基于土壤流失量预测的水库工程水土流失计算及危害分析
时间：2023-05-28 18:55:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
连 燕
(四会市宏禹水利水电勘测设计有限公司，广东 四会 526200)
水库工程是人们基于原有的自然条件，将水资源进行合理存储、调节并使用的水利工程。在水库工程建设和应用过程中，项目区域大都存在着各种程度的水土流失，会给项目周边地区的生态环境造成极大破坏，因此在水库建设时要将减少水土流失作为需要解决的关键性问题。在水库工程的建设前期，要提前做好对土壤流失量的预测工作，并依此进行水土流失的计算和水土流失的危害性分析，从而制定相应的水土保持方案，使水库工程的建设更加科学合理，使其能够做出最大的贡献[1]。
水土流失是指由于自然或人为因素的影响、雨水不能就地消纳、顺势下流、冲刷土壤，造成水分和土壤同时流失的现象。主要原因是地面坡度大、土地利用不当、地面植被遭破坏、耕作技术不合理、土质松散、滥伐森林、过度放牧等。
因水土流失现象我国每年耕地面积缩减约6.67万hm2，对我国自然生态、耕地面积等造成严重破坏。
水土流失现象主要有3个特点：①时间集中，易发生在雨季；
②其破坏力巨大，容易带来不可估量的经济损失和人员伤亡；
③水土流失现象一旦发生，如不持续维护还容易造成二次伤害[3]。
水库工程本身作为控制利用和调节水源的工程，更需要谨慎对待遭遇水土流失带来的危害。水库工程发生水土流失的主要原因是工程建设中地表的水土开挖外力扰动、弃土弃渣在外力作用下加速水土侵蚀，主要集中在项目建设区域[4]。水库工程的水土流失危害在各分区主要是：
2.1 水库水源枢纽建设分区
水源枢纽施工会对原地表扰动，使原有的水土保持能力遭受破坏，在外力作用下会加速水土的侵蚀。如果没有采取防护手段，扰动后的地表会容易受到雨水和地表水流的冲刷，水土流失会加剧。工程土石方开挖量很大，如果不能及时将土石方运到渣场，在现场存放的土渣中的泥沙会被水流冲刷下在下游的河道淤积，对河道安全泄洪带来影响，并且会对河道下游的农地安全生产带来影响。
2.2 施工现场生产和生活设施分区
施工现场生产和生活设施分区的场地基础开挖会扰动原地表，从而破坏原地表的土壤组织构造，降低或丧失原地表的水土保持能力，使得该分区地表在外力作用下失去抵抗侵蚀的能力。如果不实施可靠的水土保持手段，会造成大量的水土流失，会对下游的农地及农民的生产生活带来极大影响。
2.3 灌溉及供水运输管线建设分区
水库工程的灌溉及供水运输管线线路一般都较长，对于地表扰动和土石方开挖量都较大，如果对挖出的土石方不能及时运出，并且采用必要的挡水、拦挡和防护手段，如果遇到雨水较大的情况容易发生水土流失。挖出的土石方会在水流的冲刷下发生滑落，会对附近的工程设施和农地造成损坏，对于下游农地的质量造成影响，而且该分区会对农地、灌草地造成临时占用，如果工程完成后不能及时对所占土地类型进行恢复，会造成用地面积的减少，增大该分区的水土流失，对于居住在附近的人们的生产和生活造成影响。
2.4 料场建设分区
料场建设分区水土流失的主要原因是该分区对于土石的开挖造成了裸露的坡地和临时堆土，对于原有的地形地貌带来变化，对于原地表的土壤间的组织构造造成破坏，使的该分区的水土保持能力降低。如果不能进行拦挡、排水和防护等有效水土保持手段，土石会被雨水和水流冲走加速水土流失，会对下游的道路和农地造成损坏，严重影响当地居民的生产生活。该分区会对农地、灌草地造成临时占用，如果工程完成后不能及时对所占土地类型进行恢复，会造成用地面积的减少，增加该分区的水土流失，对于工程生产和居民生产生活带来影响[5]。
2.5 渣场建设分区
渣场建设分区水土流失的主要原因是该分区用于存放工程建设施工中所废弃的土石，所存放的土石没有水土保持的能力，对于当地的地形地貌带来变化，对于原地表的土壤间的组织构造造成破坏，在外力作用下容易加速侵蚀。如果对于渣场分区所存放的土石不能进行拦挡、排水和防护手段，存放的土石会被雨水和地表水流冲刷造成严重的水土流失，对于下游的农地和河道的安全造成损坏。该分区会对农地、灌草地造成临时占用，如果工程完成后不能及时对所占土地类型进行恢复，会造成用地面积的减少，增加该分区的水土流失，对于居民生产生活带来影响。
2.6 道路交通工程建设分区
道路交通施工工程临时堆放的土石方容易形成松散的裸露边坡，在外力作用下能够加速侵蚀，如果不能够采用有效截排水和植物防护手段，能够产生严重的水土流失，而且土石方被雨水和地表水流冲刷极易对下游的农地造成淹没。临时道路会对农地、灌草地造成占用，如果工程完成后不能及时对临时道路所占土地类型进行恢复，会造成用地面积的减少，对于农业生产带来影响。
所以，水利工程设计和管理部门对于水土流失的危害需要做到预知预控，避免重大水灾旱灾。
3.1 水土流失量的计算
