山丘區(qū)輸變電工程侵蝕環(huán)境及水土流失特征

聶慧瑩, 馮 華, 王文龍, 豐 佳, 潘明九, 伍 歡

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;2.國(guó)家電網(wǎng)浙江省電力有限公司, 杭州 310007; 3.國(guó)家電網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,杭州 310020; 4.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 西安 710075)

隨著對(duì)電力需求的增長(zhǎng)，輸變電建設(shè)在近幾年得到迅速發(fā)展[1]，較一般生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目而言，輸變電工程具有強(qiáng)度大、范圍廣等特點(diǎn)，因此，輸變電項(xiàng)目產(chǎn)生的水土流失特征與傳統(tǒng)項(xiàng)目也不同，從建設(shè)與投資強(qiáng)度上來看，輸變電工程涉及區(qū)域范圍廣、資金投入成本大，野外環(huán)境不可控因素眾多，工程建設(shè)的技術(shù)要求較高，水土流失不均衡[2-4]。輸變電工程在施工期間對(duì)塔基、站區(qū)、施工道路、牽張場(chǎng)、生活區(qū)等區(qū)域施工[5]，對(duì)周邊環(huán)境造成一定破壞，從而引發(fā)水土流失[6-7]。

關(guān)于輸變電工程水土流失的研究較為豐碩[8-10]，主要集中于不同建設(shè)區(qū)域、不同施工階段水土流失特征差異性研究。孫中峰等[11]研究了黃土區(qū)輸變電工程的水土流失，得出施工線路的水土流失大于其他建設(shè)區(qū)域；史小棟等[12]則針對(duì)不同建設(shè)時(shí)期輸變電工程的水土流失展開研究，認(rèn)為建設(shè)施工期水土流失面積大于運(yùn)行期?，F(xiàn)有的研究主要偏向輸變電工程水土流失量的比較，由于地區(qū)差異性及環(huán)境不可控因素，輸變電工程的水土流失在不同地理分區(qū)上具有不均衡性，以地區(qū)總水土流失量進(jìn)行比較不能充分體現(xiàn)各地區(qū)的差異性[13-14]，而山丘區(qū)地形復(fù)雜，輸變電工程難度大，在一定程度上加劇了水土流失，是輸變電工程水土流失研究的重要研究區(qū)域。此外，對(duì)于輸變電工程侵蝕環(huán)境組成尚不明確。侵蝕環(huán)境是指對(duì)土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展具有一定影響的環(huán)境條件，這一概念在早期城市、道路中得到應(yīng)用[15-16]，而對(duì)于輸變電工程，侵蝕環(huán)境涉及多個(gè)侵蝕單元、侵蝕動(dòng)力復(fù)雜，明確其侵蝕環(huán)境組成至關(guān)重要。

因此，為進(jìn)一步明確山丘區(qū)輸變電工程侵蝕環(huán)境，細(xì)化山丘區(qū)各建設(shè)區(qū)域、各侵蝕單元輸變電工程的水土流失特征，更好地體現(xiàn)山丘區(qū)輸變電工程區(qū)域性和階段性的水土流失特征，通過對(duì)典型性山丘區(qū)輸變電工程資料收集整理及野外實(shí)地勘測(cè)，探討其侵蝕環(huán)境、不同建設(shè)階段、不同侵蝕單元水土流失特征及其影響因素，以期揭示區(qū)域性、階段性輸變電工程水土流失特點(diǎn)，為山丘區(qū)輸變電工程水土保持治理提供理論基礎(chǔ)。

