大型水電站建設中的土壤流失動態(tài)研究

張仕艷,陳奇伯,雷俊杰,原海紅,馬 煒,陳 瑜

(1.西南林業(yè)大學,云南昆明 650224;2.金安橋水電站有限公司,云南麗江 674100;3.昆明有色冶金設計研究院股份公司,云南昆明 650051)

大型水電站建設中的土壤流失動態(tài)研究

張仕艷1,陳奇伯1,雷俊杰2,原海紅3,馬 煒1,陳 瑜1

(1.西南林業(yè)大學,云南昆明 650224;2.金安橋水電站有限公司,云南麗江 674100;3.昆明有色冶金設計研究院股份公司,云南昆明 650051)

開發(fā)建設項目;水電站工程;土壤流失動態(tài)

以金沙江干流金安橋水電站為例,研究了大型水電站工程建設期內(nèi)不同施工部位土壤流失量的動態(tài)變化。結(jié)果表明:汛期降雨量占年降雨量的 92.9%以上,汛期是土壤流失發(fā)生的主要時段。受建設內(nèi)容、施工時段、施工進度和降雨量的影響,各部位土壤流失量變化趨勢不同:棄渣場松散堆積物流失量呈現(xiàn)“較小→增大→減小”的趨勢,2005年施工開始,2006年達到峰值;施工道路土壤流失量逐年遞減;料場土壤流失量年際變化呈現(xiàn)單峰型,2007年達到峰值;施工營地僅在前兩年建設中有土壤流失,硬化、綠化后基本無土壤流失產(chǎn)生。河道泥沙含量具有“增大→減小→增大→減小→平衡”的趨勢。金安橋水電站建設 7年,產(chǎn)生的土壤流失量達 67 642.4 t,其中施工道路占 50.9%、渣場占 28.7%,施工道路和渣場是水土流失敏感部位和重點部位。

進入 21世紀,國家制定了優(yōu)先開發(fā)水電的能源發(fā)展戰(zhàn)略,我國水電建設迎來了前所未有的發(fā)展機遇[1]。水電站建設及水電資源開發(fā)給人類帶來了巨大的利益,對經(jīng)濟和社會的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響,但建設過程中大規(guī)模的土石方開挖,嚴重破壞了地表植被和土壤,造成地表大面積裸露,大量的棄土棄渣在降雨和大風等外營力作用下發(fā)生流失。近年來,環(huán)保、水保、土壤、生態(tài)等學科的學者對大型建設工程造成的水土流失、生態(tài)退化的研究在增多,內(nèi)容主要集中在大型建設工程施工期的巖土侵蝕、水土流失防治、廢棄地植被恢復與重建[2-7]等方面,而對施工期不同施工單元的土壤流失動態(tài)研究卻較少。鑒于此,本研究以金沙江中游金安橋大型水電站工程建設為例,研究大型水電站工程建設期不同施工部位的土壤流失動態(tài)特征,以期為類似工程建設制定不同時段可行的水土流失綜合防治措施體系提供依據(jù)。

1 金安橋水電站概況

金安橋水電站位于云南省麗江市境內(nèi)的金沙江中游河段,是金沙江中游河段梯級水電站規(guī)劃開發(fā)中的第五級電站,電站壩址距麗江市古城區(qū)、攀枝花市、昆明市分別為 52.5、225.5、589.5 km。電站為堤壩式開發(fā),總投資 139億元,壩高 160m,正常蓄水位以下庫容 8.47億 m3,裝機容量 2 400MW,年發(fā)電量 110.43億 kW?h,施工期 8.5年,2004年開工建設,2010年底第一臺機組發(fā)電,2012年工程竣工。

為保證工程施工的順利進行,項目區(qū)共修建永久性公路10.22 km、臨時公路 23.32 km,共設置 6個棄渣場,總?cè)莘e 2 060萬 m3,其中五郎溝渣場容積 410萬 m3、美河渣場容積 1 300萬m3,是金安橋水電站堆渣量最大的 2個棄渣場。

金安橋水電站項目區(qū)屬中甸、大理高中山峽谷地貌單元,樞紐區(qū)河道由北向南,河谷呈V形,枯水期江面寬 20～60m,兩岸地面坡度在 35°～42°之間,海拔 1 200～1 900m。項目區(qū)屬亞熱帶季風氣候,河谷“焚風效應”明顯,年均降雨量 938mm。壩址處控制流域面積 23.74萬 km2,年均流量 1 640m3/s,年均徑流量 517億 m3,洪水主要由暴雨形成,汛期為每年的 5—10月份。

2 研究方法

水電站壓占的原地貌主要地類灌木林地和窄帶梯田以及棄渣場植被恢復治理坡面的土壤流失量采用小區(qū)定位觀測法,共布設 5m×10m坡面徑流小區(qū) 4個,其中壓占原地貌灌木林地、窄帶梯田各 1個,渣場坡面植草小區(qū)共 2個;棄渣場堆積坡面土壤流失量采用侵蝕針法觀測;棄渣堆積平臺、運渣路面和開挖邊坡土壤流失量采用細溝狀面蝕及溝蝕樣方調(diào)查法;河道泥沙采用項目區(qū)上、中、下游河道斷面汛期定期取樣,用比重法測定其泥沙含量;不同侵蝕單元面積量算采用現(xiàn)場地形圖勾繪和GIS軟件進行計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征分析

