云南土石山區(qū)輸變電線路工程水土流失特征研究

豐 佳，陳曉剛，王文龍，潘明九，速 歡，顧晨臨，孟 歡，伍 歡

(1.國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；2.中國科學院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4.國網浙江省電力有限公司 經濟技術研究院，浙江 杭州 310020；5.國網甘肅省電力公司 電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070；6.中國電力工程顧問集團 西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

我國電力工程具有跨越距離遠和建設周期長、規(guī)模大的特點[1]，其中輸變電線路工程是一種典型的點、線結合的工程，在建設過程中存在跨區(qū)域施工，塔基開挖、牽張場地平整、施工便道修筑等工程項目對地表產生較大擾動，并對建設區(qū)及周邊土壤環(huán)境產生影響，造成地表植被破壞，引起嚴重的水土流失[2]。

許多專家學者針對輸變電線路工程的水土流失特征進行了研究，認為輸變電線路工程的水土流失具有不可控因素多、局部點狀水土流失強烈等特點[3-5]，輸變電線路工程建設引起的水土流失量可高達原地貌的5.1倍[6]。目前國內關于輸變電線路工程水土流失的研究大多集中在黃土高原區(qū)，黃土高原區(qū)輸變電線路工程中施工道路區(qū)的水土流失量最高，一般占工程總水土流失量的40%～70%[7]。我國是一個多山國家，山地丘陵面積約占國土總面積的70%，尤其是云南省，山地丘陵面積占全省總面積的90%以上。為完善山丘區(qū)電網結構、提高供電可靠性、推動地區(qū)經濟發(fā)展，云南省內輸變電線路工程數(shù)量逐年增多[8]，造成生態(tài)環(huán)境脆弱的山丘區(qū)產生嚴重的水土流失，甚至加速誘發(fā)滑坡、崩崗、泥石流等自然災害[9-10]。山丘是輸變電線路工程水土流失的主要源地之一，認真開展山丘區(qū)輸變電線路工程水土保持工作對保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義，而目前針對山丘區(qū)輸變電線路工程水土流失特點及水土保持措施的研究相對較少。因此，選取位于云南土石山區(qū)的6個典型輸變電線路工程[包括永昌500 kV輸變電工程、瀾滄江上游梯級電站500 kV送出工程、榮興500 kV輸變電工程、威信500 kV輸變電工程、騰沖縣(現(xiàn)為騰沖市)110 kV芒棒輸變電工程和烏東德電站至祿勸換流站500 kV輸變電工程]作為樣本，通過查閱統(tǒng)計相關文獻、水土保持方案、規(guī)劃報告等，研究云南土石山區(qū)輸變電線路工程水土流失特點，從地形地貌、氣候、土壤、植被等方面分析輸變電線路工程的水土流失影響因素，探討其水土流失防治重點，為構建因地制宜、合理有效的輸變電線路工程水土保持措施體系提供參考。

1 云南土石山區(qū)土壤侵蝕動態(tài)變化

云南省山高坡陡，地貌類型和氣候類型多樣，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱，是我國水土流失最嚴重的省份之一。全省土地總面積39.40萬km2，2020年水土流失面積10.06萬km2，占全省土地總面積的25.53%。按照水土流失強度等級劃分，輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕面積分別為6.71、1.42、0.89、0.65、0.39萬km2，占水土流失總面積的66.70%、14.11%、8.85%、6.46%、3.88%。云南省每年土壤侵蝕總量約4.8億t，平均侵蝕模數(shù)1 253.3 t/(km2·a)，年均侵蝕深度0.94 mm。

2 云南土石山區(qū)輸變電線路工程水土流失特征

2.1 不同時段水土流失特征

可將輸變電線路工程建設時段分為施工期(含施工準備期)和自然恢復期，不同時期的土壤侵蝕模數(shù)背景值存在明顯差異(見表1)。各輸變電線路工程項目區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)背景值在施工期大于自然恢復期，最高可達到自然恢復期的24倍，表明輸變電線路工程建設對項目區(qū)水土流失的影響主要集中在施工期階段[11-12]。在施工期，澆注桿塔基礎、修建邊坡及建排水溝等土方開挖工程會改變原地表的坡度，導致邊坡穩(wěn)定性變差，暴雨時極易造成嚴重的水蝕和重力侵蝕。此外，土石方及相關建筑材料的臨時堆放也會造成大量水土流失，在無防護的情況下，分散堆放的棄渣堆積體產生的水土流失尤為嚴重。工程建成后的自然恢復期采用植被綠化、恢復耕作、固化處理等生物措施和工程措施，逐步降低水土流失。

