黃土和紅壤丘陵區(qū)輸變電線路工程水土流失影響因素及特征

陳曉剛, 豐 佳, 王文龍, 潘明九, 顧晨臨, 余智芳, 伍 歡

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司, 杭州 310007; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.國網(wǎng)浙江省電力有限公司 經(jīng)濟技術(shù)研究院, 杭州 310020; 5.中國電力工程顧問集團 西北電力設(shè)計院有限公司, 西安 710075)

輸電線路工程作為國家基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分，在保障電力供應(yīng)、促進清潔能源發(fā)展和改善環(huán)境等方面具有重要戰(zhàn)略意義。截至2018年底，110 kV及以上輸電線路長度全國范圍內(nèi)已達103.34萬km[1]。然而，輸電線路工程在塔基、施工便道、牽張場、跨越施工場地、變電站、施工營地的施工活動過程中，不可避免地會對地表產(chǎn)生擾動，對地表植被造成破壞，從而產(chǎn)生嚴(yán)重水土流失[2-3]。輸電線路工程建設(shè)中的水土流失特征已經(jīng)成為國際土壤侵蝕學(xué)會主要探討的科學(xué)問題。作為一種線型工程，輸變電工程水土流失具有以下特點[4-7]：(1) 空間跨度大，穿越水土流失類型區(qū)多，各區(qū)不同水土流失背景值具有一定差異性，導(dǎo)致采取的水土保持措施也不盡相同。(2) 呈離散型(線形)分布?？傮w擾動面積大、水土流失強度小，但局部點狀水土流失強烈。(3) 具有階段性。一般在輸電線路施工期水土流失更為嚴(yán)重；而在運營期，由于水土保持措施逐步發(fā)揮效益，水土流失程度逐步減輕。而施工期中施工便道區(qū)和線路塔基區(qū)的水土流失較其他區(qū)域更為嚴(yán)重[8-9]。

我國是一個多山的國家，全國山地、丘陵的面積占到了國土總面積的70%左右，目前大部分山丘區(qū)生態(tài)環(huán)境仍然脆弱、經(jīng)濟發(fā)展還較為落后。輸電線路建設(shè)過程中跨越大型溝谷、翻越山嶺，使本來就生態(tài)較為脆弱的山丘區(qū)更加支離破碎。其中，黃土丘陵區(qū)和紅壤地形區(qū)作為兩大地形單元，在氣候、地形地貌、土壤和植被等自然因素方面存在較大差異，故水土流失特征上存在較大不同。因此，在進行山丘區(qū)架空輸電線路工程水土保持設(shè)計和施工以及水土流失綜合治理時，需綜合考慮不同區(qū)域的山丘區(qū)輸電線路工程水土流失表現(xiàn)出的差異性特征，在明確各區(qū)水土流失特征及主控因子的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)水土保持設(shè)計和施工以及水土流失綜合治理。揭示水土流失影響因素和特征的差異性有助于施工過程中“因地制宜”，保持水土，最大限度減小輸變電工程開挖建設(shè)過程中造成的水土流失危害。本文以黃土丘陵區(qū)和紅壤丘陵區(qū)輸變電線路為對象，基于野外調(diào)查和資料分析，選取黃土丘陵區(qū)和紅壤丘陵區(qū)兩條典型線路，對兩區(qū)域自然因素及輸電線路侵蝕特征差異性進行分析，以期為當(dāng)?shù)厣角饏^(qū)輸變電工程以及其他相關(guān)電網(wǎng)、線性工程水土保持設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土丘陵區(qū)位于太行山以西，烏鞘嶺以東，長城以南，秦嶺以北，面積22.74萬km2，多年平均土壤侵蝕模數(shù)1 000～3 000 t/km2，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。南方紅壤丘陵區(qū)位于秦嶺—淮河以南，大巴山—云貴高原以東、雷州半島以北，總土地面積118萬km2，約占國土總面積的12.3%，多年平均侵蝕模數(shù)為3 419.8 t/km2。是我國最重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)之一，也是生態(tài)脆弱地帶[10]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取陜北—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程和酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程為研究對象，進行水土流失特征及影響因素的分析。陜北—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程沿線地貌主要涉及黃土丘陵、平原和山丘地貌。直流線路長1 137.3 km，其中黃土丘陵區(qū)長度409.5 km，占直流線路總長度的36.0%；接地極線路總長度為158.0 km，其中黃土丘陵區(qū)長度39.0 km，占接地極線路總長度的24.7%。黃土丘陵區(qū)涉及縣市為陜西省榆林市、山西省呂梁市和臨汾市。酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程線路路徑總長度約2 413.0 km，線路航空距離2 062.5 km，曲折系數(shù)1.17。紅壤丘陵區(qū)涉及縣市為湖北省恩施州、宜昌市、荊州市和湖南省的常德市、益陽市、長沙市、湘潭市。

