輸變電工程表土剝離技術(shù)指標(biāo)研究

趙曉娟,鄭樹海,姚姬璇,王昕宇,段金貴,陳 卓,田堪良,

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司 特高壓建設(shè)分公司,北京 100052;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;4.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

輸變電工程是國(guó)家電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)工程,跨越不同的地形地貌,難免擾動(dòng)地表、破壞植被,造成水土流失和生態(tài)破壞。表土的剝離、保護(hù)和利用是水土保持和生態(tài)修復(fù)的重要措施[1-2],制定科學(xué)合理的表土剝離保護(hù)指標(biāo)對(duì)綠色電網(wǎng)建設(shè)具有重要意義。表土是指土地靠近表面的那層土壤,對(duì)于農(nóng)田土壤來說,一般指的是土壤耕層,深30～50 cm;對(duì)于綠地、林地來說,一般包括枯落物層、腐殖質(zhì)層和淋溶層的上部,深20～30 cm。表土是泥土中含有機(jī)質(zhì)和微生物最多的地方,具有良好的肥力特性[3]。一般來說,土壤有機(jī)質(zhì)含量的多少,是土壤肥力高低的一個(gè)重要指標(biāo)[4-6],因此依據(jù)有機(jī)質(zhì)含量來劃分土壤養(yǎng)分等級(jí)、確定表土剝離厚度是一種較為合理可行的方法。表土的剝離厚度決定了表土的剝離量,而表土的剝離量是水土保持措施設(shè)計(jì)中時(shí)常遇到的問題[2],所處區(qū)域不同,剝離的厚度也應(yīng)不同。為了保護(hù)利用表土,許多學(xué)者對(duì)表土剝離的厚度指標(biāo)進(jìn)行了研究。《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51018—2014)、《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL 575—2012)中提出表土剝離厚度參考值可取20～80 cm,且不同地區(qū)參考值范圍可有所差別;《水電工程水土保持設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10344—2019)中規(guī)定表土剝離深度應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和表土檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定,宜控制在30 cm以內(nèi),若土壤符合質(zhì)量要求,則剝離深度可放寬到50～80 cm或更深。但相關(guān)規(guī)范劃分的區(qū)域范圍較為寬泛,時(shí)常會(huì)造成表土剝離厚度難以確定、缺乏依據(jù)及表土利用效率低下等問題。輸變電工程跨越不同的土壤類型區(qū),表土的剝離厚度更應(yīng)有科學(xué)合理的指標(biāo)。本研究以白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸變電工程為例,對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行分析、分級(jí),旨在更好地保護(hù)和利用輸變電工程建設(shè)期間的表土資源,為輸變電工程表土剝離制定出科學(xué)合理的技術(shù)指標(biāo),為國(guó)家綠色生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究材料與方法

1.1 研究材料

1.1.1 土樣采集

依托白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸變電工程開展相關(guān)研究,分別采集工程沿線四川省、重慶市、湖北省、安徽省及陜西省不同土層深度的表土(見表1),然后測(cè)定其土壤有機(jī)質(zhì)含量作為實(shí)測(cè)值,并與收集的土壤有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測(cè)值(土壤有機(jī)碳分布數(shù)據(jù)集)進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí),將收集到的全國(guó)土壤有機(jī)碳分布數(shù)據(jù)集參照全國(guó)第二次土壤普查中土壤有機(jī)質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來劃分出土壤養(yǎng)分等級(jí),利用ArcGIS軟件繪制出全國(guó)范圍的土壤養(yǎng)分分級(jí)圖及表土剝離分級(jí)圖,最終為輸變電工程提供全國(guó)范圍內(nèi)適宜的表土剝離指標(biāo)。

表1 有機(jī)質(zhì)采樣信息

1.1.2 數(shù)據(jù)集來源

國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的中國(guó)高分辨率國(guó)家土壤信息格網(wǎng)基本屬性數(shù)據(jù)集_90米土壤有機(jī)碳(2010—2018)[7],是全國(guó)范圍的土壤有機(jī)碳含量高分辨率空間分布數(shù)據(jù)集,其根據(jù)中國(guó)的土壤分布規(guī)律,選取具有代表性的5 000多個(gè)土壤剖面,采用深度函數(shù)自適應(yīng)擬合、集合式機(jī)器學(xué)習(xí)等方法生成了90 m分辨率土壤有機(jī)碳分布圖,垂直方向包括6個(gè)土層深度:0～5 cm、>5～15 cm、>15～30 cm、>30～60 cm、>60～100 cm、>100～200 cm。本研究將該數(shù)據(jù)集作為有機(jī)質(zhì)預(yù)測(cè)值,與實(shí)際采樣測(cè)得的有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)《建設(shè)占用耕地表土剝離技術(shù)規(guī)范》(DB22/T 2278—2015)及相關(guān)研究要求,考慮土壤質(zhì)量和成本兩個(gè)因素,耕作層土壤剝離厚度一般應(yīng)在20～40 cm,土層較厚的區(qū)域經(jīng)論證可以擴(kuò)大到60 cm。故本研究將利用>30～60 cm土層的有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分處理,進(jìn)而確定表土剝離厚度指標(biāo)。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤養(yǎng)分差異分析

