林曉渝，李 健，周永峰

(中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

水土保持監(jiān)測在我國人為水土流失防治和水土保持強(qiáng)監(jiān)管中發(fā)揮了積極作用?！渡a(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測規(guī)程(試行)》規(guī)定，征占地面積在5 hm2以上或者挖填土石方總量在5萬m3以上的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)開展水土保持監(jiān)測。水利水電工程土石方量一般在千萬立方米級別，因此水土保持監(jiān)測是必須開展的水土保持重點(diǎn)工作之一，特別是施工期的棄土棄渣場，更是水利水電工程水土保持監(jiān)測的重點(diǎn)，應(yīng)采用相對固定的觀測設(shè)施進(jìn)行地面觀測。

徑流小區(qū)觀測位置固定、持續(xù)觀測周期較長，已有規(guī)程對其選址布設(shè)、規(guī)格和觀測方法都有明確的規(guī)定[1]，因此在國內(nèi)常規(guī)水電工程水土保持監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。比如：浙江華光潭水電站采用簡易坡面徑流小區(qū)和草皮防護(hù)坡面對比監(jiān)測水土流失[2]；福建后壟溪水電站采用5 m×2 m的徑流小區(qū)對主體工程進(jìn)行監(jiān)測[3]；錦屏二級水電站使用標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)監(jiān)測項(xiàng)目區(qū)土壤流失背景值[4-5]；白鶴灘、官地水電站通過布設(shè)8個(gè)以上的徑流小區(qū)獲取土壤侵蝕數(shù)據(jù)[6-7]；大崗山水電站通過改造標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)提高棄渣場水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)代表性[8]；烏江思林水電站采用含簡易徑流小區(qū)法在內(nèi)的單點(diǎn)多方法綜合分析獲得土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)[9-11]；新疆鏨高水電站綜合布置風(fēng)蝕和徑流小區(qū)，同時(shí)完成風(fēng)蝕和水蝕量的監(jiān)測[12]。但是目前有關(guān)徑流小區(qū)在抽水蓄能電站監(jiān)測中的應(yīng)用的文獻(xiàn)案例極少。廣東惠州抽水蓄能電站在2004—2007年運(yùn)用徑流小區(qū)法監(jiān)測土壤侵蝕量，結(jié)果表明土壤侵蝕量與雨強(qiáng)、地表覆蓋、坡度等有一定的相關(guān)性，說明徑流小區(qū)法在流失強(qiáng)度較低的平臺(tái)部位具有較好的適用性，并具有可模擬、易管理、能印證等優(yōu)點(diǎn)[13-16]。借鑒國內(nèi)常規(guī)水電工程和廣東惠州抽水蓄能電站利用徑流小區(qū)開展水土保持監(jiān)測的經(jīng)驗(yàn)，我們以浙西南山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)某抽水蓄能電站棄渣場水土保持監(jiān)測為例，對抽水蓄能電站水土保持監(jiān)測徑流小區(qū)建設(shè)、監(jiān)測實(shí)施、監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 項(xiàng)目概況

某抽水蓄能電站(以下簡稱“電站”)位于浙西南山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)，屬大(1)型一等工程，總裝機(jī)容量1 500 MW。電站主要包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、永久道路、業(yè)主營地等永久工程，導(dǎo)流工程、施工支洞、施工臨時(shí)設(shè)施、棄渣場、料場和臨時(shí)道路等臨時(shí)工程。電站設(shè)棄渣場5處，其中上庫2處、上下庫公路2處、下庫1處，各棄渣場堆渣量及占地面積詳見表1。

表1 棄渣場堆渣量及占地面積

工程區(qū)屬浙江省中部低山丘陵和盆地、侵蝕-剝蝕中低山地貌類型區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量1 591.75 mm，土壤類型主要有紅壤、黃壤、巖性土、潮土和水稻土等，森林覆蓋率77.2%。水土流失類型以水力侵蝕為主，容許土壤流失量500 t/(km2·a)，屬于浙江省括蒼山水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)。

2 監(jiān)測設(shè)施建設(shè)

2.1 監(jiān)測設(shè)施選址

經(jīng)現(xiàn)場查勘，監(jiān)測項(xiàng)目部于2011年2月按批復(fù)的水土保持方案報(bào)告書和水土保持監(jiān)測實(shí)施方案，確定了6處地面觀測點(diǎn)和1處調(diào)查監(jiān)測點(diǎn)(表2)?？紤]下庫棄渣場具有海拔低、交通便利、地質(zhì)條件良好、造價(jià)相對低廉等優(yōu)點(diǎn)，并在堆渣量和占地面積方面具有典型代表性，因此將徑流小區(qū)布設(shè)于下庫棄渣場東側(cè)的渣場內(nèi)部道路旁。下庫棄渣場徑流小區(qū)位置示意見圖1。

表2 水土保持監(jiān)測點(diǎn)布置

圖1 下庫棄渣場徑流小區(qū)位置示意

2.2 監(jiān)測小區(qū)建設(shè)

