金沙江上游干熱河谷表土保護設計

張新 廖勇 張雪楊 黃斌 田紅衛(wèi) 韓昊宇

摘要：金沙江上游干熱河谷地區(qū)存在較嚴重的生態(tài)障礙，主要是：土壤貧瘠、表土生產(chǎn)力不足、表土立地條件惡劣且土壤保水抗旱能力差，開展生態(tài)恢復工作十分困難。以恢復當?shù)氐男颀埶娬竟こ讨鷳B(tài)環(huán)境為目的，以項目區(qū)的生態(tài)障礙為突破點，采用資料分析、現(xiàn)場調(diào)查及遙感法等，分析項目區(qū)的生態(tài)障礙，劃定不同生態(tài)障礙的影響范圍；采用類比法及演繹法，逐級推導表土保護和生態(tài)恢復問題的解決方法，包括：調(diào)查項目內(nèi)表土資源的分布情況；詳細分析項目區(qū)內(nèi)的表土平衡，設計表土回覆、剝離及堆存方案，估算表土缺口；初步設計表土立地條件改良及其生產(chǎn)力恢復的作業(yè)方案，對剝離的表土進行表土培肥，對過篩的生土進行土壤熟化，并配套表土堆存臨時防護及臨時綠化。結果表明：上述表土保護設計可使表土達到綠化覆土要求，形成了“先分析生態(tài)障礙，然后開展表土保護設計，改良表土的立地條件改良、恢復其生產(chǎn)力，最后修復生態(tài)環(huán)境”的工作思路。研究成果可為生態(tài)脆弱地區(qū)的生態(tài)恢復工程提供借鑒。

關鍵詞：水土保持； 干熱河谷； 生態(tài)障礙； 表土保護； 立地條件； 表土生產(chǎn)力； 旭龍水電站

中圖法分類號：S157

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.018

文章編號：1006-0081（2024）05-0098-07

0 引言

生產(chǎn)建設項目的施工通常會對項目區(qū)原有的生態(tài)環(huán)境造成破壞，例如擾動表土、造成土壤退化，破壞原有植被及土壤生物環(huán)境、加重水土流失甚至引發(fā)泥石流等［1-2］。

國內(nèi)對于生產(chǎn)建設項目中的表土保護措施多參考農(nóng)業(yè)規(guī)范或水利規(guī)范中的通用值進行設計。以設計表土剝離及回覆厚度為例，通常是對劃定的水土保持分區(qū)之特定地類，設定通用的表土剝離或表土回覆之推薦厚度范圍，例如，除東北外，表土剝離的推薦厚度為20～50 cm，其中，耕園地25～50 cm，林草地20～30 cm；表土回覆的推薦厚度為20～40 cm，其中，耕園地25～40 cm，林草地20～30 cm［3-7］。此外，還會補充臨時苫蓋、臨時綠化及臨時攔擋等水土保持措施［6-7］。但是，上述設計忽視了施工過程會擾動表土，進而導致表土生產(chǎn)力不足、表土立地條件及土壤生物環(huán)境惡化等問題，因此，表土保護工作常事倍而功半［8］。

在表土保護問題上，一些國家擁有大量實踐經(jīng)驗。例如，日本政府通過立法確定如下原則：土地改良事業(yè)的推行是為了達到提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、增加農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量、有選擇地擴大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及改善農(nóng)業(yè)結構等目的，既包括農(nóng)戶個體自發(fā)修整和改造土地，也包括國家有組織地改造和開墾農(nóng)田、改良土壤、防范農(nóng)業(yè)災害、建造水利排灌工程以及建設農(nóng)用道路等，并剝離即將建設與占用地區(qū)較為肥沃的表土，作為客土加入已經(jīng)列為改良項目區(qū)的土壤中［9-10］。為了最大限度減少生產(chǎn)建設對生態(tài)環(huán)境及表土的不利影響，日本大力推行開發(fā)建設地區(qū)的表土剝離和再利用：如在生產(chǎn)建設中，只要對某一區(qū)域將要挖取或堆積土方的深度或高度、面積超過一定標準，就必須對該區(qū)域的表土進行剝離，并在建設活動結束后，再對挖取或堆積土方的區(qū)域進行表土回填和表土立地條件改良；在公路建設中，要對沿線適當?shù)貐^(qū)（如立交區(qū)和服務區(qū)等）的表土進行剝離，并在公路建成后適時回填及移栽原有樹木等［6-7］。此外，美國、韓國、以色列及歐洲多國，則主要結合耕地保護及礦山生態(tài)恢復工程進行表土保護及土壤改良工作［11-14］。在土壤質(zhì)量評定過程中，引入CASH法等土壤健康評估體系，力求定量評估表土生產(chǎn)力現(xiàn)狀［15-17］。因此，多個國家構建了完整的表土調(diào)查、保護措施與綜合利用設計（簡稱“表土保護設計”）體系，即以詳細的表土分布調(diào)查和表土調(diào)配平衡分析為基礎，開展表土立地條件改良及其生產(chǎn)力恢復。

