高寒生態脆弱山區管道工程水土保持與生態景觀設計
——以西氣東輸二三線果子溝戰略安全管道工程為例

何 婷,饒 勝

(1.新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000;2.國家管網集團聯合管道有限責任公司 西部分公司,新疆 烏魯木齊 830000)

近年來,隨著我國能源結構的加速調整和產業結構的快速升級,對天然氣的需求量逐年增加。作為天然氣輸送的重要方式,管線運輸具有受外界影響較小、穩定性較高、輸送成本較低等優點。但是在高寒脆弱山區,地形起伏大、坡度陡、施工條件差、生態基礎脆弱,生態系統一旦被破壞就很難恢復。為改善高寒脆弱山區輸氣管道工程水土保持和生態景觀設計,本研究以西氣東輸二三線果子溝戰略安全管道工程(以下簡稱“果子溝管道工程”)為例,根據“保護原生態環境、減少水土流失,以自然為本、再造柔性景觀”的設計原則,通過線路綜合比選、優化施工工藝,實施水土保持工程、植物措施等,最大限度地減少工程建設造成的水土流失,減輕對生態環境的破壞,實現工程建設與生態景觀建設相互融合的設計目標。

1 工程概況

果子溝管道工程是西氣東輸二三線的控制性工程,新建管道全長32 km,沿線設置山體隧道4條(全長23.24 km)。項目建設總占地面積78.10 hm2,管道采取溝埋方式。通過綜合比選,工程選線避開了農田、牧場及重要林區,但路線所經區域生態基礎很脆弱,工程建設不僅會對地表、植被及生態景觀造成破壞,產生較嚴重的水土流失,而且工程區土壤貧瘠,植被類型單一、群落簡單,生態系統一旦被破壞就很難恢復[1]。

果子溝管道工程沿線區域地處我國西北內陸,海拔1 000～4 000 m,主要位于中山帶(海拔1 500～2 700 m)和低山區(海拔1 200～1 500 m)。位于大陸性季風氣候區,四季分明,冬季漫長(可長達7～8個月),晝夜溫差較大;年均降水量218.9 mm,年均水面蒸發量1 472.1 mm,降水主要集中在6—9月,期間坡度較大、植被貧乏、保水蓄水能力差的溝道容易在短時間內形成洪水徑流。土壤主要為灰褐色土、山地黑鈣土、灰漠土等,土壤腐殖質層較薄、有機質含量低,適生樹草種有限,生態系統抗干擾能力弱,一旦被破壞恢復困難[1]。在不同垂直帶分別分布著針葉林、灌叢、荒漠、草原、草甸等植被類型,其中:中山帶主要分布有雪嶺云杉、野杏、天山花楸等針闊葉林,以及其下分布的白車軸草、針茅等山地草甸;低山區主要為芨芨草、對葉元胡、伊犁絹蒿等荒漠草原植物,以及在陰坡和半陰坡分布的黃果山楂、天山櫻桃等小喬木或灌木。

2 水土流失特點

管線施工必定會引起對地表的擾動。果子溝管道工程為線狀工程,沿途經過區域地形地貌、土壤、植被等自然條件復雜,施工引發的水土流失問題突出。比如:

1)侵蝕類型復雜多樣。果子溝管道工程建設區域水土流失形式多樣,以線狀侵蝕為主,伴隨著點狀侵蝕:在管道伴行道路、施工便道施工過程中的開挖、填筑及道路表面在施工擾動和大風、降雨的影響下,原生植被和地表結皮遭到破壞,容易產生線狀侵蝕;管道開挖產生的邊坡以及施工期的臨時堆土,在大風和降雨的作用下極易產生點狀侵蝕。

2)植被恢復難度較大。高寒山區地表土層較薄、腐殖質含量低,原生植被多為旱生植被,植物種類單一,且平均氣溫較低,降水少,在低溫和缺水的影響下植物生長周期短、生態結構簡單。工程建設改變了山區原有地貌,導致地表裸露,破壞了原有穩定的生態系統。項目建設完成后,在干旱缺水、地表土疏松的條件下,施工跡地的植被恢復難度較大,恢復周期長。

3 水土保持與生態景觀設計方案

針對上述水土流失特點,在管線走向設計綜合比選中,主體設計與水土保持、環境影響評價等專業人員共同研究,以“保護原生態環境、減少水土流失,以自然為本、再造柔性景觀”為原則,選擇了一條通過山區短、失穩地帶少,避開風景區和地質公園核心區的線路,同時加強水土保持與生態景觀設計,通過優化施工工藝和采取水土保持工程、植物措施等,改善項目沿線水土流失。果子溝管道工程可劃分為管道作業帶區、站場閥室區、隧洞區、施工生產生活區、棄渣場區、道路區及輸變電工程區等,根據水土流失易發地段,本次重點探討管道作業帶區、隧洞區和棄渣場區的水土保持與生態景觀措施設計。

