江西省山地風電項目區(qū)水土流失與防治研究

張華明, 吳治玲, 昝玉亭, 李 英, 龔長春, 熊 峰, 車騰騰

(1.江西省水土保持科學研究院, 江西 南昌 330029; 2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室, 江西 南昌 330029)

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)保障，也是經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)。風能作為一種清潔的可再生能源，幾乎不產(chǎn)生污染物，成本低于火力發(fā)電[1]，比火力發(fā)電具有更高的環(huán)境價值[2]，能夠改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提高資源利用，避免對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響[3]，越來越受到政府和企業(yè)的重視。2012年中國新增風電裝機容量和累計風電裝機容量均為世界第一[4]。江西風能資源總儲量約6.00×107kW，其中技術(shù)可開發(fā)量約3.10×106kW，且增長迅速[5]，至2020年，風電裝機容量將達到1.70×106kW以上。受地形和氣候的共同影響，江西省風能資源主要集中在贛北鄱陽湖地區(qū)和高海拔山地[6]。隨著2012年首批山地風電項目核準立項，江西省山地風電項目開發(fā)拉開了序幕[7]，將以高山風場為重點發(fā)展風電。

江西省山地面積約6.01×104km2，這些山地是以沿山脈走向的線狀式分布或孤立山峰的點狀式分布的風能資源豐富區(qū)，具有較好的風能資源開發(fā)潛力[8]。江西山地風電項目一般位于海拔較高的山頂或山脊，一般平均起伏度<300 m，平均坡度<10°[9]，建設(shè)地點一般70 m高空平均風速大于6.0 m/s，近地面風速大于4.0 m/s[10]。項目建設(shè)中的風機基礎(chǔ)開挖、升壓變電站修建、集電線路敷設(shè)、施工道路修建和棄土堆置等活動不可避免地對原地表和植被造成破壞，具有水蝕、風蝕并存[11]，水土流失危害大[12]，水土流失防治及植被恢復難度都比較大[13-14]等特點，容易引發(fā)水土流失與生態(tài)環(huán)境破壞等系列問題[15]，對項目建設(shè)進度甚至項目安全都會造成一定程度的影響，這越來越引起政府相關(guān)部門及專家的重視[16]。目前，國內(nèi)外學者對風電場的選址[17-18]及其影響因素[19]、風電環(huán)境價值[20]、開發(fā)措施[21]、水土流失特點及其防治措施[22-24]和對生態(tài)環(huán)境的影響[25]等都進行了大量研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選擇江西省6處典型風電項目為研究對象，通過分析山地風電項目特點、工程占地與土石方特征、水土流失情況，闡述山地風電項目建設(shè)區(qū)域土地受損情況及水土流失特征，提出山地風電項目水土流失防治重點和措施建議，為山地風電項目環(huán)境保護與水土流失治理提供科學依據(jù)與參考。

1 研究項目概況

江西省地貌以山地、丘陵為主，東、南、西三面群山環(huán)抱，峰巒重迭，山勢峻撥；中部丘陵、盆地相間；北部地面開闊，平原坦蕩，河湖交織。江西屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，冬季盛行偏北風，夏季盛行偏南風，年平均氣溫17.8 ℃，自北向南逐漸增高；全省年降水量在1 377～1 991.6 mm之間，南多北少，東多西少；山區(qū)多，盆地少；年降水主要集中在4—6月，約占全年的42%～53%。地帶性土壤有紅壤和黃壤，紅壤廣泛分布于海拔800 m以下的低山區(qū)和丘陵崗地，800 m以上為黃壤、暗黃棕壤和山地草甸土等。江西屬中亞熱帶常綠闊葉林地帶，植被類型繁多，植物資源豐富，現(xiàn)狀植被主要為針葉林、針闊混交林，隨著海拔升高，分布有山頂矮林、山地草甸等山地植被。受地形和氣候的共同影響，江西風能資源除富集于鄱陽湖區(qū)外，主要分布在高山山地，如東部武夷山脈，西部省羅霄山脈，西北部幕阜山、九嶺山。根據(jù)近幾年江西山地風電項目規(guī)劃建設(shè)情況，選擇武夷山、九連山、羅霄山、幕阜山等山脈的6處典型山地風電項目進行分析。研究項目共建設(shè)風機204臺，單機容量涉及2 000，2 100，2 500 kW等3種型號，總裝機容量428.5 MW，項目建設(shè)規(guī)模及內(nèi)容等情況詳見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 山地風電項目建設(shè)特點

