松散堆积物的来源有工程建设形成的废弃土方、工业生产废弃灰渣、居民生活垃圾、城市接纳的异地泥沙等。利用侵蚀形态量测、扦杆法及定点监测等方法对延安市松散堆积物侵蚀调查测算,发现其侵蚀强度大多在8 000～ 50 000t /km2· a之间,最大达13. 05× 104 t /km2· a,最小为4. 8× 103 t /km2· a。其中,以人为倾倒的弃土坡和堆土场边坡侵蚀最为严重。
简介
松散堆积物的来源如下：
工程建设形成的废弃土方
近些年,延安市建设开发区主要在枣园以西的兰家坪一带,南川河的
火车站、马家湾等地,以及向东沿延河干流河谷自桥儿沟至姚店镇一带的阶地、坡麓地带。如延安市饮水工程、延河大堤整修工程等施工场地均在河漫滩和一级阶地上,工期内掘出土方就近堆积成垄岗地形。仅延河大堤工程,就在2. 5km河漫滩上堆积土方达17. 5× 104m3。再例如,西包公路李渠— 姚店段6. 7km翻修改造工程, 1998年初动工,扰动土方量达12. 5× 104m3 ,同时,在延河右岸开通阳山至姚店的简易公路,修路需削坡奠基,将6. 74× 104m3 土石直接倾倒于延河河床及岸坡。同期,配套施工的姚店大桥加宽工程,也于1998年2月初开工,桥长81m,宽度由原来的7m加宽至21m,施工期间,在蟠龙河口2km范围内推土奠基、开挖岸坡、开山采石,到同年6月施工仍在进行,但该地区已渐入汛期,施工河床仅留有5m宽左右的过水断面,四周以松散弃土围挡,河水冲刷侵蚀带走大量泥土沙石。西延铁路自延安火车站至北站阳山段16. 25km,该路段全部穿山越沟,工程弃土量较大,估计仅修建路基弃土石方达623. 52×104m3。目前,印子沟至阳山一带延河右岸岸坡表层几乎全部被松散土石方覆盖,流水侵蚀严重,塌方时有发生。
房地产开发也有较多的废弃土方,虽然大部分将回填,但也有部分无法回填。据土体可松性系数计算,延安建行两栋家属楼开挖土方4 200m3 ,人为弃土量就达113. 4t。据调查,工程建设弃土是延安市开发建设区的主要人为侵蚀产沙源。
工业生产废弃灰渣
延安市较大型工业大多以煤做为动力,因而多是些产生废灰渣较多的工业,如延安发电厂、延安热电厂、延安钢厂、延安建设煤矿等,每年形成的灰渣侵蚀严重。此外,砖厂、预制厂等也产生较多的泥沙物质。据宝塔区环保局1996年调查资料,延安宝塔区工业固体废弃灰渣产量达25. 99× 104 t /a,其中工业生产耗煤产生的灰渣为2. 07× 104 t /a。
居民生活垃圾
目前,该城市生活垃圾无害化处理能力有限,加之受城市地貌条件限制,生活垃圾收集也有困难。因此,许多居民点的生活垃圾就近倾倒,甚至清扫街区的灰土也被就近倒入河谷。居民每人生活垃圾产生量按1 200g /d计算,延安市年产生活垃圾5. 3× 104 t /a。由于居民生活小环境尘土较多,而且延安市居民以煤做为主要燃料,因而垃圾中的泥沙和灰渣碎屑物质较多。这些碎屑物质堆置不当,也成为城市产沙来源。
城市接纳的异地泥沙
异地泥沙进入城市的渠道主要有2种:
( a)人或车辆做为载体,将泥沙带入城市,再经街区径流冲刷进入河道。这部分泥沙来源显然与延安市周边黄土丘陵的侵蚀环境和道路路面性质有关。据监控统计,由大桥路入城的机动车辆(不含摩托) ,交通量为7 680辆/d,每年带入延安市的泥沙达3 644. 16t。
( b)高空降尘物质也是延安城区泥沙物质来源之一。据市环保局监测,延安市区平均降尘量为1. 37t /km2· a。
侵蚀强度及粒度组成
松散堆积物的侵蚀强度
利用侵蚀形态量测、扦杆法及定点监测等方法对延安市松散堆积物侵蚀调查测算,发现其侵蚀强度大多在8 000～ 50 000t /km2· a之间,最大达13. 05× 104 t /km2· a,最小为4. 8× 103 t /km2· a。其中,以人为倾倒的弃土坡和堆土场边坡侵蚀最为严重。
松散堆积物的粒度构成
由于人为堆积物物源复杂,其泥沙粒度组成差异很大。对延安市建成区及近郊区建设开发及生产生活产生的碎屑物质,进行粒度分析。
城市基本建设弃土的粒度组成与延安市附近的黄土物质组成有关。日常生产生活产生的沙土物质各粒度级变化较大,彼此之间很难对比,但总体上物质较粗。这些物质常常混杂了多种来源的屑碎,如拆迁旧宅的弃土,其中既有黄土泥坯,也有沙粒砖瓦碎屑等。有些物质还经过了多次输移和分选,如生活垃圾、路面尘土等经过人为输移及降水、风等自然外营力多次搬运分选,从而使粒径粗化。这些物质无论是由人为倾倒进入河道,还是由地表径流搬运进入河道,都会使河流粗泥沙增多。