1 山丘區(qū)輸變電工程侵蝕環(huán)境

1.1 侵蝕環(huán)境組成

輸變電工程侵蝕環(huán)境是指在輸變電工程水土流失責(zé)任范圍內(nèi)，可能造成水土流失的環(huán)境系統(tǒng)。侵蝕環(huán)境是影響輸變電工程水土流失的主要原因，而在侵蝕環(huán)境組成中又可以分為自然環(huán)境因素和人為環(huán)境因素兩種，輸變電工程受人為擾動(dòng)劇烈，人為環(huán)境因素是造成其嚴(yán)重侵蝕的主要環(huán)境因素。自然環(huán)境因素主要包括植被覆蓋、土壤、地形地貌和地質(zhì)條件等[17-18]。輸變電工程侵蝕環(huán)境劃分為侵蝕動(dòng)力系統(tǒng)、侵蝕對(duì)象、侵蝕單元3個(gè)部分。侵蝕動(dòng)力系統(tǒng)包括水力作用、風(fēng)力作用、凍融作用。侵蝕對(duì)象是指工程區(qū)域范圍內(nèi)的原生地表物質(zhì)、棄土棄渣、巖土混合物等。侵蝕單元根據(jù)實(shí)際情況劃分為塔基、站區(qū)、施工道路、牽張場(chǎng)、生產(chǎn)生活區(qū)。具體見圖1。

1.2 侵蝕環(huán)境作用特點(diǎn)

在侵蝕動(dòng)力系統(tǒng)中，輸變電工程的侵蝕動(dòng)力以人為擾動(dòng)為主，同時(shí)往往伴隨著水力、重力侵蝕，且其水土流失發(fā)生環(huán)境主要受下墊面和外營(yíng)力的直接影響。與自然營(yíng)力相比，人為作用對(duì)侵蝕環(huán)境的影響具有短時(shí)性、持久性、高強(qiáng)度破壞性。對(duì)于塔基和變電站區(qū)域，基坑開挖過程中，如遇質(zhì)地堅(jiān)硬的巖體，需進(jìn)行爆破，由此易引發(fā)土地塌陷，且在這種情況下難以采取措施進(jìn)行保護(hù)，破碎的地表在外力作用下，產(chǎn)生自然災(zāi)害，會(huì)進(jìn)一步加重水土流失。棄土場(chǎng)土壤質(zhì)地疏松，該區(qū)地表裸露無植被覆蓋，在降雨和風(fēng)力作用下，為侵蝕創(chuàng)造有利條件，坡度較陡時(shí)由于受到重力作用誘發(fā)山體滑坡等災(zāi)害，發(fā)生侵蝕的同時(shí)導(dǎo)致周圍環(huán)境受到威脅。平原區(qū)以水力侵蝕為主，而山丘區(qū)由于地勢(shì)陡峭，除受水力、風(fēng)力侵蝕外，同時(shí)也存在重力侵蝕作用。

在侵蝕單元中，塔基區(qū)和站區(qū)、施工道路及棄土場(chǎng)是輸變電工程的主要侵蝕單元。施工過程中必要的道路建設(shè)主要有以下兩種形式：新修道路和臨時(shí)施工便道。新修道路中的水土流失主要在于道路邊坡挖填形成，而臨時(shí)施工便道主要受人為擾動(dòng)影響，尤其在山丘區(qū)，臨時(shí)道路起到運(yùn)輸作用，往往采用人力、牲畜運(yùn)輸?shù)姆椒?，受樹枝喬灌木的阻擋，植被和土壤受踐踏，土壤壓實(shí)后在雨后地表徑流阻力減小，易發(fā)生水土流失，同時(shí)樹木的砍伐、修剪減弱了冠層的截流作用促使更多的降雨到達(dá)地面，發(fā)生濺蝕。原始地形地貌發(fā)生改變，植被砍伐、修剪促使降雨對(duì)擾動(dòng)地面直接發(fā)生侵蝕，增大了水土流失[8]，周圍生態(tài)環(huán)境的破壞對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活也造成一定威脅[19]。山丘區(qū)變電站選址通常為山前平坦區(qū)域，但由于地處山區(qū)地形條件復(fù)雜，變電站防洪排導(dǎo)設(shè)施建設(shè)造成嚴(yán)重土地?cái)_動(dòng)。地勢(shì)陡峭，塔基開挖難度大、破壞面較大且較難恢復(fù)，因此變電站、塔基、施工道路和棄土場(chǎng)成為產(chǎn)生水土流失的主要侵蝕單元。平原區(qū)輸變電工程侵蝕單元主要為變電站、塔基和牽張場(chǎng)，工程施工過程中棄渣較少，一般不單獨(dú)設(shè)立棄渣場(chǎng)?？梢?，相對(duì)于平原區(qū)，山丘區(qū)輸變電工程侵蝕單元更多元且侵蝕環(huán)境復(fù)雜。