表1 不同時段輸變電工程土壤侵蝕模數(shù) t/(km2·a)

2.2 分區(qū)水土流失特征

依據輸變電線路工程占地類型、用途、施工布設、水土流失現(xiàn)狀和水土流失防治措施等劃分水土流失分區(qū)[13]，通常把輸變電線路工程水土流失區(qū)分為站區(qū)、塔基區(qū)、施工便道區(qū)、站外施工場地區(qū)、牽張場區(qū)、棄渣場區(qū)、材料站區(qū)7個防治分區(qū)，統(tǒng)計6個樣本輸變電線路工程施工期各防治分區(qū)水土流失量占工程水土流失量的比例(見圖1)。結果顯示，總體上站區(qū)和塔基區(qū)的水土流失量最高。其中，威信500 kV輸變電工程和永昌500 kV輸變電工程的站區(qū)水土流失量占工程水土流失量的85.8%和73.3%；烏東德電站至祿勸換流站500 kV輸變電工程和瀾滄江上游梯級電站500 kV送出工程的塔基區(qū)水土流失量占工程水土流失量的80.7%和72.4%%。究其原因是：基礎開挖、臨時堆土和土方回填會破壞原地貌，形成更加高陡的邊坡，降低邊坡穩(wěn)定性，同時會損壞地表植被和土體結構，降低土壤抗蝕性，造成水土流失急劇增加。這個結果與大部分研究結果一致[8, 14]。此外在騰沖縣110 kV芒棒輸變電工程中，棄渣場產生的水土流失量占工程水土流失量的40.1%。

圖1 輸變電線路工程施工期各防治分區(qū)水土流失量占比

2.3 分區(qū)土壤侵蝕強度

為進一步分析輸變電線路工程施工期水土流失特征，計算了6個樣本輸變電線路工程各防治分區(qū)擾動后的土壤侵蝕模數(shù)，統(tǒng)計了各防治分區(qū)擾動后土壤侵蝕模數(shù)平均值及侵蝕級別(見表2)。結果顯示，各防治分區(qū)擾動后土壤侵蝕模數(shù)均較高。其中，站區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最高，為8 530 t/(km2·a)，年平均土壤流失厚度達5.9～11.1 mm，侵蝕級別為極強烈；塔基區(qū)、施工便道區(qū)、棄渣場區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)分別為7 587、6 728、5 864 t/(km2·a)，年平均土壤流失厚度為3.7～5.9 mm，侵蝕級別為強烈；站外施工場地區(qū)和牽張場區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)分別為4 198、4 083 t/(km2·a)，年平均土壤流失厚度為1.9～3.7 mm，侵蝕級別為中度；擾動后土壤侵蝕模數(shù)最小的為材料站區(qū)，材料站區(qū)土壤侵蝕模數(shù)為1 798 t/(km2·a)，年平均土壤流失厚度為0.37～1.9 mm，侵蝕級別為輕度。結果反映輸變電線路工程不同防治分區(qū)的水土流失具有不均勻性和重點防護性，需重點加強站區(qū)、塔基區(qū)、施工便道區(qū)、棄渣場區(qū)等侵蝕重點區(qū)域的水土流失監(jiān)測和防治。

表2 不同防治分區(qū)擾動后土壤侵蝕模數(shù)及侵蝕級別

3 云南土石山區(qū)輸變電線路工程水土流失影響因素

云南省位于中國西南邊陲，介于北緯21°8′～29°15′，東經97°31′～106°11′，屬低緯度內陸地區(qū)[15]。依據通用土壤流失方程，地形地貌、氣候、土壤、植被等自然條件對輸變電線路工程水土流失具有重要影響。

3.1 地形地貌

坡度、坡長、坡形、溝壑密度、分水嶺與谷底和河面的相對高差等地形因素對水土流失有很大影響[16]。云南土石山區(qū)地形復雜，屬于山地高原地形，垂直地帶性顯著，表現(xiàn)為山高、谷深、坡陡。山地面積占全省總面積的88.6%，平均海拔2 000 m左右，具有各種類型的喀斯特地貌。全省坡度>15°的坡地面積占全省總面積的74.8%，坡度>35°的極陡坡坡地面積占19.7%，坡長>50 m的山地面積占全省總面積的51.0%，坡長>90 m的長坡山地面積占32.2%[17]，破碎復雜的地形極易發(fā)生水土流失。