降雨是引起水土流失的主要因子,降雨量的年內(nèi)分布直接影響著徑流的年內(nèi)分配,進而導致土壤流失量的動態(tài)變化。從表 1監(jiān)測期 2006—2010年降雨情況看,項目區(qū)降雨年內(nèi)分配不均,絕大部分降雨集中在汛期,汛期降雨量占年降雨量的92.9%以上。由于年內(nèi)降雨分配不均,汛期降雨的過分集中易形成高強度的大雨或暴雨,導致地表徑流迅速匯集并沖刷地表,造成水土流失。

表1 項目區(qū)降雨量年際和年內(nèi)分布 mm

表 1顯示,2006—2010年降雨量差異較大,變化幅度明顯:2007年降雨量為 1 087.3mm(最大),2009年降雨量為 705.1 mm(最小),但 2009年汛期降雨量所占比例最高,達 98.5%,2006年汛期降雨量所占比例最小,為 92.9%。汛期降雨量的變化趨勢與年降雨量的變化趨勢一致,年降雨量呈現(xiàn)出“降雨量較豐富、汛期雨量集中、年際變幅大”的特點,所以汛期是水土流失最易發(fā)生的時段。

3.2 原地貌坡面土壤流失特征分析

原地貌土壤流失量按壓占不同類型的土地面積比例進行加權(quán)平均計算得到。從圖 1土壤流失量來看,2006—2010年汛期原地貌單位面積土壤流失量的年際變化呈現(xiàn)出“較小→增大→減小→增大→減小”的趨勢。由觀測資料知,2007年原地貌汛期單位面積土壤流失量為 607.33 t/km2(最大),2010年為12.62 t/km2(最小)。由于原地貌年際間下墊面狀況相同,土壤流失量的多少主要受降雨量的影響,因此 2007年降雨量最大致使該年原地貌單位面積土壤流失量最多。

圖1 原地貌土壤流失量年際變化

2006—2010年原地貌平均土壤流失量為 161.48 t/(km2?a),遠低于國家規(guī)定的西南土石山區(qū)容許土壤流失量 500 t/(km2?a)的標準。原地貌平均土壤流失量小,是由于原地貌灌木林地的植被郁閉度高,植被截留和地表枯落物吸持減少了雨水對土壤的擊濺,而且植被覆蓋下的土壤結(jié)構(gòu)良好,枯枝落葉層豐富,分散了地表徑流,使得匯集地表徑流的過程延長,增加了地表徑流的入滲率,使更多的地表徑流轉(zhuǎn)化為壤中流或地下水;窄帶梯田田面窄、埂坎低,匯流面積小,耕作層土壤疏松、孔隙率大,故不易產(chǎn)生徑流。由此知,金安橋水電站項目區(qū)原地貌土壤侵蝕輕微,為無明顯侵蝕等級。可見,工程建設中應保護好原地貌土壤和植被不被擾動和破壞,對征地范圍內(nèi)不可避免擾動的區(qū)域,施工結(jié)束后應盡可能進行恢復治理。

3.3 不同施工部位土壤流失量動態(tài)分析

3.3.1 渣場土壤流失量動態(tài)分析

從圖 2渣場土壤流失總量來看,2005—2010年流失量呈現(xiàn)“較小→增大→減小”的趨勢,2006年達到峰值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于 2005年為工程建設初期,工程動工后部分工程進行開挖,開挖過程中對地表的強烈擾動和棄渣產(chǎn)生了大量的土壤流失。2006年工程全面動工,大規(guī)模的開挖使棄渣量增多,加上這時水土保持措施未實施,因此土壤流失量最大。隨著工程的進展以及擋土墻、排水溝和覆土種草等措施的實施,水土保持效果逐漸顯現(xiàn),土壤流失量也逐年減少。

圖2 渣場土壤流失量年際變化

3.3.2 施工道路土壤流失量動態(tài)分析

施工道路是連接各施工部位的紐帶,工程施工能否順利進行,交通順暢是關(guān)鍵。在施工道路建設過程中,視地形條件對路面兩側(cè)進行削坡或填方,導致地表植被破壞、土層裸露,遇到降雨和大風等便會發(fā)生土壤流失。圖 3顯示,2005年和 2006年土壤流失量較大,年均達到 11 258.6 t,2007年后流失量明顯減少。這主要是由于前兩年道路修建過程中長距離、大面積地開挖導致地表被破壞,削坡及填方后形成不穩(wěn)定的高陡邊坡,特別是填方邊坡線狀展延,水土保持措施未全部實施到位,因此土壤流失量急劇增加;2006年底道路修建完畢后,水土保持措施得以全面實施,且邊坡經(jīng)過兩年多的沉降逐漸趨于穩(wěn)定,隨著水土保持措施效果的逐漸顯現(xiàn),土壤流失量逐年減少。