圖1 山丘區(qū)輸變電工程侵蝕環(huán)境

在侵蝕對(duì)象中，輸變電工程侵蝕對(duì)象主要涉及細(xì)碎巖石顆粒和土壤的流失。山丘區(qū)輸變電工程建設(shè)過程中，可能遇質(zhì)地堅(jiān)硬的巖體，人為爆破后產(chǎn)生的巖土混合物。場(chǎng)地平整過程中的表土剝離及施工道路邊坡土壤侵蝕。

輸變電工程侵蝕環(huán)境還可能導(dǎo)致土地肥力下降和資源浪費(fèi)。場(chǎng)地平整過程中表土剝離使表層的養(yǎng)分流失不利于植被生長(zhǎng)，植被的破壞加重了水土流失，在挖填過程中，往往挖方大于填方，多余土壤的堆棄一方面浪費(fèi)資源，另一方面，增加了可蝕土體的數(shù)量，促進(jìn)了水土流失發(fā)生，可能造成崩塌、滑坡、塌陷等突發(fā)性的水土流失。

2 輸變電工程水土流失特征

2.1 不同階段水土流失特征

輸變電工程跨越多種地貌地形并隨線路的延展呈線型分布，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)氣候條件、土壤類型各不相同，產(chǎn)生的水土流失也存在差異，不僅空間跨度大，擾動(dòng)點(diǎn)分散，而且還具有歷時(shí)短、總體水土流失強(qiáng)度小、但局部點(diǎn)狀水土流失強(qiáng)烈的特點(diǎn)[20]，且不同建設(shè)階段、不同侵蝕單元的水土流失影響均不相同[10]。

從不同建設(shè)階段來看，不同時(shí)期的施工活動(dòng)導(dǎo)致輸變電工程水土流失呈現(xiàn)階段性特征。將輸變電工程線路劃分為施工期和自然恢復(fù)期，其中施工期又包括施工準(zhǔn)備和基礎(chǔ)施工兩個(gè)方面。選取南方和北方山丘區(qū)輸變電工程在不同建設(shè)階段的水土流失量進(jìn)行比較，由表1—2可知，整體上，各輸變電工程在施工期的水土流失量和土壤侵蝕模數(shù)均大于自然恢復(fù)期，施工期的水土流失量可達(dá)自然恢復(fù)期的1.3～16.1倍，施工期的侵蝕模數(shù)是自然恢復(fù)期的1.5～25.3倍。各輸變電工程施工期的水土流失占比達(dá)55.0%以上，最高為89.7%。站區(qū)和塔基區(qū)施工期的水土流失量占比均高于其他侵蝕單元，最高可占水土流失總量的94.6%，86.5%，牽張場(chǎng)在施工期的水土流失占比最小為60.2%。輸變電工程的水土流失多集中于施工期[10-11]，施工階段是發(fā)生水土流失的主要環(huán)節(jié)，主要由于材料堆放壓占地表以及部分塔位施工修建臨時(shí)道路導(dǎo)致原有地貌損壞。塔基開挖和清理工序改變?cè)嫉匦魏屯寥罈l件，從侵蝕物質(zhì)和侵蝕條件上加劇了侵蝕。在塔基面開挖過程中，產(chǎn)生的土石堆在風(fēng)力、水力作用下易發(fā)生流失。此外，變電站建造、輸變電的架設(shè)等對(duì)地面的壓占都存在水土流失的隱患[21]。因此，在有挖填方的建設(shè)中，例如塔基開挖和變電站修建等區(qū)域的水土流失較其他施工區(qū)更大。綜合上述，階段性差異是輸變電工程水土流失最主要的特點(diǎn)。

表1 不同類型區(qū)典型各輸變電工程不同階段的水土流失量 t

表2 不同類型區(qū)典型各輸變電工程不同階段的侵蝕模數(shù) t/(km2·a)

