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(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院, 杭州 310020; 2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司, 杭州 310007;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)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(shè)計院有限公司, 上海 200001; 5.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院, 蘭州 730070)

隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展，人類對能源的需求越來越大，能源與生產(chǎn)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(nèi)優(yōu)化配置，遠距離輸電成為當前的嚴峻現(xiàn)實。輸電線路工程是由桿、塔、架設(shè)其上的導(dǎo)線以及變電站等構(gòu)成，是典型的“點—線”結(jié)合的工程。建設(shè)過程中場地平整、基礎(chǔ)建設(shè)、進場道路鋪設(shè)、輸電線架設(shè)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(huán)境的侵蝕環(huán)境，致使土地、植被資源、生態(tài)環(huán)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(chǎn)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(chǎn)建設(shè)項目進行實例調(diào)查分析表明，施工期是水土流失強度最大的階段，塔基區(qū)是水土流失強度最大的區(qū)域，丘陵區(qū)是水土流失強度最大的地貌類型區(qū)。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(fā)現(xiàn)施工道路是水土流失的重要區(qū)域，其水土流失量可占總流失量的56%。孫中峰等[8]結(jié)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(qū)等進行了分析與評價，發(fā)現(xiàn)對臨時占地范圍內(nèi)水土保持措施少有進行設(shè)計，并建議編制水土保持方案應(yīng)注重臨時占地范圍內(nèi)的綜合防護。當前，雖然區(qū)域性的一般生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失特征及綜合治理技術(shù)研究較多，但針對輸變電工程典型性局部水土流失問題關(guān)注較少，而且山丘區(qū)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(shù)體系。主要是由于長距離的輸電線路往往是跨區(qū)域架設(shè)，不同的水土流失類型區(qū)，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(fù)雜性。因此，輸電線路工程水土流失治理整體上應(yīng)以預(yù)防為主，保護優(yōu)先，研發(fā)和推廣先進的施工技術(shù)，減少對占地和土地的擾動及棄土棄渣體的產(chǎn)生，同時，對項目建設(shè)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(fā)，做到地盡其用，兼顧水土流失治理后生態(tài)、社會、經(jīng)濟效益相統(tǒng)一的問題。

近自然恢復(fù)理念是基于生態(tài)學(xué)理論，通過科學(xué)有效的人工輔助及管理措施，依靠自然生態(tài)過程，把退化的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到物種組成、多樣性和群落結(jié)構(gòu)與地帶性群落接近的生態(tài)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)恢復(fù)后生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的多樣性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性[9-10]。相關(guān)研究表明在建設(shè)工程中產(chǎn)生的擾動土壤通過工程重構(gòu)和生物重構(gòu)可形成喬木適生型、灌木適生型和草本適生型土壤構(gòu)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(fā)揮良好的調(diào)控地表徑流作用[11]。良好的近自然植被恢復(fù)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(yōu)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(qū)域輸電項目的水土流失預(yù)防治理的研究較少，因此，本文針對易發(fā)生水土流失的典型氣候、土壤、植被條件下的山丘區(qū)，選取5個水土流失區(qū)具有典型性的山丘區(qū)輸電線路工程進行資料收集整理及野外實地調(diào)查，對山丘區(qū)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(qū)輸電線路水土流失防治及綜合治理提供科學(xué)的依據(jù)。

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(shè)特點

山丘區(qū)一般降雨徑流沖刷強烈，地形坡度較大，土壤及生態(tài)系統(tǒng)脆弱，部分地區(qū)還受嚴重的風(fēng)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(qū)的典型特征。山丘區(qū)輸電線路工程具有地面擾動類型多，影響水土流失因素復(fù)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(fù)困難的特點[17]，此外，在工程建設(shè)過程中植被破壞與廢土棄渣不規(guī)范傾倒等也導(dǎo)致山丘區(qū)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(shè)較一般生產(chǎn)建設(shè)項目的特點是：水土流失分區(qū)明顯，根據(jù)工程線路的長度，可跨越多個侵蝕分區(qū)；地表擾動范圍分散，呈有規(guī)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(jié)構(gòu)被破壞，在雨水、風(fēng)的作用下極易產(chǎn)生水土流失，還有研究表明，鐵塔上流水加劇了塔基區(qū)的水土流失[18]。

