西安市某输水总干渠复线工程新增土壤流失预测及防治

王淑虹,周宝华,杨 广

(1.新疆兵团勘测设计院集团股份有限公司,新疆 石河子 832000;2.新疆兵团勘测设计院集团股份有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000;3.石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832003)

1 工程概况

西安市某输水总干渠复线工程位于西安市东南约 68 km的蓝田县境内,是西安市李家河水库引水系统的重要组成部分。本工程的实施,能够使总干渠得到充分维护及检修;能够保障下游69.6万人的居民生活供水、188亿元工业增加值的工业生产用水安全的需要;能够提高供水保证率,改善水质是提高供水保证率的需要;能够保障李家河水库正常运行提高秦岭山区地表水的利用,是充分利用秦岭资源的需要。

工程建设内容由节制引水闸、输水隧洞、渡槽、箱涵连接段、末端汇流池、工程管理站组成。其中节制引水闸包括节制闸1孔,引水闸1孔;输水隧洞长5.42 km;渡槽5座,总长为1.365 km;箱涵共7段,总长0.925 km;汇流池1座;工程管理站1处。工程规模为中型,工程等别为Ⅲ等,隧洞、渡槽、箱涵、节制引水闸、汇流池等建筑物级别为 3 级,次要建筑物为4级,临时建筑物为5级。

工程所在地权属为蓝田县,占地共计23.18 hm2,其中永久占地2.15 hm2,临时占地 21.04 hm2。从占地类型统计,林地 15.24 hm2,耕地 4.37 hm2,其他土地1.43 hm2。由于项目区现状土地大部分为林地(其他林地)及少量耕地(旱地),本工程建设无法避让此地类,对临时占用耕地 4.37 hm2的范围的土地进行复垦,对占用林地 15.24 hm2范围的土地做好水土流失及恢复工作,使其在施工结束后基本可恢复原有生态。

工程土石方开挖总计40.09万 m3(表土剥离 4.04万 m3),填方总计25.16万 m3(表土回覆 4.04万 m3),无外借方,弃方14.93万 m3。弃渣均运至指定消纳场堆存,后期进行综合利用,已取得蓝田县政府部门同意。本工程填筑料采用开挖料,石料及砼骨料均采用商品砂砾石料,不再新增料场。

工程区交通道路网较为发达,施工期可直接利用现状通村公路,结合现状道路,修建 7 条临时施工道路,长度 8.785 km,路面宽 6 m,碎石路面,占地面积15.80 hm2。

工程区内无居住人口、房屋,无拆迁安置,不涉及专向设施改建。

2 区域水土流失现状与成因分析

2.1 水土流失现状

根据《西安市水土保持规划(2016-2030年)》,项目区属于西安市预防水土流失的重点区域,项目区所属蓝田县的水土流失类型为水力侵蚀,水土流失严重程度较低。根据2020年陕西省水土流失动态监测数据成果显示,蓝田县水土流失总面积为269.30 km2,蓝田县水土流失总面积中197.18 km2土地为轻度侵蚀,占蓝田县土地总面积的73.21%,48.30 km2土地为中度侵蚀,占蓝田县土地总面积的17.94%。根据《土壤侵蚀分类分级标准》 (SL190-2017),项目区容许流失量为1 000 t/km2·a,根据《西安市水土保持土壤侵蚀图》 等资料,项目区土壤侵蚀模数为1 527 t/km2·a。

2.2 水土流失成因

2.2.1 自然因素分析

项目区位于秦岭北麓,地貌类型为秦岭山地 沿线地形呈波状起伏,属暖温带半湿润大陆性季风气候,多年平均降雨量 833.33 mm 年蒸发量为610.3 mm,全年主导风向为西北风,年平均风速 1.6 m/s,年均最大风速为 26 m/s。水土流失以水力侵蚀为主,沿线地带性土壤以褐土和黄绵土为主植被属暖温带落叶,主要栽植的树种油松、华山松、山杨、柳树,主要草类植物有白茅草、燕麦、白蒿。项目区水蚀对地表土壤颗粒进行分解、冲刷和搬运,易造成严重水土流失现象,尤其是地表植被破坏后,对土壤的保护作用消失,将加剧水土流失。

2.2.2 工程施工影响因素分析

项目区产生水土流失的时段主要发生在建设期,主要包括场地、道路、输水工程等的开挖、填筑、堆垫等施工活动。工程建设由于对原有地形、地貌的不同程度改变,对原有地表、植被的扰动或破坏,可能会降低项目区内的水土保持功能,在一定时间内造成新的水土流失。

