李斌斌, 李占斌, 李智廣, 秦百順, 周玉喜, 陳 康

(1.西安理工大學 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室,陜西 西安710048; 2.水利部 水土保持監(jiān)測中心, 北京 100055)

水保監(jiān)測與應用技術(shù)

西氣東輸二線西段水土流失動態(tài)監(jiān)測與分析

李斌斌1,2, 李占斌1, 李智廣2, 秦百順2, 周玉喜2, 陳 康2

(1.西安理工大學 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室,陜西 西安710048; 2.水利部 水土保持監(jiān)測中心, 北京 100055)

[目的] 動態(tài)監(jiān)測西氣東輸二線工程中重點地段、重點對象的水土流失狀況,為后續(xù)長輸管線水土保持動態(tài)監(jiān)測提供一定的理論支撐和實踐指導。[方法] 定位觀測與遙感監(jiān)測方法相結(jié)合,在天山山地區(qū),吐哈盆地及河西走廊戈壁沙漠區(qū)這3處重點地段進行監(jiān)測。[結(jié)果] 工程建設(shè)造成了大量新增水土流失,建設(shè)過程中新增加的水土流失量為1.61×106t;在新增加的土壤流失量中,管道作業(yè)帶流失量占總流失量的93.68%,是施工過程中重點防治區(qū)域。 [結(jié)論] 工程建設(shè)加劇了項目區(qū)水土流失。

西氣東輸; 二線西段; 水土流失; 動態(tài)監(jiān)測

西氣東輸二線工程是國家“十一五”重點建設(shè)項目，西氣東輸二線西段工程，包括霍爾果斯—中衛(wèi)段干線和中衛(wèi)—靖邊聯(lián)絡線，是西氣東輸二線工程全線的龍頭。工程的建設(shè)，對于優(yōu)化中國能源結(jié)構(gòu)、維護國家能源安全，促進經(jīng)濟社會發(fā)展、造福廣大人民群眾，具有重大意義。沿線地形地貌復雜，干旱少雨，植被稀疏，風蝕嚴重，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，原地貌及植被一旦遭到破壞，很難恢復，不但會產(chǎn)生嚴重的水土流失，威脅管道安全，甚至引發(fā)大范圍的生態(tài)問題。因此，在工程建設(shè)和運行期間必須高度重視水土流失監(jiān)測和防治問題[1-4]。然而，該工程管道長、區(qū)域跨度大，沿線涉及地貌類型復雜多樣，水土流失原因各不相同，采取全線普查法獲取水土流失數(shù)據(jù)的難度大、投入多、時間長[5-7]。大量研究表明，在工程重點部位設(shè)置水土流失監(jiān)測點，開展定位水土流失觀測既保證監(jiān)測信息的全面性和科學性，又可提高水土流失監(jiān)測成果的準確性[8-10]。本文結(jié)合項目區(qū)的地形地貌特點，采用簡易徑流小區(qū)法、坡面細溝水土流失監(jiān)測法和堆積體積法等定位觀測方法與遙感調(diào)查相結(jié)合的方法對工程重點地段、重點對象水土流失進行動態(tài)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測要求，依照土壤侵蝕分布特點及野外考察認識，選擇有代表性的地貌類型區(qū)、侵蝕變化程度較大、施工類型分布與水土保持措施相對集中、與人類活動密切的地段，進行遙感監(jiān)測。經(jīng)綜合比較與分析，分別在天山山地區(qū)，吐哈盆地及河西走廊戈壁沙漠區(qū)這3處重點監(jiān)測地段，各選擇一處作為遙感監(jiān)測重點地段，重點監(jiān)測土地利用、土壤侵蝕等指標。