綜上所述，盡管中國已經(jīng)就表土保護問題立法多年，但是在實踐中，設計人員多以參考國家農(nóng)業(yè)規(guī)范或水利規(guī)范中的通用值進行設計，暫無完整的表土保護設計體系。目前，生產(chǎn)建設項目的表土保護設計，通常僅能滿足生態(tài)良好地區(qū)的表土保護需求，不適用于金沙江干熱河谷地區(qū)等生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，因此鮮有成熟的當?shù)乇硗帘Ｗo設計案例。

本文將根據(jù)金沙江上游旭龍水電站工程的表土立地條件改良及其生產(chǎn)力恢復實踐，總結適用于生態(tài)脆弱地區(qū)的表土保護設計經(jīng)驗。

經(jīng)勘察，該地區(qū)位于川滇兩省交界的金沙江干流上游干熱河谷地區(qū)，對生態(tài)恢復構成障礙的因素（下稱“生態(tài)障礙”）相當復雜，具體特點如下：① 降水量稀少。項目區(qū)處于干旱～半干旱狀態(tài)，存在土壤干化、高溫焚風等極端現(xiàn)象，降雨集中在雨季，容易發(fā)生短期濺蝕。② 表土立地條件不佳，表土生產(chǎn)力流失顯著。項目區(qū)土壤退化嚴重，土壤養(yǎng)分含量偏低，且土壤質(zhì)地過砂或過黏，水穩(wěn)性差，難以保水保肥。③ 生態(tài)恢復困難。項目區(qū)內(nèi)原有的植被已遭受嚴重破壞，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化、植被覆蓋率和植被存活率較低、植被生長及演替困難，極端災害頻發(fā)，水土流失嚴重，表土資源貧瘠［18-21］。因此，需開展旭龍水電站生態(tài)恢復及表土保護專項研究，來解決以干熱為特色、以土壤為紐帶的多種生態(tài)障礙重難點問題。這些問題已對當?shù)厣鷳B(tài)恢復工作構成嚴重阻礙，且暫無參考案例或規(guī)范。本研究采用資料分析、現(xiàn)場調(diào)查及遙感法，來確定及分析項目區(qū)內(nèi)的生態(tài)障礙，并劃定不同生態(tài)障礙的主要影響范圍；采用類比法及演繹法，逐級推導解決生態(tài)恢復和表土保護難題的初步方案。以期為如何在西南生態(tài)脆弱地區(qū)開展生態(tài)恢復及表土保護工作提供參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌特征

旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，地處橫斷山脈，呈明顯臺階狀下降，屬高山地貌，地勢總體西北高南東低。項目區(qū)河段河勢較順直，自NW40°流入，往SE40°流出；河谷為深切峽谷，橫斷面為典型的“V”形谷，河谷兩岸地形對稱性較好，兩側為高聳的山脊，走向與金沙江流向基本一致。

1.2 氣象與水文條件

工程區(qū)的多年平均氣溫為14.5～14.6 ℃，極端高溫為36 ℃，極端低溫為-18.9 ℃，不小于10 ℃，積溫4 458 ℃，平均降水量為340.7～383.7 mm，平均蒸發(fā)量為2431 mm，平均日照時數(shù)為1 943.3 h，平均霜日為95.7 d，平均風速為1.5～2.1 m/s，風向多為西北風。