3 土壤流失预测的内容和方法

3.1 预测单元及预测时段

3.1.1 预测单元

根据主体工程总体布局及项目特点,结合现场踏勘与实地调查,本工程预测单元包括节制引水闸、隧洞工程、渡槽工程、箱涵工程、汇流池、工程管理站、临时施工道路、施工平台区和施工生产生活区,共计9个预测单元。

3.1.2 预测时段

本工程为建设类项目,根据本工程项目特点、施工方法和施工轮廓进度,根据对造成水土流失要素的分析,选择施工期(包括施工准备阶段)和自然恢复期作为水土流失的预测期。由于工程建设相对集中,根据主体工程的施工进度安排,施工期预测时段按 3 a计算。项目所在地属于温带半湿润大陆性季风气候,确定项目自然恢复阶段水土流失预测时段为 3 a。

3.2 预测方法

水土流失预测针对不同的预测内容采用不同的方法进行预测,本工程分别采用资料统计法和类比计算法。

3.2.1 原地貌、土地及植被破坏情况预测

对工程建设施工中挖掘、压占土地、林草植被破坏的类型、数量、程度和面积进行分类和统计。这些分析主要是基于主体工程的设计数据,以及现场调查和对自然资源专业地图的全面分析。

3.2.2 弃土、弃渣量的预测

利用实施方案数据对废渣量和开挖量、回填量之间的相关性进行统计分析,确定每个项目区的弃渣量、临时和永久废土的数量。各区域废土和废渣量的调配方案可根据现场勘察情况确定,推算出可产生的弃渣量,堆放方式和占地面积。

3.2.3 损坏水土保持设施的数量和面积预测

采用收集相关数据并结合实地调查的方式,对整个项目建设过程中破坏的水土保持设施的面积和数量进行计算,并列表分别记录。

3.2.4 可能造成土壤流失量预测

以下两方面是导致水土流失的主要原因:一是原有植被因受到地表扰动而被破坏,水土保持功能亏损或丧失,导致加速侵蚀区的出现使水土流失量增加;二是堆放和倾倒弃渣带来的水土流失量增加;因此,应分时段、分区进行对水土流失量进行预测。通过类比工程分析确定计算参数,利用经验公式法进行。

3.3 预测参数取值

3.3.1 土壤侵蚀背景值的确定

根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2017),结合项目区所在地的土壤植被、地形地貌情况以及“全国第二次土壤侵蚀普查”结果进行分析确定,项目区位于西北黄土高原区,侵蚀强度为轻度,土壤侵蚀模数背景值为 1 527 t/km2·a,土壤容许流失量为 1 000 t/km2·a。

3.3.2 扰动后侵蚀模数的确定

经现场踏堪与调查分析,与本工程相似的《西安市引蓝济李引水工程水土保持方案报告书》已完成了水土保持验收工作。本项目工程建设过程中的损坏、水土流失状况和自然条件等可能造成水土流失的原因、程度和影响与西安市辋川河引水李家河水库工程引水工程相似。因此,本项目建设期选择该工程作为类比工程,扰动后的侵蚀模数参照《西安市引蓝济李引水工程水土保持监测总结报告》中的数据。经过类比工程确定本工程扰动后土壤侵蚀模数为 4 000 t/km2·a。

3.3.3 可能造成的水土流失危害预测

对以下可能造成水土流失危害的因素,通过实地堪察、查阅设计图纸和当地气象资料等方式进行预测:

(1)扰动原地貌、破坏地表植被造成新增水土流失。

(2)当地农牧业生产和经济发展因破坏林草地和耕地而产生影响。

(3)对主体工程安全的影响。

(4)减轻自然灾害的预测。

4 预测结果

4.1 可能造成的新增水土流失量

在整个建设阶段(包括施工期和自然恢复阶段),对项目区域的各个分区进行了水土流失预测。利用土壤侵蚀量预测模型计算了本项目建设期间不同区域和时间的土壤流失量。在建筑阶段(包括自然恢复阶段),发生扰动水土流失总量为 2 882 t,新增水土流失量为1 383 t。临时施工道路区和施工平台区都是项目水土保持方案处理和监测的关键部位,其新增流失量较大。新增损失中856 t在临时施工道路区域,占项目总新增损失的61.16%;新增损失中195 t在施工平台区域,占项目总新增损失的13.93%。扰动原地貌水土流失量的预测结果见表1。

