陜北-湖北±800kV輸電線路工程水土流失特征及其綜合治理

潘明九, 豐 佳, 王文龍, 顧晨臨, 劉 波, 單 軍, 余智芳

(1.國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院, 杭州 310020; 2.國網浙江省電力有限公司, 杭州 310007;3.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)

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，而目前大部分丘陵地貌、山地地貌等山丘區的生態環境仍然脆弱、經濟發展還較為落后。特高壓輸變電線路作為一種典型線型工程，具有路徑長、跨度大的特點[1]，建設過程中不可避免地會經過丘陵地貌、山地地貌等山丘區生態環境脆弱區，并且塔基開挖、修建施工場地、平整牽張場、修筑施工便道等活動，對地表產生較大強度的擾動。不僅會加劇施工區域的水力侵蝕，還會對周圍區域的地質穩定性造成不利影響，增大邊坡失穩、發生滑坡等重力侵蝕的可能性，導致嚴重的水土流失，進而使生態環境更加嚴酷。因此迫切需要明確生態環境脆弱的山丘區特高壓輸電線路工程水土流失特征及其強度，為水土保持設計和施工提供理論支撐和決策支持。

輸電線路工程作為涉及區域廣、侵蝕環境復雜的典型點—線型工程，水土流失在不同區域極不均衡[2-3]。研究發現，輸電線路工程在黃土區引起的水土流失量要高于其他建設區域[4]，且其施工后引起的水土流失量相較施工前可增大5.1倍[5]。雖然黃土高原各類型區的侵蝕強度在治理后大幅度下降(大致在35%左右)[6]，且當今黃河輸沙量下降至2.48億t/a[7]，但生產建設活動依然會產生一定的水土流失。因此，對于輸電線路工程，尤其是涉及生態環境脆弱區的線路工程，土壤侵蝕強度在工程沿線區域的分布差異，需要進行重點研究。水土流失監測作為輸電線路工程水土保持防治的前提，有小區觀測法、控制站法、簡易坡面測量法、簡易水土流失觀測場法、原子示蹤法和定量遙感法[8]。其中鋼釬法和簡易坡面量測法是較為常見的水土流失定點監測方法。水土保持措施是輸電線路工程水土保持防治的重點和主體，可分為工程措施、植物措施和臨時措施，工程措施主要包括堡坎、排水溝、道路硬化、土地整治、攔渣護坡工程等[9]。在特殊地貌如沙地，還要配置草方格沙障以防風固沙[10]。關于植物措施的配置，相對來說較為單一，在輸電線路工程中大都以撒播草粒為主[11-12]，而對灌木種和喬木種在植物措施中的配置相對欠缺，且對喬、灌、草混合搭配在輸電線路工程水土保持措施中的應用研究十分薄弱。

為順應國家生態文明建設新形勢和國家電網公司高質量綠色發展的內在需求，迫切需要在典型丘陵地貌、山地地貌等生態環境脆弱區域開展架空輸電線路工程水土流失特征、影響因素研究，提出系統科學的特高壓輸電線路工程水土流失綜合治理技術，為丘陵、山地地貌等生態環境脆弱區架空輸電線路的水土保持提供理論依據和技術支撐，具有重要科學意義與廣闊應用前景。本研究以涉及黃土丘陵地貌、山地地貌和平原地貌的陜北—湖北±800 kV特高壓輸電線路工程為案例，分析輸電線路工程的水土流失特征、沿線地貌的土壤侵蝕量以及水土流失危害和原因，并提出針對丘陵地貌、山地地貌等生態環境脆弱區輸電線路工程的水土保持綜合治理技術。為輸電線路工程水土流失控制，降低輸電線路水土流失強度和生產活動導致的崩塌、滑坡等自然災害發生的頻率，以及保證輸電線路工程的安全運營提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 項目及項目區概況