1.3 土壤及植被情況

工程區(qū)內(nèi)的植被多為自然生長的灌林群落或自然草被。沿河谷多分布有低矮荊棘灌叢和少量喬木，山坡上分布有低矮灌叢和草本植物。灌木多為耐旱、多刺、多絨毛和根系發(fā)達的灌木，如仙人掌、白刺花、十沉香、小薷等，草本植物有蕓香草、兩頭毛、山地香茶菜等，林草植被覆蓋率為49.9%。

區(qū)內(nèi)土壤以燥褐土（又稱燥紅土）為主。在自然條件下具有明顯的黏化作用和鈣化作用，土壤酸堿性呈中性至堿性，表層厚度多為20～35 cm，腐殖質(zhì)含量10～30 k/kg，養(yǎng)分含量屬于中等～中等偏上水平［22］。根據(jù)相關規(guī)范，確定每66.67 hm2耕地選取1個勘測點，最終選取21個勘測點，詳見表1［23-24］?，F(xiàn)場表土層剖面詳見圖1，土壤類型主要為山地褐土、棕壤、暗棕壤、黃壤、紫色土和沖積土等，肥沃土層相對較薄，土壤有機質(zhì)含量較低，氮、磷含量不足；部分沖積土土層較厚，可達30～40 cm，但是含有較多砂礫石，可剝離的表土量有限?？傮w而言，項目區(qū)土壤養(yǎng)分含量屬中等～中下等水平。

2 研究方法及基礎

2.1 研究方法

本研究以批復的旭龍水電站工程水土保持方案為基礎，采用資料分析、現(xiàn)場調(diào)查及遙感法等，分析項目區(qū)內(nèi)的生態(tài)障礙，劃定不同生態(tài)障礙的影響范圍。采用類比法及演繹法，逐級推導表土保護（重點是改良表土立地條件）和生態(tài)恢復（重點是恢復表土生產(chǎn)力）問題的解決方法。最后，完成表土保護的初步設計。

2.2 研究基礎

金沙江上游熱河谷地區(qū)生態(tài)恢復工作的重難點是當?shù)氐纳鷳B(tài)障礙。目前，本研究已完成了土壤初步勘察、土壤基礎農(nóng)化指標檢測、表土生產(chǎn)力、表土立地條件及生態(tài)障礙的分析與判斷等工作。

2.2.1 水障礙

（1） 項目區(qū)年均降水量僅300～400 mm，集中于雨季（5～9月），容易發(fā)生短期暴雨濺蝕。

（2） 冬季至初春時（12月至次年3月），土壤含水率長期低于土壤凋萎濕度（在當?shù)?，該值約為9%），該現(xiàn)象即土壤干化，一旦發(fā)生，植物細胞會遭遇不可逆的損害，植被極有可能大面積地凋萎［25］。

（3） 其余時間則處于干旱～半干旱狀態(tài)，容易發(fā)生高溫焚風（背風坡局部區(qū)域在夏季白天時最高可達50 ℃），僅靠布置灌溉及引水設施難以徹底解決缺水問題，且維護成本很高。

2.2.2 土壤障礙

（1） 土壤養(yǎng)分普遍不足，其中有機質(zhì)、堿解氮、有效磷的含量均偏少，僅速效鉀的含量較多；表土層厚度相對偏低，多為10～25 cm，平均約21.3 cm，表土資源有限［25］。

（2） 土壤pH值多為5.0～6.0，屬于強酸性～酸性范圍，容易發(fā)生鐵鋁毒害［26］。

（3） 土壤顆粒的水穩(wěn)性差，團聚體結構易被破壞，水土流失嚴重，養(yǎng)分易流失，缺乏優(yōu)質(zhì)的耕林草地資源，土壤持水（或保水）能力有待提高［27］。

（4） 砂粒、黏粒及石礫含量的占比較大（≥85%），粉粒含量過低（理想值是25%～35%，但在項目區(qū)僅10%～15%），土壤質(zhì)地較差［25，27］。