根據(jù)項目建設(shè)內(nèi)容和施工擾動范圍，山地風電項目可劃分為風機機組區(qū)、升壓站區(qū)、集電線路區(qū)、道路工程區(qū)、棄土場區(qū)和施工場地區(qū)等。

風機機組區(qū)主要包括風機基礎(chǔ)、箱式變電站和風機安裝平臺3個部分，受項目裝機規(guī)模和風機數(shù)量的影響。山地風電的風機一般建于山頭或山脊上，海拔范圍500～1 760 m，風機區(qū)域地形尖瘦陡峭，風機施工安裝需要對場地進行開挖，形成施工平臺，項目挖方基本無法回填，產(chǎn)生大量棄土(石、渣)。升壓站區(qū)主要布置中控樓、配電室、附屬用房及泵房、庫房和主變壓器等，周邊設(shè)置圍墻。升壓站一般設(shè)在地形平坦、臨近村莊的地方，沿現(xiàn)有道路或進場道路布設(shè)。集電線路區(qū)一般包括直埋電纜和架空線路。直埋電纜一般布設(shè)在800 m及以上高海拔地區(qū)，以適應惡劣的山區(qū)氣候環(huán)境，直埋電纜需要開溝敷設(shè)，埋于地下，不占地面和空間，施工簡單；架空線路采用鐵塔架設(shè)，塔基施工涉及土石方開挖回填，地表擾動呈點狀分布，影響范圍相對較小。山地風電項目受其風機機位和建設(shè)條件的限制，需要修建較長的進場道路和施工檢修道路，總長達數(shù)10 km。進場道路主要為上山道路，起點接風場周邊現(xiàn)有道路，終點接風場內(nèi)施工檢修道路，海拔逐漸抬升，沿線植被和地形地貌變化較大；施工檢修道路為風場內(nèi)道路，聯(lián)通各風機機位，主要沿山脊或山體等高線修建，其長度受地形、風機數(shù)量及分布等影響。道路工程一般采用山嶺重丘四級公路標準建設(shè)，建設(shè)標準低、工程占地和土石方量大、沿線地形復雜，導致道路工程區(qū)是山地風電項目地表擾動和植被破壞最為嚴重的區(qū)域。棄土場區(qū)主要為風機機位和道路工程施工多余的開挖土(石、渣)方堆放區(qū)，一般臨近風機或道路布設(shè)。山區(qū)地形陡峭，山高谷深，棄土場也是易發(fā)生嚴重水土流失的區(qū)域之一。施工場地區(qū)包括升壓站施工場地和設(shè)備轉(zhuǎn)運場地，一般選擇地形較為平坦的場地。

表1 研究項目基本情況

2.2 工程占地分析

工程占地包括項目建設(shè)征用、占用、使用及管轄的地域，是生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持的一項基礎(chǔ)性指標。研究項目總占地面積498.39 hm2，單臺風機占地2.44 hm2，每1 kW容量占地11.63 m2。從項目組成占地比重來看，道路工程區(qū)占地最多，占總占地面積的61.68%；其次為風電機組區(qū)，占總占地面積的12.97%；第三為集電線路區(qū)，占總占地面積的12.18%；施工場地占地最小，僅占總占地面積的1.05%。項目工程占地情況詳見表2。由表2可知，研究項目道路工程長37.9～62.1 km，路基寬度一般為5.5 m，行車寬度4.5 m。由于道路工程里程長，導致其占地比重最大。這充分說明道路工程區(qū)是山地風電項目的占地主體，其方案設(shè)計對工程占地和區(qū)域環(huán)境景觀具有重要影響，因此，在工程設(shè)計中應尤其注重道路工程選址選線和斷面設(shè)計。樂安鴨公嶂風電道路工程里程總長47.64 km，占地面積50.60 hm2，與定南雙山風電相比，道路工程里程長5.6 km，但占地少5.36 hm2，其主要原因是鴨公嶂風電12 km進場道路是在路基寬2.0～3.5 m的鄉(xiāng)村道路上擴建，大大減少了道路工程占地，這也說明道路工程建設(shè)受現(xiàn)有交通影響較大，可以充分利用現(xiàn)有山區(qū)道路建設(shè)，有效減少工程占地。