2.2 不同侵蝕單元水土流失特征

從不同侵蝕單元上看，由表1可知，整體上，各工程在站區(qū)、塔基、道路3個(gè)侵蝕單元的水土流失量較大，而牽張場(chǎng)、生產(chǎn)生活區(qū)由于受人為擾動(dòng)小，水土流失相對(duì)較弱。5個(gè)工程的站區(qū)、塔基區(qū)、道路、牽張場(chǎng)、生產(chǎn)生活區(qū)占總水土流失量的比重分別為20.5%，45.0%，27.2%，5.9%，1.2%。5個(gè)工程中站區(qū)水土流失量占比最大為77.9%，水土流失量分別為其他侵蝕單元的6.2～40.5倍，塔基區(qū)和道路區(qū)域?yàn)?0.5%，40.5%，分別是是其他區(qū)域的6.7～32.4倍和1.0～47.3倍。各工程牽張場(chǎng)和生產(chǎn)生活區(qū)水土流失量占本工程水土流失總量的比重分別為0.4%～9.7%，1.2%～12.5%。由結(jié)果可知，不同侵蝕單元水土流失差異大，塔基區(qū)和站區(qū)的水土流失最為嚴(yán)重，與現(xiàn)有研究結(jié)果一致[22]，塔基占地面積較其他建設(shè)單元而言較小，但一條完整的輸變電塔基數(shù)量大，這是由于在挖填過程、多余土體臨時(shí)堆放時(shí)人為擾動(dòng)程度較大，原有地表破壞程度大，尤其是在塔基區(qū)和站區(qū)，原始環(huán)境發(fā)生改變，總體土地?cái)_動(dòng)面積大，存在突發(fā)性和潛在危害性。此外，在道路邊坡施工過程中一系列的土工作業(yè)導(dǎo)致土壤原有結(jié)構(gòu)被破壞，抗蝕性減弱，并隨著植被的減少，加重了水土流失，甚至發(fā)生崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。因此，突發(fā)不確定性、不可預(yù)測(cè)性和潛在危害性均是其水土流失特征。

由表3—4可知，從不同地理分區(qū)上來看，相同的侵蝕單元，山丘區(qū)水土流失量與平原區(qū)相比，不存在必然大小關(guān)系，但是山丘區(qū)土壤侵蝕模數(shù)均大于平原區(qū)域，是平原區(qū)的1.2～1.9倍。這可能是由于輸變電工程涉及范圍廣，基本涵蓋了各類地貌區(qū)域[23]，且其水土流失沿工程區(qū)域呈線狀離散性分布，單個(gè)獨(dú)立的侵蝕源實(shí)際侵蝕面積不大而侵蝕強(qiáng)度大[24]。相同地貌類型，不同施工地段所造成的土壤侵蝕各不相同[25]。在山地丘陵區(qū)，輸變電工程土壤侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)檎緟^(qū)和塔基區(qū)，其次為施工道路，而在平原地區(qū)道路為土壤侵蝕模數(shù)最大的區(qū)域?？傮w上，平原地區(qū)的水土流失范圍和強(qiáng)度都弱于山地丘陵地區(qū)，在兩區(qū)的水土流失強(qiáng)度分區(qū)中，一級(jí)分區(qū)以地貌和侵蝕類型為依據(jù)，平原地區(qū)一級(jí)為微度侵蝕區(qū)，而山地丘陵區(qū)則為輕度侵蝕區(qū)[26]，由此可見，山丘區(qū)的一級(jí)分區(qū)的侵蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)大于平原地區(qū)。

3 輸變電工程水土流失防治

對(duì)于輸變電工程，工程措施、臨時(shí)措施和植物措施也是治理水土流失的主要措施[27-28]，根據(jù)不同地理分區(qū)自然條件，對(duì)不同侵蝕單元水土流失采取相應(yīng)措施，具體主要包括：土地整治工程、斜坡防護(hù)工程、防洪排導(dǎo)工程、植被恢復(fù)、攔渣工程、臨時(shí)防護(hù)工程等(表5)。

