水蝕區生產建設項目土壤侵蝕模數動態計算
——以北海原油商業儲備基地項目為例

牛 俊，王一峰，李建明，高 強，趙久長，王志剛

(1.長江水利委員會 長江科學院，湖北 武漢430000；2.水利部 山洪地質災害防治工程技術研究中心，湖北 武漢 430000；3.長江水利委員會 國際合作與科技局，湖北 武漢430000； 4.中國石化管道儲運有限公司，江蘇 徐州221008)

水力侵蝕是我國分布最廣、危害最嚴重的土壤侵蝕類型，其分布區域一般地形起伏、坡度較大，具有較好的降水條件，土壤覆蓋層較厚，為水力侵蝕提供了地形條件、水力條件和侵蝕物質條件[1]。同時，水力侵蝕分布區域多為人類活動劇烈的地帶[1]。生產建設項目是人類活動的重要表現形式，對地表產生強烈擾動，導致植被破壞、地表裸露，加速了水力侵蝕進程。

土壤侵蝕模數是指單位時段內單位水平面積地表土壤及其母質被侵蝕的總量，通常以t/(km2·a)表示[2]，它是土壤侵蝕強度分級的主要指標[3]。土壤侵蝕模數概念由通用土壤流失方程發展而來[4]，用以反映某區域多年平均土壤侵蝕強度大小。生產建設項目施工過程中，人為活動對地表擾動頻繁，擾動范圍及擾動程度在時間維度上呈現高頻動態變化特征，土壤侵蝕強度亦在短時期內發生快速變化。對生產建設項目土壤侵蝕模數進行動態計算，是評判項目施工過程中人為擾動條件下土壤侵蝕強度等級及其動態變化情況的手段。而以年為時間單位統計得到的土壤侵蝕模數，并不能直觀反映生產建設項目土壤侵蝕強度在短期內快速變化的特征，故在進行生產建設項目土壤侵蝕模數計算時，應將時間單位——年劃分為更短的時間單位。

在“水利工程補短板、水利行業強監管”的水利發展改革大背景下，要求水土保持監管工作要“充分運用高新技術手段開展監測，實現年度水土流失動態監測全覆蓋和人為水土流失監管全覆蓋”。根據水利部2015年6月發布的《生產建設項目水土保持監測規程(試行)》相關要求，項目建設單位應按季度向水行政主管部門報送水土保持監測季報。為滿足“水利行業強監管”工作要求及生產建設項目水土保持監測規程要求，應以季度為時間單位進行土壤侵蝕模數動態計算，以客觀反映項目施工過程中人為活動影響下的土壤侵蝕強度動態變化情況。因水蝕區降雨年內分布不均，各季度降雨量存在差異，如簡單地將1年等分為4個季度并將其作為時間單位用于季度侵蝕模數計算，則人為忽略了降雨對土壤侵蝕的影響，亦不能充分反映人為因素與侵蝕強度間的相互關系，這就需要引入一個由季度降雨量轉換而來的季度侵蝕時長參數，并用于土壤侵蝕模數動態計算。此外，關于土壤侵蝕模數的研究，已有成果[5-13]多見采用模型預測、實地調查等方法確定小流域或區域土壤侵蝕模數的報道，鮮見以實測侵蝕數據為基礎進行生產建設項目土壤侵蝕模數動態計算與分析的相關內容。本研究以北海原油商業儲備基地項目為例，基于項目建設過程中實測擾動面積、土壤侵蝕量等數據，引入季度侵蝕時長參數，以季度為時間單位，對土壤侵蝕模數進行動態計算，并對計算結果進行分析，為生產建設項目水土流失動態監測提供參考。