（5） 土壤類型主要是易被侵蝕的燥紅壤和沖積土，就地取材進行質(zhì)地改良的難度較大［27］。

（6） 原有土壤生境已被破壞，且難以恢復。

2.2.3 植被障礙

（1） 土壤生境已發(fā)生退化，現(xiàn)有的植被數(shù)量較少，植被結構單一，且生長情況不佳。

（2） 植被在越冬時同時面臨土壤水不足和土壤養(yǎng)分不足的問題，因此很可能會同時面對缺水和缺肥問題，最終植被會大面積凋萎。

3 表土保護設計

3.1 設計理念

本項目的表土保護設計以項目區(qū)原有自然地理條件為基礎，以盡可能避免新的擾動為原則，以治理項目區(qū)的水土流失問題、恢復其生態(tài)環(huán)境為目的，以改良表土立地條件、恢復表土生產(chǎn)力為主要措施。按設想，在完成表土保護設計及其施工后，可在項目區(qū)內(nèi)大規(guī)模地開展植被恢復工作，且植被成活率≥90%。

3.2 表土分布調(diào)查

根據(jù)勘察，項目區(qū)內(nèi)的表土資源集中分布于多個大地塊內(nèi)。建議施工單位按耕地30 cm、園地20 cm的厚度進行表土剝離，其養(yǎng)分含量屬中等水平，需做到應剝盡剝。此外，由于在林草地上，可剝離的表土極為有限，故不予剝離，改為按10～15 cm的厚度進行生土剝離［28-29］。

3.3 表土平衡分析

由于在批復的方案中，工程生態(tài)恢復所需的表土合計18.06萬m3（自然方，下同），表土缺口預計13.37萬m3，難以靠外購填補。因此，考慮將大量的生土熟化為合格的綠化覆土即開展土壤熟化，以填補表土缺口。

3.3.1 表土回覆

實際施工中，載土槽生態(tài)垂直綠化表土回覆厚度30 cm，復耕區(qū)域表土回覆厚度20 cm，生態(tài)恢復區(qū)域表土回覆厚度20 cm。經(jīng)計算，工程設計覆土18.06萬m3，其中復墾覆土0.32萬m3，生態(tài)恢復覆土17.74萬m3；回覆范圍包括壩址區(qū)內(nèi)未被硬化的耕園地（復墾）和林草地（生態(tài)恢復），回覆面積合計86.47 hm2，其中，復墾面積1.58 hm2，生態(tài)恢復面積84.89 hm2。詳見表2，3。

3.3.2 表土剝離及臨時堆存

在實際施工中，對項目區(qū)內(nèi)可剝離表土的地塊全部按30～40 cm、平均35 cm的厚度剝離表土，剝離面積23.20 hm2、剝離量8.12萬m3，已按批復方案設置表土堆存場（圖2）。因此，實際的表土缺口9.94萬m3。計劃對44.27 hm2林草地，按20～30 cm、平均25 cm的厚度剝離生土，然后過篩，所需的過篩生土為9.94萬m3。故表土剝離量及生土過篩量合計18.06萬m3，可滿足覆土需求。

3.4 表土立地條件改良及其生產(chǎn)力恢復

由于實際剝離的表土厚度（30～40 cm）大于推薦的表土剝離厚度（耕地30 cm、園地20 cm），因此，總體上所剝表土的表土立地條件及其生產(chǎn)力均較差，不能直接用于綠化，需開展表土培肥以恢復其生產(chǎn)力。此外，還需對立地條件更差的生土進行土壤熟化。表土的立地條件改良及其生產(chǎn)力恢復主要通過表土培肥和土壤熟化來實現(xiàn)。

3.4.1 表土剝離及臨時防護

剝離表土時應采用1.0 m3液壓反鏟淺層集土，并根據(jù)地形條件輔以人工集土。剝離的表土集中后采用10 t自卸汽車運至表土堆存場堆置，表土堆建議堆高3～5 m，坡腳采用土工袋設置臨時擋土墻，并在臨時擋土墻外側布設土質(zhì)臨時排水溝。雨季時，還應采用防雨布對表土堆進行覆蓋防護。

