小灣電站建設過程中水土流失動態(tài)研究

白致威 丁劍宏 李加順 李海燕

(云南省水利水電科學研究院，云南 昆明 650028)

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小灣電站建設過程中水土流失動態(tài)研究

白致威 丁劍宏 李加順 李海燕

(云南省水利水電科學研究院，云南 昆明 650028)

通過在小灣電站布設侵蝕釘、樣方定點觀測等方法，對廠壩綠化區(qū)、施工場地區(qū)、存(棄)渣場區(qū)、廠內道路區(qū)、土石料場區(qū)進行水土流失動態(tài)監(jiān)測，研究大型電站建設區(qū)內不同部位的水土流失的分異情況，對比分析了項目建設區(qū)原生地表、監(jiān)測前、監(jiān)測過程中以及水保防治措施實施后的水土流失變化。結果表明：堆渣類擾動是項目建設區(qū)各土壤擾動類型水土流失的主要破壞源，其水土流失破壞率高達48%；監(jiān)測期項目建設區(qū)水土流失面積、水土流失量有逐年減小的趨勢；存(棄)渣場年水土流失量最大，占年內土壤流失量的72.30%～83.30%；水土防治措施實施后，項目建設區(qū)比原生地表的年水土流失量均有不同程度的下降，各項目的土壤侵蝕已由本地的輕度為主變?yōu)槲⒍?，且各分區(qū)的土壤侵蝕強度非常接近容許值500 t/(km2·a)。

小灣電站；水土流失；水保監(jiān)測；渣場；防治

水電站建設項目為經濟發(fā)展注入了活力，對推動區(qū)域經濟發(fā)展作出了重大貢獻。同時，在建設和生產過程中對地表土壤造成破壞，廢棄大量渣石，造成嚴重的水土流失，直接危害建設區(qū)及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，并對項目本身產生威脅[1]。大量開發(fā)建設項目的實施，造成水土保持設施的破壞，加劇水土資源流失，嚴重破壞了開發(fā)區(qū)的生產生活環(huán)境，造成了嚴重的經濟損失[2]。統(tǒng)計結果表明，“十五”期間的開發(fā)建設項目產生歧途廢渣92.10億t，導致土壤流失9.46億t，平均年流失量約2.00億t，相當于抵消了等量的水土保持減沙效益[1]。

20世紀90年代初我國頒布《中華人民共和國水土保持法》以后，生產建設項目的水土流失監(jiān)測工作開始得到重視[3]。近年來，我國水土保持學家及相關從業(yè)者在開發(fā)建設項目過程中的水土流失監(jiān)測和治理等方面開展了很多研究，使我國開發(fā)建設項目水土保持監(jiān)測成為常態(tài)化，逐漸形成一套比較完整和規(guī)范的水土保持監(jiān)測理論與方法體系[4]。但現有的水土流失監(jiān)測方法多針對面積較大區(qū)域或流域的農地、林地，通用性較差，且存在監(jiān)測信息時效性不強等問題[5]；同時也存在合理的監(jiān)測頻度難于確定和水土流失動力因子監(jiān)測不深入等問題[6]。水電站建設是重要的開發(fā)建設項目類型。水電站建設期相對較長，施工場地狹窄，施工開始前需要修筑進場道路，平整施工現場，對當地植被破壞嚴重，加之山區(qū)地質構造復雜，地質條件差，水電開發(fā)建設施工過程中對土體的破壞極易產生水土流失現象。在建設期間，由于防護措施不足而遭雨水沖刷流失的現象十分普遍，主要集中在取料場、存(棄)渣場[7-8]。建設末期對地表的挖填擾動基本結束，臨時堆土、石及設備材料均已清運走，場地開始平整，該時段雖有裸露地表，但水土流失強度也會大大降低[9]。

大型電站的開發(fā)建設將破壞原地表生境，若不加以控制，將加劇水土流失的發(fā)生，從而對下游地區(qū)的水資源、水質、泥沙、水生生物、魚類保護產生影響[10-12]。水電站建設山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，一旦遭到破壞就很難得到恢復，因此，開展山區(qū)大型水電開發(fā)建設項目過程中的水土流失監(jiān)測就顯得格外重要。本研究以瀾滄江中游小灣大型水電站建設為例，針對水電站建設的重要時段和關鍵部位及其水土流失特點，開展水土保持動態(tài)監(jiān)測，依據監(jiān)測結果完善水土保持措施體系，為預防和治理施工建設期嚴重水土流失提供參考依據。