1 項目及項目區概況

研究項目為點型建設類項目，位于廣西壯族自治區北海市鐵山港區營盤鎮(N21°29′05″、E109°30′09″)，南鄰北部灣；屬我國東南沿海山地丘陵區的西南緣，地勢總體呈北高南低，地形平緩開闊，海拔8.3～25.4 m；氣候類型為亞熱帶海洋性季風氣候，高溫多雨，干濕分明，多年平均氣溫為23.1 ℃，多年平均降水量為1 670 mm，多年平均蒸發量為953 mm；土壤類型為赤紅壤，植被類型屬熱帶常綠闊葉灌叢帶，原始地面土地利用類型以農田為主，主要種植木薯。研究區在我國土壤侵蝕類型分區中屬水力侵蝕類型區中的南方紅壤丘陵區[14]，土壤侵蝕以水力侵蝕為主，容許土壤流失量為500 t/(km2·a)，原生土壤侵蝕模數為600 t/(km2·a)，屬輕度侵蝕。項目總占地面積70.51 hm2，于2010年9月開工，2013年6月完工。項目建設單位于2010年11月委托開展水土保持監測，監測工作實際于2010年12月開始，2010年12月至2013年6月為施工期監測階段，2013年7月至2014年6月為自然恢復期監測階段。

2 數據獲取與處理

2.1 降雨量

施工期(2010年12月至2013年6月)降雨量采用雨量筒實測獲得，早晨8:00測量雨量筒中所收集雨水的體積，通過計算得到24 h累計降雨量；自然恢復期(2013年7月至2014年6月)降雨量從當地氣象部門獲取。獲得降雨量數據后，以季度為單位，分別統計各季度降雨總量及侵蝕性降雨量。

2.2 擾動地表面積

根據研究項目建設過程中的施工擾動形式，將地表擾動區域按擾動類型劃分為不同的下墊面類型：工程施工期，扣除建筑物占壓和地面硬化區域，將擾動區域劃分為松散坡地、松散平地、壓實平地及綠化平地(蓋度>15%)4種下墊面類型；自然恢復期，扣除建筑物占壓和地面硬化區域，將擾動區域劃分為壓實平地和綠化平地(蓋度>15%)2種下墊面類型。

擾動地表面積采用手持式GPS結合項目總平面布置圖量算獲得，具體方法如下：施工期監測階段，每季度最后一個月，由現場監測人員攜帶手持式GPS記錄各不同類型下墊面的邊界、轉角等關鍵點坐標，之后將坐標數據輸出至電腦，并將經緯度坐標轉換為公里網坐標，再勾繪出不同下墊面類型邊界線，與項目總平面布置圖疊合后量算各下墊面類型的面積；自然恢復期監測階段，在項目總平面布置圖上量算各下墊面類型面積。

2.3 土壤侵蝕量

在項目施工過程中，針對不同擾動下墊面類型，分別選擇典型地塊(坡面)布設監測設施進行土壤侵蝕量監測。研究項目監測過程中，對于松散坡地，先后布設1處全坡面徑流小區、1處侵蝕溝體積測量簡易小區和1處簡易測釬小區；在松散平地和壓實平地各布設1個沉沙池，并在沉沙池周邊用土袋圍擋，形成一個閉合匯水區，使匯水區內雨水全部匯流至沉沙池內，區外雨水全部排導；綠化平地施工期布設了1個沉沙池，用土袋圍擋形成閉合匯水區匯集雨水，自然恢復期利用主體工程已建成的混凝土排水溝，在緊鄰綠化區的排水溝內用砂漿砌磚修建了1處臨時集水槽(監測結束后拆除)，集水槽寬度小于排水溝寬度，以免對排水產生不利影響，并在緊鄰排水溝的綠化區內用土袋圍擋形成匯水區，以使匯水區內雨水全部匯流至集水槽，區外雨水全部排導。

監測設施建成后，分別采用徑流小區法、測釬法、坡面細溝觀測法、相關沉積法等方法[15]獲得不同下墊面典型觀測小區(樣地)的土壤侵蝕量，之后與相應下墊面類型所對應的面積相乘，得到各下墊面類型的土壤侵蝕量，累加后得到項目建設區內土壤侵蝕總量。地面被建筑物占壓或硬化后，不再產生土壤侵蝕，所以在統計侵蝕量時占壓/硬化區域的土壤侵蝕量以0計。

土壤侵蝕量計算公式為

(1)

式中：W為項目建設區土壤侵蝕總量，kg；Mi為第i種下墊面類型的土壤侵蝕強度，kg/m2；Ai為第i種下墊面類型的總面積，m2；n為下墊面類型總數。

2.4 侵蝕時長

侵蝕時長是指發生土壤侵蝕的累計時間長度，季度侵蝕時長即為單個季度內發生土壤侵蝕的累計時間長度。季度侵蝕時長可用該季度侵蝕性降雨量與年侵蝕性降雨總量的比值表達。年內某季度的侵蝕時長表達式為

