區域水土保持水土流失預測分析及實例研究

王美玉，戴長雷，張凱文，韓心宇

（1黑龍江大學寒區地下水研究所，哈爾濱 150080；2黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150080；3黑龍江大學-俄科院西伯利亞凍土所寒區水文與水利工程中俄聯合實驗室，哈爾濱 150080)

0 引言

2019年5月水利部印發《水利部關于進一步深化“放管服”改革全面加強水土保持監管的意見》（水保〔2019〕160號），明確提出各類開發區建設推行水土保持區域評估，并在“五通一平”（通水、通電、通氣、通路、通訊、平整土地）之前由開發區管理機構組織編制水土保持區域評估報告，報相關部門審批[1]。水土保持區域評估的重點包括水土流失的任務、責任主體、防治范圍、防治目標、水土保持措施及水土保持投資等內容，同時應遵循土石方自平衡、水生態保護、水土保持措施與自然生態相協調、按照區塊確定防治目標等原則[2]。開發區入駐企業在水土保持區域評估報告的基礎上對水土保持方案實行承諾制或備案制管理，開發區管理機構督促入駐生產建設單位履行好水土流失防護責任和義務。

重慶、浙江、江蘇等地對開發區水土保持區域評估已有一定的研究基礎，但在東北黑土區水土保持區域評估相關研究不夠充分。由于水土保持區域評估報告的編制依據及大綱并沒有明確，領域內相關專家對水土保持區域評估的主要內容、編制要點等進行了探討。劉春憲等[3]在對552個國家級開發區分析的基礎上，提出了水土保持區域評估的原則及評估重點，提出開發區水土保持區域評估是入園區企業開展水土流失防治工作的基礎，簡化企業水土保持方案的依據。姜德文[2]對國內各類開發區總體情況進行了介紹，開發區應明確建成區、在建區、未建區三大區塊的水土流失防治任務，提出包括土石方全部利用等5項水土流失防治控制性指標，闡述并分析了開發區管理模式及水土保持責任落實。

1 區域水土保持水土流失量預測方法分析

水土流失量預測是指在工程施工建設擾動地表土層后，未采取任何水土保持措施的最不利條件下預測可能造成的水土流失量；土石方挖填量估算是指對因工程施工建設需要而造成的土方挖、填量的估算，是水土流失防治工作中的重要部分[4-5]。預測水土流失量的方法主要包括類比法、數學模型法及實驗觀測法，類比法預測水土流失量是利用與預測工程類似的工程對應預測單元的擾動地表土壤侵蝕模數實測研究成果，通過對應性分析預測工程與類比工程在水土流失主要因子相似性、可比性，得出預測工程與類比工程之前的修正系數，類比出通預測工程各預測單元土壤侵蝕模數，最后計算出水土流失量預測結果[6]。類比法具有直觀、快速等優點，但在獲取理想的類比資料難度較大、類比修正系數取值彈性較大、類比資料的實用性限制等方面具有一定的局限性[7]。預測水土流失量包括：劃分預測單元、預測時段、確定土壤侵蝕模數和計算預測結果4個步驟。

2 區域水土保持土壤流失量計算實例研究

2.1 區域水土保持調查分析

慶安縣位于黑龍江省中部松嫩平原與小興安嶺余脈的交匯地帶，屬呼蘭河流域中上游，地理坐標為127°30′—128°35′E，46°30′—47°35′N，總人口41萬，土地總面積為5466.71 km2，其中，耕地和林地分別占總土地面積的36.65%和51.49%[8]。慶安開發區位于慶安縣西南部，2011年由黑龍江省人民政府批準設立，享受省級開發區政策，開發區核心區域已實現“五通一平”。園區范圍分為東、西、北3個區域，總用地面積953.08 hm2，規劃建設成為食品產業園、醫藥產業園、循環經濟產業園和保稅區的“三園一區”格局。

根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)，慶安開發區屬于水力侵蝕類型區——東北黑土區—松嫩平原區，慶安縣屬溫帶大陸性氣候，有明顯季節變化，冬季漫長、干燥而寒冷，秋季多雨降溫急劇[9-10]。年平均氣溫2.4℃，多年平均降水量567.5 mm。地貌屬于低山丘陵平原區，南、北部為低山，地勢較高，并逐步向中部傾斜，中部形成寬闊的河谷平原，在山地與平原之間有丘陵漫崗過渡地帶。地質構造區域為小興安嶺—松嫩沖擊帶東部，分布于河谷、高漫灘、低漫灘地帶，地層為第四系全新統沖積沼澤沉積層，巖性為亞粘土、淤泥質粘土、亞砂土、沙及砂礫石[11]。區域內無河流水系，與格木克河相鄰，慶安開發區區域位置如圖1。