擾動后土壤侵蝕模數(shù)和土壤流失量的取值，采用以下方式確定：

(1) 類比工程概況和觀測資料。相近地區(qū)同類工程項目的監(jiān)測驗收數(shù)據(jù)，同時針對相近項目區(qū)的環(huán)境特征進行模數(shù)修正，最終確定實際的擾動后侵蝕模數(shù)。

(2) 簡易測針法。選擇有代表性的原地表與擾動地表布設(shè)簡易水土流失觀測場，布設(shè)樣地規(guī)格1.0 m×1.0 m。將鋼釬(直徑1 cm，長50 cm)，根據(jù)坡面面積，按0.5 m×0.5 m的距離分上中下、左中右縱橫各3排共9根布設(shè)鋼釬，并沿鉛垂方向打入地面，釘帽與坡面齊平，且在釘帽上涂紅漆并編號。每次大風(fēng)之后，觀測釘帽距地面高度，計算土壤侵蝕厚度和總的土壤流失量。

新增土壤流失量采用下式計算：

式中:Fij為某單元的區(qū)域面積(km2)；ΔW為新增土壤流失量(t);ΔMji為某時段某單元的新增土壤侵蝕模數(shù)[t/(km2·a)];Tji為某時段某單元的預(yù)測時間(a);i為預(yù)測單元,i=1,2,3,…,n;j為預(yù)測時段,j=1,2,指施工期和自然恢復(fù)期。

2 結(jié)果與分析

2.1 輸電線路工程水土流失影響因素

(1) 氣候。由表1可知，黃土丘陵區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，降水年際變化大，主要集中在5—10月，多年平均降雨量350～560 mm，蒸發(fā)量較大，降雨多以暴雨形式出現(xiàn)，一次或數(shù)次大暴雨就可造成嚴(yán)重水土流失。此外，該區(qū)風(fēng)力較強，且大風(fēng)天氣主要集中在春季。如晉西北丘陵區(qū)多年平均8級以上大風(fēng)可達74次之多[11]。在輸電線路施工過程中及施工完成后的一段時間，由于植被尚未完全恢復(fù)，導(dǎo)致施工區(qū)地表裸露，在風(fēng)力作用下表土被剝蝕。在黃土丘陵區(qū)輸電線路施工及后期維護過程中，尤其是雨季，要注意采用合理的防治措施(如排水溝、排水孔、設(shè)置風(fēng)障、留茬等)來減輕水力和風(fēng)力對輸電線路工程造成的危害。紅壤丘陵區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨季節(jié)分配不均勻，主要集中在春季和夏季，多年平均降雨量1 500～1 600 mm，區(qū)域內(nèi)氣溫高、輻射熱量大[12]。因此，紅壤丘陵區(qū)輸電線路建設(shè)工程中主要侵蝕營力為水力。充沛的降雨為崩崗和滑坡的發(fā)育和形成提供了十分有利的外部條件，使紅壤丘陵山地密集建設(shè)的輸電網(wǎng)沿線存在大量邊坡隱患及病害[13]。