表2 研究項目工程占地情況 hm2

2.3 土石方平衡分析

土石方與工程建設(shè)規(guī)模、施工方案和區(qū)域地形地貌及地質(zhì)等情況密切相關(guān)。山地風電項目根據(jù)風電設(shè)備運輸及施工安裝的要求，需要對風機機組區(qū)和道路工程區(qū)等區(qū)域進行開挖、回填，但受區(qū)域地形地貌及地質(zhì)情況的限制，開挖土石方難以全部調(diào)配利用，往往容易產(chǎn)生大量棄土(石、渣)，研究項目土石方平衡情況詳見表3。

由表3可知，研究項目總挖方量9.21×106m3，總填方量6.27×106m3，總棄方量2.93×106m3；單臺風機挖方4.51×104m3，填方3.08×104m3，棄方1.44×104m3；每1 kW容量挖方2 148.91 m3，填方1 464.39 m3，棄方684.53 m3。從各分區(qū)的挖方來看，道路工程區(qū)挖方最多，達6.83×106m3，占總挖方量的74.15%；其次為風電機組區(qū)，占總挖方量的19.90%；第三為升壓站區(qū)，占總挖方量的3.22%；施工場地占地最小，僅為3.29×104m3，占總挖方量的0.36%。從填方來看，道路工程區(qū)填方最多，達5.00×104m3，占總填方量的79.62%；其次為風電機組區(qū)，占總填方量的13.46%；第三為集電線路區(qū)，占總填方量的3.29%；施工場地填方最小，僅為3.09×104m3，占總填方量的0.49%。從棄方來看，道路工程區(qū)棄方最多，達1.83×106m3，占總棄方量的62.42%；其次為風電機組區(qū)，為98.75，占總棄方量的33.67%；其他區(qū)域的棄方數(shù)量均較小。除部分升壓站設(shè)置在山包產(chǎn)生棄方外，一般可以實現(xiàn)土方平衡。集電線路區(qū)和施工場地產(chǎn)生的少量棄方，可以在區(qū)域內(nèi)平衡。

表3 研究項目區(qū)土石方平衡情況 104 m3

從土石方平衡角度分析，挖方、填方、棄方均以道路工程區(qū)最大，其次為風機機組區(qū)，兩者合計分別占項目總量的94.05%，93.08%，96.09%，說明道路工程區(qū)和風機機組區(qū)是山地風電項目地表擾動最為劇烈的區(qū)域，是山地風電項目棄渣的主要來源區(qū)。從土石方挖方利用率來看，研究項目的挖方總利用率為68.15%，風機機組區(qū)為46.10%，升壓站區(qū)為66.34%，道路工程區(qū)為73.17%，集電線路區(qū)和施工場地區(qū)分別為94.46%和93.92%。風機機組區(qū)土石方利用率最低，遠低于項目挖方總利用率，說明風機機組區(qū)最易產(chǎn)生棄土石(渣)，這與其所處區(qū)域的地形地貌和施工方案密切相關(guān)。這也充分說明在山地風電項目規(guī)劃設(shè)計中，要重視風機機組區(qū)和道路工程區(qū)的選址選線及豎向與平面設(shè)計，盡可能減少土石方挖方數(shù)量，提高土石方利用率，加大土方回填利用力度，減少棄土(石、渣)，保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境景觀。