通過對西氣東輸二線工程動態(tài)監(jiān)測手段和方法的總結(jié)，以期為后續(xù)長輸管線水土保持動態(tài)監(jiān)測提供一定的理論支撐和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西氣東輸二線西段工程屬新建特大型Ⅰ級工程，干線始于新疆維吾爾自治區(qū)霍爾果斯口岸，總體走向為由西向東、由北向南，途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西4省(自治區(qū))的34個縣(市、區(qū))，全長2 745 km，管道設(shè)計輸氣能力3.00×1010m3/a。

項目區(qū)橫穿天山和祁連褶皺系，依次穿越天山山脈、吐魯番—哈密盆地、河西走廊、黃土高原等大的地貌單元，涉及高原、山地、丘陵、平原和盆地等地貌類型。項目區(qū)屬于大陸性季風氣候。項目區(qū)土壤侵蝕類型主要有風力侵蝕、水力侵蝕2種類型，局部有重力侵蝕、凍融侵蝕。容許土壤流失量為1 000 t/(km2·a)。

1.2 研究方法

本文除采用傳統(tǒng)的簡易徑流小區(qū)法、坡面細溝水土流失監(jiān)測法和堆積體積法等定位觀測方法以外，為了能更全面的分析和動態(tài)掌握施工前后各種土地利用類型、土壤侵蝕類型和侵蝕強度的分布、面積和空間特征數(shù)據(jù)。項目組分別購置重點地段區(qū)域施工前(2008年6—8月)和建設(shè)期(2009年6—8月)兩個時段的遙感影像各1期，進行背景值和實際擾動值的監(jiān)測和對比分析。其中2008年遙感影像為Quickbird存檔數(shù)據(jù)，0.6 m全色與2.44 m多光譜融合；2009年遙感影像為Quickbird編程數(shù)據(jù)，0.6 m全色與2.44 m多光譜融合。通過采用遙感調(diào)查與定位監(jiān)測相結(jié)合的方法獲取監(jiān)測區(qū)域的土壤侵蝕背景數(shù)據(jù)及施工前后擾動、治理效果。

采用人機交互式解譯法進行遙感影像的解譯與判讀，同時，對比分析工程區(qū)域和擾動帶等重點監(jiān)測地段的土地利用和土壤侵蝕狀況，其中工程區(qū)域以管線中心線左右各500 m為監(jiān)測區(qū)域，管線作業(yè)帶則以管線中心線左右各20 m為監(jiān)測區(qū)域。以遙感影像為數(shù)據(jù)源，建立遙感解譯標志，通過解譯獲得監(jiān)測區(qū)域在施工前后各種土地利用類型、土壤侵蝕類型和侵蝕強度的分布、面積和空間特征數(shù)據(jù)。

根據(jù)監(jiān)測要求和該項目水土流失防治特點，依照土壤侵蝕分布特點及野外考察認識，對侵蝕地貌類型變化程度較大、與人類活動密切的地段設(shè)置監(jiān)測點實行重點監(jiān)測，通過對管線長度、地貌、氣候、土地類型、土壤植被、水土流失等對比分析，確定天山山地區(qū)、吐哈盆地及寧夏中衛(wèi)市干旱草原區(qū)等為本工程的重點地段監(jiān)測區(qū)域，對重點地段、對象采用定位觀測和遙感調(diào)查的方法進行動態(tài)監(jiān)測。

2 結(jié)果與分析

2.1 各重點施工段土地利用類型變化分析

2.1.1 新疆霍城果子溝段——天山山地區(qū) 據(jù)遙感監(jiān)測成果分析可知，該霍城果子溝段施工前土地利用類型以林地、草地為主，其中林地占47.51%，草地占45.26%；在建設(shè)期，林地占37.75%，草地占51.56%，與背景值相比，區(qū)域交通、居民點、獨立工礦及特殊用地變化較大，林地和草地所占比例有所變化(詳見表1)。

2.1.2 新疆托克遜白楊河穿越段——吐哈盆地區(qū) 新疆托克遜白楊河穿越段施工前土地利用類型以裸巖石礫地、灘地等未利用地為主，占92.26%；建設(shè)期，以裸巖石礫地、灘地等未利用地占88.39%，與背景值相比，裸巖石礫地、灘地等未利用地較施工前有所下降。施工前后及建設(shè)期土地利用變化詳見表1。