陜北—湖北±800 kV特高壓輸電線路工程途經陜西、山西、河南、湖北四省，路徑全長約1 137.30 km，包括：陜北換流站及其接地極、接地極線路39 km；武漢換流站及其接地極、接地極線路119 km。工程沿線區域地貌涉及黃土丘陵、山地和平原地貌等。黃土丘陵地貌主要涉及榆林、呂梁、臨汾等地區；山地地貌主要涉及三門峽、平頂山、信陽、黃岡等部分地區；平原地貌主要涉及南陽、孝感和武漢等部分地區(表1)。

表1 陜北-湖北±800 kV特高壓直流輸電工程沿線地貌類型

該輸電線路工程自北向南涉及中溫帶干旱區、暖溫帶半濕潤區和亞熱帶濕潤區，氣候類型包含溫帶大陸性氣候、溫帶季風性氣候和亞熱帶季風性氣候，年降水量414～1 252 mm，≥10℃的多年平均積溫為3 397～5 222℃，無霜期為150～240 d，最大凍土深度5～119 cm。土壤類型主要涉及黃綿土、褐土、黃棕壤、潮土、水稻土等。植被類型以農作物、落葉灌木、落葉喬木和禾本科草本為主，沿線林草覆蓋率22%～62.2%。根據《全國第二次土壤侵蝕遙感普查》結果，該工程沿線區域侵蝕類型以水力侵蝕為主，土壤侵蝕模數為200～15 000 t/(km2·a)。

1.2 水土流失監測方法

根據工程沿線氣候和地貌類型，將工程涉及區域分為黃土丘陵地貌、山地地貌和平原地貌等3類地貌。對3類地貌類型的典型水土流失單元(站區、道路區、施工生產生活區、排水管線區、接地極、塔基區、牽張場區等)進行定點監測，因工程涉及區域以水蝕為主，主要通過野外調查法和定位插針(測釬法)測定工程典型水土流失單元的土壤侵蝕模數。

測釬法即通過測量一段時期內測釬露出地表的上端長度變化，來確定監測區域土壤侵蝕量的方法。為了防止測量人員進入測釬陣列造成人為擾動，一般相鄰測釬的間距為1 m，并且按3×3陣列，用9個測針來布設為一個監測點(監測面積100 m2)。根據水土流失單元區域大小不同，可布設多個監測點。測釬垂直打入地面，上端露出部分為10 cm，每個月測定一次露出地表的測釬長度，大風日和大雨日加測，以一定時期內測定的露出地表的測釬長度差值的平均值作為土壤侵蝕厚度。在各單元監測點的周圍區域用環刀取表層土樣，進行三次重復，帶回室內采用烘干法測定其土壤容重。某單元測釬法測得土壤侵蝕模數的計算公式如下：

Mi=(1000hipi)/ti

(1)

式中:M為某單元測釬法測的土壤侵蝕模數〔t/(km2·a)〕；hi為某單元1 a內的土壤侵蝕厚度(mm)；ρi為某單元的土壤容重(t/m3)；ti為某單元的監測時間(a)。

Wi=Fi×Mi×Ti

(2)

式中:Wi為某單元的土壤侵蝕量(t)；Fi為某單元的區域面積(km2)；Ti為某單元的預測時間(a)。某單元的監測時間為該工程各單元施工時間與自然恢復時間之和(從施工到開始治理這段時間)。

2 結果與分析

2.1 輸電線路工程水土流失特征

輸電線路工程作為典型的點—線型生產建設項目，它與高速公路/鐵路、天然氣管道工程等線型工程在水土流失特征方面有相似之處，與礦山開采和城鎮建設等點型工程差異較大，水土流失特征與其各自獨特的水土流失單元息息相關。輸電線路工程是點型和線型結合的工程。變電站/換流站、送端接地極、受端接地極都屬點型工程，線型工程則主要由塔基和架空線組成。除了以上主體工程，還有施工道路、生產生活區、棄土場、牽張場等配套設施(表2)。

科胡特曾說：“個體如果想要發展出健康、統合、連續的個體，關系背景是十分重要的；只有在這個關系中嬰兒的自體客體需要通過養育者的情感協調得以滿足，個體才有可能發展出健康的自我。也正是因為如此，如果養育者給予嬰兒的反應并不協調，個體就有可能出現心理問題?！?/p>

