山丘區輸電線路工程水土流失特征及治理技術對比研究

潘明九, 豐 佳, 王文龍, 顧晨臨, 余智芳,孟 歡, 蘆杰豐, 聶 峰, 陳 健

(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.西北農林科技大學 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;4.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司, 上海 200001; 5.國網甘肅省電力公司電力科學研究院, 蘭州 730070)

隨著社會經濟高速發展，人類對能源的需求越來越大，能源與生產力分布的嚴重不平衡性決定了我國能源資源必須在全國范圍內優化配置，遠距離輸電成為當前的嚴峻現實。輸電線路工程是由桿、塔、架設其上的導線以及變電站等構成，是典型的“點—線”結合的工程。建設過程中場地平整、基礎建設、進場道路鋪設、輸電線架設等，對原地貌和植被的毀壞造成大量的水土流失，直接影響周圍環境的侵蝕環境，致使土地、植被資源、生態環境受到嚴重影響甚至破壞，形成點狀局部水土流失強烈的特點[1-3]，所產生的水土流失強度可高出自然侵蝕強度的3～8倍[4-5]。閆超等[6]通過對典型輸變電類生產建設項目進行實例調查分析表明，施工期是水土流失強度最大的階段，塔基區是水土流失強度最大的區域，丘陵區是水土流失強度最大的地貌類型區。劉卉芳等[7]通過對云南省9個大中型輸變電工程的水土流失特點進行了分析，發現施工道路是水土流失的重要區域，其水土流失量可占總流失量的56%。孫中峰等[8]結合輸電線路工程水土保持方案實例對輸電線路工程的征占地、水土流失及水土保持分區等進行了分析與評價，發現對臨時占地范圍內水土保持措施少有進行設計，并建議編制水土保持方案應注重臨時占地范圍內的綜合防護。當前，雖然區域性的一般生產建設項目水土流失特征及綜合治理技術研究較多，但針對輸變電工程典型性局部水土流失問題關注較少，而且山丘區輸電線路工程中水土保持的實施效果一般較差，尚未建立符合輸變電線路特點的綜合治理技術體系。主要是由于長距離的輸電線路往往是跨區域架設，不同的水土流失類型區，治理措施和配置模式也有所差別，為水土流失治理增加了復雜性。因此，輸電線路工程水土流失治理整體上應以預防為主，保護優先，研發和推廣先進的施工技術，減少對占地和土地的擾動及棄土棄渣體的產生，同時，對項目建設造成的水土流失問題進行綜合治理研究，劃分不同侵蝕單元，從適宜性條件出發，做到地盡其用，兼顧水土流失治理后生態、社會、經濟效益相統一的問題。

近自然恢復理念是基于生態學理論，通過科學有效的人工輔助及管理措施，依靠自然生態過程，把退化的生態系統恢復到物種組成、多樣性和群落結構與地帶性群落接近的生態系統，從而實現恢復后生態系統結構和功能的多樣性、穩定性和可持續性[9-10]。相關研究表明在建設工程中產生的擾動土壤通過工程重構和生物重構可形成喬木適生型、灌木適生型和草本適生型土壤構型，并且這種土壤類型可保證草本植物、喬灌木在定植后不同時期發揮良好的調控地表徑流作用[11]。良好的近自然植被恢復在提高水土保持能力、豐富生物多樣性等方面具有較好的優勢[12]。目前，輸電線路工程水土流失部位的治理也多使用簡單的臨時措施、植物措施以及工程措施等[13-16]，且針對不同區域輸電項目的水土流失預防治理的研究較少，因此，本文針對易發生水土流失的典型氣候、土壤、植被條件下的山丘區，選取5個水土流失區具有典型性的山丘區輸電線路工程進行資料收集整理及野外實地調查，對山丘區輸電線路工程水土流失特點及治理措施研究分析，以期為山丘區輸電線路水土流失防治及綜合治理提供科學的依據。

1 輸電線路工程對原地表擾動特征

1.1 輸電線路工程建設特點

山丘區一般降雨徑流沖刷強烈，地形坡度較大，土壤及生態系統脆弱，部分地區還受嚴重的風蝕作用；輸電工程線路往往具有路徑長、范圍廣的特點，一條線路就可跨越不同土壤侵蝕類型區的典型特征。山丘區輸電線路工程具有地面擾動類型多，影響水土流失因素復雜多變，土壤侵蝕類型及水土流失形式多樣，侵蝕單元單個面積不大但治理強度較大、恢復困難的特點[17]，此外，在工程建設過程中植被破壞與廢土棄渣不規范傾倒等也導致山丘區輸電線路工程水土流失嚴重。作為一種典型的人為加速侵蝕，輸電線路工程建設較一般生產建設項目的特點是：水土流失分區明顯，根據工程線路的長度，可跨越多個侵蝕分區；地表擾動范圍分散，呈有規律的點、線分布，地貌類型多樣；水土流失時段集中，在施工過程中引起大量地表開挖，原有地表的植被和土壤結構被破壞，在雨水、風的作用下極易產生水土流失，還有研究表明，鐵塔上流水加劇了塔基區的水土流失[18]。