針對易發(fā)生水土流失的山丘區(qū)，并結(jié)合中國水土流失分區(qū)，選取西北黃土丘陵區(qū)、東北黑土低山和漫崗丘陵區(qū)、南方紅壤丘陵區(qū)、青藏高原和新疆山地五大典型山丘區(qū)，同時選取相對應(yīng)的5條典型輸電線路工程，見表1所列。黃土丘陵區(qū)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(qū)和風(fēng)力侵蝕區(qū)；東北黑土區(qū)主要以黑土低山和漫崗丘陵區(qū)地貌為主，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)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(fù)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(fēng)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(qū)(0.80 hm2)，新疆山地(0.25 hm2)和黑土低山丘陵區(qū)(0.21 hm2)，紅壤丘陵區(qū)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(shè)占地類型特點

山丘區(qū)輸電線路建設(shè)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(shè)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(jù)項目線路的布設(shè)較為廣泛，不僅分布在地勢相對平坦區(qū)域，山丘區(qū)依然分布較多，且占地類型復(fù)雜，由表2可知，不同區(qū)域的輸電項目工程建設(shè)占地類型差異明顯。黃土丘陵區(qū)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(qū)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(qū)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(jié)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(guī)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(shè)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(xiàn)為塔基區(qū)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(xiàn)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(fā)水土流失主要侵蝕單元，塔基在施工建設(shè)過程中涉及到基礎(chǔ)界面開挖，形成大量結(jié)構(gòu)性差、復(fù)雜的堆積體，且新堆棄的堆積體質(zhì)地松散、植被覆蓋度低，為在外營力(主要為風(fēng)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(fā)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(shè)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(zhì)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(fù)。

針對塔基區(qū)而言，不同區(qū)域水土流失占比依次表現(xiàn)為新疆山地最大(57%)，其次是黃土丘陵區(qū)(53%)、青藏高原(50%)、紅壤丘陵區(qū)(50%)，黑土低山丘陵區(qū)最小(47%)。一方面是因為不同類型山丘區(qū)地形條件差異使塔基區(qū)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(qū)土壤、氣候和植被等影響因素差異導(dǎo)致。塔基區(qū)和施工便道的土方開挖是工程初期以至施工過程中的關(guān)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(zhì)，加劇了侵蝕。由圖3可知，不同區(qū)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(qū)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(qū)2.7%，黑土低山丘陵區(qū)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(qū)、青藏高原、黃土丘陵區(qū)尤其應(yīng)當注意挖填方平衡。

圖1 山丘區(qū)輸電線路工程不同區(qū)域水土流失占比

圖2 輸電線路工程施工過程中誘發(fā)水土流失主要侵蝕單元

由表3可知，不同區(qū)域各地貌單元原地表土壤侵蝕模數(shù)以及擾動后的土壤侵蝕模數(shù)存在明顯差異。其中，允許土壤流失量表現(xiàn)為黑土低山丘陵區(qū)最小〔200 t/(km2·a)〕，其次是黃土丘陵區(qū)、紅壤丘陵區(qū)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(shù)背景值表現(xiàn)為黃土丘陵區(qū)最大，為15 000 t/(km2·a)顯著高于其他各區(qū)，黑土低山丘陵區(qū)最小為700 t/(km2·a)。地表擾動后土壤侵蝕模數(shù)明顯增大，最多可增大10倍(紅壤丘陵區(qū))，最小也增加了33%(黃土丘陵區(qū))。

不同區(qū)域擾動地貌單元的侵蝕模數(shù)整體上表現(xiàn)為塔基區(qū)最大，在5 000～20 500 t/(km2·a)，其余地貌單元土壤侵蝕模數(shù)則基本一致。不同山丘區(qū)塔基區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)表現(xiàn)為黃土丘陵區(qū)最大〔20 500 t/(km2·a)〕是紅壤丘陵區(qū)的2倍，黑土低山和漫崗丘陵區(qū)5倍，除去氣候等影響因素外，與不同區(qū)域的土壤性質(zhì)也有很大關(guān)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(qū)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(fù)原理

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

塔基區(qū)的水土流失主要發(fā)生在塔基的建設(shè)期和運行期，其水土流失防治重點是預(yù)防和植被恢復(fù)。建設(shè)過程中塔基部位需進行基礎(chǔ)開挖，對原地表嚴重破壞，形成大量臨時的松散堆積物質(zhì)，在水力、風(fēng)力和重力等外營力作用下極易發(fā)生水土流失。因此，在該過程中應(yīng)主要針對松散堆積物質(zhì)進行水土流失治理，根據(jù)區(qū)域發(fā)生水土流失外營力特點，布設(shè)臨時措施，例如鋪蓋掛網(wǎng)、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(diào)查得知塔基邊坡是塔基區(qū)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(shè)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(wěn)定性分析和坡面水文過程等研究；以往傳統(tǒng)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(tài)文明建設(shè)不符，且隨著時間的推移，水泥風(fēng)化后期維護復(fù)雜；單純、簡單的植物措施植物又難以生長，因此，在植被恢復(fù)設(shè)計施工過程中主要參考植物學(xué)原理，適地適樹，因地制宜，考慮治理區(qū)域的立地類型與小氣候條件，結(jié)合土壤理化性質(zhì)，合理規(guī)劃設(shè)計植被措施，應(yīng)該依靠自然與人工相結(jié)合的修復(fù)方式。