輸電線路工程水土流失呈點狀線型分布。與接地極相比，換流站因其占地面積較大，工程涉及區域較廣，是水土流失點狀分布的重要組成部分。陜北—湖北±800 kV特高壓輸電線路工程共涉及兩大換流站(包含相應配套設施)，其水土流失量為143 256 t。塔基區一般占地面積較小，但數量極大，是水土流失線型分布的主導區域。該工程共建塔基2 282個，監測水土流失量為37 478 t。與換流站相比，塔基區分布廣而散，不能集中統一進行水土流失治理，且因其個體占據區域小而易被忽視，在今后的水土流失防治上應加以重視。點狀分布的塔基是水土流失防治重點。此外，塔基、變電站/換流站又沿著架空線路呈線狀分布，成為典型的線型工程，決定了輸電線路工程水土流失呈點狀線型分布特征，因而輸電線路工程水土流失具有總體水土流失強度小、但局部點狀水土流失強烈的特點[13]。

表2 輸電線路工程與其他生產建設項目工程水土流失特征比較

工程空間跨度大，侵蝕環境差異顯著，侵蝕類型多且復雜。陜北—湖北±800 kV特高壓輸電線路工程途經陜西、山西、河南、湖北四省，線路全長1 137.3 km。工程空間跨度大，沿線地區的氣候、土壤、植被等自然要素空間差異性極大，分屬于多個水土流失類型地區：如陜西省榆林、山西省呂梁等黃土丘陵區，河南省洛陽(洛寧縣、伊川縣)等屬北方土石山區，湖北省孝感市(孝昌縣、安陸縣)等屬南方紅壤區。該工程沿線侵蝕類型多且復雜，土壤侵蝕以水力侵蝕為主，在陜西和山西境內的黃土丘陵地貌也有小型崩塌、滑坡等重力侵蝕災害發生，在榆林一帶也有微弱的風力侵蝕(圖1)。

圖1 陜北-湖北±800 kV特高壓輸電線路工程沿線地貌類型及水土流失狀況

2.2 輸電線路工程沿線土壤侵蝕模數分布

陜北—湖北±800 kV特高壓輸電線路工程涉及陜西、山西、河南、湖北四境。施工后各區域的平均侵蝕模數由大到小依次為陜西段>山西段>河南段>湖北段(圖2)。其中，陜西省榆林境內施工后的侵蝕模數最大，為20 000～25 000 t/(km2·a)。山西省境內施工后的侵蝕模數次之，為1 500～23 000 t/(km2·a)。河南省和湖北省在施工后的土壤侵蝕模數近似，分別為950～9 500 t/(km2·a)和1 090～8 400 t/(km2·a)，其中河南省平原地貌的侵蝕模數最小，為950～1 200 t/(km2·a)。

侵蝕模數大小與所處地貌類型息息相關，該工程沿線地貌主要涉及黃土丘陵、山地和平原。施工后各地貌的平均侵蝕模數由大到小依次為黃土丘陵>山地>平原。黃土丘陵地貌土壤侵蝕強度為極強度—劇烈，侵蝕模數為12 000～25 000 t/(km2·a)，山地地貌的侵蝕模數為3 600～9 500 t/(km2·a)，為中度—極強度土壤侵蝕。平原地貌的侵蝕模數僅為950～2 000 t/(km2·a)，為輕度土壤侵蝕。由此可見，黃土丘陵地貌是該工程的重點土壤侵蝕防治區。

圖2 輸電線路工程施工后沿線區域土壤侵蝕模數對比

2.3 輸電線路工程水土流失單元土壤侵蝕量差異分析

黃土丘陵地貌內的輸電線路工程主要包括陜北換流站、送端接地極和線路工程。由圖3看出，站區的土壤侵蝕量為18 220 t，是陜北換流站中造成最大土壤侵蝕量的區域，其次是供排水管區，其土壤侵蝕量為10 471 t。電機電纜區是送端接地極中造成最大土壤侵蝕量的區域，其土壤侵蝕量為7 330 t，而匯流裝置區和檢修道路區的土壤侵蝕量相較很小，分別為4 t和17 t。塔基區和施工道路區是線路工程中的土壤侵蝕主導區域，它們的土壤侵蝕量分別為28 768 t和22 271 t。綜上，塔基區是黃土丘陵地貌內造成最大土壤侵蝕量的區域，應為該區域重點水土流失防治單元。