1 研究區(qū)概況

小灣水電站位于云南省西部大理白族自治州的南澗縣和臨滄市的鳳慶縣交界處，地處瀾滄江中游，是瀾滄江中下游河段規(guī)劃8個梯級中的第2級。壩址位于瀾滄江干流與左岸支流黑惠江匯口以下約1.5 km處，地處東經100°05′35″、北緯24°41′52″，距鳳慶縣城64 km，距澗縣城89 km，距省會昆明市455 km。小灣水電站為雙曲拱壩，大壩最高292 m，壩頂長892.8 m，壩頂寬12 m，水庫正常蓄水位1 240 m，總庫容149.1×108m3，調節(jié)庫容為98.95×108m3，具有多年調節(jié)性能。水電站以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、旅游和庫區(qū)水運等綜合效益，其發(fā)電量除滿足云南省不斷增長的能源需求外，汛期50%、枯期30%的電量將輸送到廣東省，并對云南省電源結構的戰(zhàn)略性調整起到極其重要的作用。小灣電站于2002年1月20日正式開工建設，2004年10月25日完成大江截流，2012年工程竣工。

小灣工程區(qū)地處北回歸線附近，屬于高海拔低緯度的暖溫帶及亞熱帶氣候區(qū)，由于地形復雜，相對高差大，氣候垂直變化明顯，海拔1 300 m以下的干熱河谷區(qū)，寒潮影響微弱，光照充足，無明顯冬季，僅有干濕季之分。每年6—10月為雨季，降水量占全年的76.1%；11月至翌年5月為枯季，降水量占全年的23.9%。多年平均降水天數為146.7 d。

2 研究方法

本研究運用的水土流失監(jiān)測方法包括定位監(jiān)測和臨時監(jiān)測，其中定位監(jiān)測主要通過構建簡易水土流失觀測場實現。簡易水土流失觀測場一般布設于填方邊坡，布設樣地規(guī)格為5.0 m×5.0 m。將直徑0.6 cm、長50 cm的鋼釬，在選定的坡面樣方小區(qū)按照2.5 m×2.5 m的間距分縱橫方向垂直打入地下9支鋼釬，使鋼釬釘帽與坡面的距離為10 cm，并在釘帽上涂上油漆編號。經過一段時間后，觀測釘帽距地面的高度減去10 cm計算侵蝕深度，以此計算土壤侵蝕數量。根據坡面坡度和土壤容重還可估算該區(qū)域的土壤侵蝕模數，計算公式為：

A=ZS/10 000/cosφ

式中：A為土壤侵蝕數量(m3)；Z為侵蝕厚度(mm)；S為鋼釬控制坡面面積(m2)。

臨時監(jiān)測主要通過構建簡易坡面量測場實現。由于工程實際施工情況的限制，不能選定標準樣方作為觀測樣方，選定適當長寬的坡面，測量坡面最初形成的坡度、坡長、坡面及其組成物質、容重等。記錄坡面形成的時間，過一段時間后，測量侵蝕溝的體積得出溝蝕量，并通過溝蝕占總侵蝕量的比例計算樣地的水土流失量。

2002年1月20日工程開工至2006年12月研究地未能開展水土保持監(jiān)測工作，因此，該階段發(fā)生的水土流失主要根據其他工程建設期的侵蝕模數按照經驗值估算所得。2007—2011年，在施工區(qū)(廠壩綠化區(qū)、施工場地區(qū)、存棄渣場區(qū)、場內道路區(qū)、料廠區(qū))共布設監(jiān)測點61個，其中調查監(jiān)測點41個，地面觀測監(jiān)測點20個。其中2007年度共布設監(jiān)測點46個，其中調查監(jiān)測點37個，地面觀測監(jiān)測點9個；2008年度新增調查監(jiān)測點3個，地面觀測監(jiān)測點4個；2009年度新增調查監(jiān)測點1個，地面觀測監(jiān)測點2個；2010年度新增地面觀測監(jiān)測點5個；2011年沿用2010年度監(jiān)測點。監(jiān)測頻次每年至少進行4次，結合工程實際開展情況，重點區(qū)域重點監(jiān)測，降雨集中時段多次監(jiān)測。本研究所用的行業(yè)內部術語詳解參考開發(fā)建設項目水土流失監(jiān)測的相關參考教程和標準[1， 4]。