表1 黃土和紅壤丘陵區(qū)氣候條件差異

(2) 地形。黃土丘陵區(qū)地形破碎，坡陡溝深，地勢較高，海拔多在1 000～1 300 m，按其形態(tài)可分為長條形的“梁”和橢圓形或圓形的“峁”。黃土臺塬、黃土梁塬邊緣地帶地形破碎，溝壑縱橫，不良地質(zhì)作用發(fā)育，主要表現(xiàn)為滑坡、崩塌、落水洞等。梁峁坡的坡度一般為10°～35°，其中15°以上的坡面面積占50%～70%，這些都為水土流失的發(fā)生創(chuàng)造了條件。陜北—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程中，陜北換流站主體設(shè)計最初提出了兩處比選方案：循環(huán)工業(yè)園站址和物流園站址，其中物流園站址地形破碎，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有多條沖溝，西面山溝正對站址，防排洪條件及站址安全方面較差。因此將循環(huán)工業(yè)園站址作為送端換流站的推薦站址。而紅壤丘陵區(qū)屬于我國第三級階梯，海拔多在500 m以下，區(qū)內(nèi)主要有山地、丘陵、高原和盆地，垂直地帶顯著。區(qū)域內(nèi)低山丘陵交錯，地形破碎(如崩崗地貌發(fā)育，且分布廣泛)，巖土體中的節(jié)理裂隙、風(fēng)化軟弱面等各種結(jié)構(gòu)面發(fā)育，減弱了巖石的抗侵蝕能力，造成土體塑性破壞，對邊坡穩(wěn)定性造成一系列影響，為紅壤丘陵區(qū)水土流失提供了條件[18]。因此，紅壤丘陵區(qū)輸電線路水土流失主要是由于破碎地形導(dǎo)致邊坡不穩(wěn)定而引起的。

(3) 土壤。土壤物理性質(zhì)對輸變電工程水土流失的影響主要體現(xiàn)在土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地上。北方丘陵區(qū)土壤以黃土為主，根據(jù)不同發(fā)育時間可分為中更新統(tǒng)黃土、上更新統(tǒng)黃土和全新統(tǒng)黃土。其中上更新統(tǒng)黃土相較中更新統(tǒng)黃土和上中更新統(tǒng)黃土而言，具有更強的滲透性。輸電線路施工過程擾動土體，導(dǎo)致土壤松散，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，強度降低，滲透性加強，減小邊坡穩(wěn)定性。此外，還會引起土體內(nèi)部應(yīng)力場的變化[19]，從而對黃土丘陵區(qū)輸電線路工程的建設(shè)造成不利的影響。南方丘陵區(qū)土壤母質(zhì)主要為第四紀(jì)紅色黏土、花崗巖和玄武巖等。具有黏性強、有效水含量低、遇水易粘結(jié)形成結(jié)皮、持水能力差等特征[20]。此外，花崗巖等巖類地區(qū)風(fēng)化層厚，其上發(fā)育的紅壤容易發(fā)生崩崗，造成紅壤的流失。碳酸鹽巖紅壤的土層較薄，導(dǎo)致植被生長困難，降低了紅壤的抗蝕性[21]。二者性質(zhì)對比見表2。陜北—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程在施工過程中，由于黃土丘陵區(qū)黃土層較厚，上下土體的有機質(zhì)含量相差無幾，通常無需進行表土剝離。而在南方紅壤丘陵區(qū)占用的耕地、林地、草地的表層土均需剝離，通常剝離厚度不超過30 cm。

表2 黃土和紅壤原狀土和擾動土性質(zhì)對比

(4) 植被。輸電線路項目對植被的影響主要集中在工程建設(shè)期。項目建設(shè)工程中的地表開挖，會對植物地上部分和地下部分產(chǎn)生擾動[22]。黃土丘陵區(qū)植被以旱生植物為主[23]，其中天然植被以草本植物群落為主。這些草本植物根系發(fā)達，葉水勢較高，對環(huán)境具有較強的適應(yīng)性。植被對黃土區(qū)土壤保持具有重要意義，如提高抗沖刷能力，減小坡面滲透系數(shù)[24]。然而，該區(qū)降水量小且分布不均。在輸電線路施工過程中，植被一旦破壞，自我恢復(fù)能力較差，植被恢復(fù)固土保水功能的時間也就越長，因此，在輸電線路施工過程中，應(yīng)盡量避免植被的破壞。如不得已破壞后，要通過撒播、條播、栽植等技術(shù)手段種植當(dāng)?shù)貎?yōu)勢樹種，以使植被盡快恢復(fù)。陜北—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程中，對黃土丘陵區(qū)的輸電線路桿塔基礎(chǔ)采用全方位高低腿設(shè)計，減小了破壞植被的面積。紅壤丘陵區(qū)良好的氣候適宜于各種植物生長，植被覆蓋率較高。植被以地帶性植被常綠闊葉林占優(yōu)勢，并有藤本和附生植物。南方丘陵區(qū)由于雨水充沛，植物生長速度快，更新能力強，即使在輸電線路工程施工中植被遭受破壞，在短期內(nèi)也可自然恢復(fù)。酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程植被覆蓋度調(diào)查顯示，各市(區(qū))的林草覆蓋度為37.6%～67%。然而，該區(qū)雖然很多地區(qū)林木茂盛，植被覆蓋度較高，其林下缺少灌木或草本植物，使得土壤表面裸露程度高，出現(xiàn)“遠看青山在，近看水土流”的“林下流”現(xiàn)象[25]。因此，在紅壤丘陵區(qū)進行植被恢復(fù)時，要尤其注意灌木和草本植物的合理補植。酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程采用撒播草籽的方式進行植被的恢復(fù)，取得良好的效果。