針對易發生水土流失的山丘區，并結合中國水土流失分區，選取西北黃土丘陵區、東北黑土低山和漫崗丘陵區、南方紅壤丘陵區、青藏高原和新疆山地五大典型山丘區，同時選取相對應的5條典型輸電線路工程，見表1所列。黃土丘陵區主要以丘陵地貌為主，植被類型主要為喬木、灌木、草被，主要為水力侵蝕區和風力侵蝕區；東北黑土區主要以黑土低山和漫崗丘陵區地貌為主，屬寒溫帶大陸性季風氣候，受水力侵蝕、凍融侵蝕影響；新疆山地各因素影響條件特征較為復雜，主要地貌類型有低山丘陵、沖洪積平原、沙漠、剝蝕沙漠，受水力侵蝕、凍融侵蝕、風力侵蝕影響，然而其植被類型和占地類型則較為單一。此外，通過分析每km線路擾動面積可知，青藏高原每km擾動面積最大(1.03 hm2)，其次是黃土丘陵區(0.80 hm2)，新疆山地(0.25 hm2)和黑土低山丘陵區(0.21 hm2)，紅壤丘陵區最小(0.10 hm2)。

表1 典型性輸電工程基本概況

1.2 輸電線路工程建設占地類型特點

山丘區輸電線路建設過程中，對可能擾動破壞的原地貌類型主要有荒地、林地、耕地。其中，材料站、牽張場等大部分都是建設在地勢相對平坦且靠近道路的位置；而塔基和施工便道會根據項目線路的布設較為廣泛，不僅分布在地勢相對平坦區域，山丘區依然分布較多，且占地類型復雜，由表2可知，不同區域的輸電項目工程建設占地類型差異明顯。黃土丘陵區占地類型最多，有耕地、草地、園地等5種類型，以耕地和草地占比較多，分別為49%和28%；紅壤丘陵區以林地為主，占比為69%，其次是坑塘水面為20%，耕地和交通用地占比較少為7%和4%；黑土低山丘陵區占地主要為耕地、林地和草地，分別為42%，40%，18%；青藏高原占地主要為草地，占比達78%，其次是耕地17%，林地為5%；新疆山地則主要是以裸地為主，占比高達98%，耕地為2%。

表2 典型輸電工程占地影響對比 %

2 結果與分析

2.1 輸電線路水工程土流失特征

輸電線路工程往往施工周期短，水土流失周期長、時空分布不均，呈有規律的分散式“點+線”型分布。例如，雖然輸電線路單個塔基占地面積小，但每個塔基的修建過程中均必須配套建設施工場地和施工道路，整個工程占地和擾動原地貌面積較大，進而造成大量水土流失。由圖1可知，同一條輸電線路工程不同地貌單元水土流失量差異顯著，整體上表現為塔基區和施工便道水土流失量較大，其次是牽張場，跨越施工場地水土流失最小，水土流失量占比依次表現為36%～57%，28%～48%，8%～14%，0.3%～6%。如圖2所示，輸電線路工程施工過程中誘發水土流失主要侵蝕單元，塔基在施工建設過程中涉及到基礎界面開挖，形成大量結構性差、復雜的堆積體，且新堆棄的堆積體質地松散、植被覆蓋度低，為在外營力(主要為風力、水力)作用下開挖期間形成的堆積體及建成后的塔基邊坡極易發生水土流失，加劇侵蝕程度；施工便道包括施工簡易便道和人抬道路，修建前原地貌一般植被覆蓋度較好，建設過程中也涉及開挖、棄渣等活動，對原地貌、植被等形成破壞從而造成水土流失，尤其土質道路在徑流沖刷作用下極易形成道路侵蝕；而牽張場一般選址在地勢平緩地帶，且施工過程中對原地表擾動較小，從而水土流失占比較少，但受壓實作用難以直接進行植被恢復。

針對塔基區而言，不同區域水土流失占比依次表現為新疆山地最大(57%)，其次是黃土丘陵區(53%)、青藏高原(50%)、紅壤丘陵區(50%)，黑土低山丘陵區最小(47%)。一方面是因為不同類型山丘區地形條件差異使塔基區挖方等施工工藝形成差異，從而造成水土流失差異；另一方面是不同山丘區土壤、氣候和植被等影響因素差異導致。塔基區和施工便道的土方開挖是工程初期以至施工過程中的關鍵工序，不平衡的挖填量則形成一定量的松散堆積體，增加了侵蝕來源物質，加劇了侵蝕。由圖3可知，不同區域輸電線路工程形成的棄渣體占挖方量的百分比存在一定差異。紅壤丘陵區棄渣體占總挖方量百分比最大，為8.2%，其次是青藏高原4.3%、黃土丘陵區2.7%，黑土低山丘陵區和新疆山地較小，分別為1.3%和1%。因此，在施工過程中紅壤丘陵區、青藏高原、黃土丘陵區尤其應當注意挖填方平衡。

