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最大，且土壤流失量多出現在汛期(6—9月)，植被恢復期較施工期土壤侵蝕模數大大減小。土壤侵蝕強度變化呈現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。