土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法,由于該方法只能氧化90%的有機(jī)碳,因此將測(cè)得的有機(jī)碳數(shù)值乘以校正系數(shù)1.1,得到有機(jī)碳含量,再乘以平均換算系數(shù)1.724得到土壤有機(jī)質(zhì)含量[4]。分層采集土樣,即對(duì)照數(shù)據(jù)集分別在0～5 cm、>5～15 cm、>15～30 cm、>30～60 cm土層深度處采樣,且每層土壤采集3個(gè)重復(fù)樣,計(jì)算其有機(jī)質(zhì)含量的平均值。

對(duì)應(yīng)實(shí)際采樣點(diǎn)的位置信息查詢數(shù)據(jù)集的有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測(cè)值,將其與實(shí)測(cè)值的差異性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),使用均方根誤差(RMSE)和一致性指數(shù)(d)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集預(yù)測(cè)值的精度,以判斷其作為表土剝離劃分依據(jù)的可行性。公式為

(1)

(2)

RMSE值越小、d值越接近1,表明誤差越小,數(shù)據(jù)集的預(yù)測(cè)精度越高[8]。

1.2.2 表土剝離厚度指標(biāo)劃定

根據(jù)《建設(shè)占用耕地表土剝離技術(shù)規(guī)范》(DB22/T 2278—2015)要求,土壤有機(jī)質(zhì)含量≥10 g/kg時(shí)應(yīng)進(jìn)行表土剝離。本研究依據(jù)表土養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及表土的利用方式,確定出適宜的表土剝離厚度指標(biāo),詳見表2。

表2 表土剝離厚度技術(shù)指標(biāo)

通過對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[9]、植物的不同生長(zhǎng)特性及輸變電工程經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析,針對(duì)不同表土利用方式確定不同的表土剝離厚度:在養(yǎng)分較低的區(qū)域即有機(jī)質(zhì)含量<10 g/kg的區(qū)域,按照最低的剝離厚度要求進(jìn)行剝離保護(hù)即可;在養(yǎng)分含量較高的區(qū)域,剝離厚度需要適當(dāng)加深,以便最大化保護(hù)表土資源。采用ArcGIS 10.8軟件的柵格計(jì)算器、重分類、編輯器等功能對(duì)收集到的有機(jī)碳數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理,最終繪制出全國(guó)土壤養(yǎng)分分級(jí)圖及表土剝離分級(jí)圖,并針對(duì)水土保持區(qū)劃的一級(jí)區(qū)提出剝離建議。

全國(guó)水土保持區(qū)劃的一級(jí)區(qū)分別為:Ⅰ——東北黑土區(qū)(東北山地丘陵區(qū));Ⅱ——北方風(fēng)沙區(qū)(新甘蒙高原盆地區(qū));Ⅲ——北方土石山區(qū)(北方山地丘陵區(qū));Ⅳ——西北黃土高原區(qū);Ⅴ——南方紅壤區(qū)(南方山地丘陵區(qū));Ⅵ——西南紫色土區(qū)(四川盆地及周圍山地丘陵區(qū));Ⅶ——西南巖溶區(qū)(云貴高原區(qū));Ⅷ——青藏高原區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的差異性

實(shí)際采樣時(shí)記錄采樣點(diǎn)的位置信息,即采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度,并將其繪制成矢量數(shù)據(jù),之后使用ArcGIS軟件中的信息識(shí)別功能,查到數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)點(diǎn)的有機(jī)質(zhì)含量的預(yù)測(cè)值,計(jì)算分析其與實(shí)測(cè)值的差異性,結(jié)果見表3。

表3 土樣有機(jī)質(zhì)含量的預(yù)測(cè)值精度分析

由表3可以發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)含量的預(yù)測(cè)值都隨土層深度的增加而逐漸降低,而實(shí)測(cè)值雖有部分?jǐn)?shù)據(jù)隨土層深度的增加而升高,但總體也呈降低的趨勢(shì)。土樣有機(jī)質(zhì)含量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值有所偏差,可能是工程建設(shè)擾動(dòng)表土所造成的,因此對(duì)于可能發(fā)生過土層擾動(dòng)、土層為回填土的區(qū)域,在進(jìn)行表土剝離前,應(yīng)調(diào)查其土壤背景,并采樣測(cè)定其有機(jī)質(zhì)含量。

