山丘區輸變電工程侵蝕環境及水土流失特征

聶慧瑩, 馮 華, 王文龍, 豐 佳, 潘明九, 伍 歡

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100;2.國家電網浙江省電力有限公司, 杭州 310007; 3.國家電網浙江省電力有限公司經濟技術研究院,杭州 310020; 4.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司, 西安 710075)

隨著對電力需求的增長，輸變電建設在近幾年得到迅速發展[1]，較一般生產建設項目而言，輸變電工程具有強度大、范圍廣等特點，因此，輸變電項目產生的水土流失特征與傳統項目也不同，從建設與投資強度上來看，輸變電工程涉及區域范圍廣、資金投入成本大，野外環境不可控因素眾多，工程建設的技術要求較高，水土流失不均衡[2-4]。輸變電工程在施工期間對塔基、站區、施工道路、牽張場、生活區等區域施工[5]，對周邊環境造成一定破壞，從而引發水土流失[6-7]。

關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區域、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區域；史小棟等[12]則針對不同建設時期輸變電工程的水土流失展開研究，認為建設施工期水土流失面積大于運行期。現有的研究主要偏向輸變電工程水土流失量的比較，由于地區差異性及環境不可控因素，輸變電工程的水土流失在不同地理分區上具有不均衡性，以地區總水土流失量進行比較不能充分體現各地區的差異性[13-14]，而山丘區地形復雜，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域。此外，對于輸變電工程侵蝕環境組成尚不明確。侵蝕環境是指對土壤侵蝕發生發展具有一定影響的環境條件，這一概念在早期城市、道路中得到應用[15-16]，而對于輸變電工程，侵蝕環境涉及多個侵蝕單元、侵蝕動力復雜，明確其侵蝕環境組成至關重要。

因此，為進一步明確山丘區輸變電工程侵蝕環境，細化山丘區各建設區域、各侵蝕單元輸變電工程的水土流失特征，更好地體現山丘區輸變電工程區域性和階段性的水土流失特征，通過對典型性山丘區輸變電工程資料收集整理及野外實地勘測，探討其侵蝕環境、不同建設階段、不同侵蝕單元水土流失特征及其影響因素，以期揭示區域性、階段性輸變電工程水土流失特點，為山丘區輸變電工程水土保持治理提供理論基礎。

1 山丘區輸變電工程侵蝕環境

1.1 侵蝕環境組成

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

1.2 侵蝕環境作用特點

在侵蝕動力系統中，輸變電工程的侵蝕動力以人為擾動為主，同時往往伴隨著水力、重力侵蝕，且其水土流失發生環境主要受下墊面和外營力的直接影響。與自然營力相比，人為作用對侵蝕環境的影響具有短時性、持久性、高強度破壞性。對于塔基和變電站區域，基坑開挖過程中，如遇質地堅硬的巖體，需進行爆破，由此易引發土地塌陷，且在這種情況下難以采取措施進行保護，破碎的地表在外力作用下，產生自然災害，會進一步加重水土流失。棄土場土壤質地疏松，該區地表裸露無植被覆蓋，在降雨和風力作用下，為侵蝕創造有利條件，坡度較陡時由于受到重力作用誘發山體滑坡等災害，發生侵蝕的同時導致周圍環境受到威脅。平原區以水力侵蝕為主，而山丘區由于地勢陡峭，除受水力、風力侵蝕外，同時也存在重力侵蝕作用。

在侵蝕單元中，塔基區和站區、施工道路及棄土場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主要有以下兩種形式：新修道路和臨時施工便道。新修道路中的水土流失主要在于道路邊坡挖填形成，而臨時施工便道主要受人為擾動影響，尤其在山丘區，臨時道路起到運輸作用，往往采用人力、牲畜運輸的方法，受樹枝喬灌木的阻擋，植被和土壤受踐踏，土壤壓實后在雨后地表徑流阻力減小，易發生水土流失，同時樹木的砍伐、修剪減弱了冠層的截流作用促使更多的降雨到達地面，發生濺蝕。原始地形地貌發生改變，植被砍伐、修剪促使降雨對擾動地面直接發生侵蝕，增大了水土流失[8]，周圍生態環境的破壞對農業生產和生活也造成一定威脅[19]。山丘區變電站選址通常為山前平坦區域，但由于地處山區地形條件復雜，變電站防洪排導設施建設造成嚴重土地擾動。地勢陡峭，塔基開挖難度大、破壞面較大且較難恢復，因此變電站、塔基、施工道路和棄土場成為產生水土流失的主要侵蝕單元。平原區輸變電工程侵蝕單元主要為變電站、塔基和牽張場，工程施工過程中棄渣較少，一般不單獨設立棄渣場。可見，相對于平原區，山丘區輸變電工程侵蝕單元更多元且侵蝕環境復雜。