3.1 管道作業帶區

在管道作業帶區,重點調查隧道出入口附近的崩塌、泥石流、水毀、雪崩、斷裂帶及可能受施工影響形成的不穩定斜坡等。經過現場排查研判和評級分析,得到22處較高風險地質災害點,其中崩塌5處、泥石流10處、不穩定斜坡2處、斷裂帶2處、水毀3處。針對各地質災害點的特點,設計了防沖墻、側擋墻及鋼筋石籠等防護措施,以維護主體工程安全穩定。管道橫坡敷設于山區坡面或者溝道時,采用“上截下攔”的徑流調控模式[2],如在管道穿越處上游設置防沖墻、側擋墻等工程措施,以免施工跡地遭受季節性洪水的強烈沖刷。管道經泥石流溝處防護措施典型設計見圖1。管道作業帶經過草地和耕地時,為保護表土資源,施工前應將溝槽開挖范圍內及施工機械擾動區涉及的表層熟土進行剝離,集中堆存并實施防護措施。管道施工結束后對擾動區域進行土地整治。為盡快恢復原地貌,采取撒播草籽的方式恢復植被。應選擇適宜當地生長、耐旱耐寒的草種,如早熟禾、黑麥草等,以實現免養護、自然生長。工程措施和植物措施相結合,能夠減輕施工跡地的水土流失。

圖1 管道經泥石流溝處防護措施典型設計

3.2 隧洞區

隧洞區主體工程設計中采取了洞口防護、洞口排水等措施,既能維護主體工程安全穩定,又具有水土保持功能。隧洞區洞口兩側有3處風險較高地質災害點,主體設計在洞口附近設置三維植被網及生態袋,以防止表層垮塌及塊石脫落,見圖2。同時,根據《伊犁河谷生態環境保護條例》,為減輕工程建設對山體的擾動破壞和對自然景觀的影響,需加強洞口區的生態修復,因此水土保持設計中采取土地整治、客土噴播護坡、撒播草籽等措施。

圖2 隧洞口防護措施設計

生態袋作為一種生態護坡工具,集環境保護、生態綠化、水土保持為一體,被廣泛用于礦山復綠、生態河岸護坡、道路護坡及濕地治理中。其主要特點是:生態環保,能與自然環境完美融合;同傳統工程建造方法相比,無需高能耗、高污染的鋼筋、水泥、石塊等,無新增占地,有助于節約成本、減少污染[3];能在硬質坡體或石質邊坡修復中,形成滿足植物生長的土質邊坡,同時有效補充土壤中缺少的營養成分;具有透水性,可有效保持土壤中的水分,在滿足植被需水要求的同時排出坡體內多余水分,進一步減輕坡體內的壓力,降低邊坡水土流失的可能性,使邊坡更穩固;施工方便、靈活,裝土后成型規格可以根據實際要求設計,具有良好的匹配性和組合性,見圖3。邊坡綠化客土噴播適用于貧瘠土壤和風化巖地區播種,噴播漿料含有植物種子萌發、生長所必需的營養物質,由水、土、黏合劑、保水劑、草炭土、復合肥等混合而成,漿料的覆蓋能夠固定種子和表土,從而提高生態修復效果。近年來,大慶油田工程有限公司在中貴線、中俄原油管道、南疆天然氣利民工程等項目中廣泛應用邊坡綠化客土噴播技術,效果良好[4]。

圖3 生態袋實施效果

3.3 棄渣場區

在棄渣場區,根據項目棄渣場等級、地貌單元和棄渣特點進行水土保持措施設計。果子溝管道工程棄渣場布置在隧洞進出口附近的坡地和支溝中,考慮到棄渣的永久性和對周邊生態環境的影響程度,需采用適宜當地自然條件的恢復措施,以降低棄渣對周邊生態環境的影響。棄渣場主要防護措施為表土剝離及防護墻、擋渣墻、排水溝,以及在堆渣結束后進行土地整治及植被恢復等。

考慮到工程建設開挖的棄渣中含有的大量塊石可作為漿砌石的原料,棄渣場擋渣墻采用漿砌石結構。在渣場坡腳外側設置漿砌石擋墻,擋墻高3.7 m,棄渣采取自下而上的堆置方式,按1∶2坡比分級堆放,單級坡高10 m,設有馬道,寬2 m。平整坡面時將塊石覆蓋在渣體表面可有效減少坡面水土流失。土地整治結束后對棄渣場采取撒播草籽等輔助植被恢復措施,撒播草種選擇早熟禾、黑麥草等當地適生植物。

4 結束語

本研究以西氣東輸二三線果子溝戰略安全管道工程為例,分析了高寒山區管道工程的水土流失重點區域及其水土保持、生態景觀設計要點。在高寒山區進行管道工程建設容易對山區的原生態系統造成破壞,若不能及時、有效地實施治理措施,將會導致嚴重的水土流失,同時破壞之后的生態恢復十分困難。通過深入了解項目所在地高寒山區生態環境特點,果子溝管道工程建設借鑒前期工程先進技術和成功案例,積極采取新技術、新方法,優化水土保持和景觀設計,減輕工程建設對生態環境的破壞,為高寒山區管道工程建設提供了參考樣板。