2.4 水土流失量分析

水土流失量是反映生產(chǎn)建設(shè)項目區(qū)水土流失情況以及對周邊環(huán)境影響程度的重要指標，與項目建設(shè)區(qū)的擾動地表面積、水土流失預測時段、土壤侵蝕背景模數(shù)、擾動后的土壤侵蝕模數(shù)等有關(guān)。受工作條件和技術(shù)手段的限制，通常利用與建設(shè)內(nèi)容相同、自然環(huán)境條件相似的其他山地風電項目的水土保持監(jiān)測成果，采用類比法，分析計算水土流失量，研究項目區(qū)水土流失量情況，結(jié)果詳見表4。由表4可知，研究項目區(qū)水土流失總量81 787 t，新增水土流失量74 334 t；單臺風機水土流失總量400.92 t，新增水土流失量364.38 t；每1 kW容量水土流失總量0.19 t，新增水土流失量0.17 t。從水土流失總量來看，道路工程區(qū)水土流失量最多，占總水土流失量的51.93%；其次為風電機組區(qū)，占總水土流失量的24.72%；第三為棄土場區(qū)，占總水土流失量的9.56%；其他區(qū)域的水土流失量均較小。從新增水土流失量來看，道路工程區(qū)新增水土流失量最多，占總新增水土流失量的53.87%；其次為風電機組區(qū)，占總新增水土流失量的21.84%；第三為棄土場區(qū)，占總新增水土流失量的10.13%；其他區(qū)域的新增水土流失量均較小。這和各區(qū)的擾動面積、土石方等相關(guān)，相同降雨條件下，裸露面積越大，挖填土方越多，就越容易發(fā)生水土流失。道路工程區(qū)、風機機組區(qū)、棄土場區(qū)對項目區(qū)水土流失貢獻最大，三者的新增水土流失量占總量的85.84%，這充分說明道路工程區(qū)、風機機組區(qū)、棄土場區(qū)是山地風電項目水土流失最為嚴重的區(qū)域，因此，也應成為山地風電項目水土流失防治的重點區(qū)域。其中，道路工程區(qū)的水土流失總量和新增量，均大于其他防治區(qū)，這和道路工程區(qū)的占地和擾動面積比較大相關(guān)。此結(jié)論和尹曉煜認為交通道路區(qū)是新增水土流失量最大防治區(qū)的觀點一致[26]。

表4 研究項目區(qū)水土流失量情況 t

2.5 水土流失防治對策

從項目建設(shè)特點、工程占地、土石方平衡、水土流失量等方面分析，山地風電項目應重點做好道路工程區(qū)、風機機組區(qū)、棄土場區(qū)的水土流失防治工作[10]。

道路工程區(qū)線路里程長，沿線地形地貌復雜，土石方工程量大，建設(shè)標準偏低，區(qū)域水土流失尤為嚴重[26]。因此，第一要注重控制路基邊坡坡比，應嚴格按設(shè)計要求放坡，防止出現(xiàn)倒坡、急陡坡產(chǎn)生安全隱患；第二要注重路基下邊坡臨時攔擋，防止施工過程中土石方沿山坡滾落，造成溜碴掛坡現(xiàn)象，嚴重破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境和植被生態(tài)系統(tǒng)[27]；第三要注重做好路基排水，防止雨水徑流溢出排水溝，經(jīng)路面對路基下邊坡坡面進行沖刷，造成水土流失，甚至產(chǎn)生滑坡、崩塌，影響路基安全穩(wěn)定，尤其是進場道路具有海拔跨度范圍大、路面高程逐漸抬升等特點，路基排水切忌沿路線一溝到底，防止出現(xiàn)大流量、高流速的溝道匯流，產(chǎn)生巨大的沖刷力和破壞力，其路基排水應根據(jù)沿線地形做到分段收集，分段導排入自然溝道中，排水出口處設(shè)置消能措施，減少徑流能量；第四要注重路基邊坡防護，改善沿線生態(tài)環(huán)境。路基填方邊坡一般以土石混合物為主，挖方邊坡一般為石質(zhì)坡面，對填方邊坡可采用噴播草灌護坡；挖方邊坡可采用掛網(wǎng)噴草灌護坡，受投資標準的限制也可采用栽植攀援植物護坡，但植被恢復時間較長，初期效果相對較差。

風機機組區(qū)一般沿山脊分布，區(qū)域海拔高，地形地貌陡峭、土層薄，植物資源特殊，植被破壞后難以恢復。因此，第一要注重區(qū)域土壤和植物資源的保護與利用[28]。施工前首先要對施工范圍內(nèi)的喬木、灌木、草皮進行移植并養(yǎng)護，對表土進行剝離并集中堆放，施工結(jié)束后回填表土，回植喬木、灌木、草皮，并加強植物養(yǎng)護，維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境。第二要注重區(qū)域下邊坡攔擋，尤其是施工期間臨時攔擋，防止出現(xiàn)溜碴掛坡現(xiàn)象，破壞地表植被，影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境景觀。第三要注重理順場地排水，有序收集排放場地雨水徑流，排水出口設(shè)置消能防沖設(shè)施，防止場地雨水徑流沿坡面由上往下沖刷，造成水土流失，影響坡面穩(wěn)定。