2.2 黃土和紅壤丘陵區(qū)輸電線路工程土壤侵蝕模數(shù)差異

輸電線路工程主要包括施工期和自然恢復(fù)期。在塔基建設(shè)過程中，所開挖的松散土壤如果不及時進行防護，土壤顆粒易在水力和風(fēng)力共同作用下發(fā)生移動，從而產(chǎn)生水土流失。此外，塔基開挖、修建施工場地、平整牽張場、修筑施工便道等建設(shè)過程中所進行的爆破操作會破壞地層結(jié)構(gòu)，使得地層松動，甚至造成塌陷等問題。黃土和紅壤丘陵區(qū)典型線路工程土壤侵蝕模數(shù)如圖1所示，陜北—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程中，陜西省榆林市和山西省呂梁市的黃土丘陵區(qū)土壤侵蝕以極強烈水力侵蝕為主[土壤侵蝕模數(shù)背景值分別為15 000，13 000 t/(km2·a)]；山西省臨汾市黃土丘陵區(qū)以強烈水力侵蝕為主[土壤侵蝕模數(shù)背景值8 000 t/(km2·a)]。然而，黃土丘陵區(qū)輸電線路施工期導(dǎo)致塔基區(qū)和塔基臨時占地、施工道路土壤發(fā)生擾動，擾動后的土壤侵蝕模數(shù)增至17 246～25 120 t/(km2·a)，自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)略有下降，為9 000～16 000 t/(km2·a)。紅壤丘陵區(qū)水土流失類型以水蝕為主，包含少量的重力侵蝕，侵蝕形式包括面蝕、溝蝕、崩塌、滑坡等。土壤容許流失量為500 t/(km2·a)，土壤侵蝕強度為微度侵蝕，擾動后的土壤侵蝕模數(shù)增至5 000～12 000 t/(km2·a)，自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)降至1 000～1 200 t/(km2·a)。綜上，輸電線路工程的施工可導(dǎo)致土壤侵蝕模數(shù)的大幅增加，其中，施工期的土壤侵蝕大于自然恢復(fù)期，黃土和紅壤丘陵區(qū)施工期土壤侵蝕模數(shù)分別是自然恢復(fù)期的1～1.56倍和7.25～10倍。

黃土丘陵區(qū)的輸電線路工程土壤侵蝕模數(shù)大于紅壤丘陵區(qū)。黃土丘陵區(qū)換流站在施工期和自然恢復(fù)期的土壤侵蝕模數(shù)分別是紅壤丘陵區(qū)的2.67～3.14倍和20～31.25倍。黃土丘陵區(qū)接地極在施工期和自然恢復(fù)期的土壤侵蝕模數(shù)分別是紅壤丘陵區(qū)的2.50～3.33倍和20倍。兩區(qū)域接地極差異特征同換流站一樣，均為施工期大于自然恢復(fù)期。黃土丘陵區(qū)各城市線路工程的土壤侵蝕模數(shù)平均值在施工期和自然恢復(fù)期分別是紅壤丘陵區(qū)的2.11倍和10.80倍。雖然流水作用與降雨量關(guān)系密切，但并不是在降雨最多的地帶作用最強，因為紅壤丘陵區(qū)植物茂盛，植被地上部分削弱了降雨對地表的打擊，植被地下部分增強了土壤的固結(jié)能力，阻礙了流水的侵蝕作用，所以流水侵蝕作用最強烈的地方反而是雨量中等的黃土丘陵區(qū)，即黃土丘陵區(qū)流水侵蝕作用造成的危害較紅壤丘陵區(qū)更強。

圖1 黃土和紅壤丘陵區(qū)施工期和自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)