圖3 黃土丘陵地貌輸電線路重點工程區土壤侵蝕量

山地地貌內的輸電線路工程主要包括湖北換流站、受端接地極和線路工程。

由圖4看出，站區是湖北換流站中造成最大土壤侵蝕量的區域，其土壤侵蝕量為9 047 t，其余區域的土壤侵蝕量較小，為69～840 t。電機電纜區是受端接地極中造成最大土壤侵蝕量的區域，其土壤侵蝕量為601 t，而匯流裝置區和檢修道路區的土壤侵蝕量相較很小，分別為2 t和3 t。塔基區和施工道路區是線路工程中的土壤侵蝕主導區域，它們的土壤侵蝕量分別為8 258 t和7 433 t。綜上，站區、塔基區和施工道路區是山丘區內造成土壤侵蝕的主要區域，應為該區域重點水土流失防治單元。

圖4 山地地貌輸電線路重點工程區土壤侵蝕量

綜上，在整個輸電線路工程中，站區和塔基區的土壤侵蝕量分別為27 267 t和37 478 t，分別占點型工程和線型工程土壤侵蝕量的47.6%和49.3%，是造成土壤侵蝕的主要水土流失單元。

圖5 平原地貌輸電線路重點工程區土壤侵蝕量

2.4 輸電線路工程水土流失危害

本工程建設過程中人為活動造成新增水土流失的原因主要是破壞地表植被、地表結皮、挖方的臨時堆放，在雨季、風季易產生水土流失。根據本工程地形地貌和施工建設的特點，產生的水土流失危害主要有以下幾個方面：

(1) 工程建設過程中將破壞原地貌和植被、地表結皮，形成裸露疏松的土層，如不采取防護措施，造成土壤侵蝕加劇，塔基周邊的土壤可能隨之流失，導致塔基基礎暴露在外，對鐵塔的穩定性帶來不利影響，可能危害工程安全運行。

(2) 工程線路施工時需跨越多條河流，若不采取措施防護臨時堆土，土方可能流失到河道內，增加河道的泥沙量。

(3) 主體工程建設過程中總占用土地面積585.19 hm2，其中占用耕地194.26 hm2，施工結束后擾動區若不進行治理，可加劇土地退化，影響土地生產力。

2.5 輸電線路工程水土流失綜合治理

基于陜北—湖北±800 kV特高壓輸電線路工程水土流失單元、特征以及各地貌區的土壤侵蝕模數分布，提出針對黃土丘陵地貌、山地地貌等山丘區生態環境脆弱區輸電線路工程的水土保持綜合治理措施(表3)。綜合治理要點在于根據水土保持措施布設原則，對工程設計中的水土保持措施進行綜合規劃，通過工程措施、植物措施及臨時措施的有機結合，形成綜合防治體系，以能保護地表、防治水土流失、改善生態環境。

輸電線路水土流失治理工程措施主要有土地整治、擋渣、護坡、防洪排導等工程。輸變電項目攔渣工程在符合擋土墻設計規范的同時，還應考慮攔渣數量、渣體巖性、地形地質條件、建筑材料等多種因素[18-20]。塔基、臨時道路、棄渣場等由于開挖或堆棄而形成的不穩定邊坡，需采取護坡工程。邊坡小于1∶1.5的土質或沙質坡面，可采取植物護坡；對堆積物、不穩定的高陡邊坡、遭受水流沖刷的坡腳，需采用工程護坡；而對于條件復雜的不穩定邊坡，應采用綜合護坡[20]。防洪排導工程主要是為了防止雨水、地表水和洪水等對損壞地表或工程堆積物等的沖刷，目前主要使用的類型有截洪溝、排水溝、排水孔等[21]。

