研究探讨柴达木盆地风沙区铁路工程
取土场风力侵蚀模数研究
巨邦强1，刘金鹏2，3，高文永3，张展3，陈豫津2，周自强2（1.中国铁路青藏集团有限公司格库铁路建设指挥部，青海格尔木816000；
2.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃兰州730000；
3.黄河水文水资源科学研究院，河南郑州450003）
摘要：风沙区土壤风力侵蚀模数的客观取值直接影响着铁路工程水土保持措施的设计和效益
发挥。以柴达木盆地风沙区格库铁路工程典型取土场为研究对象，采用传统的风蚀监测方法和SL773—2018国标导则指导公式对取土场原始背景、施工期、平整整治后3个阶段的土壤侵蚀模
数进行分析研究。研究表明：2种研究方法结果产生差别的主要原因为前者的操作误差和后者
的参数取值误差，在原始背景和整治条件下，2种方法均能客观表征土壤侵蚀程度，但在开挖
施工期间，应结合集沙仪采集数据作为补充更为合理。
关键词：取土场；风力侵蚀模数；铁路工程；风沙区；柴达木盆地
中图分类号：S157文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）08-0065-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.08.065
0引言
柴达木盆地是青藏高原东北缘的大型山间断陷盆地，四周分别被阿尔金山、祁连山、昆仑山和鄂拉山环抱，地理坐标为90°00′~99°20′E、34°40′~39°20′N。盆地地貌格局受构造控制，呈北西西—南东东走向，是青海省主要的风沙区。随着经济发展，盆地内各类建设活动大量增加，尤其是以敦格铁路、格库铁路、青藏铁路以及即将建设的格茫高速公路等为代表的交通建设工程尤为迅速，这类工程的建设产生众多工程取土场。以格库铁路（青海段）为例，交通建设形成的取土场数量多达110个，扰动破坏面积为998.29hm2，约占整个工程占地面积的26%。这些取土场工程不仅改变了原有地
基金项目：甘肃省科学院创新团队资助项目（CX201801）；甘肃省科学院院列科研项目（2018JK-18）
第一作者：巨邦强（1982—），男，高级工程师。
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通信作者：刘金鹏（1972—），男，研究员，博士。
E-mail：
形地貌，而且在深层开挖活动后，原土表面破坏、土壤结构重塑、植物生长立地条件进一步恶化，造成了较为严重的水土流失危害，是土地沙漠化的重要原因之一［1-3］。
研究将依据格库铁路工程（青海段）典型风沙区段的取土场风力侵蚀监测数据，结合《生产建设项目土壤流失量测算导则》（SL 773—2018）进行校核，对该区域工程取土场风力侵蚀模数进行研究，以期为后续的取土场土壤流失监测工作和整治措施提供参考指导，对积极促进区域生态环境恢复有着重要的科学意义。
1
研究区概况
1.1
工程概况
格库铁路青海段线路起点位置为格尔木市火车东
站，沿昆仑山北麓、柴达木盆地南缘西行，与省道S303、国道G315伴行。青海段铁路正线里程为505.468km ，等级为国铁Ⅰ级（单线），设计时速
120km 。线路沿途经格尔木南→格尔木西→拖拉海→大灶火→小灶火→乌图美仁→那陵格勒→塔尔丁→甘森→黑山→花土沟等车站后在青海新疆交界的茫崖镇衔接格库铁路新疆段，线路总体走向自东南向西北（见图1）。
线路所经区域主要为柴达木盆区，总体地势西北高东南低，地形较为平缓。大部分线路布设在山前倾斜洪积平原前缘，风沙地貌较为突出。工程沿线土壤
类型主要有漠土、风沙土、盐土等，除个别区域植被类型为荒漠植被和沼泽植被外，沿线大部分段落地表基本无植被分布。
1.2典型取土场概况冬季的诗句
研究仅针对风沙区典型取土场，选择DK381+500
左侧180m 的取土场为典型取土场，取土场中心坐标为N37°51′48″、E91°21′04″。取土场表层为壤质砂土，厚度为5~15cm ，取土深度内为砂壤土，厚度为200~450cm 。
典型取土场相关特征见表1，气象水文及土壤要素见表2。塑料味
2
研究方法
2.1
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数据来源