3 結果與分析

3.1 原生地表的土壤流失

調查結果表明，工程建設過程中實際擾動范圍包括廠壩綠化區(qū)、施工場地區(qū)、場內道路區(qū)、存(棄)渣場區(qū)、料場區(qū)，實際擾動面積412.19 hm2，比方案原設計擾動面積(715.00 hm2)減少了302.81 hm2。監(jiān)測結果表明，項目建設區(qū)原生地表土壤流失量為2 960.48 t/a。對原生地表土壤流失量貢獻最大的為存(棄)渣場區(qū)，占38%；其次為場壩綠化區(qū)和廠內道路區(qū)(表1)。

表1 項目建設區(qū)原生地表的土壤流失Tab.1 Soil loss of primary surface of the construction area

3.2 各擾動類型的水土流失

根據工程實際施工情況，本工程地表擾動類型主要為平臺類、堆渣類及開挖類。監(jiān)測結果表明，項目建設區(qū)擾動地表類型平臺類的水土流失量為4 603.01 t/a，開挖類的水土流失量為7 536.16 t/a，堆渣類的水土流失量為11 303.87 t/a。其中堆渣類擾動類型造成的水土流失量較大。堆渣類的流失量約占總流失量的48%，其次為開挖類占32%，平臺類最少為20%(表2)。因此，工程建設過程中，存棄渣場區(qū)是水土流失防治中的重點區(qū)域。

3.3 項目建設區(qū)水土流失動態(tài)分析

小灣電站2002—2006年階段水土流失估算結果見表3，該時段內場壩綠化區(qū)對土壤流失量的貢獻最大，為42.38%；其次是存(棄)渣場區(qū)，占32.52%。

表2 項目建設區(qū)各擾動類型的水土流失Tab.2 Soil erosion of disturbance type of the construction area

續(xù)表2 項目建設區(qū)各擾動類型的水土流失

表3 2002—2006年項目建設區(qū)擾動地表的水土流失量Tab.3 Soil erosion amounts of disturbance surface of the construction area in 2002-2006

2007年工程建設擾動地表面積416.46 hm2，造成水土流失的面積為128.24 hm2，水土流失量為4 316.73 t，擾動區(qū)土壤侵蝕模數為1 154.27 t/(km2·a)，造成水土流失面積區(qū)土壤侵蝕模數為3 744.10 t/(km2·a)。與2002—2006年相比，該時段局部區(qū)域土壤侵蝕強度有所增強，其中存(棄)渣場區(qū)和料場區(qū)主要是因為工程施工可能造成水土流失區(qū)土質較疏松，植被受到破壞，其蓋度較原生狀態(tài)低，加之植被多以草本植物為主，水土流失防治功能降低，棄渣場區(qū)流失量占總流失量的79.96%。而廠內道路區(qū)、廠壩綠化區(qū)和施工場地區(qū)由于硬化面積增加，經過數年的綠化，其固土能力得到增強，相應的流失量比原生流失量有不同程度的減少。2008年工程建設擾動地表面積416.95 hm2，造成水土流失的面積為123.76 hm2，水土流失量為3 666.18 t，擾動區(qū)土壤侵蝕模數為879.28 t/(km2·a)，造成水土流失面積區(qū)土壤侵蝕模數為2 962.33 t/(km2·a)。該時段棄渣場區(qū)土壤侵蝕量2 651.11 t，占總侵蝕量的72.3%；其他區(qū)域為1 015.07 t，占總侵蝕量的27.7%。2008年土壤侵蝕量比2007年減少650.55 t，平均土壤侵蝕模數降至1 000.00 t/(km2·a)以下，水土流失區(qū)土壤侵蝕模數有所下降。各分區(qū)監(jiān)測2008年和2007年對比結果表明，存(棄)渣場區(qū)侵蝕量減少，這可能與工程挖方減少，棄土量減少有關；而場內道路施工區(qū)、施工場地區(qū)、料場區(qū)均有不同程度增加。2009年工程建設擾動地表面積362.73 hm2，造成水土流失的面積為81.12 hm2，土壤侵蝕量為2 530.99 t，擾動區(qū)平均土壤侵蝕模數為697.76 t/(km2·a)。該時段棄渣場區(qū)土壤侵蝕量1 874.39 t，占總侵蝕量的74.1%；其他區(qū)域為656.67 t，占總侵蝕量的25.9%。2009年土壤侵蝕量比2008年減少1 135.20 t，平均土壤侵蝕模數有所下降。2010年工程建設擾動地表面積共計356.77 hm2，造成水土流失的面積為59.83 hm2，土壤侵蝕量為1 917.25 t，擾動區(qū)平均土壤侵蝕模數為537.62 t/(km2·a)。該時段棄渣場區(qū)土壤侵蝕量1 595.94 t，占總侵蝕量的83.24%；其他區(qū)域為321.31 t，占總侵蝕量的16.76%。2010年土壤侵蝕量比2009年減少613.74 t，平均土壤侵蝕模數有所下降。2011年工程建設擾動地表面積與2010年度相比無變化，共計356.77 hm2，造成水土流失的面積有所減少，為55.34 hm2，土壤侵蝕量為1 696.10 t，擾動區(qū)平均土壤侵蝕模數為475.41 t/(km2·a)。該時段棄渣場區(qū)土壤侵蝕量1 412.88 t，占總侵蝕量的83.30%；其他區(qū)域為283.22 t，占總侵蝕量的16.70%。2011年土壤侵蝕量比2010年減少221.15 t，平均土壤侵蝕模數有所下降。