由表3還可以發(fā)現(xiàn),不同土層深度處的d值都大于0.7,說明數(shù)據(jù)集的預(yù)測(cè)值精度較高,>30～60 cm深度處的RMSE值最小、d值最接近于1,表明該深度的預(yù)測(cè)值最為準(zhǔn)確。綜上,有機(jī)質(zhì)含量的預(yù)測(cè)值具有良好的可靠性,可以作為土壤養(yǎng)分等級(jí)及表土剝離等級(jí)劃分的依據(jù)。

2.2 表土剝離厚度指標(biāo)

將數(shù)據(jù)處理后得到全國(guó)土壤養(yǎng)分分級(jí)圖(>30～60 cm)和全國(guó)表土剝離分級(jí)圖,結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 全國(guó)土壤養(yǎng)分分級(jí)圖(>30～60 cm土層)

圖2 全國(guó)表土剝離分級(jí)圖(>30～60 cm土層)

由圖1和圖2可以看出,青藏高原東部、東北和云貴高原地區(qū)土壤養(yǎng)分級(jí)別較高,西北沙漠地區(qū)土壤養(yǎng)分級(jí)別最低,整體上由東南向西北呈遞減趨勢(shì)。在中國(guó)東部,以水田和森林為主的南部地區(qū)的土壤養(yǎng)分級(jí)別明顯高于以旱地為主的北部地區(qū)。當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量≥10 g/kg時(shí),土壤養(yǎng)分級(jí)別較高,其對(duì)應(yīng)的表土剝離級(jí)別也較高,表土的剝離厚度也應(yīng)適當(dāng)提高。為了方便輸變電工程表土剝離工作的開展,本研究針對(duì)水土保持區(qū)劃不同一級(jí)區(qū)提出剝離建議(見表4),具體的縣級(jí)行政范圍請(qǐng)參照水利部印發(fā)的《全國(guó)水土保持區(qū)劃(試行)》。

3 討論

考慮土壤自身存在的養(yǎng)分變異[10]及采樣、測(cè)定的誤差可以發(fā)現(xiàn),中國(guó)高分辨率國(guó)家土壤信息格網(wǎng)基本屬性數(shù)據(jù)集_90米土壤有機(jī)碳(2010—2018)對(duì)有機(jī)質(zhì)的預(yù)測(cè)值是較為合理、準(zhǔn)確的,尤其是在較深的土層,故以此數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)來劃分全國(guó)的表土剝離分級(jí)指標(biāo)是可行的。處理得到的數(shù)據(jù)圖表明,表土剝離不同等級(jí)的分布規(guī)律對(duì)應(yīng)于水土保持區(qū)劃范圍是比較匹配的,可以方便快捷地指導(dǎo)輸變電工程表土剝離技術(shù)指標(biāo)的確定。由于輸變電工程中表土剝離工作大部分集中在塔基建設(shè)中,可視為點(diǎn)狀剝離,表土的利用方式大部分為原地利用,且依照原植被類型進(jìn)行恢復(fù),因此在考慮土壤養(yǎng)分的同時(shí)依照表土的利用方式來確定表土剝離厚度是較為合理可行的,研究結(jié)果可為輸變電工程表土資源的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

1)通過將白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸變電工程沿線土壤有機(jī)質(zhì)含量實(shí)測(cè)值與采用ArcGIS軟件處理全國(guó)有機(jī)碳數(shù)據(jù)集得到的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明預(yù)測(cè)值具有良好的可靠性,可以作為表土剝離等級(jí)劃分的依據(jù)。

2)依據(jù)土壤有機(jī)碳分布數(shù)據(jù)集繪制得到了全國(guó)的土壤養(yǎng)分分級(jí)圖和表土剝離分級(jí)圖,參照表土利用方式可確定表土的剝離厚度,即:有機(jī)質(zhì)含量<10 g/kg 的地區(qū),土壤養(yǎng)分等級(jí)為5～6級(jí),表土的剝離等級(jí)為2級(jí),對(duì)應(yīng)的剝離厚度為20～30 cm;而有機(jī)質(zhì)含量≥10 g/kg的地區(qū),土壤養(yǎng)分等級(jí)為1～4級(jí),表土的剝離等級(jí)為1級(jí),對(duì)應(yīng)的剝離厚度根據(jù)需要加深10～20 cm。

3)針對(duì)全國(guó)水土保持區(qū)劃一級(jí)區(qū)的表土剝離分級(jí)及水土保持功能,提出了科學(xué)合理的剝離建議,可方便輸變電工程快速開展實(shí)際的表土剝離工作。