圖1 山丘區輸電線路工程不同區域水土流失占比

圖2 輸電線路工程施工過程中誘發水土流失主要侵蝕單元

由表3可知，不同區域各地貌單元原地表土壤侵蝕模數以及擾動后的土壤侵蝕模數存在明顯差異。其中，允許土壤流失量表現為黑土低山丘陵區最小〔200 t/(km2·a)〕，其次是黃土丘陵區、紅壤丘陵區和青藏高原在500～1 000 t/(km2·a)，新疆山地最大在1 500～2 800 t/(km2·a)。土壤侵蝕模數背景值表現為黃土丘陵區最大，為15 000 t/(km2·a)顯著高于其他各區，黑土低山丘陵區最小為700 t/(km2·a)。地表擾動后土壤侵蝕模數明顯增大，最多可增大10倍(紅壤丘陵區)，最小也增加了33%(黃土丘陵區)。

不同區域擾動地貌單元的侵蝕模數整體上表現為塔基區最大，在5 000～20 500 t/(km2·a)，其余地貌單元土壤侵蝕模數則基本一致。不同山丘區塔基區的土壤侵蝕模數表現為黃土丘陵區最大〔20 500 t/(km2·a)〕是紅壤丘陵區的2倍，黑土低山和漫崗丘陵區5倍，除去氣候等影響因素外，與不同區域的土壤性質也有很大關系，黃土的土壤可蝕性較高，而黑土和紅壤土壤可蝕性較低[19]。

圖3 不同山丘區輸電線路工程棄渣體占挖方占比

表3 輸電工程擾動土壤侵蝕特征 103 t/(km2·a)

2.2 輸電線路工程水土保持修復原理

輸電線路工程水土流失修復主要指各侵蝕單元在受到高強度的人為擾動和生態系統破壞后的修復[20-21]。由于輸電線路工程建設的特點對各地貌單元的擾動程度及方式的差異，導致不同地區各侵蝕單元誘發水土流失的原因不同。因此針對山丘區典型輸電線路工程主要侵蝕單元(塔基區、施工便道和牽張場)的水土流失特點，本文提出相應的水土流失修復原理。

塔基區的水土流失主要發生在塔基的建設期和運行期，其水土流失防治重點是預防和植被恢復。建設過程中塔基部位需進行基礎開挖，對原地表嚴重破壞，形成大量臨時的松散堆積物質，在水力、風力和重力等外營力作用下極易發生水土流失。因此，在該過程中應主要針對松散堆積物質進行水土流失治理，根據區域發生水土流失外營力特點，布設臨時措施，例如鋪蓋掛網、臨時撒播草籽等。塔基運行期的水土流失治理則是一項重要且長期的工作，通過野外調查得知塔基邊坡是塔基區土壤侵蝕的主要部位，在水力侵蝕條件下邊坡水土流失防治措施設計需要綜合考慮邊坡表土的土壤可蝕性、抗蝕性特征以及徑流水動力條件，受重力侵蝕破壞的邊坡還需進行邊坡穩定性分析和坡面水文過程等研究；以往傳統的工程措施通過混凝土加固坡面、噴射混凝土等，雖然可以迅速防止水土流失，控制侵蝕效果較好，但美觀效果較差，與生態文明建設不符，且隨著時間的推移，水泥風化后期維護復雜；單純、簡單的植物措施植物又難以生長，因此，在植被恢復設計施工過程中主要參考植物學原理，適地適樹，因地制宜，考慮治理區域的立地類型與小氣候條件，結合土壤理化性質，合理規劃設計植被措施，應該依靠自然與人工相結合的修復方式。

施工便道是作為生產道路利用，水土流失主要發生在施工過程中，其原因是施工便道的排水問題，其水土流失防治的重點是以預防為主，在治理的過程中應尤其注重施工便道的排水，在排水溝設計時需依照坡面降雨產匯流過程和原理。在工程完工之后一般可恢復為原土地利用類型，或者進一步進行土地復耕。此外，在施工便道土地恢復過程中還應綜合考慮占地前的利用方式，以及項目周圍環境情況，是否需要進行硬化作為道路繼續使用。