下庫棄渣場共建設(shè)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，其中：3個(gè)坡度分別為5°、10°、15°的徑流小區(qū)，集水區(qū)填料為工程棄渣，用以監(jiān)測施工期間棄渣場不同坡度產(chǎn)生的土壤侵蝕；還有1個(gè)為坡度5°的原狀坡面徑流小區(qū)，用以監(jiān)測工程區(qū)水土流失背景值。

每個(gè)徑流小區(qū)包含集水區(qū)和蓄水池。集水區(qū)垂直投影為20 m×5 m(長×寬)，邊界由漿砌石邊墻圍成矩形，高出地面20 cm，埋入地下30 cm。集水區(qū)內(nèi)填料與蓄水池內(nèi)側(cè)墻高度齊平。蓄水池為漿砌石結(jié)構(gòu)，尺寸為5 m×2 m×1 m(長×寬×深)，外側(cè)墻高100 cm，內(nèi)側(cè)墻高80 cm。蓄水池在外側(cè)墻高于地面10 cm處水平布設(shè)2根直徑10 cm的PVC排水管，排水管在蓄水池外側(cè)墻的內(nèi)側(cè)伸出5 cm，管端進(jìn)口包裹土工布，在蓄水池外側(cè)墻的外側(cè)伸出10 cm，出水口用球閥控制出水。徑流小區(qū)平面示意見圖2。

圖2 徑流小區(qū)平面設(shè)計(jì)示意(單位：cm)

徑流小區(qū)土建由經(jīng)驗(yàn)豐富的施工隊(duì)伍施工，磚塊、砂石、水泥等建材質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，集水區(qū)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，蓄水池防滲閉水效果良好，閥門管道排水正常，于2011年3月施工并通過驗(yàn)收，并持續(xù)使用至2017年9月。徑流小區(qū)建成后的面貌見圖3。

圖3 徑流小區(qū)建成面貌

3 監(jiān)測實(shí)施

經(jīng)監(jiān)測，上庫棄渣場及公路棄渣場沉沙池監(jiān)測的土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)與下庫棄渣場標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)相近，故以下庫棄渣場標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)推算棄渣場料場監(jiān)測區(qū)土壤侵蝕量。

為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，按照《水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(SL 277—2002)要求，考慮了懸移質(zhì)和推移質(zhì)的量測。監(jiān)測人員每月定期打開蓄水池閥門，排除池內(nèi)積水。排水期間，用離心管取閥門開啟后5～10 s時(shí)排出的渾濁液，計(jì)算懸移質(zhì)土壤侵蝕量；用環(huán)刀取蓄水池底部淤積的泥沙，計(jì)算推移質(zhì)土壤侵蝕量；將水樣和泥沙樣品帶回實(shí)驗(yàn)室利用烘干法測定泥沙含量；測量放干水后蓄水池內(nèi)多處淤積泥沙的厚度取平均值，并計(jì)算當(dāng)月土壤侵蝕量。每月監(jiān)測完畢，及時(shí)清理蓄水池內(nèi)淤積的泥沙、雜物。月土壤侵蝕量計(jì)算公式為

T=[(g2-g1)÷v×(1-L)+

(G2-G1)÷V×L]×A2÷A1×S×10-6

(1)

式中：T為監(jiān)測的月土壤侵蝕量，t；g2為過濾渾濁液并烘干后濾紙的質(zhì)量，g；g1為烘干后濾紙的質(zhì)量，g；v為取樣渾濁液的體積，mL；L為蓄水池底部淤積泥沙厚度平均值，m；G2為烘干后的環(huán)刀及泥沙的質(zhì)量，g；G1為烘干后環(huán)刀的質(zhì)量，g；V為環(huán)刀的容積，cm3；A2為蓄水池的面積，m2；A1為集水區(qū)的面積，m2；S為監(jiān)測分區(qū)土壤侵蝕的面積，km2。

土壤侵蝕面積通過現(xiàn)場調(diào)查和在地形圖中量測得到。年土壤侵蝕量計(jì)算公式為

(2)

式中：T′為年土壤侵蝕量，t；Tn為月土壤侵蝕量，t。

土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算公式為

M=T′/S

(3)

式中：M為土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；其余符號意義同上。

4 監(jiān)測結(jié)果與分析

電站土壤侵蝕量監(jiān)測時(shí)段為2011年3月至2017年9月。監(jiān)測期內(nèi)，電站土壤侵蝕總量為27 860 t，其中樞紐工程監(jiān)測區(qū)、道路工程監(jiān)測區(qū)、棄渣場料場監(jiān)測區(qū)、施工臨時(shí)設(shè)施監(jiān)測區(qū)土壤侵蝕量分別為13 738、5 057、5 879、3 186 t。棄渣場料場監(jiān)測區(qū)的土壤侵蝕量占監(jiān)測期內(nèi)工程土壤侵蝕總量的21%，是除樞紐工程監(jiān)測區(qū)外土壤侵蝕最嚴(yán)重的監(jiān)測分區(qū)。棄渣場料場監(jiān)測區(qū)土壤侵蝕監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 棄渣場料場監(jiān)測區(qū)土壤侵蝕年度監(jiān)測數(shù)據(jù)