(2)

式中：Ti為第i季度侵蝕時長，a；T為1標準年，a；Pi為第i季度侵蝕性降雨量，mm；Pa為年度侵蝕性降雨總量，mm。

2.5 土壤侵蝕模數計算

根據土壤侵蝕模數的定義，其計算公式為

M=W/(A·T)

(3)

式中：M為土壤侵蝕模數，t/(km2·a)；W為土壤侵蝕量，t；A為侵蝕面積，km2；T為侵蝕時長，a。

3 結果與分析

3.1 監測數據統計分析

3.1.1 降雨量及侵蝕性降雨量

在自然界，并非所有降雨都能引起土壤侵蝕，侵蝕實際是由侵蝕性降雨所引起的[16]。在獲得降雨量數據后，按季度統計當季總降雨量及侵蝕性降雨量。侵蝕性降雨是以次降雨量為標準進行統計的，而研究項目監測過程中，獲得的降雨量均為日降雨量，而日降雨量與次降雨量又非一一對應關系，這為侵蝕性降雨量的統計帶來困擾。章文波等[17]建立了基于日雨量的降雨侵蝕力模型，用日雨量代替次降雨量進行降雨侵蝕力計算，并將日降雨量≥12 mm作為侵蝕性日雨量標準。根據相關研究，土壤侵蝕主要由次降雨大于10 mm的降雨引起，因而可將10 mm作為侵蝕性降雨標準[15]。國內其他學者也有以≥9.9 mm、≥12.3 mm、≥12.7 mm等作為侵蝕性日降雨標準的[18]。本研究借鑒上述處理方法，根據研究區實際情況，將24 h累計降雨量≥10 mm的降雨統計為侵蝕性降雨。因2010年12月進場后僅監測到1次降雨，實測降雨量8.8 mm，小于侵蝕性降雨標準，所以在統計時將2010年12月降雨數據剔除。

項目建設期各季度降雨量及侵蝕性降雨量統計結果見圖1?？梢钥闯?，項目區年內降雨分布不均，主要集中在第2、3季度，存在較明顯的雨季和旱季，從統計時段看，年內第2、3季度降雨量合計占到全年降雨量的71.6%～79.1%，為雨季，第1、4季度降雨量合計不到全年降雨量的30%，為旱季。對比各季度侵蝕性降雨量占當季降雨總量的比值發現，統計時段內項目區各季度侵蝕性降雨量占當季總降雨量的比值為44.0%～96.0%，其中，第1季度侵蝕性降雨量占比較小，為44.0%～63.8%，顯著小于第2、3、4季度侵蝕性降雨量占比(81.8%～96.0%)。

3.1.2 擾動面積

生產建設項目開發活動顯著改變了下墊面自然狀況，主要表現在：改變植被覆蓋、地形、土壤密實度及土壤物質組成等，形成各類“人工下墊面”，不同的“人工下墊面”，其產流及侵蝕產沙規律存在明顯差異[19-21]。擾動地表面積按照工程建設過程中不同“人工下墊面”類型分別統計，施工擾動區域“人工下墊面”類型根據地面擾動情況進行劃分。

圖1 降雨量及侵蝕性降雨量統計

研究項目建設期各季度擾動面積量算統計結果見圖2。從圖中可以看出，工程建設期內，各“人工下墊面”面積變化明顯：2011年第1季度，主要進行場平施工，擾動方式以土石方大規?；靥顬橹?，地面擾動類型主要有松散坡地、松散平地、壓實平地等3種；從2011年第2季度起，隨著主體工程建(構)筑物施工逐步推進，占壓/硬化面積逐漸增加，松散平地面積總體呈逐漸減少趨勢，壓實平地面積因建筑基坑開挖、機械碾壓等擾動，各季變化情況不一；場地四周填方邊坡采取工程護坡措施，2012年第2季度末完工，松散坡地面積減少為0；2011年第3季度，部分較長時間未擾動的松散裸露地面逐漸有雜草生長，主要是蒿類、禾本科草本植物，蓋度20%左右，2013年第1季度起植物措施全面實施，綠地面積大幅增加。