牽張場一般選擇在地勢較為平緩地帶，其水土流失主要發生在施工過程中，一般進行圍攔便于施工及水土流失防治會進行鋪墊布置，其水土保持修復的重點是后期的恢復效果。而在施工過程中由于機械的壓實作用會致使牽張場的土壤容重顯著增加，為后期的植被恢復形成障礙，因此，在牽張場的土地恢復過程中應先進行深松翻處理，然后恢復原有土地利用方式。

2.3 塔基開挖及邊坡水土保持措施典型設計

塔基建設過程中：對于塔基開挖過程中造成的水土流失防治主要以臨時措施為主，具體包括：表土剝離：剝離表層(30 cm)土壤，專門堆置，臨時袋裝土攔擋—將部分表層土壤裝入編織袋堆放外側，起攔擋作用，上部覆蓋蓬布；施工結束后平整土地，覆蓋表層土；該措施適用于所有區域。防塵網苫蓋—施工過程中的臨時堆土為避免受到風力侵蝕，應采用防塵網苫蓋；該項措施適用于所有區域。臨時排水溝—在臨時堆積體周圍布設臨時排水溝，該措施適用于所有區域(圖4)。

圖4 臨時袋裝土攔擋典型設計

塔基邊坡：塔基邊坡水土流失防治措施主要為工程措施和植物措施。具體包括：草方格沙障：適用于新疆山地的沙漠區塔基處設置草方格沙障，沙障網格采用干蘆葦，網格設置1 m×1 m，由人工埋入地下，露出地面0.3 m，埋入地下0.2 m。漿砌石骨架植草護坡—適用于所有區域中的土質邊坡、強風化巖石邊坡，常用坡比1∶1.0～1∶1.5，可做到植被恢復效果較好。攀援植物護坡—用于坡率超過1∶0.3坡面，適用于黃土丘陵區、紅壤丘陵區、黑土低山丘陵區。漿砌石護坡：適用于所有區域中植被難已恢復的塔基。排水溝—所有區域塔基邊坡都布設漿砌石排水溝，根據集水面積，按照20 a一遇最大1 h暴雨強度標準設計。

2.3.2 施工便道水土保持典型設計 項目施工過程中：(1) 在臨時道路兩旁進行臨時排水溝布設，適用于所有研究區。(2) 在項目區干旱少雨的季節，施工便道定期灑水降塵，適用于所有區域。(3) 在植被易恢復區施工便道兩側進行臨時撒播草籽的臨時植被措施，主要適用于紅壤丘陵區、黑土低山丘陵區。

項目施工完成：(1) 對于以后輸電線路運行過程中不用的施工便道，在施工后進行恢復重建。(2)土地整治和植對植被恢復區的施工便道進行土地整治，以便進行植被恢復；對占用耕地的，采取土地復耕措施。適用于所有區域。

2.3.3 牽張場水土保持措施典型設計 項目施工過程中：施工期間在建筑材料底部鋪墊彩條布，部分材料堆放區底部鋪設棕墊，適用于所有區域。

項目施工完成：輸電線路牽張場區施工結束后及時對擾動區域進行坑凹回填、整平，用農耕機具進行深松翻(30—40 cm)并增施有機肥，然后進行植物措施布設，因地制宜、適地適樹的進行鄉土植被恢復，主要適用于黃土丘陵區、紅壤丘陵區、黑土低山丘陵區(圖5)。

圖5 牽張場土地整治及植被恢復典型設計

3 結 論

(1) 輸電線路工程塔基和施工便道由于線路的布設廣泛，占地類型復雜；其中，黃土丘陵區占地類型最多，以耕地和草地占比較多，分別占49%和28%；紅壤丘陵區以林地為主，占比為69%；黑土低山丘陵區占地主要為耕地、林地，分別占42%，40%；青藏高原占地主要為草地，占比達78%；新疆山地則主要是以裸地為主，占比達98%。

(2) 輸電線路工程不同地貌單元水土流失量差異顯著，塔基區和施工便道水土流失量較大，其次是牽張場，跨越施工場地水土流失量最小；塔基區的土壤侵蝕模數表現為黃土丘陵區最大是紅壤丘陵區的2倍，是黑土低山和漫崗丘陵區5倍。塔基邊坡應該依靠自然與人工相結合的修復方式，牽張場的土地恢復過程中應先進行深松翻處理。

(3) 山丘區輸電工程形成的侵蝕單元修復過程中引入了恢復生態學相關理論，遵循因地制宜、因害設防的治理理念，對各侵蝕單元進行近自然的生態系統恢復和重建。針對各侵蝕單元水土流失特征采取臨時措施、工程措施和植物措施等措施組合。

由于受數據可獲得性限制，本文在輸電工程擾動土壤侵蝕特征分析時，只選擇了工程施工期的水土流失特征進行研究，提出水土保持措施典型設計。在后續研究中可增加對工程治理措施實際作用的監測數據，以精確評估水土保持措施的效果，提高水土保持措施的治理成效和可實踐性。