2.1.3 寧夏中衛(wèi)市一碗泉段——黃土高原區(qū) 寧夏中衛(wèi)市一碗泉段施工前土地利用類型以草地為主，占91.35%，其次是裸土地，占6.65%；建設(shè)期，草地和未利用地分別占66.2%和30.4%，與背景值相比，未利用地增加，而草地面積所占比例減少較多。施工前后及建設(shè)期土地利用變化詳見表1。

表1 施工前及建設(shè)期各重點地段土地利用類型

2.2 土壤侵蝕特征分析

2.2.1 重點地段土壤侵蝕強度變化特征分析

(1) 新疆霍城果子溝段——天山山地區(qū)。據(jù)遙感監(jiān)測成果分析，施工前工程該區(qū)域以水蝕為主，流失面積占81.98%，以中度為主；建設(shè)期工程區(qū)域以水蝕為主，水土流失面積占93.00%，比施工前增加了11.02%，侵蝕強度仍以輕度、中度為主。

(2) 新疆托克遜白楊河穿越段——吐哈盆地區(qū)。施工前該區(qū)域以風蝕為主，流失面積占100%，以強度、極強度為主，分別占62.1%和34.1%。建設(shè)期，侵蝕強度以強度、極強度為主，分別占44.43%和45.85%。

(3) 寧夏中衛(wèi)市一碗泉段——黃土高原區(qū)。施工前該區(qū)土壤侵蝕以風蝕為主，流失面積占100%，以輕度、中度為主，分別占69.44%和25.34%。建設(shè)期土壤侵蝕強度發(fā)生了變化，輕度、中度、強度極強度分別占48.41%，21.19%，23.43%，與施工前比，輕度、中度侵蝕面積減少，強度與極強度面積增加較多。說明工程建設(shè)加劇了水土流失。

2.2.2 項目區(qū)施工前后土壤侵蝕特征分析

(1) 施工前土壤侵蝕特征分析。 新疆段擾動地帶施工前水土流失以水蝕為主，流失面積81.98%，以中度侵蝕為主；甘肅段擾動地帶施工前水土流失以風蝕為主，流失面積占100%，以強度、極強度侵蝕為主，分別占62.1%和34.1%；寧夏段擾動地帶施工前水土流失以風蝕為主，流失面積占100%，以輕度、中度侵蝕為主，分別占69.44%和25.34%。

(2) 建設(shè)期擾動地帶水土流失特征分析。 新疆段建設(shè)期擾動地帶水土流失以水蝕為主，水土流失面積占93.55%，以中度為主；甘肅段建設(shè)期擾動地帶水土流失以風蝕為主，水土流失面積占100%，以強度、極強度為主，分別占21.11%和76.17%，極強度以上比施工前增加42.07%，說明施工擾動加劇了侵蝕；寧夏段建設(shè)期擾動地帶水土流失以風蝕為主，水土流失面積100%，以輕度、中度、強度為主，分別占16.8%，12.63%和63.39%，強度與極強度以上所占比例增加了65.33%，說明施工擾動加劇了侵蝕。