圖1 山丘區輸變電工程侵蝕環境

在侵蝕對象中，輸變電工程侵蝕對象主要涉及細碎巖石顆粒和土壤的流失。山丘區輸變電工程建設過程中，可能遇質地堅硬的巖體，人為爆破后產生的巖土混合物。場地平整過程中的表土剝離及施工道路邊坡土壤侵蝕。

輸變電工程侵蝕環境還可能導致土地肥力下降和資源浪費。場地平整過程中表土剝離使表層的養分流失不利于植被生長，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資源，另一方面，增加了可蝕土體的數量，促進了水土流失發生，可能造成崩塌、滑坡、塌陷等突發性的水土流失。

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，項目區域內氣候條件、土壤類型各不相同，產生的水土流失也存在差異，不僅空間跨度大，擾動點分散，而且還具有歷時短、總體水土流失強度小、但局部點狀水土流失強烈的特點[20]，且不同建設階段、不同侵蝕單元的水土流失影響均不相同[10]。

從不同建設階段來看，不同時期的施工活動導致輸變電工程水土流失呈現階段性特征。將輸變電工程線路劃分為施工期和自然恢復期，其中施工期又包括施工準備和基礎施工兩個方面。選取南方和北方山丘區輸變電工程在不同建設階段的水土流失量進行比較，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均大于自然恢復期，施工期的水土流失量可達自然恢復期的1.3～16.1倍，施工期的侵蝕模數是自然恢復期的1.5～25.3倍。各輸變電工程施工期的水土流失占比達55.0%以上，最高為89.7%。站區和塔基區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]，施工階段是發生水土流失的主要環節，主要由于材料堆放壓占地表以及部分塔位施工修建臨時道路導致原有地貌損壞。塔基開挖和清理工序改變原始地形和土壤條件，從侵蝕物質和侵蝕條件上加劇了侵蝕。在塔基面開挖過程中，產生的土石堆在風力、水力作用下易發生流失。此外，變電站建造、輸變電的架設等對地面的壓占都存在水土流失的隱患[21]。因此，在有挖填方的建設中，例如塔基開挖和變電站修建等區域的水土流失較其他施工區更大。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。

表1 不同類型區典型各輸變電工程不同階段的水土流失量 t

表2 不同類型區典型各輸變電工程不同階段的侵蝕模數 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、塔基、道路3個侵蝕單元的水土流失量較大，而牽張場、生產生活區由于受人為擾動小，水土流失相對較弱。5個工程的站區、塔基區、道路、牽張場、生產生活區占總水土流失量的比重分別為20.5%，45.0%，27.2%，5.9%，1.2%。5個工程中站區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，塔基區和道路區域為80.5%，40.5%，分別是是其他區域的6.7～32.4倍和1.0～47.3倍。各工程牽張場和生產生活區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%。由結果可知，不同侵蝕單元水土流失差異大，塔基區和站區的水土流失最為嚴重，與現有研究結果一致[22]，塔基占地面積較其他建設單元而言較小，但一條完整的輸變電塔基數量大，這是由于在挖填過程、多余土體臨時堆放時人為擾動程度較大，原有地表破壞程度大，尤其是在塔基區和站區，原始環境發生改變，總體土地擾動面積大，存在突發性和潛在危害性。此外，在道路邊坡施工過程中一系列的土工作業導致土壤原有結構被破壞，抗蝕性減弱，并隨著植被的減少，加重了水土流失，甚至發生崩塌等地質災害。因此，突發不確定性、不可預測性和潛在危害性均是其水土流失特征。

由表3—4可知，從不同地理分區上來看，相同的侵蝕單元，山丘區水土流失量與平原區相比，不存在必然大小關系，但是山丘區土壤侵蝕模數均大于平原區域，是平原區的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域[23]，且其水土流失沿工程區域呈線狀離散性分布，單個獨立的侵蝕源實際侵蝕面積不大而侵蝕強度大[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，輸變電工程土壤侵蝕最嚴重的區域為站區和塔基區，其次為施工道路，而在平原地區道路為土壤侵蝕模數最大的區域。總體上，平原地區的水土流失范圍和強度都弱于山地丘陵地區，在兩區的水土流失強度分區中，一級分區以地貌和侵蝕類型為依據，平原地區一級為微度侵蝕區，而山地丘陵區則為輕度侵蝕區[26]，由此可見，山丘區的一級分區的侵蝕強度遠大于平原地區。