施工便道是作為生產(chǎn)道路利用，水土流失主要發(fā)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(yù)防為主，在治理的過程中應(yīng)尤其注重施工便道的排水，在排水溝設(shè)計時需依照坡面降雨產(chǎn)匯流過程和原理。在工程完工之后一般可恢復(fù)為原土地利用類型，或者進一步進行土地復(fù)耕。此外，在施工便道土地恢復(fù)過程中還應(yīng)綜合考慮占地前的利用方式，以及項目周圍環(huán)境情況，是否需要進行硬化作為道路繼續(xù)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(fā)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(fù)的重點是后期的恢復(fù)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(fù)形成障礙，因此，在牽張場的土地恢復(fù)過程中應(yīng)先進行深松翻處理，然后恢復(fù)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(shè)計

塔基建設(shè)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(cè)，起攔擋作用，上部覆蓋蓬布；施工結(jié)束后平整土地，覆蓋表層土；該措施適用于所有區(qū)域。防塵網(wǎng)苫蓋—施工過程中的臨時堆土為避免受到風(fēng)力侵蝕，應(yīng)采用防塵網(wǎng)苫蓋；該項措施適用于所有區(qū)域。臨時排水溝—在臨時堆積體周圍布設(shè)臨時排水溝，該措施適用于所有區(qū)域(圖4)。

圖4 臨時袋裝土攔擋典型設(shè)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(qū)塔基處設(shè)置草方格沙障，沙障網(wǎng)格采用干蘆葦，網(wǎng)格設(shè)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(qū)域中的土質(zhì)邊坡、強風(fēng)化巖石邊坡，常用坡比1∶1.0～1∶1.5，可做到植被恢復(fù)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(qū)、紅壤丘陵區(qū)、黑土低山丘陵區(qū)。漿砌石護坡：適用于所有區(qū)域中植被難已恢復(fù)的塔基。排水溝—所有區(qū)域塔基邊坡都布設(shè)漿砌石排水溝，根據(jù)集水面積，按照20 a一遇最大1 h暴雨強度標準設(shè)計。

2.3.2 施工便道水土保持典型設(shè)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(shè)，適用于所有研究區(qū)。(2) 在項目區(qū)干旱少雨的季節(jié)，施工便道定期灑水降塵，適用于所有區(qū)域。(3) 在植被易恢復(fù)區(qū)施工便道兩側(cè)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(qū)、黑土低山丘陵區(qū)。

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(fù)重建。(2)土地整治和植對植被恢復(fù)區(qū)的施工便道進行土地整治，以便進行植被恢復(fù)；對占用耕地的，采取土地復(fù)耕措施。適用于所有區(qū)域。

2.3.3 牽張場水土保持措施典型設(shè)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(qū)底部鋪設(shè)棕墊，適用于所有區(qū)域。

項目施工完成：輸電線路牽張場區(qū)施工結(jié)束后及時對擾動區(qū)域進行坑凹回填、整平，用農(nóng)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(shè)，因地制宜、適地適樹的進行鄉(xiāng)土植被恢復(fù)，主要適用于黃土丘陵區(qū)、紅壤丘陵區(qū)、黑土低山丘陵區(qū)(圖5)。

圖5 牽張場土地整治及植被恢復(fù)典型設(shè)計

3 結(jié) 論

(1) 輸電線路工程塔基和施工便道由于線路的布設(shè)廣泛，占地類型復(fù)雜；其中，黃土丘陵區(qū)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(qū)以林地為主，占比為69%；黑土低山丘陵區(qū)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(qū)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??；塔基區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)表現(xiàn)為黃土丘陵區(qū)最大是紅壤丘陵區(qū)的2倍，是黑土低山和漫崗丘陵區(qū)5倍。塔基邊坡應(yīng)該依靠自然與人工相結(jié)合的修復(fù)方式，牽張場的土地恢復(fù)過程中應(yīng)先進行深松翻處理。

(3) 山丘區(qū)輸電工程形成的侵蝕單元修復(fù)過程中引入了恢復(fù)生態(tài)學(xué)相關(guān)理論，遵循因地制宜、因害設(shè)防的治理理念，對各侵蝕單元進行近自然的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)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(shù)據(jù)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(shè)計。在后續(xù)研究中可增加對工程治理措施實際作用的監(jiān)測數(shù)據(jù)，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。