（1）取土场特征数据：均为实际测量，测量工具
主要为全站仪、手持GPS 、坡度仪；
（2）取土场所在区域气象水文数据：取土场所在位置在小灶火和茫崖之间，气象水文数据取自小灶火国家气象站（结合茫崖区域站修正）；
（3）取土场土壤物理参数：实地取土、实验室分析，实验室为甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所土工实验室；
（4）土壤风蚀量数据：实地布设监测，监测方法主要为测钎法、全方位集沙仪。
2.2
研究方法
2.2.1
原始背景值测定方法
在本次研究中，在典型取土场北侧200m 位置布设
土壤风蚀背景值监测小区，测定方法为测钎法，测钎9根，间距2.0m ，分3次测定，测定时间为2016
年3月
图1
研究区及线路走向、典型取土场位置
表2
典型取土场气象水文及土壤要素
表1
典型取土场相关特征
25日、5月25日、10月25日。原始背景值土壤侵蚀模数按公式（1）计算［1］。妹子聊天
S T =γs SL cos θ·103，
（1）
式中：S T 为土壤流失量，g ；γs 为土壤容重，g/cm 3；S 为观测小区面积，m 2；L 为平均土壤流失厚度，mm ；θ为观测小区坡面坡度，（°）。
2.2.2取土施工期间土壤侵蚀量测定方法
取土期间由于施工干扰影响，不宜布设测钎观测小区。本研究采用全方位风蚀集沙仪进行监测，集沙仪布设在取土场持续取土部位下风向20m 位置（随取土位置变化而逐步推进）。取土期间土壤流失量按公式（2）计算［4］。观测时间为2016年3月25日—10月25日，一次性取量测算。
德诚珠宝G =0.1·T ·（（H ·L ）/S ），
（2）
式中：G 为土壤流失量，kg ；T 为收集沙砾质量，g ；H 为集沙仪高度，cm ；L 为集沙仪垂直风向长度，m ；S 为集沙仪收集断面面积，cm 2。
2.2.3取土场整治后土壤侵蚀量测定方法
取土场整治后在其迎风坡面位置布设土壤风蚀监
测小区，测定方法为测钎法，测钎9根，间距2.0m ，分3次测定，测定时间为2017年4月20日、6月15日、10月14日。整治后的土壤侵蚀模数仍然按公式（1）计算。
2.2.4土壤侵蚀量校核
根据SL 773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》，按照一般扰动地表校核计算，计算公式为公
式（3）—公式（5）［5］
，计算时段按月考虑。
M =QIJAG ，（3）Q =（v m /1.3）3
·（（ETP-P ）/ETP ）·Χ，（4）ETP =0.19（20+T ）2
·（1-r m ），
（5）
式中：M 为计算单元月风蚀量，t ；Q 为计算当月风蚀率，t/km 2；I 为地表粗糙干扰因子，无量纲；J
为地表物质紧实度系数，无量纲；A 为计算单元水平投影面积，km 2；G 为风蚀可蚀性因子，无量纲；v m 为计算当月平均风速，m/s ；ETP 为计算当月潜在蒸散发量，mm ；P 为计算当月降水量，mm ；Χ为计算当月天数，d ；T 为计算当月平均气温，°C ；r m 为计算当月平均湿度。
监测点位设施布置见图2。
3
研究结果
3.1
监测测定结果
原始背景值监测侵蚀模数和取土场整治后的侵蚀
模数按照公式（1），计算最终值为3次测定结果的加权平均值。集沙仪设计测量高度分别为距地面0.5、1.0、2.0m 3种，集沙筒全方位随风向自由旋转，集沙口尺寸为2.0cm×5.0cm 的矩形，计算最终值为3种高度测定结果的加权平均值。典型取土场3阶段土壤风蚀量测定结果见表3。
3.2校核结果
本次研究取土场风力侵蚀土壤流失量计算时段按
月考虑，采用SL 773—2018
《生产建设项目土壤流失
（a
）原地貌（b ）取土施工期
（c ）整治后
图2典型取土场监测点位设施布置
表3典型取土场3
阶段土壤风蚀量测定结果
量测算导则》相关程序，按照一般扰动地表计算。各阶段标准计算小区宽度按1.0m 取值，坡长按5.0m 取值，坡度按原始背景、施工期、整治后的实际平均坡度取值，分别为5°、50°、26.6°。典型取土场计算参数取值见表4，典型取土场各阶段土壤侵蚀模数校核计算结果见表5。
4
讨论与分析
4.1
监测测定结果与校核结果的对比
根据前述监测和校核结果，2种典型取土场风力侵