云南土石山區(qū)輸變電線路工程通常跨越山地和高大山嶺，穿過不同地形地貌類型區(qū)域，塔基通常修建在山頂和陡峭邊坡，運輸條件差、成本高、難度大。此外，長坡、陡坡引起地表徑流的加速匯集，為土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展提供了極大的內動力，造成嚴重的水土流失。由6個樣本輸變電線路工程的水土流失特征和土壤侵蝕強度分析可知，站區(qū)和塔基區(qū)的開挖量大，水土流失量大，這與當?shù)氐匦蔚孛蔡卣麝P系密切，山區(qū)開挖、棄渣等活動對原地貌造成損壞，易加劇土壤侵蝕。

3.2 氣 候

云南土石山區(qū)屬于低緯度山原季風氣候區(qū)，冬季受干燥的大陸季風控制，夏季盛行濕潤的海洋季風，立體氣候特點顯著，同時具有寒、溫、熱(包括亞熱帶)三帶氣候特征，日照強、年溫差小、日溫差大。降雨的季節(jié)分配極不均勻，主要集中在5—8月，期間降雨量占全年的75%，局地短歷時強降雨較多，且降雨地域分布差異大，降雨量最多的區(qū)域年降水量可達2 200～2 700 mm，最少的僅有584 mm。降雨是造成云南土石山區(qū)嚴重水土流失的直接動力和主要氣候因子[18]，溫度、濕度、日照時間等氣候因素對植物類型、土壤性質、巖石風化等產生間接影響，也會影響區(qū)域水土流失[19]。

云南土石山區(qū)特殊復雜的氣候特點對塔基工程有很大影響[20]。雨季的強降雨對塔基造成集中沖刷，在邊坡形成不同程度的溝蝕，降低邊坡穩(wěn)定性，暴雨下極易發(fā)生嚴重水力侵蝕和重力侵蝕。日照強和溫差大等特點易造成塔基混凝土開裂，導致工程后期植被生長困難，成活率低，植被恢復效果不佳。立體氣候特點導致輸變電線路工程侵蝕營力差異性大，易引發(fā)不同程度的土壤侵蝕，極大地增加水土保持工作難度。

3.3 土 壤

土壤類型直接決定通用土壤流失方程中的土壤可蝕性因子，對降雨侵蝕力因子和植被覆蓋因子也有間接影響[21]。云南土石山區(qū)土壤母質以玄武巖、花崗巖、砂頁巖類為主，紅壤是全省面積最大、分布最廣的土壤類型，占全省土地面積的30.22%[22]。土壤有機質的腐殖質化程度高，土壤養(yǎng)分高。

紅壤在高濕多雨的氣候條件下易風化，易分解，抗沖蝕能力差，透水性差。輸變電線路工程的建設導致表層土壤流失嚴重，露出板結而無結構的土層，造成植被生長困難，進一步降低了紅壤的抗蝕性[23-24]。土壤表層通常覆蓋一層松散碎石土，土層相對較薄，呈現(xiàn)“石多土少”的特點，當雨季來臨時集中徑流的沖刷易引發(fā)崩崗、滑坡等自然災害，加劇水土流失。

3.4 植 被

良好的植被覆蓋可以有效減少水土流失。云南省植被類型復雜多樣，寒、溫、熱三帶植物均有分布，從南到北隨著緯度增加和海拔升高，植被分布依次為熱帶雨林，熱帶稀樹草原，亞熱帶常綠闊葉林、混交林和針葉林，溫帶、寒溫帶針葉林[25]。歷史上，亂砍濫伐、毀林開荒等行為，導致云南省良好的森林資源遭受嚴重破壞，盡管近年來持續(xù)進行植樹造林和封山育林，但幼林和殘次林地的面積較大，森林資源整體質量較低。當林下缺少灌木或草本植物，易出現(xiàn)“林下流”的現(xiàn)象。植被覆蓋率低的地表，受到雨滴強力擊濺時易順著山坡下瀉，造成土壤流失[26]。