3 輸變電工程水土流失防治

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

護坡工程指在不同坡度范圍采取合適的措施以達到減少水土流失的一種工程手段。平原區和山丘區較緩坡度條件下，即當坡度小于25°時，植物措施配置尤為重要，但當坡度大于25°時由于植物措施在陡坡不穩定，存在加劇水土流失的風險性，此時，工程措施優于植被措施，極其嚴重的需要采用綜合防護措施，例如防護網、水泥漿砌等方法。3種措施中防護效果最好的屬綜合防護措施，其次是工程措施和植物措施[29]。此外，對于山丘區尤其是西北風力侵蝕區，在措施類別中采用草方格沙障減緩水土流失。在護坡工程選擇的同時應當因地制宜，避免概化，從地區的自然條件、施工情況、防護要求等方面充分考慮措施的可行性，擇優選擇。

表3 不同類型區典型輸變電項目不同地理分區水土流失量 t

表4 不同類型區典型輸變電項目不同地理分區侵蝕模數 t/(km2·a)

表5 輸變電工程不同侵蝕單元防治措施布設

在土地整治過程中，需要考慮土壤、地形、坡度等多個因素的影響[30]，例如在項目竣工后，在塔基區、臨時道路、臨時占地區域需進行土地整治工作，首先考慮各區立地條件，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原始狀態。輸變電工程中，對于平原地區坡度平緩一般采取穴狀整地或全面整地的方法，該方法擾動面積小，恢復難度較小，容易執行；而對于山丘區當坡度大于15°時，結合陡坡特點采用水平階、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技術要求較高，通常在坡度達到25°時選擇。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，可根據具體項目情況進行選擇，當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]。

在防洪排導方面，避免水流對土石渣的沖刷以及對地面的沖蝕，以防洪排導的方式減小水流對土體的破壞。防洪排導布設在不同施工區域有所不同，在站區需要進行美觀設計，因此，通常排導水管的布設與道路正交，為了保證土石渣在管道內不淤積，在布設時應有一定坡度，此外避免水土下滲需要進行防滲處理。在道路兩側，排水設施應與道路平行，為減小物質出口的沖擊能量，需要在排導出口處設置消能裝備。

臨時措施方面，在輸變電工程施工過程中，表土剝離后應裝袋集中放置，避免降雨和水流對其的侵蝕，以便后期重復利用。準備期間的施工應當設置排水、攔護和沉沙措施[27]。在施工準備期完成或工程竣工后需要對臨時措施進行清理。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臨時堆放土體的侵蝕[22]。植被恢復方面主要針對的是項目竣工后在建設區域及周邊由于施工影響導致地表裸露的區域，植樹種草和復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，從施工技術的創新和輸變電的選擇上進行完善優化。塔基設計上，平原區采用四角單獨開挖方式，減少占地和地面擾動，山丘區地勢陡峭更適宜高低腿塔基形式。在線路的選擇設計上，運用先進數字化的全數字測量技術展開目標線路的測量與預測，并通過航片技術進行宏觀把控，從目前實施效果來看，初步實現了線路的優化，不足之處在于其覆蓋范圍較小，資料的獲取受限制。在此基礎之上，進一步優化路徑，將全數字測量技術、衛星影像及GPS技術結合，一方面可以節約投資成本，另一方面減少了土石方量，減弱了水土流失。在施工技術上，采用動力傘和張力放線結合的導引繩技術，張力放線是通過選定鐵塔后，人工將牽引線展放，從牽張場牽拉而實現輸電線架設的過程，其中鐵塔的選擇對于線繩的牽放至關重要。動力傘是指通過環保型飛行器進行導引，從而實現輸變電展放的方法[32]，跨度大、植被覆蓋度密集的區域宜采用該方式。采用二者結合的方法進行輸變電線的架設，減弱了對農田、耕地、山林中植被草木、土地的踐踏，也減少了對樹木的砍伐，實現綠色高效可持續發展的目標，同時對臨時道路的需求不大，降低了項目投入成本，減少對地面的破壞程度，減小防治的工作量以達到控制水土流失的目的。

4 結 論

影響輸變電類項目水土流失的環境因素較多，通過研究山丘區輸變電工程侵蝕環境，可根據不同建設時期、不同侵蝕單元侵蝕特征進行輸變電工程水土保持措施實施。主要結論如下：(1) 在侵蝕動力系統中，輸變電工程的侵蝕動力以人為擾動為主，塔基區和站區、施工道路及棄土場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自然恢復期的1.3～16.1倍，施工期的侵蝕模數是自然恢復期的1.5～25.3倍。(3) 站區和塔基區施工期的水土流失量占比均高于其他侵蝕單元，山丘區土壤侵蝕模數均大于平原區，是平原區的1.2～1.9倍。(4) 在眾多建設區域中以變電站建設、塔基開挖，線路施工臨時道路為重點，在地貌類型上著重山丘區輸變電工程水土流失的防治，將水土保持工程措施、植物措施與臨時措施有機結合。