蚀模数对比见图3。从图3可知，在原始背景侵蚀模数方面实际监测结果略大于校核结果，增加值为
222t/km 2·a ；取土施工期间实际监测结果大于校核结果，增加值为2628t/km 2·a ；取土场整治后实际监测结
果小于校核结果，减小值为665t/km 2·a 。
4.2分析
（1）原始背景侵蚀模数实际监测结果略大于校核
结果，分析原因为：①在校核计算中，考虑到原始地表在长时间的风蚀过程中表面细粒物质随风蚀流失量是逐步增加的，现状表面已经形成了覆盖度约为10%的粗砂颗粒，地表粗糙干扰因子相对减少；②根据现场调查，其地表土壤主要以壤质砂土为主，土壤可侵蚀因子相对扰动后的砂土有所减小；③在校核计算中考虑到是原始地表背景计算值，因此，没有考虑扰动后的地表物质紧实度系数变化，最终的计算结果是基于理想基底形成的。而实际监测使用的是测钎法，测钎高度的测值会有人为测量误差，在测钎布设过程中对原始地表的扰动和破坏影响也是其监测实际值增大的原因。
（2）取土施工期间实际监测结果大于校核结果，分析原因为：①在校核计算中，由于地表以及深层开挖破坏了原始的地表砾石覆盖物，地表粗糙干扰因子取值为最大上限值（无植被及砾石覆盖）；②地表及深层开挖后，裸露的土壤为取土深度内的土壤，主要以砂壤土为主，开挖造成的土壤结构松散，土壤可侵蚀因子和地表物质紧实度系数相对增大，更易产生风蚀流失；③校核计算中，所采用的公式是基于标准下垫面小区的计算值，但在实际开挖施工过程中，随着开挖机械的上下左右活动，在距离地面有效风力侵蚀高度内（本研究取值为2m ），同样会产生严重风力侵蚀流失量，而这部分流失量对于集沙仪而言，更能较准确地收集和反映。因此，在这一阶段，实际监测风力
表4
典型取土场计算参数取值
表5
典型取土场各阶段土壤侵蚀模数校核计算结果
图3典型取土场风力侵蚀模数对比
侵蚀土壤流失量增大的部分主要来源于机械开挖施工过程中计算风力高度内的流失量。
（3）取土场整治后实际监测结果略小于校核结果，分析原因为：①本取土场整治，采用的方法是削缓取土场边坡，平整取土场底部。整治过程中由于机械的碾压造成了地表土壤的压实度高于原始地表，土壤可侵蚀因子和地表物质紧实度系数相对减小，产生风蚀流失的下垫面相对好于原始地表；②地表粗糙干扰因子仍取值为最大上限值（无植被及砾石覆盖），对校核计算没有影响；③在校核计算中，没有考虑降水对风力侵蚀的影响。根据现场调查，取土场研究区域即使降水有限，也能使本区域土壤在碾压后的表层形成土壤结皮（受该取土场土壤含盐影响），进而降低土壤风蚀侵蚀。因此，本阶段实际监测值小于校核结果。
5结论与建议
5.1结论
通过对格库铁路（青海段）典型风沙区取土场风力侵蚀实际监测结果与理论指导公式计算结果的对比分析，进一步揭示了实际监测和理论计算的误差所在。目前对于风力侵蚀实际监测采用的普遍方法为测钎法和集沙仪法，研究认为集沙仪法在取土场施工期间监测结果是较为可信的。相对于理论指导公式，集沙仪法相对完整地考虑了取土开挖过程中地表以及距地表以上机械活动过程中的土壤流失因素。其次，在原始地表以及施工平整后的扰动表面，测钎法和理论指导公式所得到的结果均可接受，只是测钎法如何在极少扰动地表土壤的测量方法上还需要进一步研究完善。理论指导公式在具体计算
上需要的参数数据较为庞大，因此，进一步增加水土保持监测经费，充分提高数据采集的合理性显得尤为必要。
5.2建议
（1）在生产建设项目水土保持监测工作中，监测方法应该因区、因时而异，尤其是风力侵蚀区域施工期间的土壤流失量要采用集沙仪等配套设备，不应笼统地将测钎法采集的数据作为监测成果。
（2）生产建设项目开挖活动造成的风力侵蚀，很大一部分流失量来自于机械活动的影响。因此，建议在施工期间，在开挖断面上风向位置布设阻风屏障可以有效降低土壤流失量［6-8］。
（3）目前，在编制水土保持方案中，对土壤流失量预测内容的编写，缺乏统一的依据。建议报告编制者在以后的工作中充分利用SL773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》进行预测，在后期水土保持监测工作中通过科学合理的实际监测值，进一步完善导则中各设计参数的取值，为我国水土保持监测工作高质量发展提供支撑。
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责任编辑李葳
收稿日期2019-05-22