圖1 慶安開發區區域位置

2.2 區域水土保持流失現狀及影響因素分析

2.2.1 水土流失現狀 根據《黑龍江省水土保持規劃（2015—2030年）》及《慶安縣水土保持規劃（2019—2030年）》成果顯示，慶安縣水土流失面積707.02 km2，占總土地面積的12.93%。全部為水蝕面積，平均土壤侵蝕模數為1578 t/(km2·a)左右。按侵蝕強度劃分，輕度侵蝕面積386.47 km2，中度侵蝕面積159.83 km2，強烈侵蝕面積101.93 km2，極強烈侵蝕面積50.71 km2，劇烈侵蝕面積8.08 km2，分別占侵蝕面積的54.66%、22.61%、14.42%、7.17%和1.14%[12]。2012—2018年統計結果顯示，慶安縣累計治理水土流失面積217.86 km2，其中基本農田為64.58 km2，水土保持林為28.57 km2，封禁治理為46.60 km2，其他為78.1l km2[13]。慶安開發區水土保持現狀較為良好，均處于微度侵蝕分布區，但部分在建企業施工期未按要求編制水土保持方案。慶安縣數字高程DEM及土地利用情況如圖2。

圖2 慶安縣數字高程DEM及土地利用

2.2.2 影響因素分析 在施工過程中，會損壞原地表形態、地表植被和土壤結構，增加裸露面積，減弱抗蝕、抗沖能力，易造成較嚴重的水土流失[14-15]。在建設期內，主要施工內容包含場地平整、建筑物結構施工、道路路面鋪設、綠化景觀建設等。場地平整過程中，大部分占地地表都受到不同程度的人為擾動和破壞，在降雨等自然因素的作用下形成新的水土流失；建筑物施工過程中，基坑開挖階段的邊坡是最容易發生水土流失的區域；當建設進入建筑物主體結構階段，區域內道路、公園綠地區的地表裸露，會造成地表水土流失[16-17]。工程施工結束后，因施工引起水土流失的各項因素逐漸減弱，地表擾動基本停止，水土流失將明顯減小，但由于植物措施不能在短時間內發揮水土保持功能，在自然恢復期仍會有一定量的水土流失。

2.3 水土保持區域劃分

在《慶安縣產業園區總體規劃（2018—2035年）》的基礎上，結合開發區產業結構特點，考慮擾動地表形式、強度等大體一致的施工區劃分為一個區域，故將開發區水土保持區域劃分為工業用地區、商業及公用設施用地區（包括公共管理與公共服務設施用地、商業服務業設施用地、物流倉儲用地、公用設施用地）、道路與交通設施用地區、綠地與廣場區（非建設用地主要為農林用地，劃入綠地與廣場區）4個區域，開發區內各水土保持分區面積統計如表1。

表1 區域內用地類型及面積統計

2.4 土壤流失量預測

2.4.1 預測單元及預測時段 預測單元劃分為工業用地區、商業及公用設施用地區、道路與交通設施區、綠地與廣場區（含非建設用地）共4個區域單元，根據施工及運行特點，水土流失預測時段分為施工期和自然恢復期。施工期1年內跨雨季的按照占雨季長度比例計算，但不超過1年，工程施工連續施工，分期施工預測時段計算按照自然月為主，慶安縣雨季主要是5—9月份，共計5個月。自然恢復期設定為2年，主要為植被恢復期[16]。由于各建設項目水土保持配套設施不完善，部分項目沒有水土保持方案，以水土流失最不利條件為原則，水土流失預測區域面積包含區域內已建、在建及未建面積，合計953.08 hm2。

2.4.2 土壤侵蝕模數的確定 區域內4個水土保持分區在施工期對地面干擾較大，根據《黑龍江省水土保持規劃（2015—2030年）》結果分析，土壤侵蝕模數參考慶安縣平均土壤侵蝕模數1578 t/(km2·a)，考慮施工期水土流失略微嚴重，因此擾動后土壤侵蝕模數取2000 t/(km2·a)；綠地與廣場區由于工程施工面積較小，土壤侵蝕模數取平均值1578 t/(km2·a)；植被恢復期工程施工已結束，植被未完全恢復，仍存在一定程度的水土流失，土壤侵蝕模數取值200 t/(km2·a)，土壤侵蝕模數背景值取值為150 t/(km2·a)。

