府谷飛機場水土流失分析與預測

王彥軍

（府谷縣水土保持中心，陜西 榆林 719499）

1 概況

府谷飛機場位于陜西省榆林市府谷縣府谷鎮(zhèn)桑園梁附近，主要由飛行區(qū)、航站區(qū)、場外導航工程區(qū)、凈空處理區(qū)4個部分組成，占地類型包括耕地、園地、草地、林地。飛機場橫跨在3條較大的黃土沖溝及梁峁上，海拔高程介于1 020～1 100 m，最大高差約80 m，總體為北高南低。項目區(qū)土壤類型主要為黃綿土，植被類型屬溫帶草原地帶，林草平均覆蓋率約30%。項目區(qū)風力侵蝕和水力侵蝕交替發(fā)生，在時間上不同步，冬春以風力侵蝕為主，夏秋以水力侵蝕為主；土壤水力侵蝕模數為9 027.72 t∕（km2·a），風力侵蝕模數為5 383.60 t∕（km2·a），容許土壤流失量為1 000 t∕（km2·a），屬極強烈侵蝕區(qū)。受降水因素的影響，水蝕時間集中，主要發(fā)生在6—9月。

2 擾動面積及預測單元分析

2.1 擾動面積

依據主體工程設計有關資料，結合實地調查，預測本工程建設將擾動地表236.14 hm2，損壞植被223.30 hm2。其中，飛行區(qū)143.10 hm2，航站區(qū)17.71 hm2，場外導航工程區(qū)22.25 hm2，凈空處理區(qū)53.08 hm2。根據現場調查結合主體工程設計，經測算，項目工程建設開挖土方總量1 584.77 萬m3，回填土方總量1 584.77萬m3。工程建設無余方，不產生棄方。

2.2 預測單元

按照擾動方式相同、擾動強度相仿、土壤類型和質地相近、氣候條件相似、空間上相連續(xù)的原則，飛機場水土流失預測劃分為飛行區(qū)、航站區(qū)、場外導航工程區(qū)、凈空處理區(qū)4個單元。根據擾動地表、損壞植被面積分析，結合主體工程可研設計，確定本項目施工期水土流失面積為230.44 hm2、自然恢復期水土流失面積（扣除各建筑物占地面積和地面硬化面積等）為168.33 hm2。根據主體工程施工進度安排，將該項目的水土流失預測時段分為施工準備期、施工期、自然恢復期。其中，施工期36個月，2022年10月開工建設，2025 年9 月底竣工投入運行。自然恢復期預測時段為5 a。

3 施工期土壤侵蝕量計算

3.1 預測單元水蝕土壤侵蝕量

水蝕土壤侵蝕量擾動類型分為一般擾動地表、工程開挖面、工程堆積體3 種[1]。在水力作用下，未經夯實的工程回填面，可參照地表翻擾型一般擾動地表計算土壤流失量；未采取水土流失防治措施的碾壓地表、填壓面（填筑面），可參照工程開挖面計算土壤流失量。因此，本項目飛行區(qū)、航站區(qū)、場外導航工程區(qū)、凈空處理區(qū)施工擾動面，參照一般擾動地表-地表翻擾型計算；飛行區(qū)、航站區(qū)基坑開挖面，參照工程開挖面上方無來水型計算；飛行區(qū)、航站區(qū)、場外導航工程區(qū)及凈空處理區(qū)表土臨時堆土，參照工程堆積體上方無來水型計算。擾動后土壤侵蝕量的計算記述如下。

3.1.1 一般擾動地表

地表翻擾型一般擾動單元的土壤侵蝕量，按照下式計算：

式中：M為地表翻擾型一般擾動地表計算單元土壤侵蝕量（t）；R為降雨侵蝕力因子[MJ·mm∕（km2·h）]；Kyd為土壤可蝕性因子[t·hm2·h∕（hm2·MJ·mm）]；Ly為一般擾動地表坡長因子；Sy為一般擾動地表坡度因子；B為植被覆蓋因子；E為工程措施因子；T為耕作措施因子；A為計算單元水平投影面積（hm2）[2]。