對于黃土丘陵區(qū)而言，侵蝕模數(shù)在換流站站區(qū)、電機電纜區(qū)和榆林線路工程塔基區(qū)的侵蝕模數(shù)取最大值，均為25 000 t/(km2·a)，而紅壤丘陵區(qū)輸電線路工程侵蝕模數(shù)在宜昌塔基區(qū)取最大值12 000 t/(km2·a)，其次為換流站站區(qū)和接地極的匯流裝置區(qū)。由此可知，塔基區(qū)是黃土和紅壤丘陵區(qū)土壤侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域。在施工過程中，要尤其主要塔基區(qū)水土流失措施的布設(shè)。

2.3 黃土和紅壤丘陵區(qū)輸電線路工程新增土壤流失量

所選線路在黃土丘陵區(qū)和紅壤丘陵區(qū)各區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)如圖2所示。陜北換流站在施工期和自然恢復(fù)期的新增水土流失總量為25 261 t。其中，陜北換流站新增水土量12 421 t，送端接地極新增水土流失量3 523 t，線路工程新增水土流失量5 962 t。換流站以站區(qū)和站外供排線水管所占比例較大，分別占輸電線路工程新增總土壤流失量的26.72%，12.50%；接地極的電機電纜區(qū)新增土壤流失量最大，占總土壤流失量的13.93%；線路工程的塔基區(qū)新增土壤流失量最大，達5 277 t，占總土壤流失量的20.89%。綜上，黃土丘陵區(qū)水土流失防治和監(jiān)測的重點區(qū)域是換流站站區(qū)和線路工程塔基區(qū)。紅壤丘陵區(qū)在施工期和自然恢復(fù)期的新增水土流失總量為22 820.7 t。其中，湖南換流站新增水土量3 082 t，受端接地極新增水土流失量538.9 t，線路工程新增水土流失量18 056.2 t。塔基區(qū)新增水土流失量所占比例最大，達14 153.1 t，占全部新增土壤流失量的62.0%。因此，紅壤丘陵區(qū)水土流失防治和監(jiān)測的重點區(qū)域是塔基區(qū)。

圖2 黃土和紅壤丘陵區(qū)各區(qū)域新增水土流失量

3 結(jié) 論

(1) 黃土丘陵區(qū)主要侵蝕營力為水力和風(fēng)力，而紅壤丘陵區(qū)主要侵蝕營力為水力，輸電線路工程在雨季施工過程中，要注意采用攔截徑流的措施來減輕其對輸電線路工程的危害。黃土丘陵區(qū)水土流失是由于坡度較陡，使得表土易被沖刷，產(chǎn)生切溝或者沖溝而引起的。而紅壤丘陵區(qū)是由于巖土體中的節(jié)理裂隙、風(fēng)化軟弱面等各種結(jié)構(gòu)面發(fā)育，減弱了巖石的抗侵蝕能力，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低而引起的。黃土丘陵區(qū)土壤滲透性強，土層深厚；而紅壤丘陵區(qū)土壤質(zhì)地黏重，遇水易板結(jié)，入滲能力差。黃土丘陵區(qū)植被自我恢復(fù)能力較差，植被覆蓋率低，輸電線路施工中，需要隨時破壞隨時補植。紅壤區(qū)植被遭受破壞后恢復(fù)能力強，但為避免“林下流”現(xiàn)象，施工后需注意灌木和草本植物的合理補植。

(2) 施工期土壤侵蝕模數(shù)是自然恢復(fù)期的1～10倍。黃土丘陵區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)在換流站、接地極和輸電線路均大于紅壤丘陵區(qū)，是紅壤丘陵區(qū)的2.5～31.25倍。侵蝕模數(shù)在換流站站區(qū)、電機電纜區(qū)和榆林市線路工程塔基區(qū)的侵蝕模數(shù)取最大值，而紅壤丘陵區(qū)輸電線路工程侵蝕模數(shù)在宜昌市線路工程塔基區(qū)取最大值。

(3) 黃土丘陵區(qū)換流站站區(qū)和線路工程塔基區(qū)新增水土流失量最大，紅壤丘陵區(qū)塔基區(qū)的新增水土流失量最大，因此，上述區(qū)域是水土流失防治和監(jiān)測的重點區(qū)域。

綜上所述，在輸電線路建設(shè)過程中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H條件，因地制宜，分區(qū)域設(shè)計工程措施，有利于減少水土流失，最大限度地發(fā)揮社會經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，實現(xiàn)生態(tài)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展。