標準徑流小區(qū)在抽水蓄能電站棄渣場水土保持監(jiān)測中的應用

林曉渝，李 健，周永峰

(中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

水土保持監(jiān)測在我國人為水土流失防治和水土保持強監(jiān)管中發(fā)揮了積極作用?！渡a(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測規(guī)程(試行)》規(guī)定，征占地面積在5 hm2以上或者挖填土石方總量在5萬m3以上的生產(chǎn)建設項目應開展水土保持監(jiān)測。水利水電工程土石方量一般在千萬立方米級別，因此水土保持監(jiān)測是必須開展的水土保持重點工作之一，特別是施工期的棄土棄渣場，更是水利水電工程水土保持監(jiān)測的重點，應采用相對固定的觀測設施進行地面觀測。

徑流小區(qū)觀測位置固定、持續(xù)觀測周期較長，已有規(guī)程對其選址布設、規(guī)格和觀測方法都有明確的規(guī)定[1]，因此在國內常規(guī)水電工程水土保持監(jiān)測中應用廣泛。比如：浙江華光潭水電站采用簡易坡面徑流小區(qū)和草皮防護坡面對比監(jiān)測水土流失[2]；福建后壟溪水電站采用5 m×2 m的徑流小區(qū)對主體工程進行監(jiān)測[3]；錦屏二級水電站使用標準徑流小區(qū)監(jiān)測項目區(qū)土壤流失背景值[4-5]；白鶴灘、官地水電站通過布設8個以上的徑流小區(qū)獲取土壤侵蝕數(shù)據(jù)[6-7]；大崗山水電站通過改造標準徑流小區(qū)提高棄渣場水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)代表性[8]；烏江思林水電站采用含簡易徑流小區(qū)法在內的單點多方法綜合分析獲得土壤侵蝕強度數(shù)據(jù)[9-11]；新疆鏨高水電站綜合布置風蝕和徑流小區(qū)，同時完成風蝕和水蝕量的監(jiān)測[12]。但是目前有關徑流小區(qū)在抽水蓄能電站監(jiān)測中的應用的文獻案例極少。廣東惠州抽水蓄能電站在2004—2007年運用徑流小區(qū)法監(jiān)測土壤侵蝕量，結果表明土壤侵蝕量與雨強、地表覆蓋、坡度等有一定的相關性，說明徑流小區(qū)法在流失強度較低的平臺部位具有較好的適用性，并具有可模擬、易管理、能印證等優(yōu)點[13-16]。借鑒國內常規(guī)水電工程和廣東惠州抽水蓄能電站利用徑流小區(qū)開展水土保持監(jiān)測的經(jīng)驗，我們以浙西南山地保土生態(tài)維護區(qū)某抽水蓄能電站棄渣場水土保持監(jiān)測為例，對抽水蓄能電站水土保持監(jiān)測徑流小區(qū)建設、監(jiān)測實施、監(jiān)測結果進行了分析。

1 項目概況

某抽水蓄能電站(以下簡稱“電站”)位于浙西南山地保土生態(tài)維護區(qū)，屬大(1)型一等工程，總裝機容量1 500 MW。電站主要包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、永久道路、業(yè)主營地等永久工程，導流工程、施工支洞、施工臨時設施、棄渣場、料場和臨時道路等臨時工程。電站設棄渣場5處，其中上庫2處、上下庫公路2處、下庫1處，各棄渣場堆渣量及占地面積詳見表1。

表1 棄渣場堆渣量及占地面積

工程區(qū)屬浙江省中部低山丘陵和盆地、侵蝕-剝蝕中低山地貌類型區(qū)，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，多年平均降水量1 591.75 mm，土壤類型主要有紅壤、黃壤、巖性土、潮土和水稻土等，森林覆蓋率77.2%。水土流失類型以水力侵蝕為主，容許土壤流失量500 t/(km2·a)，屬于浙江省括蒼山水土流失重點預防區(qū)。

2 監(jiān)測設施建設

2.1 監(jiān)測設施選址

經(jīng)現(xiàn)場查勘，監(jiān)測項目部于2011年2月按批復的水土保持方案報告書和水土保持監(jiān)測實施方案，確定了6處地面觀測點和1處調查監(jiān)測點(表2)?？紤]下庫棄渣場具有海拔低、交通便利、地質條件良好、造價相對低廉等優(yōu)點，并在堆渣量和占地面積方面具有典型代表性，因此將徑流小區(qū)布設于下庫棄渣場東側的渣場內部道路旁。下庫棄渣場徑流小區(qū)位置示意見圖1。