圖2 項目建設期“人工下墊面”面積統計

3.1.3 土壤侵蝕量

項目建設過程中土壤侵蝕量統計結果見圖3?？梢钥闯?，施工期土壤侵蝕總量顯著大于自然恢復期，原因是施工期地表擾動面積和擾動程度均顯著大于自然

圖3 土壤侵蝕量統計

恢復期，擾動越劇烈、擾動面積越大，產生的土壤侵蝕量也就越大；同時，項目建設過程中，施工擾動造成的松散平地面積較大，相應地，松散平地土壤侵蝕量亦大于其他擾動類型，說明地表擾動面積和擾動類型與土壤侵蝕量關系密切；年度內，第2、3季度土壤侵蝕量大于第1、4季度，這是因為年內第2、3季度降雨量和侵蝕性降雨量大于第1、4季度，降雨量大，侵蝕動力就強，相應地土壤侵蝕量也大。

3.1.4 侵蝕時長

我國季風區劃分以大興安嶺—陰山—賀蘭山—巴顏喀拉山—岡底斯山一線為界[22]，對比我國季風區與水力侵蝕區的分布關系[22-23]可知：水力侵蝕區基本位于季風區范圍內，因而我國水力侵蝕類型區降雨特征與季風區一致，具有年內分布不均及存在較明顯雨季和旱季的特點。一般來說，年降水總量大，侵蝕總能量也大，侵蝕因而增強[23]。對于水力侵蝕區來說，年內雨季降雨量大于旱季，相應地雨季降雨侵蝕總能量大于旱季，產生的土壤侵蝕量亦大于旱季。假使雨季時長適當縮短或旱季時長適當延長，雨季降雨總量與旱季降雨總量大致相當，那么雨季與旱季降雨侵蝕總能量相當，相應地雨季與旱季產生的土壤侵蝕量亦相當?；谏鲜黾僭O及推論，單個季度的侵蝕時長可用當季降雨量與年降雨總量的比值表達?？紤]到水力侵蝕區土壤侵蝕實際由侵蝕性降雨所引起，故單個季度侵蝕時長用當季侵蝕性降雨量與年侵蝕性降雨總量的比值表達更為合理。

各季度侵蝕時長計算結果見表1。可以看出，各季度侵蝕時長分布區間為0.02～0.44 a，統計時段內，雨季(第2、3季度)平均侵蝕時長為0.37 a，旱季(第1、4季度)平均侵蝕時長為0.10 a，雨季平均侵蝕時長是旱季的3.7倍。

表1 各季度侵蝕時長計算結果

3.2 土壤侵蝕模數動態分析

3.2.1 平均土壤侵蝕模數動態變化情況

將項目建設期各季度平均土壤侵蝕模數繪制成圖4。根據南方紅壤丘陵區土壤侵蝕強度分級標準，得到項目建設期內各季度土壤侵蝕強度分布情況。

圖4 土壤侵蝕模數動態變化情況

從圖4中可以看出，施工期(2011年第1季度至2013年第2季度)各季度土壤侵蝕模數基本處于輕度及中度侵蝕區間，且變動幅度較大，施工期末，土壤侵蝕模數迅速下降至微度侵蝕區間；自然恢復期(2013年第3季度至2014年第2季度)各季度平均土壤侵蝕模數均低于容許土壤流失量500 t/(km2·a)，土壤侵蝕模數回落至微度侵蝕區間。對土壤侵蝕模數計算值做進一步分析：項目區原生土壤侵蝕模數為600 t/(km2·a)，施工期各季度平均土壤侵蝕模數為1 705 t/(km2·a)，土壤侵蝕模數最大值為3 704 t/(km2·a)，分別是原生土壤侵蝕模數的2.8和6.2倍，與原生土壤侵蝕模數相比，施工期侵蝕模數增大明顯；自然恢復期各季度各下墊面平均土壤侵蝕模數為149 t/(km2·a)，最大土壤侵蝕模數為293 t/(km2·a)，分別是原生土壤侵蝕模數的0.25和0.49倍，明顯低于原生土壤侵蝕模數；施工期平均土壤侵蝕模數是自然恢復期平均土壤侵蝕模數的11.4倍，施工期平均土壤侵蝕模數顯著大于自然恢復期。

