鬆散堆積物

鬆散堆積物的來源如下：

近些年,延安市建設開發區主要在棗園以西的蘭家坪一帶,南川河的火車站、馬家灣等地,以及向東沿延河干流河谷自橋兒溝至姚店鎮一帶的階地、坡麓地帶。如延安市飲水工程、延河大堤整修工程等施工場地均在河漫灘和一級階地上,工期內掘出土方就近堆積成壟崗地形。僅延河大堤工程,就在2. 5km河漫灘上堆積土方達17. 5× 104m3。再例如,西包公路李渠— 姚店段6. 7km翻修改造工程, 1998年初動工,擾動土方量達12. 5× 104m3 ,同時,在延河右岸開通陽山至姚店的簡易公路,修路需削坡奠基,將6. 74× 104m3 土石直接傾倒於延河河牀及岸坡。同期,配套施工的姚店大橋加寬工程,也於1998年2月初開工,橋長81m,寬度由原來的7m加寬至21m,施工期間,在蟠龍河口2km範圍內推土奠基、開挖岸坡、開山採石,到同年6月施工仍在進行,但該地區已漸入汛期,施工河牀僅留有5m寬左右的過水斷面,四周以鬆散棄土圍擋,河水沖刷侵蝕帶走大量泥土沙石。西延鐵路自延安火車站至北站陽山段16. 25km,該路段全部穿山越溝,工程棄土量較大,估計僅修建路基棄土石方達623. 52×104m3。目前,印子溝至陽山一帶延河右岸岸坡表層幾乎全部被鬆散土石方覆蓋,流水侵蝕嚴重,塌方時有發生。

房地產開發也有較多的廢棄土方,雖然大部分將回填,但也有部分無法回填。據土體可松性係數計算,延安建行兩棟家屬樓開挖土方4 200m3 ,人為棄土量就達113. 4t。據調查,工程建設棄土是延安市開發建設區的主要人為侵蝕產沙源。

延安市較大型工業大多以煤做為動力,因而多是些產生廢灰渣較多的工業,如延安發電廠、延安熱電廠、延安鋼廠、延安建設煤礦等,每年形成的灰渣侵蝕嚴重。此外,磚廠、預製廠等也產生較多的泥沙物質。據寶塔區環保局1996年調查資料,延安寶塔區工業固體廢棄灰渣產量達25. 99× 104 t /a,其中工業生產耗煤產生的灰渣為2. 07× 104 t /a。

目前,該城市生活垃圾無害化處理能力有限,加之受城市地貌條件限制,生活垃圾收集也有困難。因此,許多居民點的生活垃圾就近傾倒,甚至清掃街區的灰土也被就近倒入河谷。居民每人生活垃圾產生量按1 200g /d計算,延安市年產生活垃圾5. 3× 104 t /a。由於居民生活小環境塵土較多,而且延安市居民以煤做為主要燃料,因而垃圾中的泥沙和灰渣碎屑物質較多。這些碎屑物質堆置不當,也成為城市產沙來源。

異地泥沙進入城市的渠道主要有2種:

( a)人或車輛做為載體,將泥沙帶入城市,再經街區徑流沖刷進入河道。這部分泥沙來源顯然與延安市周邊黃土丘陵的侵蝕環境和道路路面性質有關。據監控統計,由大橋路入城的機動車輛(不含摩托) ,交通量為7 680輛/d,每年帶入延安市的泥沙達3 644. 16t。

( b)高空降塵物質也是延安城區泥沙物質來源之一。據市環保局監測,延安市區平均降塵量為1. 37t /km2· a ^[1]  。

利用侵蝕形態量測、扦杆法及定點監測等方法對延安市鬆散堆積物侵蝕調查測算,發現其侵蝕強度大多在8 000～ 50 000t /km2· a之間,最大達13. 05× 104 t /km2· a,最小為4. 8× 103 t /km2· a。其中,以人為傾倒的棄土坡和堆土場邊坡侵蝕最為嚴重。

由於人為堆積物物源複雜,其泥沙粒度組成差異很大。對延安市建成區及近郊區建設開發及生產生活產生的碎屑物質,進行粒度分析。

城市基本建設棄土的粒度組成與延安市附近的黃土物質組成有關。日常生產生活產生的沙土物質各粒度級變化較大,彼此之間很難對比,但總體上物質較粗。這些物質常常混雜了多種來源的屑碎,如拆遷舊宅的棄土,其中既有黃土泥坯,也有沙粒磚瓦碎屑等。有些物質還經過了多次輸移和分選,如生活垃圾、路面塵土等經過人為輸移及降水、風等自然外營力多次搬運分選,從而使粒徑粗化。這些物質無論是由人為傾倒進入河道,還是由地表徑流搬運進入河道,都會使河流粗泥沙增多 ^[2]  。

受地形條件限制,延安市新開發區順河谷延伸,在柳林、馬家灣、蘭家坪、姚店等地圍繞集鎮呈條帶狀。同時,延安周圍的許多支溝中下游地區,由於接近市區中心,生活方便,也成為開發建設的重點區域。工程建設形成的人為棄土,包括生活垃圾隨意堆放比較嚴重。這種隨意堆放的棄土如何輸移形成產沙,堆放地點與泥沙輸移路徑有什麼樣的關係,是應該研究的問題。為此,我們引入了現代數學方法圖論,進行初步研究。