根據式（1），施工期一般擾動地表土壤侵蝕量計算結果詳見表1。

表1 項目區(qū)擾動后土壤侵蝕量、侵蝕模數計算結果

3.1.2 工程開挖面

上方無來水工程開挖面施工期的預測單元土壤侵蝕量，按照下式計算：

式中：Mkw為上方無來水工程開挖面計算單元土壤侵蝕量（t）；R為降雨侵蝕力因子[MJ·mm∕（hm2·h）]；Gkw為上方無來水工程開挖面土質因子；Lkw為上方無來水工程開挖面坡長因子；Skw為上方無來水工程開挖面坡度因子；A為計算單元水平投影面積（hm2）[3]。

根據式（2），施工期工程開挖面土壤侵蝕量計算結果詳見表1。

3.1.3 工程堆積體

施工期上方無來水工程堆積體預測單元土壤侵蝕量，按照下式計算：

式中：Mdw為上方無來水工程堆積體計算單元土壤侵蝕量（t）；X為工程堆積體形態(tài)因子；Rd為多年平均降雨侵蝕力因子[MJ·mm∕（hm2·h）]；Gdw為上方無來水工程堆積體土石質因子[t·hm2·h∕（hm2·MJ·mm）]；Ldw為上方無來水工程堆積體坡長因子；Sdw為上方無來水工程堆積體坡度因子；A為計算單元水平投影面積（hm2）[4]。

根據式（3），施工期工程堆積體上方無來水土壤侵蝕量計算結果詳見表1。

3.2 預測單元風蝕土壤侵蝕量

風蝕擾動類型分為一般擾動地表、工程開挖面2 種。本項目飛行區(qū)、航站區(qū)、場外導航工程區(qū)、凈空處理區(qū)預測單元施工擾動面，參照風力作用下一般擾動地表計算；飛行區(qū)、航站區(qū)、場外導航工程區(qū)及凈空處理區(qū)表土臨時堆土，參照風力作用下工程堆積體計算。

3.2.1 擾動后風力作用下一般擾動地表土壤侵蝕量計算

式中：M為以縣域氣象資料測算的一般擾動地表計算單元土壤侵蝕量（t）；Q為計算當年單位面積風蝕率（t∕km2）；I為粗糙干擾因子；J為原始地表土體密度（kg∕m3）；Gf為風蝕可蝕性因子（無量綱）；A為計算單元水平投影面積（hm2）；um為計算當年平均風速（m∕s）；ETP為計算當年潛在蒸發(fā)量（mm）；p為計算當年降水量（mm）；x為計算當月天數（d）；tem為計算當月平均氣溫（℃）；rm為計算當月平均空氣相對濕度，取最小值。

根據式（4）、（5），風蝕一般擾動地表土壤侵蝕量計算結果詳見表1。

3.2.2 擾動后風力作用下工程堆積體土壤侵蝕量計算

式中：Mf為以次風觀測資料測算的工程堆積體計算單元土壤侵蝕量（t）；Q為計算當年單位面積風蝕率（t∕km2）；I為粗糙干擾因子；H為風力作用下工程堆積體高度因子；P為風力作用下工程堆積體堆放方式因子；Gt為風蝕可蝕性因子；A為計算單元水平投影面積（hm2）；h為堆積體高度（m）。

根據式（7），風蝕工程堆積體土壤侵蝕量計算結果詳見表1。

通過類比遞推的方法計算，可預測出預測單元擾動后土壤侵蝕量，詳見表1。

4 自然恢復期土壤侵蝕量計算

項目區(qū)原地貌林草覆蓋率為30%，本項目自然恢復期土壤侵蝕量按照《生產建設項目土壤流失量測算導則》（SL773-2018）中一般擾動地表分別計算水蝕和風蝕土壤流失量，其中第1 年植被覆蓋度取5%、第2年植被覆蓋度取10%、第3年植被覆蓋度取15%、第4 年植被覆蓋度取25%、第5 年植被覆蓋度取30%。通過類比遞推的方法計算，可預測出預測單元擾動后的土壤侵蝕量，從而得到項目區(qū)自然恢復期土壤侵蝕總量。自然恢復期土壤侵蝕量計算結果，詳見表2。