首先根据项目技术资料及施工工艺，并实地踏勘，预测出水库工程项目各建设区具体扰动区域及扰动地表面积[6]。然后根据《土壤侵蚀分类分级标准》中关于分级分类的相关规定，结合工程的水土保持监测数据及对专家进行咨询，进行各建设区强度划分并确定其土壤侵蚀模数。
土壤流失量计算公式为：
(1)
增加土壤流失量计算公式为：
(2)
(3)
式中：W为土壤流失量，t；
△W为增加土壤流失量，t；
△Myx为第x预测分区第y预测时段的增加土壤侵蚀模数，t/(km2·a)；
x为预测分区，x=1,2，…，n-1，n；
y为预测期段，1表示施工期段，2表示自然恢复期段；
Fyx为第x预测分区第y预测期段的面积，单位为km2；
Myx为第x预测分区第y预测期段的土壤侵蚀模数，t/(km2·a)；
Tyx为第x预测分区第y预测期段的预测时段长，a；
M0x为第x预测分区扰动前的土壤侵蚀模数，t/(km2·a)。
选择合适的土壤侵蚀模数后，将水库工程的各预测期段、预测分区的面积代入上面3个公式，进而也可计算出水土流量的总量，细分数据包括施工期间和自然恢复期时间段的分别流失量。根据预测时间段内的水土流失量进而确定出流失期段和防治分区。
3.2 水土流失量的预测
根据GB50433-2018《生产建设项目水土保持技术标准》和GB/T50434-2018《生产建设项目水土流失防治标准》的相关规定，结合水库工程项目的建设特点，现将水土流失量的预测内容和方法如表1所示。
表1 水土工程水土流失的预测内容和方法
水土流失量和时间段的预测，需要结合防治分区的划分，根据技术规范和防治标准制定相应的预测手段，另外预测时段结合水库工程建设区和影响区的不同特点，分成工程施工(包含准备)期段和工程自然恢复期段两个期段。在对期段进行预测时要考虑最有害的因素，工期如果多于雨季的时长要算作一年，不多于雨季时长的根据所占百分比进行统计[7]。
3.3 水土流失计算与预测示例
某地拟建水库，坝址以上集水面积为13.42km2，总库容为125万m3，正常蓄水水位1255m，工程等别为Ⅳ等，工程规模属小(1) 型，该项目所在地的土壤主要是赤红壤土和红黄壤土等类型，水土流失主要是受水力的侵蚀且其强度是轻度。预计每年的水土流失总量≥34.26t，侵蚀模数平均为每年1145t/km2，根据流失等级划分属于轻度流失区，占地面积不低于35.25hm2，其中扰动地面面积为26.25hm2。建设区各分区扰动地表面积如表2所示。
表2 建设区各分区扰动地表面积
经计算可得该水库工程各期段原地表、增加及总的水土流失量如表3所示。
表3 各期段水土流失量预测统计
通过对土壤流失量的预测结果以及水土流失危害进行研究分析，在水库工程的水土防治工作中应重点从以下3方面入手：
1)与自然恢复期相比，施工期是新增水土流失严重的关键时期，因此在施工过程中要对工程的施工进度妥善安排，使产生水土流失的时段能够得到极大减少[8]。因为雨季雨水冲刷会加剧水土流失，在施工中要尽量避免雨季施工，如果实在无法避免，应做好雨季时段的水土流失防护工作。
2)水土流失发生的重点区域是水库水源枢纽建设分区、施工现场生产和生活设施分区、灌溉及供水运输管线建设分区、渣场建设分区、道路交通工程建设分区，在这些区域要从施工的布置、施工的时段和主体项目的分析结果入手实施切合实际的防治手段，并且与主体项目的建设有效进行结合，从而形成综合的总体防治体系，使人为原因造成的水土流失和自然环境破坏得到最大程度的降低。
3)要监测水库工程建设的水土流失形式、期段及分区，掌握水土流失的各项情况及水土保持措施的效果，从中找出措施存在的不足或防治效果达不到要求的时候能够及时采取补救手段，使水土流失得到最大程度的控制。
由于水库工程建设过程中新增水土流失的特性，在对水库淹没分区进行预防保护措施外，应将水库水源枢纽建设分区、施工现场生产和生活设施分区、灌溉及供水运输管线建设分区、料场建设分区、渣场建设分区、道路交通工程建设分区、专项水利设施迁建工程分区作为水土防治的重点区域，从地面工程、栽种植被和临时工程3方面制定措施，形成综合水土防治总体布局，其中水土保持工程措施主要有去除地表土、地表覆土、阻水沟、平整地面等；
植被措施主要有栽种灌乔木、草皮、攀爬植物等；
临时措施主要有临时遮挡、排水等[9]。通过3方面措施的总体布局，实现水土防治的有效控制，生态环境得到最大程度的保护，水土流失防治总体布局如表4所示。
表4 水土流失防治总体布局
通过对水库工程进行水土流失防治分区及责任范围合理划分，设定水土防治重点工作区域，进行土壤流失量预测并进行水土流失计算和危害分析，从而在水土保持工程、植被及临时三方面实施水土防治措施建立综合水土防治体系，使水库工程水土流失得到有效防治控制，自然环境得到有效改善，最大限度减少水库工程的水土流失量[10]。
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