2.2.3 項目區(qū)土壤流失量監(jiān)測結(jié)果與分析

(1) 新疆段項目擾動區(qū)土壤流失量監(jiān)測結(jié)果與分析。工程建設(shè)期間，新疆段共造成土壤流失量8.90×105t，與未擾動相比新增4.76×105t。根據(jù)監(jiān)測成果，新疆段土壤流失具有如下特點：① 除天山果子溝以水蝕和凍融侵蝕為主外，其他均以風蝕為主。② 在工程建設(shè)期，月侵蝕量相對較大，說明工程施工初期土壤侵蝕量較大，隨著工程施工的結(jié)束，地表逐步得到治理和恢復，土壤侵蝕量逐漸降低。③ 在工程建設(shè)期，從侵蝕總量分析，各監(jiān)測點實測侵蝕量差別較大，與管線走向、地形地貌、地表組成物質(zhì)等因素有關(guān)。紅層火車站、花園鄉(xiāng)等監(jiān)測點的土壤侵蝕量都較其他監(jiān)測點明顯偏大，因為紅層火車站監(jiān)測點處于新疆有名的“百里風區(qū)”范圍內(nèi)，風蝕嚴重，而花園鄉(xiāng)監(jiān)測點位于沙丘區(qū)，表層沙粒受風力影響變化非常明顯，風蝕嚴重。這2處典型擾動前后侵蝕模數(shù)對比詳見圖1。

(2) 甘肅段擾動區(qū)土壤流失量監(jiān)測結(jié)果與分析。 工程建設(shè)期間，甘肅段共造成土壤流失量4.65×105t，與未擾動相比新增2.28×105t。甘肅段擾動區(qū)土壤流失具有如下特點：① 各監(jiān)測點以風蝕為主。② 在工程建設(shè)期，尤其是2009年7—11月，月侵蝕量相對較大，其他月份相對較少。③ 在工程建設(shè)期，從侵蝕總量分析，各監(jiān)測點背景侵蝕量差別不大，但與管線走向、地形地貌、地表組成物質(zhì)等因素有關(guān)，實測侵蝕模數(shù)在3 579～5 709 t/(km2·a-1)之間，分別為對照區(qū)背景觀測值的150%～250%。

(3) 寧陜段擾動區(qū)土壤流失量監(jiān)測結(jié)果與分析。 工程建設(shè)期間，寧陜段共造成土壤流失量2.43×105t，與未擾動相比新增1.42×105t。

圖1 西氣東輸二線西段擾動前后侵蝕模數(shù)對比

對比分析擾動區(qū)與對照未擾動區(qū)的土壤流失監(jiān)測結(jié)果可知，在工程建設(shè)期間，施工擾動造成區(qū)域地表及其覆被變化，其實測侵蝕模數(shù)與未擾動對照相比增加較多，即工程建設(shè)造成了大量新增水土流失，各監(jiān)測點背景實測土壤侵蝕模數(shù)6 136～15 420 t/(km2·a)之間，分別為對照區(qū)背景觀測值的1.5～3倍。

2.3 各防治分區(qū)土壤流失量分析

根據(jù)水土流失監(jiān)測結(jié)果(表2)可知，按施工類型區(qū)劃分，對水土流失面積統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結(jié)果表明，管道作業(yè)帶為7 577.43 hm2，占總流失面積的97.15%；山體隧道穿越區(qū)為0.5 hm2，占總流失面積的0.01%；據(jù)監(jiān)測與統(tǒng)計分析結(jié)果，對建設(shè)過程產(chǎn)生的新增土壤流失量，按施工類型區(qū)劃分，管道作業(yè)帶土壤流失呈最大為7.92×105t，占總流失量的93.68%；山體隧道穿越區(qū)最小，為40 t，占總流失量的0.005%(表2)。

表2 各防治區(qū)新增土壤流失量統(tǒng)計結(jié)果

因此，通過對各防治分區(qū)水土流失面積及流失量進行分析，管道作業(yè)帶、棄渣場和施工道路區(qū)是工程主要的新增流失區(qū)，是需防治的重點區(qū)域。在施工過程中，應加強對該區(qū)域的重點監(jiān)測并采取合理有效地措施，預防和減少新增水土流失量。

3 結(jié) 論

(1) 對比分析施工擾動區(qū)與對照未擾動區(qū)水土流失監(jiān)測結(jié)果表明，工程建設(shè)期間，施工擾動造成區(qū)域地表及其覆被、土壤結(jié)構(gòu)變化，其侵蝕模數(shù)與未擾動對照相比增加較多，即工程建設(shè)造成了大量新增水土流失。建設(shè)過程共造成水土流失1.61×106t，其中新疆段8.99×105t，甘肅段4.65×105t，寧陜段2.43×105t；與未擾動相比，工程建設(shè)共新增水流失量8.45×105t，其中新疆段新增4.76×105t，甘肅段新增2.28×105t，寧陜段新增1.42×105t。