上述分析表明：通過引入季度侵蝕時長，以季度為單位進行土壤侵蝕模數計算，可以去除降雨因素對土壤侵蝕模數計算結果的影響，實現生產建設項目建設過程中各季度土壤侵蝕模數動態計算。計算結果直觀反映了項目建設過程中人為活動影響下的土壤侵蝕強度動態變化特征，充分顯示出侵蝕強度受人為活動影響顯著的特點：工程施工期人為活動劇烈時，土壤侵蝕模數顯著增大，施工期末及自然恢復期人為活動大幅減少或消失后，土壤侵蝕模數迅速回落，實施水土保持措施、對工程水土流失進行有效治理后，土壤侵蝕模數維持在微度侵蝕區間。這符合人為活動對土壤侵蝕影響的一般規律。

3.2.2 不同下墊面侵蝕模數對比

將項目建設期各季度不同下墊面類型土壤侵蝕模數繪制成圖5，根據南方紅壤丘陵區土壤侵蝕強度分級標準，得到項目建設期內各季度不同“人工下墊面”土壤侵蝕強度分布情況。

圖5 不同下墊面土壤侵蝕模數動態變化情況

從圖中可以看出：不同下墊面條件下，土壤侵蝕模數差異顯著。其中：統計時段內松散坡地侵蝕模數為3 067～30 900 t/(km2·a)，各季度土壤侵蝕模數分別散布于中度、強烈、極強烈及劇烈侵蝕區間；統計時段內松散平地侵蝕模數為940～4 829 t/(km2·a)，各季度土壤侵蝕模數分別散布于輕度、中度侵蝕區間；統計時段內壓實平地侵蝕模數為283～2 466 t/(km2·a)，各季度土壤侵蝕模數分別散布于微度、輕度侵蝕區間；統計時段內綠化平地侵蝕模數為0～553 t/(km2·a)，各季度土壤侵蝕模數除2011年第3季度處于輕度侵蝕區間外，其他各季度侵蝕模數均處于微度侵蝕區間。從不同下墊面類型條件下的土壤侵蝕強度等級分布情況看，松散坡地占據了6級侵蝕強度等級中的4級，侵蝕強度大且變動幅度大；松散平地占據了6級侵蝕強度等級中的2級，侵蝕強度較大，變動幅度較大；壓實平地占據了6級侵蝕強度等級中的2級，侵蝕強度較小，變動幅度較??；綠化平地占據了6級侵蝕強度等級中的2級，侵蝕微弱，變動幅度很小。

通過上述分析可以得出，地面擾動類型對土壤侵蝕強度影響顯著，對研究項目而言，不同“人工下墊面”土壤侵蝕模數及其變幅按大小排序為松散坡地>松散平地>壓實平地>綠化平地。

4 結 論

(1)通過引入季度侵蝕時長，即可實現生產建設項目土壤侵蝕模數動態計算，計算結果對于評價生產建設項目施工過程中人為擾動對土壤侵蝕強度的影響及其動態變化情況具有指導意義，可為生產建設項目水土流失動態監測提供參考。

(2)引入季度侵蝕時長，可去除降雨因素對季度土壤侵蝕模數計算結果的影響，侵蝕模數計算結果可充分反映項目施工過程中人為擾動條件下土壤侵蝕強度動態變化情況及人為活動因素對土壤侵蝕的影響。

(3)研究項目土壤侵蝕模數動態計算結果表明：水蝕區生產建設項目土壤侵蝕強度受人為擾動劇烈程度和擾動形式影響顯著；工程施工期，人為活動劇烈時，項目建設區平均土壤侵蝕模數顯著增大，施工期末及自然恢復期人為活動大幅減少或消失后，土壤侵蝕模數迅速回落，實施水土保持措施后，工程水土流失得到有效治理，土壤侵蝕模數降低到微度侵蝕區間；同一時期，不同地表擾動形式下的土壤侵蝕模數值及其變幅差異較大，研究項目不同“人工下墊面”土壤侵蝕模數及其變幅按大小排序為松散坡地>松散平地>壓實平地>綠化平地。