表3 山丘區輸電線路工程水土流失綜合治理措施

在實施以上輸電線路工程水土保持工程措施治理技術的基礎上，通過詳細調查工程涉及區域植被類型、植被覆蓋度、氣候、土壤等因素，優先選擇鄉土草、灌、樹種，并結合施工后對環境帶來的實際影響，如遮陰、表層土壤貧瘠等問題，選擇能夠適應變化環境的植被類型?？刹捎眠x擇多種草、灌、樹種進行播種的方式，通過自然選擇以得到較優的物種組合。根據氣候、土壤等因素，設計植被覆蓋度，以能無人為干涉而自然生長為宜。根據群落演替理論，利用鄉土物種，恢復施工前原有地表自然景觀，以使人為生活生產活動對生態環境的影響降到最低。而針對黃土丘陵地貌水力侵蝕和重力侵蝕都較為嚴重的情況，在布設植物措施時，尤其要注意植株的混合搭配和規模密度，已有研究表明單一且繁密的植物群，反而會促使發生淺層滑坡，加劇水土流失[22]。在黃土丘陵地貌，控制撒播的草種數量并結合灌木和喬木幼苗的定植以控制植株密度是有必要的。

近年來，近自然恢復理念得到各國生態學的關注，其起源于19世紀德國在林業領域所提出的近自然林業理念。它的核心理念是根據群落演替理論，利用鄉土物種，把退化草地恢復到物種組成、多樣性和群落結構與地帶性植被接近的生態系統[23]。源于此，我們提出近自然治理的概念：以植物措施為核心，針對不同生態環境特點，以盡可能恢復原有地貌自然景觀為目的的水土流失治理方式。兩者都認同：應用與區域環境相適應的鄉土草種進行草地恢復是關鍵[24]。而不同之處在于：近自然恢復的對象是退化生態系統，而近自然治理則針對生產建設所影響的人為干擾區域；并且，相較于近自然恢復，近自然治理在治理時會更加強調運用人工綠化技術，重視人類活動在水土流失治理中所能發揮的積極效應。

綜上，基于現有的輸電線路工程水土保持工程措施治理技術，融入了近自然治理，優先選擇鄉土草、灌、樹種，集成黃土高原輸電線路水土流失綜合治理體系。經過綜合治理后，盡可能降低輸電線路工程對生態環境的影響，接近甚至恢復到原有的水土流失分區生態景觀狀態，以達到最佳的治理效果。

3 結 論

(1) 輸電線路工程水土流失具有點狀線型分布特征；其工程空間跨度大，穿越水土流失類型區多；輸電線路工程水土流失環境差異顯著，侵蝕類型多且復雜。

(2) 陜北—湖北±800 kV特高壓輸電線路工程各地貌的侵蝕模數由大到小依次為黃土丘陵地貌〔12 000～25 000 t/(km2·a)〕>山地地貌〔3 600～9 500 t/(km2·a)〕>平原地貌〔950～2 000 t/(km2·a)〕。輸電線路工程沿線涉及的黃土丘陵地貌土壤侵蝕強度為極強度—劇烈，山丘地貌土壤侵蝕強度為中度—強度，平原區地貌土壤侵蝕強度為為微度—輕度。由此可見，黃土丘陵區是該工程重點土壤侵蝕防治區。

(3) 關于陜北—湖北±800 kV特高壓輸電線路工程，站區和塔基區分別是點型工程和線型工程造成最大土壤侵蝕量的水土流失單元，其土壤侵蝕量分別為27 267 t和37 478 t。應為水土流失重點防治單元。

(4) 在水土流失治理工程措施的基礎上，融入近自然治理思想，優先選擇鄉土草、灌、樹種，集成黃土丘陵地貌、山地地貌等山丘區輸電線路水土流失綜合治理。經過綜合治理后，接近甚至恢復到原有的生態景觀狀態，以達到最佳的治理效果。