3.4.2 臨時綠化

由于本項目表土的有機質(zhì)含量偏低，且表土堆存時間較長，因此考慮開展臨時綠化，即通過臨時種植豆科植物（利用其固氮功能）和適合項目區(qū)的固土植物（利用其固土、加筋作用），這樣可在一定程度上起到恢復項目區(qū)生態(tài)環(huán)境、培肥土壤及減少水土流失等作用。

在施工過程中，對剝離的表土8.12萬m3和待熟化的過篩生土9.94萬m3，在堆砌好土堆后，均需在土堆頂部撒播大豆種子30 kg/hm2，并進行撫育管理（下同）；對易發(fā)生水土流失的松軟表土堆，還應補充撒播腋花莧或三葉草10～20 kg/hm2［30］。

（1） 大豆種子及草籽質(zhì)量要求。大豆種子及草籽應選擇無病害種子，純凈度應達到95%以上，發(fā)芽率應達到85%以上。

（2） 栽植要求。大豆種子及草籽需在堆土完成后及時撒播，采用“在表土內(nèi)分層施加有機肥+人工撒播”的方法，并覆薄層表土。

（3） 種植季節(jié)。大豆種子及草籽撒播一般在雨季或墑情較好時進行，不能避免時應考慮高溫遮陽。

（4） 撫育管理。撫育采用人工進行，撫育內(nèi)容包括：松土、培土、澆水、施肥、補播大豆種子及草籽、開展必要的病蟲害防治等。撫育管理分2 a進行，第一年撫育2次（通常在雜草叢生、枝葉生長旺盛的6月份進行第一次撫育，在8月下旬至9月上旬進行第二次撫育），第二年撫育1次（通常在6月份進行）。第一年定植后應及時澆水，保證草籽的成活及正常生長，對成活率沒有達到要求的地方，應在第二年春季及補播。植物措施建植后，應落實好林地的管理和撫育責任。

3.4.3 表土培肥

（1） 在剝離表土逐層堆放的過程中，綜合考慮綠化的培肥作用，按3.0‰的質(zhì)量比對表土逐層添加有機肥，可使土壤有機質(zhì)含量穩(wěn)定在第四級的中上層（即15‰～20‰屬中等水平，可保障絕大多數(shù)植被的正常生長，下同）［31-32］。

（2） 按土壤密度為1.25 g/cm3計算，則需對每萬m3表土施用不超過37.5 t有機肥，可使土壤有機質(zhì)含量可達15‰～20‰；表土堆存場的平均堆高設計值為4.81 m，則需按不超過180 t/hm2的用量施加有機肥［31］。

（3） 在表土培肥期間，隨灌溉過程按尿素8.70 kg/hm2、普鈣16.88 kg/hm2、硫酸鉀3.75 kg/hm2的的單次追肥量，施用在表土堆存場上。在一次完整的表土培肥過程中，需追肥16次，這樣可使各項速效養(yǎng)分指標均可達到中等及以上水平。

3.4.4 土壤熟化

（1） 通過采用300目和8000目的篩砂網(wǎng)，篩分普通土壤，獲得粉粒（0.002～0.02 mm），將其與自然土壤均勻混合后堆放至土壤熟化場內(nèi)［31-32］。

（2） 考慮綠化的培肥作用，按9.0‰的質(zhì)量比對混合土壤添加有機肥［31］。

（3） 按土壤密度為1.25 g/cm3計算，需對每萬m3混合土壤施用112.5 t有機肥；土壤熟化場的平均堆高設計值為2.5 m，因此需按281.25 t/hm2的用量施加有機肥。

（4） 在土壤熟化期間，隨灌溉過程按尿素8.70 kg/hm2、普鈣16.88 kg/hm2、硫酸鉀3.75 kg/hm2的單次追肥量，施用在土壤熟化場上。在一次完整的土壤熟化過程中，需追肥8次。

4 結果與討論

旭龍水電站工程表土保護設計的主要內(nèi)容包括：① 詳細調(diào)查項目內(nèi)表土資源的分布情況；② 詳細分析項目區(qū)內(nèi)的表土平衡，設計表土回覆、剝離及堆存方案，估算表土缺口；③ 初步設計改良表土立地條件及其生產(chǎn)力恢復的作業(yè)方案，具體包括對剝離的表土8.12萬m3進行表土培肥，對過篩的生土9.94萬m3進行土壤熟化，并制定了配套的表土堆存之臨時防護及臨時綠化［33-34］。