護(hù)坡工程指在不同坡度范圍采取合適的措施以達(dá)到減少水土流失的一種工程手段。平原區(qū)和山丘區(qū)較緩坡度條件下，即當(dāng)坡度小于25°時(shí)，植物措施配置尤為重要，但當(dāng)坡度大于25°時(shí)由于植物措施在陡坡不穩(wěn)定，存在加劇水土流失的風(fēng)險(xiǎn)性，此時(shí)，工程措施優(yōu)于植被措施，極其嚴(yán)重的需要采用綜合防護(hù)措施，例如防護(hù)網(wǎng)、水泥漿砌等方法。3種措施中防護(hù)效果最好的屬綜合防護(hù)措施，其次是工程措施和植物措施[29]。此外，對(duì)于山丘區(qū)尤其是西北風(fēng)力侵蝕區(qū)，在措施類別中采用草方格沙障減緩水土流失。在護(hù)坡工程選擇的同時(shí)應(yīng)當(dāng)因地制宜，避免概化，從地區(qū)的自然條件、施工情況、防護(hù)要求等方面充分考慮措施的可行性，擇優(yōu)選擇。

表3 不同類型區(qū)典型輸變電項(xiàng)目不同地理分區(qū)水土流失量 t

表4 不同類型區(qū)典型輸變電項(xiàng)目不同地理分區(qū)侵蝕模數(shù) t/(km2·a)

表5 輸變電工程不同侵蝕單元防治措施布設(shè)

在土地整治過程中，需要考慮土壤、地形、坡度等多個(gè)因素的影響[30]，例如在項(xiàng)目竣工后，在塔基區(qū)、臨時(shí)道路、臨時(shí)占地區(qū)域需進(jìn)行土地整治工作，首先考慮各區(qū)立地條件，配合土地平整和清理工作選擇最佳整治方法，以期盡最大限度恢復(fù)原始狀態(tài)。輸變電工程中，對(duì)于平原地區(qū)坡度平緩一般采取穴狀整地或全面整地的方法，該方法擾動(dòng)面積小，恢復(fù)難度較小，容易執(zhí)行；而對(duì)于山丘區(qū)當(dāng)坡度大于15°時(shí)，結(jié)合陡坡特點(diǎn)采用水平階、水平溝或反坡梯田的整治方法，魚鱗坑整地的方法難度較大且對(duì)技術(shù)要求較高，通常在坡度達(dá)到25°時(shí)選擇。在輸變電工程中，攔渣工程是用攔擋的方式防治土石發(fā)生位移，主要措施是擋渣墻的修筑，擋渣墻的形式較多，可根據(jù)具體項(xiàng)目情況進(jìn)行選擇，當(dāng)前主要形式有半重力式、重力式、衡重式、倒T式、支擋式、空箱式[31]。

在防洪排導(dǎo)方面，避免水流對(duì)土石渣的沖刷以及對(duì)地面的沖蝕，以防洪排導(dǎo)的方式減小水流對(duì)土體的破壞。防洪排導(dǎo)布設(shè)在不同施工區(qū)域有所不同，在站區(qū)需要進(jìn)行美觀設(shè)計(jì)，因此，通常排導(dǎo)水管的布設(shè)與道路正交，為了保證土石渣在管道內(nèi)不淤積，在布設(shè)時(shí)應(yīng)有一定坡度，此外避免水土下滲需要進(jìn)行防滲處理。在道路兩側(cè)，排水設(shè)施應(yīng)與道路平行，為減小物質(zhì)出口的沖擊能量，需要在排導(dǎo)出口處設(shè)置消能裝備。

臨時(shí)措施方面，在輸變電工程施工過程中，表土剝離后應(yīng)裝袋集中放置，避免降雨和水流對(duì)其的侵蝕，以便后期重復(fù)利用。準(zhǔn)備期間的施工應(yīng)當(dāng)設(shè)置排水、攔護(hù)和沉沙措施[27]。在施工準(zhǔn)備期完成或工程竣工后需要對(duì)臨時(shí)措施進(jìn)行清理。期間若無遮蔽條件，則可采取下層遮雨布鋪墊、上層降雨布遮蓋的方式來避免水流對(duì)臨時(shí)堆放土體的侵蝕[22]。植被恢復(fù)方面主要針對(duì)的是項(xiàng)目竣工后在建設(shè)區(qū)域及周邊由于施工影響導(dǎo)致地表裸露的區(qū)域，植樹種草和復(fù)耕是使用頻度最高的兩種措施。