在輸變電線路工程的施工期，基礎開挖、土方回填、施工擾動等會破壞地表植被，且輸變電線路工程通常選址在林木稀疏的生態(tài)脆弱地段，易引起嚴重的水土流失。在工程建成后的自然恢復期，土地平整、復耕、覆土綠化等措施恢復或改善原有的地表條件，使水土流失得到一定程度的控制。輸變電線路工程線路長、跨度大，同一工程不同分段的植被特征不同，因此植被恢復應按照“宜林則林、宜草則草、宜荒則荒”的原則，選擇因地制宜的植被恢復措施，注重灌木和草本植物的合理補植。通過統(tǒng)計6個樣本輸變電線路工程的植被恢復措施，總結出云南土石山區(qū)輸變電線路工程的植被恢復主要采用喬灌草相結合的造林模式。其中：喬木多選用香樟、榿木、旱冬瓜、馬尾松、麻櫟等；灌木多選用柑橘、枇杷、女貞、野薔薇、火棘、余甘子等；草種多選用狗牙根、黑麥草、爬山虎、百喜草等。

4 云南土石山區(qū)輸變電線路工程水土流失防治措施

依據水土保持措施的布設原則，基于水土流失現(xiàn)狀及水土流失防治分區(qū)特點，形成水土保持工程措施、植被措施和臨時措施相結合的綜合防治體系，有效防治水土流失。

(1)輸變電線路工程的選址和水土保持措施體系的布設應根據地形特點，優(yōu)化線路路徑和布設位置。如在騰沖縣110 kV芒棒輸變電線路工程中，位于陡坡地段的塔基基于地形特點采用全方位高低腿設計，實現(xiàn)依據地形的自由調節(jié)，減少基面開挖和對塔基附近植被的破壞，進而減少水土流失。

(2)各防治分區(qū)的水土流失特征差異大，防治重點和措施配置各不相同。云南土石山區(qū)輸變電線路工程的開挖和土方開采通常位于山地、丘陵、河谷及陡峻的斜坡地段，造成原有地形地貌的改變，形成了新的陡峭土體和高邊坡堆積體，在暴雨等自然因素或人類活動的觸發(fā)下，尤其是在塔基區(qū)，易產生崩塌、滑坡、泥石流等重力侵蝕，因此在塔基處應修建擋墻等工程措施。

(3)云南土石山區(qū)土壤表層多為松散石土，開挖堆積后形成孔隙大、黏結力差的棄土棄渣，雨季極易發(fā)生嚴重的水土流失。因此，施工期時應對站區(qū)、塔基區(qū)和棄渣場區(qū)實施重點防治，如：邊坡處布設護坡，坡腳處修建擋墻，坡頂處設置截水溝，斜坡上修建排水工程等；施工棄土棄渣應妥善堆放，可采取場地平整、播撒草種、修建泥漿池、利用編織袋圍擋等措施。

(4)輸變電線路工程建設會對自然景觀造成破壞，導致不同尺度的“生態(tài)傷疤”。因此，布設的水土保持措施在滿足水土流失防治要求的同時也應注重提升生態(tài)景觀品質，達到美化環(huán)境的要求[27]。

5 結 論

輸變電線路工程具有跨越距離遠、建設周期長和規(guī)模大、擾動點多且分散的特點，輸變電線路工程的建設會對周邊區(qū)域環(huán)境產生破壞，引起水土流失。選取云南土石山區(qū)6個典型輸變電線路工程，劃分7個防治分區(qū)，分析云南土石山區(qū)輸變電線路工程和各防治分區(qū)水土流失特點。結果顯示，云南土石山區(qū)輸變電線路工程施工期的土壤侵蝕模數(shù)大于自然恢復期?？傮w上施工期站區(qū)和塔基區(qū)產生的水土流失量最大，站區(qū)、塔基區(qū)、施工便道區(qū)和棄渣場區(qū)是水土流失防治的重點區(qū)域。分析地形地貌、氣候、土壤、植被等自然因素對云南土石山區(qū)輸變電線路工程水土流失的影響，基于云南土石山區(qū)的自然環(huán)境因素和輸變電線路工程的水土流失特點，提出云南土石山區(qū)輸變電線路工程的水土流失防治重點，為構建科學實用、合理有效的水土保持措施體系提供參考。