在監(jiān)測時段內隨著工程建設擾動地表面積的逐年減少，擾動區(qū)的土壤侵蝕模數和水土流失量，造成的水土流失面積和土壤侵蝕模數都呈降低的趨勢。由此可見，水利設施建設過程中引起的土壤流失量的變化與施工進度關系密切。隨著施工進度的開展，以及水土保持措施的實施和發(fā)揮作用，土壤流失量逐年減少。同時，隨著工程的開展，各監(jiān)測分區(qū)的水土流失面積呈逐年減少的趨勢(圖1)。存(棄)渣場占總水土流失面積的75.70%至80.81%，為水土流失的主要破壞區(qū)。除2009年外，場壩綠化區(qū)幾乎未發(fā)生水土流失，廠內道路區(qū)和料場區(qū)的水土流失面積都有大幅的減少。2009年之前施工場地區(qū)水土流失面積未發(fā)生明顯變化；2009年之后隨著工程的接近竣工，水土流失面積降幅明顯。

監(jiān)測期間，隨工程的進展，開挖過程中對地表的強烈擾動和棄渣產生大量的土壤流失，存(棄)渣場是發(fā)生水土流失的主要區(qū)域(圖2)。

其中存(棄)渣場及廠內道路區(qū)水土流失量均有逐漸降低趨勢。監(jiān)測時段內，廠內道路已完工，2008年廠內道路區(qū)水土流失量呈現最高值，是因為該年降雨持續(xù)時間長造成的。年際分異上，2007年存(棄)渣場水土流失量占總流失量79.96%，2008年占總流失量72.30%，2009年占總流失量74.10%，2010年占總流失83.24%，2011年占總流失量83.30%。2007—2009年廠壩區(qū)綠化建設完工，沒出現水土流失；2009年廠壩區(qū)綠化區(qū)改建，出現水土流失；2009—2011年，廠壩區(qū)水土保持措施的完善加強，也沒出現水土流失，由此可以發(fā)現存(棄)渣場是工程建設中水土流失的重點區(qū)域，應加強保護性措施。隨著工程的進展，建設了擋土墻、排水溝和覆土種草等措施，水土保持效果逐漸顯現，水土流失量也逐年減少。

3.4 防治措施實施后的水土流失

根據批復的水土保持方案，項目建設區(qū)內的廠壩綠化區(qū)、施工場地區(qū)和場內外道路區(qū)的水土保持工程防治措施主要包括：在廠壩綠化區(qū)對壩肩兩岸開挖邊坡進行處理，采取隨開挖逐層進行，用預應力錨桿、錨索固定、表面噴混凝土等方式進行護坡，在隧洞進出口處，采取清除風化層、擋護、噴混凝土和截水溝等措施進行防護；在施工場地對砂石料加工及拌和系統(tǒng)場地、材料加工和堆放場地、承包商營地等建筑物周邊布設擋墻和排水溝等；在永久公路設計中對挖方路段及公路內側布設排水溝、擋土墻、削坡、護坡及截水溝等措施進行防護。此外，隨著工程的進展，又陸續(xù)采取了一些水土保持工程措施和生物措施。這些措施除維護工程的安全和正常運行外，還具有水土保持功能。