綜合上述，水土保持措施的選擇均為水土流失治理的傳統(tǒng)方法。近年來在塔基、線路選擇上突破了原有的局限性，從施工技術(shù)的創(chuàng)新和輸變電的選擇上進(jìn)行完善優(yōu)化。塔基設(shè)計(jì)上，平原區(qū)采用四角單獨(dú)開挖方式，減少占地和地面擾動(dòng)，山丘區(qū)地勢(shì)陡峭更適宜高低腿塔基形式。在線路的選擇設(shè)計(jì)上，運(yùn)用先進(jìn)數(shù)字化的全數(shù)字測(cè)量技術(shù)展開目標(biāo)線路的測(cè)量與預(yù)測(cè)，并通過航片技術(shù)進(jìn)行宏觀把控，從目前實(shí)施效果來看，初步實(shí)現(xiàn)了線路的優(yōu)化，不足之處在于其覆蓋范圍較小，資料的獲取受限制。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步優(yōu)化路徑，將全數(shù)字測(cè)量技術(shù)、衛(wèi)星影像及GPS技術(shù)結(jié)合，一方面可以節(jié)約投資成本，另一方面減少了土石方量，減弱了水土流失。在施工技術(shù)上，采用動(dòng)力傘和張力放線結(jié)合的導(dǎo)引繩技術(shù)，張力放線是通過選定鐵塔后，人工將牽引線展放，從牽張場(chǎng)牽拉而實(shí)現(xiàn)輸電線架設(shè)的過程，其中鐵塔的選擇對(duì)于線繩的牽放至關(guān)重要。動(dòng)力傘是指通過環(huán)保型飛行器進(jìn)行導(dǎo)引，從而實(shí)現(xiàn)輸變電展放的方法[32]，跨度大、植被覆蓋度密集的區(qū)域宜采用該方式。采用二者結(jié)合的方法進(jìn)行輸變電線的架設(shè)，減弱了對(duì)農(nóng)田、耕地、山林中植被草木、土地的踐踏，也減少了對(duì)樹木的砍伐，實(shí)現(xiàn)綠色高效可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，同時(shí)對(duì)臨時(shí)道路的需求不大，降低了項(xiàng)目投入成本，減少對(duì)地面的破壞程度，減小防治的工作量以達(dá)到控制水土流失的目的。

4 結(jié) 論

影響輸變電類項(xiàng)目水土流失的環(huán)境因素較多，通過研究山丘區(qū)輸變電工程侵蝕環(huán)境，可根據(jù)不同建設(shè)時(shí)期、不同侵蝕單元侵蝕特征進(jìn)行輸變電工程水土保持措施實(shí)施。主要結(jié)論如下：(1) 在侵蝕動(dòng)力系統(tǒng)中，輸變電工程的侵蝕動(dòng)力以人為擾動(dòng)為主，塔基區(qū)和站區(qū)、施工道路及棄土場(chǎng)是輸變電工程的主要侵蝕單元。(2) 施工期的水土流失量可達(dá)自然恢復(fù)期的1.3～16.1倍，施工期的侵蝕模數(shù)是自然恢復(fù)期的1.5～25.3倍。(3) 站區(qū)和塔基區(qū)施工期的水土流失量占比均高于其他侵蝕單元，山丘區(qū)土壤侵蝕模數(shù)均大于平原區(qū)，是平原區(qū)的1.2～1.9倍。(4) 在眾多建設(shè)區(qū)域中以變電站建設(shè)、塔基開挖，線路施工臨時(shí)道路為重點(diǎn)，在地貌類型上著重山丘區(qū)輸變電工程水土流失的防治，將水土保持工程措施、植物措施與臨時(shí)措施有機(jī)結(jié)合。