表2 項目區(qū)自然恢復期土壤侵蝕量

5 預測結果分析

5.1 至設計水平年土壤侵蝕模數

至設計水平年，各項水土保持措施均已落實并初步發(fā)揮效益。根據方案設計，至設計水平年項目區(qū)林草覆蓋面積可達169.11 hm2，林草植被覆蓋率為84.90%，水蝕土壤侵蝕模數可采用一般擾動地表進行預測，植被覆蓋因子取0.01；根據《生產建設項目土壤流失量測算導則》（SL773-2018）中9.2.1 條，當地表植被覆蓋度和礫石覆蓋度達到60%時風蝕量為0[5]，因此至設計水平年只考慮水蝕土壤侵蝕量。經各區(qū)域加權平均，可得至設計水平年項目區(qū)土壤侵蝕模數為936.77 t∕（km2·a），詳見表3。

表3 至設計水平年項目區(qū)土壤侵蝕模數和土壤流失量

5.2 預測結果

5.2.1 土壤流失面積預測

施工期可能產生水土流失面積為236.14 hm2；自然恢復期，主體工程區(qū)等大部分地面均已硬化，硬化區(qū)域及排水溝等工程占地基本不再發(fā)生水土流失，只有植物措施區(qū)及自然生態(tài)修復區(qū)由于植被尚未完全恢復而產生水土流失，其面積為169.11 hm2。

5.2.2 土壤流失量預測公式

根據工程各施工分區(qū)開挖后形成的地形、地面組成物質等實際情況，結合上述類比資料，分析確定其擾動后土壤侵蝕量。

土壤流失量預測公式為：

式中：W為擾動地表土壤流失總量（t）；W水為水蝕土壤流失量（t）；W風為風蝕土壤流失量（t）；j為預測時段（h）；i為預測單元（1，2，3，…，n-1，n）；Fji為第j預測時段第i預測單元的面積（km2）；Mji為第j預測時段第i預測單元的土壤侵蝕量（t）。

5.3 項目建設造成的土壤流失預測結果

由于主體工程施工時間不同，各單元預測時段土壤流失量亦有所不同。項目建設造成土壤流失總量為28.97萬t，其中水力侵蝕土壤流失總量15.43萬t、風力侵蝕土壤流失總量13.54萬t。

建設期土壤流失總量中，原地貌土壤流失總量為3.40 萬t，新增土壤流失量為25.57 萬t；施工期土壤流失量為20.01 萬t，自然恢復期土壤流失量為8.96萬t。項目區(qū)土壤流失預測結果匯總，詳見表4。

表4 各預測單元土壤流失預測匯總

5.4 綜合分析

綜上，擬建飛機場擾動地表面積為236.14 hm2。根據現場調查結合主體工程設計，經測算，項目工程建設開挖土方總量為1 584.77 萬m3，回填土方總量為1 584.77 萬m3，工程建設無余方，不產生棄方。擬建項目建設造成水土流失總量為28.97 萬t，新增水土流失量為25.57 萬t，其中飛行區(qū)造成土壤流失總量為21.49 萬t，占土壤流失總量的73.78%；飛行區(qū)新增土壤流失量為19.07 萬t，占新增土壤流失總量的74.23%。土壤流失重點區(qū)域為飛行區(qū)，土壤流失重點時段為施工期。

5.5 水土流失危害分析

從預測結果可知，本工程水土流失產生的主要區(qū)域為飛行區(qū)。工程建設將擾動原地貌面236.14 hm2，致使原地貌形態(tài)、土壤結構、地表植被均不同程度受到改變和損壞，極易產生水土流失，加速工程所在區(qū)域及周邊地區(qū)植被退化和破壞。工程建設因開挖形成的裸露面，若不采取必要的防護措施，飛行區(qū)、航站區(qū)等區(qū)域將受大風、雨水或徑流的影響，可能導致項目無法正常安全運行。

6 結語

經測算分析，項目建設水土流失預測結果為工程建設將擾動地表面積236.14 hm2、損壞植被面積223.30 hm2，自然恢復期面積169.11 hm2；項目建設造成土壤流失總量28.97萬t，其中水力侵蝕土壤流失總量15.43萬t、風力侵蝕土壤流失總量13.54萬t。在土壤流失總量中，原地貌土壤流失總量3.40萬t，新增土壤流失量25.57 萬t；施工期土壤流失量20.01萬t，自然恢復期土壤流失量8.96萬t。項目飛行區(qū)造成土壤流失總量為21.49萬t，占土壤流失總量的73.78%。預測結論可為制定相關水土流失治理方案提供科學依據。