(2) 工程建設(shè)期間，通過采取合理的水土保持綜合防治措施，使因施工擾動造成的新增水土流失得到有效控制；隨著工程措施、植物措施的建設(shè)與完善，實測土壤侵蝕模數(shù)均呈下降趨勢，試運行期水土保持效果更加明顯。

(3) 在新增土壤流失量中，管道作業(yè)帶流失量占總流失量的93.68%，棄渣場區(qū)占1.98%，施工道路區(qū)占1.53%，說明管道作業(yè)帶、棄渣場和施工道路區(qū)是工程主要的新增流失區(qū)，是需防治的重點區(qū)域。

通過對項目區(qū)施工前后進行水土保持動態(tài)監(jiān)測對比分析，很直觀的得出，工程建設(shè)加劇了項目區(qū)水土流失，施工擾動加劇了土壤侵蝕，項目區(qū)侵蝕強度較擾動前有較大變化。為了預防和治理水土流失，保護和合理利用水土資源，減輕水、旱、風沙災害，改善生態(tài)環(huán)境，就需要結(jié)合項目特點采取合理有效的治理措施。本文全面分析了長輸管線施工前后侵蝕類型、土壤侵蝕量和侵蝕強度等前后變化特征，為開發(fā)建設(shè)項目長輸管線水土保持動態(tài)監(jiān)測提供了技術(shù)支撐，對生態(tài)環(huán)境恢復與重建具有一定的理論和實踐指導意義。

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Monitoring and Analysis on Soil and Water Loss in West Section of Second Line of West-to-East Natural Gas Transmission Pipeline Project

LI Binbin1,2, LI Zhanbin1, LI Zhiguang2, QIN Baishun2, ZHOU Yuxi2, CHEN Kang2

(1.KeyLabofNorthwestWaterResourcesandEnvironmentEcologyofMOEatXAUT,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China;2.WaterandSoilConservationMonitoringCenterofMinistryofWaterResources,Beijing100055,China)

[Objective] The objective of this study is to monitor the dynamic change of soil and water loss in the key construction sections in the west section of the second line of west-east natural gas transmission pipeline project in order to provide support for the subsequent long-distance transmission pipeline projects. [Methods] Three key sites, which located in Tianshan mountain area, Tulufan-Hamei basin area and Leoss Plateau area in Xinjiang Uygur Autonomous Region, were monitored. Traditional located monitoring, remote sensing and theoretical analysis was adopted. [Results] The large amount(1.61 million tons) of new-increased soil erosion was caused by the construction of the west section of the second west-east natural gas transmission pipeline project. In particular, around 93.68% of soil erosion occurred at the pipeline working zone. [Conclusion] The construction of the west section of the second west-east natural gas transmission pipeline project has intensified soil erosion in the project areas.

west-to-east natural gas transmission pipeline project; west section of the send line; soil and water loss; dynamic monitor

2014-06-10

2014-08-02

國家自然科學基金項目“植被格局對坡溝水蝕過程調(diào)控機理研究”(41071182); 中國科學院知識創(chuàng)新工程重大資助項目(KZZD-EW-04-03); 水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201201084)

李斌斌(1981—),男(漢族),河南省焦作市人,博士,主要從事水文水資源、土壤侵蝕與水土保持等方面的研究。E-mail:154223338@qq.com。

李占斌(1962—),男(漢族),河南省南陽市人,博士,研究員,主要從事水文水資源、土壤侵蝕與水土保持等方面的研究工作。 E-mail:zbli@xaut.edu.cn。

A

1000-288X(2015)05-0123-04

S157.1