2.4.3 預測結果及分析 根據區域土壤侵蝕的背景資料和工程建設特點，區域內水土流失類型主要為水力侵蝕，水土流失預測采用經驗公式法，計算公式如式(1)所示，計算區域建設區不同地貌侵蝕背景值，預測新增水土流失量[19-20]。

式中：W為擾動地表土壤流失量，t；i為預測單元(i=1、2、3)；k為預測時段(k=1、2、3)，指施工準備期、施工期和自然恢復期；Fi為第i個預測單元的面積，km2；Mik為擾動后不同預測單元不同時段的土壤侵蝕模數，t/(km2·a)；Tik預測時段（擾動時段），a。

按式(1)對區域土壤流失進行計算，預測結果按照建設期開挖、回填、產生棄渣、地面沒有防護措施，且在雨季最不利情況下進行水土流失量估算，計算結果見表2。根據計算分析，區域內項目建設在不采取任何防治措施的前提下共造成水土流失47053 t，背景流失3773 t，新增水土流失43280 t。其中水土流失量99.84%在施工期，由于工業用地區占地面積較大，70.41%的預測水土流失量集中在工業用地區。因此，工業用地區是水土保持防治的重點區域。

表2 水土流失量預測結果

2.5 區域水土保持填挖量估算

2.5.1 表土剝離及覆土 按照水土保持法相關要求，應對生產建設活動所占用土地的地表進行分層剝離、保存和利用。根據區域內各水土保持防治區的施工建設時序及覆土實際需求，對具有剝離條件的區域進行表土剝離，并在建設區設置臨時暫存場地，表土剝離和回覆的厚度均按照0.3 m計算。經區域現場踏察，區域水土保持方案中剝離及覆土設計如表3。經計算，區域內表土剝離量面積為142.22 hm2，剝離土壤42.67×104m3，覆土面積138.10 hm2，覆土量41.43×104m3。

表3 表土剝離及覆土量統計

2.5.2 土方挖填量推算 區域內基礎土方填挖量以區域用地性質及已建成典型項目作為推算依據。由于區域內大部門區域項目為展開施工建設，采用類比法，在區域內相似條件下推算同類型建設用地的土方挖填量，所選區域內典型項目均已開展水土保持方案編制，土石方填挖數據接近實際情況。對開發區未建區域土石方填挖量進行推算，可以為后入駐園區企業制定水土保持方案提供測算依據及參考。土方填挖推算結果見表4。

表4 基礎土石方挖填量推算

2.5.3 土石方平衡 經推算，區域內生產建設項目總計產生挖方917.3萬m（3表土剝離42.67萬m3），填方879.22萬m3（表土回覆41.43萬m3），外借土方37.16萬m3，棄土75.21萬m3，計算結果見表5。土石方平衡推算采用區域內典型項目類比推算的方法，估算在建區域及規劃建設區域內的土石方挖填量，考慮最不利因素，推算結果較大，可以為后入駐園區的企業在水土保持防治工作中提供參考。

表5 區域內土石方平衡 萬m3

3 結論

以慶安開發區為例，預測東北黑土區土壤流失量，運用典型項目類比的方法推算土石方平衡，得出結論。

（1）考慮使用土地性質及擾動土壤等因素，劃分水土保持區劃，并按所劃分區域預測土壤流失量；以慶安開發區為例，考慮最不利條件預測將造成土壤流失47053 t，是背景流失量的12.5倍，其中工業用地區在施工期內預測土壤流失量最大。

（2）由于區域內大部分項目未施工建設，無法準確計算土石方挖填量，因此采用區域內已建典型項目類比推算未建設區域項目挖填量的方法是區域水土保持土石方平衡估算較為理想的方法，可為后入駐園區企業編制水土保持方案提供參考。

（3）根據土壤流失量預測及土石方平衡估算，工業用地區是新增水土流失的主要區域，為區域水土保持防治工作找到了核心區。通過調整施工時序、避免汛期土石方施工等優化施工方法也可以起到水土保持的效果。