為了較好地反映項目區(qū)主體工程建設結束后，各項防治措施實施后項目區(qū)水土流失情況，本研究根據項目區(qū)目前布局情況及水土流失防治措施實施情況，將各監(jiān)測分區(qū)占地使用情況進行劃分，并根據各種用地類型特點確定土壤侵蝕模數，從而計算出各監(jiān)測分區(qū)的平均土壤侵蝕模數(表4)。

表4 項目建設區(qū)防治措施實施后的水土流失Tab.4 Soil erosion after controlling measure of the construction area

由表4可知，項目區(qū)防治措施實施后的水土流失量為1 959.58 t/a，各項目區(qū)防治措施實施后，年水土流失量相比原生地表水土流失量均有不同程度的下降，其中存(棄)渣場區(qū)水土流失量減少最多，減少了363.88 t/a。因此，實施水保措施取得了明顯的效果，各項目的水土流失已由輕度侵蝕為主變?yōu)槲⒍惹治g為主，且各分區(qū)的土壤侵蝕強度非常接近容許值500 t/(km2·a)。

對比各階段監(jiān)測結果，水土流失情況總體趨勢為施工期最大，工程建設完畢后，隨著大部份面積的土壤硬化，以及水土保持防治措施的實施，年水土流失量大幅降低。但由于擾動地表類型的變化，小區(qū)域水土流失量變化有所不同。整個項目區(qū)在措施實施后，水土流失量均呈現遞減趨勢，隨著水土保持措施的效率不斷增強，各區(qū)的水土流失量將會不斷減弱。

4 結論與討論

1) 小灣電站項目建設區(qū)原生地表水土流失量為2 960.48 t/a，其中存(棄)渣場的水土流失量貢獻最大(占38%)，其次為場壩綠化區(qū)和廠內道路區(qū)。

2) 項目建設區(qū)不同土壤擾動類型中堆渣類的流失量最大，約占總流失量的48%；其次為開挖類，占32%；平臺類最少為20%。因此，工程建設過程中，存(棄)渣場區(qū)是水土流失防治中的重點區(qū)域。

3) 在2007—2011年間，2007年項目建設區(qū)水土流失面積、水土流失量最大，監(jiān)測時段內有逐年減小的趨勢；存(棄)渣場年水土流失量最大，占年內土壤流失量的72.30%～83.30%，應加強保護性措施。

4) 項目建設區(qū)水土防治措施實施后，年水土流失量相比原生地表的水土流失量均有不同程度的下降，其中存(棄)渣場區(qū)水土流失量減少最多，減少了363.88 t/a，因此實施水保措施取得了明顯的效果，各項目的土壤侵蝕已由本地的輕度變?yōu)槲⒍葹橹鳎腋鞣謪^(qū)的土壤侵蝕強度非常接近容許值500 t/(km2·a)。

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(責任編輯 韓明躍)

Dynamic Monitoring of the Soil Erosion During the Construction of Xiaowan Hydropower Stations

Bai Zhiwei, Ding Jianhong, Li Jiashun, Li Haiyan

(Yunnan Institute of Water Resources and Hydropower Research, Kunming Yunnan 650028, China)

In this paper, the soil erosion during the construction of Xiaowan hydropower was monitoring dynamically by using methods of eroding nail and fixed quadrats observation, the spatial variation of soil erosion in different area of green areas, construction areas, abandoned dreg sites, earth rockfill materials sites and roads during the construction of the hydropower station were analyzed, and the temporal different of soil erosion in the of primary surface of the construction area at three period of before the monitoring, during the monitoring and after bringing soil and water conservation measures were studied. The results showed that the abandoned dreg disturbance was the main soil disturbance types contributed for soil erosion soil loss amounts, which accounted for the 48% of the total erosion amounts. And the soil erosion load from abandoned dreg site was accounted for 72.30% to 83.30% of the year total soil loss amounts. The soil loss amounts showed a decreasing trend during the monitoring period. Compared with primary surface, a decreased trend for soil erosion amounts were observed in all monitoring areas after bringing soil and water conservation measures, the soil erosion levels in all monitoring areas decreased from slight to weak degrees, and the soil erosion modulus was close to the soil loss tolerance vale of 500 t/(km2·a).

Xiaowan hydropower stations; soil and water loss; dynamic monitoring of the soil erosion; abandoned dreg site; prevention

2015-07-20

云南省水利科技計劃項目“高原紅壤坡耕地容許土壤流失量計算方法的構建及應用”資助。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.011

S774

A

2095-1914(2015)05-0058-06

第1作者：白致威(1965—)，男，高級工程師。研究方向：水土保持科學。