整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)，土壤侵蝕量大致先增加后減少，總體變化趨勢與土壤侵蝕面積和土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢相近。受施工擾動(dòng)強(qiáng)度影響，棄渣場料場監(jiān)測區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)為1 495～3 989 t/(km2·a)，屬于輕度至中度侵蝕，整體大致呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱趨勢，僅在施工高峰期極少數(shù)月份發(fā)生極端強(qiáng)降水時(shí)，才出現(xiàn)強(qiáng)烈或以上的侵蝕情況。由表3知，2012年土壤侵蝕模數(shù)為1 495 t/(km2·a)，明顯低于其他年份，這主要是因?yàn)楫?dāng)年無大規(guī)模集中強(qiáng)降水。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同比第三季度(雨季)，2012年降水量只有2011年的55%，現(xiàn)場監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)明顯坡面徑流，土壤侵蝕較弱。2015年土壤侵蝕模數(shù)僅為2 223 t/(km2·a)，低于2016年的土壤侵蝕模數(shù)2 984 t/(km2·a)，主要原因?yàn)樵诘诙径仁芄こ虠壴绊懀钏鼐植砍霈F(xiàn)破損，影響了土壤侵蝕數(shù)據(jù)的監(jiān)測。此外，現(xiàn)場水土保持措施的不斷實(shí)施，其水土保持功能逐步發(fā)揮，也是棄渣場水土流失逐漸減少的原因之一。

通過工程建設(shè)全過程現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，建設(shè)單位在開工之初即在棄渣場落實(shí)擋渣墻、盲溝等水土保持工程措施；在施工過程中，用重型裝載貨運(yùn)卡車在棄渣場道路及平臺(tái)往復(fù)運(yùn)渣、不斷碾壓，渣料較為密實(shí)；堆料至設(shè)計(jì)高程后立即實(shí)施排洪渠，導(dǎo)流匯水。在完工階段，建設(shè)單位招標(biāo)水土保持專項(xiàng)工程對棄渣場進(jìn)行整治，修繕已實(shí)施的水土保持工程措施，并進(jìn)一步強(qiáng)化植物措施。隨著水土保持措施不斷完善，棄渣場水土流失狀況得到有效控制，現(xiàn)場生態(tài)環(huán)境得到逐步改善。

5 結(jié) 語

電站所用徑流小區(qū)質(zhì)量優(yōu)良，從2011年3月至2017年9月持續(xù)運(yùn)行78個(gè)月，為獲得棄渣場料場監(jiān)測區(qū)水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了長久持續(xù)可靠的支撐，為工程最終順利自主驗(yàn)收提供了有益幫助，也為后續(xù)其他近地域、同類型項(xiàng)目水土保持監(jiān)測提供了借鑒參考的示例。

徑流小區(qū)法是《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51240—2018)規(guī)定水力侵蝕區(qū)采用的監(jiān)測方法之一，具有較好的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。在無人機(jī)、衛(wèi)星遙感影像等新技術(shù)廣泛應(yīng)用于水土保持監(jiān)測工作的今天，徑流小區(qū)法能夠有效彌補(bǔ)遙感監(jiān)測精度方面的缺陷，填補(bǔ)遙感監(jiān)測可能會(huì)遇到的時(shí)間和空間覆蓋的空白。當(dāng)然，在水土保持監(jiān)測工作中運(yùn)用徑流小區(qū)法也會(huì)遇到不少問題。一是選址問題。水土保持監(jiān)測設(shè)施的布設(shè)需要建設(shè)單位的積極支持，恰當(dāng)?shù)倪x址是水土保持監(jiān)測地面觀測開展的重要前提，是監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和代表性的重要保障。二是布點(diǎn)問題。項(xiàng)目建設(shè)用地日趨緊張，布置標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)難度更大；1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)需要花費(fèi)數(shù)萬元，中小型項(xiàng)目或合同額較低的項(xiàng)目可以通過調(diào)整徑流小區(qū)規(guī)格節(jié)約監(jiān)測費(fèi)用，但如何利用小型或微型徑流小區(qū)來獲取更精確的土壤侵蝕數(shù)據(jù)是后續(xù)需要進(jìn)一步研究的課題；對于監(jiān)測周期較長或地質(zhì)條件不良的工程區(qū)，可以考慮采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)徑流小區(qū)，以提高其耐久性；徑流小區(qū)的施工質(zhì)量也是影響監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵，建議在土建完工后進(jìn)行閉水試驗(yàn)并進(jìn)行驗(yàn)收，確保其使用功能正常。三是維護(hù)問題。要設(shè)置警示標(biāo)志和安防措施，避免徑流小區(qū)遭人為破壞，還要定期清理集水池，避免滋生蛇蟲，帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。