棄土場區(qū)一般靠近道路工程、風機機組區(qū)布設(shè)，主要為坡地型棄土場，棄渣物質(zhì)組成以土石混合物為主，廢石所占比重大，結(jié)構(gòu)松散，后期植被恢復較為困難。因此，第一，棄渣前應設(shè)置擋土墻等攔擋措施[29]，清除棄土場范圍內(nèi)地表植被和軟弱土層，防止在渣體底部形成軟弱夾層；棄渣宜采用自下而上、分層碾壓方式堆置，并按設(shè)計要求嚴格控制渣體邊坡高度及坡比，確保渣體穩(wěn)定[30]。第二要與風機機組區(qū)一樣，注重區(qū)域土壤和植物資源的保護與利用。第三要采取防洪排導措施，棄土場周邊設(shè)置截水溝，攔截上游匯水，防止對渣體造成沖刷或滲入渣體，影響渣體穩(wěn)定。第四利用剝離的表土和移栽的植物，做好棄土場邊坡防護和植被恢復。

3 討論與結(jié)論

(1) 研究項目區(qū)共建設(shè)風機204臺，總裝機容量428.5 MW，總占地面積498.39 hm2；平均單臺風機占地2.44 hm2，挖方4.51×104m3，填方3.08×104m3，棄方1.44×104m3，水土流失量400.92 t，新增水土流失量364.38 t；平均每1 kW容量占地11.63 m2；挖方2 148.91 m3；填方1 464.39 m3；棄方684.53 m3；水土流失量0.19 t；新增水土流失量0.17 t。

(2) 山地風電項目區(qū)道路工程路線里程長，占地面積、挖填土石方數(shù)量大，是棄土(石、渣)的主要來源區(qū)。因此，要注重道路工程選線，充分利用當?shù)噩F(xiàn)有道路，盡量減少工程占地；同時要優(yōu)化路線豎向設(shè)計，加強土石方調(diào)配利用，減少土石方和棄土(石、渣)量，從源頭上減少山地風電項目水土流失。

(3) 道路工程區(qū)、風機機組區(qū)、棄土場區(qū)的新增水土流失量分別占總量的53.87%，21.84%和10.13%，三者合計占項目新增水土流失量的85.84%，充分說明道路工程區(qū)、風機機組區(qū)、棄土場區(qū)是山地風電項目水土流失最為嚴重的區(qū)域，也是山地風電項目水土保持的重點區(qū)域。

(4) 山地風電項目建設(shè)區(qū)域海拔高，植被類型特殊、生態(tài)環(huán)境脆弱，應注重表土和植被資源保護與利用。施工前，剝離表土和移栽喬木、灌木、草皮，并做好防護和養(yǎng)護，施工結(jié)束后用于區(qū)域土地整治與植被恢復，維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

(5) 山地風電項目一般建于山頭或山脊上，山高坡陡，區(qū)域地形地貌復雜，應注重道路工程區(qū)、風電機組區(qū)下邊坡攔擋，尤其是土石方施工過程中的臨時攔擋，做好坡面防護，防止土石方沿山坡滾落，造成溜碴掛坡現(xiàn)象，嚴重破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境和植被生態(tài)系統(tǒng)。

(6) 江西省地處亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，雨量豐沛且時空分布不均，山地風電項目應注重場地排水，防止地表徑流亂流，沖刷坡面，造成水土流失甚至安全隱患。尤其是道路工程路基排水，應根據(jù)沿線地形做到分段收集，分段導排入自然溝道中，減少徑流流量和能量。

(7) 風能是技術(shù)最為成熟并且無大氣污染物的一種可再生能源，在當今能源短缺以及污染嚴重的時代扮演了重要角色[31]，在江西省[8]乃至全國[32]最有發(fā)展前景。風電開發(fā)能夠改善環(huán)境，也會產(chǎn)生系列環(huán)境問題[33]，因此了解山地風電項目建設(shè)特點，優(yōu)化風電項目土石方的調(diào)配，加大對風電項目擾動區(qū)域尤其是水土流失嚴重區(qū)域的關(guān)注，并采取針對性的防治措施，能夠大大降低對周邊環(huán)境的影響，更利于生態(tài)環(huán)境的保護與提升。