據在市區和郊區的考察,人為鬆散堆積物堆積地點與其來源有關:

①基建棄土基本上為就近堆積,棄土堆積位置主要取決於地塊開發的區位;

②工業生產形成的棄土棄渣也以就近堆積為主,且大多接近河道。迫於環境保護管理的要求,一些工業也尋求合適的堆放地點,堆放點一般選定後較為固定,如延安發電廠在方家溝堆棄灰渣,規劃期為15年;

③生活垃圾的堆放極為散亂,尤其是支溝中生活垃圾隨意傾倒的現象比較嚴重,傾倒點多位於附近荒坡。

上述3類能產生泥沙的物質源地在各處有不同的堆積量,不同堆放點沙土物質輸移進入河道的通道也不完全一樣,但堆放的棄土如不加強治理,最終將被流水侵蝕進入延河干流。

所謂網絡圖是指僅由一些點及點之間的連線構成的圖形。點稱為圖的頂點,點之間的連線稱為圖的邊。利用圖論的數學方法和水力學物理原理來構造鬆散堆積物的輸移過程,建立圖形模型,可以從理論上説明延安市鬆散堆積物輸移的機制。延安市鬆散堆積物以降雨徑流侵蝕沖刷為主。在非雨季,人為堆積的棄土棄渣,構成無向圖,可記為G(V , E) ,其中V 為棄土,E 為相鄰棄土間距離。如暫不考慮棄土棄渣的物理性質和數量,則每一個堆放點構成圖的頂點vi ,人為鬆散堆積物之間以邊相連,則構成以下幾種無向網絡圖。

(1)樹枝狀網絡: 從支溝至溝口、階地、河牀,均有鬆散堆積物,支溝溝坡、溝底堆積物零散分佈,階地上堆積物集中堆放,河堤內又有傾倒的棄渣棄土,如鎖崖、延安機磚廠、蘭家坪、四十里鋪等許多支溝都已開發,溝口較為開闊,這些地方人為棄土便構成此種網絡。

(2)線狀網絡: 鐵路建設、公路建設以及沿交通線的斑塊狀開發等,均使沙土物質呈線狀或帶狀分佈,但往往堆積物在一定結點處較集中。例如,西延鐵路沿延河南岸自澤子溝至陽山僅11. 5km,就有7處架橋、3處穿洞,這幾處開挖土方及廢棄土方遠多於一般只修築路基的棄土量。再例如,自延安市區至姚店,沿西包公路,城市開發建設呈帶狀分佈,在東四十里鋪、李渠、周家灣、碾莊溝口、劉家萬溝口、橋兒溝等人口密集的區域,開發地塊較多,同時傾例的棄土廢渣量也較大,這些人為泥沙集散地呈帶狀排列。

(3)閉路網絡: 在集中開發建設區,如姚店、蘭家坪、河莊坪、東關等地,城市建設以管線鋪設和房地產開發為主,而且開發土地集中在一級階地上,建設期內堆放的棄土各自獨立,但從整體看,卻在一定範圍內形成產沙的網絡結構。這些土方,部分在工程完工後被回填,建設期內會發生侵蝕產沙,無法回填的棄土方也常常被直接倒入河道。這種網絡構圖,顯然具有動態多變的特點。如果在每個點記錄建設工程的工期、堆土量以及頂點的變動情況,我們就能獲得可靠的有關該地塊開發建設過程與侵蝕產沙的動態變化情況。

上述無向網絡構圖,使我們有可能利用圖論方法分析鬆散堆積物的堆放規律。這些貌似複雜、堆積無章的鬆散物質,受制於地形條件以及土地開發建設特點,便形成了有規律的網絡結構。

隨意傾倒鬆散堆積物不受外營力作用時,就是完全人為構成的產沙源地網絡。如果受降雨徑流侵蝕並且搬運,便會構成有序的輸移網絡,其始點就是鬆散堆積物,而其終點則是河谷。人為鬆散堆積物是由點狀侵蝕擴散,泥沙分散進入徑流,再由徑流呈線狀搬運至一定結點處匯聚,然後再進入河谷 ^[1]  。

我們對東四十里鋪方家溝( 0. 236km2 )周圍的人為鬆散堆積物進行了詳細調查,對鬆散棄土、棄灰渣、垃圾進行登記,並調查其侵蝕情況。構建網絡結構圖,並計算各邊的流量。繪製方家溝附近的人為棄土棄渣輸移分佈圖,直接用各段泥沙輸移通道所輸移的人為棄土棄渣量表示其流失程度(單位為t /a) ,結果表明,棄土侵蝕輸移強度以中部最大( 1 170. 0t /a ) ,其次為溝口附近( 76. 63t /a ) ,而遠離溝道的分水嶺區域無人為棄土,因此,不存在人為堆放棄土引起的泥沙輸移量。這種規律,在延安市極具有代表性。利用網絡解析法不僅能較準確地評價開發地塊水土流失情況,而且利用棄土棄渣輸移規律,對人為棄土棄渣進行整治,會取得良好的效果 ^[3]  。