城市人为弃土输移的分析
受地形条件限制,延安市新开发区顺河谷延伸,在柳林、马家湾、兰家坪、姚店等地围绕集镇呈条带状。同时,延安周围的许多支沟中下游地区,由于接近市区中心,生活方便,也成为开发建设的重点区域。工程建设形成的人为弃土,包括生活垃圾随意堆放比较严重。这种随意堆放的弃土如何输移形成产沙,堆放地点与泥沙输移路径有什么样的关系,是应该研究的问题。为此,我们引入了现代数学方法图论,进行初步研究。
人为弃土堆积的点位
据在市区和郊区的考察,人为松散堆积物堆积地点与其来源有关:
①基建弃土基本上为就近堆积,弃土堆积位置主要取决于地块开发的区位;
②工业生产形成的弃土弃渣也以就近堆积为主,且大多接近河道。迫于环境保护管理的要求,一些工业也寻求合适的堆放地点,堆放点一般选定后较为固定,如延安发电厂在方家沟堆弃灰渣,规划期为15年;
③生活垃圾的堆放极为散乱,尤其是支沟中生活垃圾随意倾倒的现象比较严重,倾倒点多位于附近荒坡。
上述3类能产生泥沙的物质源地在各处有不同的堆积量,不同堆放点沙土物质输移进入河道的通道也不完全一样,但堆放的弃土如不加强治理,最终将被流水侵蚀进入延河干流。
弃土堆积形成的网络构造
所谓网络图是指仅由一些点及点之间的连线构成的图形。点称为图的顶点,点之间的连线称为图的边。利用图论的数学方法和水力学物理原理来构造松散堆积物的输移过程,建立图形模型,可以从理论上说明延安市松散堆积物输移的机制。延安市松散堆积物以降雨径流侵蚀冲刷为主。在非雨季,人为堆积的弃土弃渣,构成无向图,可记为G(V , E) ,其中V 为弃土,E 为相邻弃土间距离。如暂不考虑弃土弃渣的物理性质和数量,则每一个堆放点构成图的顶点vi ,人为松散堆积物之间以边相连,则构成以下几种无向网络图。
(1)树枝状网络: 从支沟至沟口、阶地、河床,均有松散堆积物,支沟沟坡、沟底堆积物零散分布,阶地上堆积物集中堆放,河堤内又有倾倒的弃渣弃土,如锁崖、延安机砖厂、兰家坪、四十里铺等许多支沟都已开发,沟口较为开阔,这些地方人为弃土便构成此种网络。
(2)线状网络: 铁路建设、公路建设以及沿交通线的斑块状开发等,均使沙土物质呈线状或带状分布,但往往堆积物在一定结点处较集中。例如,西延铁路沿延河南岸自泽子沟至阳山仅11. 5km,就有7处架桥、3处穿洞,这几处开挖土方及废弃土方远多于一般只修筑路基的弃土量。再例如,自延安市区至姚店,沿西包公路,城市开发建设呈带状分布,在东四十里铺、李渠、周家湾、碾庄沟口、刘家万沟口、桥儿沟等人口密集的区域,开发地块较多,同时倾例的弃土废渣量也较大,这些人为泥沙集散地呈带状排列。
(3)闭路网络: 在集中开发建设区,如姚店、兰家坪、河庄坪、东关等地,城市建设以管线铺设和房地产开发为主,而且开发土地集中在一级阶地上,建设期内堆放的弃土各自独立,但从整体看,却在一定范围内形成产沙的网络结构。这些土方,部分在工程完工后被回填,建设期内会发生侵蚀产沙,无法回填的弃土方也常常被直接倒入河道。这种网络构图,显然具有动态多变的特点。如果在每个点记录建设工程的工期、堆土量以及顶点的变动情况,我们就能获得可靠的有关该地块开发建设过程与侵蚀产沙的动态变化情况。
上述无向网络构图,使我们有可能利用图论方法分析松散堆积物的堆放规律。这些貌似复杂、堆积无章的松散物质,受制于地形条件以及土地开发建设特点,便形成了有规律的网络结构。
弃土的侵蚀输移
随意倾倒松散堆积物不受外营力作用时,就是完全人为构成的产沙源地网络。如果受降雨径流侵蚀并且搬运,便会构成有序的输移网络,其始点就是松散堆积物,而其终点则是河谷。人为松散堆积物是由点状侵蚀扩散,泥沙分散进入径流,再由径流呈线状搬运至一定结点处汇聚,然后再进入河谷。
总结
我们对东四十里铺方家沟( 0. 236km2 )周围的人为松散堆积物进行了详细调查,对松散弃土、弃灰渣、垃圾进行登记,并调查其侵蚀情况。构建网络结构图,并计算各边的流量。绘制方家沟附近的人为弃土弃渣输移分布图,直接用各段泥沙输移通道所输移的人为弃土弃渣量表示其流失程度(单位为t /a) ,结果表明,弃土侵蚀输移强度以中部最大( 1 170. 0t /a ) ,其次为沟口附近( 76. 63t /a ) ,而远离沟道的分水岭区域无人为弃土,因此,不存在人为堆放弃土引起的泥沙输移量。这种规律,在延安市极具有代表性。利用网络解析法不仅能较准确地评价开发地块水土流失情况,而且利用弃土弃渣输移规律,对人为弃土弃渣进行整治,会取得良好的效果。