根據(jù)設計，上述的表土保護方案可使剝離的表土8.12萬m3和經(jīng)熟化的生土9.94萬m3滿足綠化覆土要求，即土壤農(nóng)化指標達到中等及以上水平。此外，種植豆科作物等措施還能控制項目區(qū)的水土流失問題，改善生態(tài)環(huán)境，創(chuàng)造一定的經(jīng)濟價值。因此，本研究可實現(xiàn)改良表土立地條件、恢復表土生產(chǎn)力、填補表土缺口、產(chǎn)生一定有益副產(chǎn)物的目的。

5 結語

金沙江上游干熱河谷地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境對旭龍水電站的生態(tài)恢復及表土保護工作構成了較大的阻礙。本文為金沙江上游干熱河谷地區(qū)的生態(tài)恢復工程提供了一種新的解決思路，即：以金沙江上游干熱河谷地區(qū)的生態(tài)障礙為突破點，分析項目區(qū)內(nèi)的生態(tài)障礙；對如何改良表土立地條件和如何恢復表土生產(chǎn)力兩大難點進行逐級推導，開展表土保護設計，改良項目區(qū)內(nèi)表土的立地條件，恢復其生產(chǎn)力；開展水土保持及表土保護設計的現(xiàn)場試驗，調(diào)整表土保護設計；進行生態(tài)恢復作業(yè)。

下一階段，需構建干熱河谷地區(qū)水土保持及表土保護設計體系，設置示范區(qū)?？蓪⑸鲜鲂颀埶娬竟こ痰谋硗帘Ｗo設計經(jīng)驗推廣到金沙江流域其他生態(tài)脆弱地區(qū)生產(chǎn)建設項目的生態(tài)恢復工程中。

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編輯：李慧

Topsoil protection design for dry and hot valley in upper reaches of Jinsha River

ZHANG Xin1，LIAO Yong2，ZHANG Xueyang1，HUANG Bin1，TIAN Hongwei1，HAN Haoyu1

（1.Changjiang Survey，Planning and Design Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.National Energy Group Jinshajiang Xulong Hydropower Co.，Ltd.，Garze Prefecture 627950，China）

Abstract：

The ecological obstacles in dry and hot valley area of the upper reaches of Jinsha River are more serious than that in the lower reaches，resulting in poor soil fertility，insufficient topsoil productivity，harsh topsoil landing-conditions，and poor soil water retention and drought resistance.It is very difficult to carry out ecological restoration work in local area.Aiming at restoring ecological environment of Xulong Hydropower Station in local area and taking ecological obstacles in the project area as case study，data analysis，on-site investigation，and remote sensing methods were used to analyze the ecological obstacles in project area and delineate the impact range of different ecological obstacles.By using analogy and deduction methods，the solution methods for topsoil protection and ecological restoration problems were derived step by step.The main content were shown as investigating the distribution of surface soil resources in the project，conducting a detailed analysis of topsoil balance in project area，designing topsoil backfilling，stripping，and storage plans，and estimateing topsoil gap，as well as preliminary design of the operation plan for improving landing-conditions of topsoil and restoring its productivity，including fertilizing stripped topsoil，maturing screened raw soil，and supporting temporary protection and greening of topsoil storage.The results showed that the above topsoil protection design can meet the requirements of green covering，forming a working idea that firstly analyzing ecological obstacles，then carrying out topsoil protection design，improving the site conditions of topsoil，restoring its productivity，and finally restoring the ecological environment.The above research results can provide a reference for ecological restoration projects in ecologically fragile areas.

Key words：

soil and water conservation； dry and hot river valleys； ecological obstacles； topsoil protection； landing-condition； topsoil productivity； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-12-08

作者簡介：張新，男，高級工程師，碩士，主要從事水土保持方面的研究工作。E-mail：4703985@qq.com

通信作者：張雪楊，男，工程師，碩士，主要從事土壤化學、土壤水動力學、土壤污染修復、水土保持設計及研究工作。E-mail：376041038@qq.com