4.2 水土流失危害预测

如果在本项目建设时没有采取足够的安全防范措施,原址的水土流失可能会恶化,导致水土流失,危害当地的生态系统,损害环境容量。

项目的主要环境影响是施工过程中的临时堆土和基础开挖阶段,会产生严重的地面扰动,改变和破坏当地的植被和土壤结构,并不同程度地破坏了该地区原有的水土保持基础设施。由于施工过程产生的地面扰动而造成的松散堆积体和裸露地表,削弱了土地原有的土壤固结和抗侵蚀能力,这反而加速了水土流失。

需要采取有效的水土保持防护措施来预防和控制重大的水土流失,以防对当地的生产、正常的建设和该地区的生态系统产生影响。

因此,在项目建设过程中,如果方案设计中的临时挡土措施和水土保持植物措施及临时挡护措施能够与主体工程措施同步设计、同步施工、同步竣工验收、同步投产使用,可以有效防护项目建设造成的裸露土壤、填挖、堆积土等地貌,控制新增水土流失,减少环境污染和水土流失,促进生产效益和环境效益同步发展。

表1 工程建设期间扰动原地貌新增水土流失量预测表

5 防治对策及建议

5.1 对水土流失防治的指导性意见

根据预测结果,临时施工道路区、施工平台周围的区域是大量发生新增水土流失的区域。在规划水土保持措施时,应首先考虑这两个区域。在布置具体措施时,应根据危害情况和区域条件制定有效的防治方案,并根据各种工程的生产和施工区域、施工工艺、时间、特点、季节等因素来制定。在临时道路区域施工期间,应限制车辆通行,避免多余扰动;对于其他水土流失不明显的区域,也应制定有针对性的防治计划,并制定相应的防治措施,以减少施工过程中的水土流失量。

根据气候和地形特征,水力侵蚀是项目区的主要土壤侵蚀类型。为了建立一个综合防治体系,应结合工程性质和施工特点,周密安排水土保持措施,使工程措施、植物措施和临时措施能产生有机结合,以及点、线和表面管理的有机结合。根据现场的特点、附近的地形和植被状况,应采取适当的工程措施和植物措施。

5.2 对施工进度安排的指导性意见

各施工区域要按照《中华人民共和国水土保持法》和 "三同时 "制度的有关规定,对所有水土保持工程和主体工程的建设进行同步管理,落实水土保持措施,最终保证水土保持工程与主体工程同期验收。为了有效减少扰动面积,加快施工进程,应合理的在建设过程中对施工场地进行施工组织设计。应尽量避免在暴雨和大风期间进行场地平整和路基边坡填筑施工等施工活动,并加强应急预防措施。永久性工程措施如截排水沟、护坡等应尽量提前施工。

根据水土流失的预期结果,施工阶段是严重的新增水土流失的时期。为了减少建筑期间强水土流失的时间,应该紧凑地制定施工时间表。如果在主体工程建设前平整场地,应立即对剥离表土形成的临时堆土场实施临时挡护措施,不应拖延;可能的话,地基开挖应在雨季之外进行;尽管如此,在不可行的情况下,应加强覆盖和遮挡等临时防护措施;建议在主体工程建设时,在其他非施工区域种植和养护植物。根据主体工程施工进度的安排,植物措施须分阶段、分批次进行。此外,可以考虑主体工程和防治措施一起进行。例如,基础土方回填后,可立即进行土地整治。同时,在临时施工道路附近,需要加强排水和拦挡的预防措施。根据主体工程的建设进度,各施工区域的水土保持防控措施要及时分期、分批落实到位。

本期工程在建设中应采取相应的拦挡措施,并在主体工程防护措施基础上,进一步完善植物和雨季临时防护措施,使其形成一个全面、完整、行之有效的水土流失防治体系。

5.3 对水土保持监测的指导性意见

不同的施工区域,水土流失的程度和特点也不尽相同,因此,对于不同的水土流失区域,针对性的水土保持监测也是必要的。每个区域的监测内容应全面、完整,监测点的设置要有战略性,有代表性,要能准确把握每个施工区域的水土流失特征。施工期是整个项目水土保持监测的重要时期,施工平台区和临时施工道路则是重点监测区域。跟踪和预测水土流失动态,了解项目建设带来的水土流失的发展展和变化规律,考虑对周围生态系统的影响,了解在建设阶段造成水土流失的主要变量以及对环境的影响程度,以便及时采取措施或调整措施有效控制水土流失。