表2 水土保持監(jiān)測點布置

圖1 下庫棄渣場徑流小區(qū)位置示意

2.2 監(jiān)測小區(qū)建設

下庫棄渣場共建設4個標準徑流小區(qū)，其中：3個坡度分別為5°、10°、15°的徑流小區(qū)，集水區(qū)填料為工程棄渣，用以監(jiān)測施工期間棄渣場不同坡度產(chǎn)生的土壤侵蝕；還有1個為坡度5°的原狀坡面徑流小區(qū)，用以監(jiān)測工程區(qū)水土流失背景值。

每個徑流小區(qū)包含集水區(qū)和蓄水池。集水區(qū)垂直投影為20 m×5 m(長×寬)，邊界由漿砌石邊墻圍成矩形，高出地面20 cm，埋入地下30 cm。集水區(qū)內填料與蓄水池內側墻高度齊平。蓄水池為漿砌石結構，尺寸為5 m×2 m×1 m(長×寬×深)，外側墻高100 cm，內側墻高80 cm。蓄水池在外側墻高于地面10 cm處水平布設2根直徑10 cm的PVC排水管，排水管在蓄水池外側墻的內側伸出5 cm，管端進口包裹土工布，在蓄水池外側墻的外側伸出10 cm，出水口用球閥控制出水。徑流小區(qū)平面示意見圖2。

圖2 徑流小區(qū)平面設計示意(單位：cm)

徑流小區(qū)土建由經(jīng)驗豐富的施工隊伍施工，磚塊、砂石、水泥等建材質量符合國家標準要求，集水區(qū)整體結構穩(wěn)定，蓄水池防滲閉水效果良好，閥門管道排水正常，于2011年3月施工并通過驗收，并持續(xù)使用至2017年9月。徑流小區(qū)建成后的面貌見圖3。

圖3 徑流小區(qū)建成面貌

3 監(jiān)測實施

經(jīng)監(jiān)測，上庫棄渣場及公路棄渣場沉沙池監(jiān)測的土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)與下庫棄渣場標準徑流小區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)相近，故以下庫棄渣場標準徑流小區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)推算棄渣場料場監(jiān)測區(qū)土壤侵蝕量。

為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，按照《水土保持監(jiān)測技術規(guī)程》(SL 277—2002)要求，考慮了懸移質和推移質的量測。監(jiān)測人員每月定期打開蓄水池閥門，排除池內積水。排水期間，用離心管取閥門開啟后5～10 s時排出的渾濁液，計算懸移質土壤侵蝕量；用環(huán)刀取蓄水池底部淤積的泥沙，計算推移質土壤侵蝕量；將水樣和泥沙樣品帶回實驗室利用烘干法測定泥沙含量；測量放干水后蓄水池內多處淤積泥沙的厚度取平均值，并計算當月土壤侵蝕量。每月監(jiān)測完畢，及時清理蓄水池內淤積的泥沙、雜物。月土壤侵蝕量計算公式為

T=[(g2-g1)÷v×(1-L)+

(G2-G1)÷V×L]×A2÷A1×S×10-6

(1)

式中：T為監(jiān)測的月土壤侵蝕量，t；g2為過濾渾濁液并烘干后濾紙的質量，g；g1為烘干后濾紙的質量，g；v為取樣渾濁液的體積，mL；L為蓄水池底部淤積泥沙厚度平均值，m；G2為烘干后的環(huán)刀及泥沙的質量，g；G1為烘干后環(huán)刀的質量，g；V為環(huán)刀的容積，cm3；A2為蓄水池的面積，m2；A1為集水區(qū)的面積，m2；S為監(jiān)測分區(qū)土壤侵蝕的面積，km2。

土壤侵蝕面積通過現(xiàn)場調查和在地形圖中量測得到。年土壤侵蝕量計算公式為

(2)

式中：T′為年土壤侵蝕量，t；Tn為月土壤侵蝕量，t。

土壤侵蝕模數(shù)計算公式為

M=T′/S

(3)

式中：M為土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；其余符號意義同上。

4 監(jiān)測結果與分析

電站土壤侵蝕量監(jiān)測時段為2011年3月至2017年9月。監(jiān)測期內，電站土壤侵蝕總量為27 860 t，其中樞紐工程監(jiān)測區(qū)、道路工程監(jiān)測區(qū)、棄渣場料場監(jiān)測區(qū)、施工臨時設施監(jiān)測區(qū)土壤侵蝕量分別為13 738、5 057、5 879、3 186 t。棄渣場料場監(jiān)測區(qū)的土壤侵蝕量占監(jiān)測期內工程土壤侵蝕總量的21%，是除樞紐工程監(jiān)測區(qū)外土壤侵蝕最嚴重的監(jiān)測分區(qū)。棄渣場料場監(jiān)測區(qū)土壤侵蝕監(jiān)測結果見表3。

表3 棄渣場料場監(jiān)測區(qū)土壤侵蝕年度監(jiān)測數(shù)據(jù)

整個監(jiān)測期內，土壤侵蝕量大致先增加后減少，總體變化趨勢與土壤侵蝕面積和土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢相近。受施工擾動強度影響，棄渣場料場監(jiān)測區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)為1 495～3 989 t/(km2·a)，屬于輕度至中度侵蝕，整體大致呈現(xiàn)先增強后減弱趨勢，僅在施工高峰期極少數(shù)月份發(fā)生極端強降水時，才出現(xiàn)強烈或以上的侵蝕情況。由表3知，2012年土壤侵蝕模數(shù)為1 495 t/(km2·a)，明顯低于其他年份，這主要是因為當年無大規(guī)模集中強降水。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同比第三季度(雨季)，2012年降水量只有2011年的55%，現(xiàn)場監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)明顯坡面徑流，土壤侵蝕較弱。2015年土壤侵蝕模數(shù)僅為2 223 t/(km2·a)，低于2016年的土壤侵蝕模數(shù)2 984 t/(km2·a)，主要原因為在第二季度受工程棄渣影響，蓄水池局部出現(xiàn)破損，影響了土壤侵蝕數(shù)據(jù)的監(jiān)測。此外，現(xiàn)場水土保持措施的不斷實施，其水土保持功能逐步發(fā)揮，也是棄渣場水土流失逐漸減少的原因之一。

通過工程建設全過程現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，建設單位在開工之初即在棄渣場落實擋渣墻、盲溝等水土保持工程措施；在施工過程中，用重型裝載貨運卡車在棄渣場道路及平臺往復運渣、不斷碾壓，渣料較為密實；堆料至設計高程后立即實施排洪渠，導流匯水。在完工階段，建設單位招標水土保持專項工程對棄渣場進行整治，修繕已實施的水土保持工程措施，并進一步強化植物措施。隨著水土保持措施不斷完善，棄渣場水土流失狀況得到有效控制，現(xiàn)場生態(tài)環(huán)境得到逐步改善。

5 結 語

電站所用徑流小區(qū)質量優(yōu)良，從2011年3月至2017年9月持續(xù)運行78個月，為獲得棄渣場料場監(jiān)測區(qū)水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了長久持續(xù)可靠的支撐，為工程最終順利自主驗收提供了有益幫助，也為后續(xù)其他近地域、同類型項目水土保持監(jiān)測提供了借鑒參考的示例。

徑流小區(qū)法是《生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測與評價標準》(GB/T 51240—2018)規(guī)定水力侵蝕區(qū)采用的監(jiān)測方法之一，具有較好的準確性和時效性。在無人機、衛(wèi)星遙感影像等新技術廣泛應用于水土保持監(jiān)測工作的今天，徑流小區(qū)法能夠有效彌補遙感監(jiān)測精度方面的缺陷，填補遙感監(jiān)測可能會遇到的時間和空間覆蓋的空白。當然，在水土保持監(jiān)測工作中運用徑流小區(qū)法也會遇到不少問題。一是選址問題。水土保持監(jiān)測設施的布設需要建設單位的積極支持，恰當?shù)倪x址是水土保持監(jiān)測地面觀測開展的重要前提，是監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性和代表性的重要保障。二是布點問題。項目建設用地日趨緊張，布置標準徑流小區(qū)難度更大；1個標準徑流小區(qū)需要花費數(shù)萬元，中小型項目或合同額較低的項目可以通過調整徑流小區(qū)規(guī)格節(jié)約監(jiān)測費用，但如何利用小型或微型徑流小區(qū)來獲取更精確的土壤侵蝕數(shù)據(jù)是后續(xù)需要進一步研究的課題；對于監(jiān)測周期較長或地質條件不良的工程區(qū)，可以考慮采用鋼筋混凝土結構徑流小區(qū)，以提高其耐久性；徑流小區(qū)的施工質量也是影響監(jiān)測數(shù)據(jù)質量的關鍵，建議在土建完工后進行閉水試驗并進行驗收，確保其使用功能正常。三是維護問題。要設置警示標志和安防措施，避免徑流小區(qū)遭人為破壞，還要定期清理集水池，避免滋生蛇蟲，帶來安全風險。