圖3 施工道路土壤流失量年際變化

3.3.3 料場土壤流失量動態(tài)分析

石料是建設大壩壩體、泄洪、沖沙、廠房發(fā)電系統(tǒng)等分部工程的混凝土骨料,采用自上而下梯段式開采,開采過程中產(chǎn)生的邊坡和平臺在外營力作用下容易產(chǎn)生沖刷、崩塌等現(xiàn)象而發(fā)生土壤流失。圖 4顯示,料場土壤流失量年際變化為單峰型,2007年達到峰值,2008—2010年土壤流失量逐年遞減。原因是:2005年為施工初期,工程未全面啟動,石料需求量相對較少,料場開采量也較少,故土壤流失量也少;2006年后工程建設全面鋪開,石料需求量逐年增多,開挖量和流失量也隨之增加,2007年流失量達到最大值,這與該年降雨量最大不無關(guān)系;2008—2009年降雨量減少,對地表的沖刷能力降低,且隨著工程的向前推進,被開挖的邊坡進行了網(wǎng)格植草護坡保護,混凝土澆筑量減少,加上水土保持措施效果逐漸顯現(xiàn),故土壤流失量逐年遞減。

圖4 料場土壤流失量年際變化

3.3.4 樞紐區(qū)土壤流失量動態(tài)分析

圖5顯示,樞紐區(qū)土壤流失量年際間存在差異,2005—2007年流失量逐年減少,2008年增大,之后又逐年減小。其原因是:建設初期工程開挖破壞了地表植被和土壤,使土壤變得松散、抗侵蝕能力降低,而且開挖部位在河道兩岸,降雨中土壤易被沖刷,且在重力作用下容易發(fā)生坍塌等;隨著工程建設的向前推進,開挖量逐漸減少,流失量也隨之減小;到 2008年,隨著部分基礎(chǔ)建設的完工,上游圍堰進行了拆除,拆除過程中增加了土壤流失;2009年圍堰全部拆除完畢,土壤流失量減少。此外,大壩左右岸邊坡逐漸穩(wěn)定并進行了園林綠化,到 2010年土壤流失量明顯減小。

圖5 樞紐區(qū)土壤流失量年際變化

3.3.5 施工營地土壤流失量動態(tài)分析

施工營地在場地平整及建筑物建設期間均會有土壤流失產(chǎn)生,2005年土壤流失量為 1 521.5 t,2006年為 2 186 t。完工后地表除建筑物占地外,區(qū)域內(nèi)均進行了硬化或綠化,基本上再無土壤流失產(chǎn)生。

3.3.6 河道中水流含沙量動態(tài)分析

水電工程建設帶來的地面擾動將使地表和植被受到破壞,失去其固土防沖的功能,產(chǎn)生嚴重的水土流失[8]。特別是在施工過程中產(chǎn)生的大量棄土堆放于河道兩岸,受降雨、高陡邊坡等的影響,大量泥沙進入河道,伴隨著工程開挖進展及預防保護措施的落實,項目區(qū)河水含沙量年際間呈現(xiàn)出明顯的變化過程。

由圖 6和觀測資料知,2005—2009年河道中水流年均含沙量分別為多年平均含沙量 0.749 kg/m3的 3.99、1.31、0.99、4.55和 1.59倍。2005年工程處于“三通一平”階段,導流洞及大壩水上部分的開挖等對施工初期河岸擾動較大,原本穩(wěn)定的河岸經(jīng)開挖后土壤抗侵蝕能力下降,位于淹沒區(qū)的兩個棄渣場由于擋護不力,使得大量松散物質(zhì)進入河道。在施工初期,河水平均含沙量為 2.99 kg/m3,是多年平均含沙量的 3.99倍。

圖6 2005—2010年不同斷面年均含沙量變化

2006年,上游河道受美河渣場、運渣公路及公路邊坡土壤流失的影響,水流含沙量為 0.87 kg/m3,比多年平均值高出16.2%;下游河道受大壩開挖、河床截留、渣場和料場剝離料及不合理棄渣等的影響,水流含沙量高達 1.09 kg/m3,高出多年平均值 45.5%。全河段平均水流含沙量為 0.98 kg/m3,是多年平均含沙量的 1.31倍。

2007年,上游的美河渣場攔擋措施已經(jīng)完善,公路邊坡及處于淹沒區(qū)的兩個棄渣場采用了干砌石攔擋,也逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài),上游斷面含沙量為 0.65 kg/m3,比多年平均含沙量低13.2%。而下游河道因受整個項目區(qū)特別是邊坡滑塌物、渣場流失等的影響,含沙量為 0.83 kg/m3,比上游斷面含沙量高27.69%,全河段平均含沙量為 0.74 kg/m3,略低于多年平均值。

2008年,已實施的水土保持措施基本發(fā)揮作用,有效地減少了進入河道的泥沙。但是,隨著部分基礎(chǔ)建設的完工以及上游圍堰的拆除,河道中的水流含沙量較 2007年明顯增大,上游斷面含沙量為 1.70 kg/m3,下游斷面含沙量為 5.11 kg/m3。下游河道泥沙增加量特別明顯,水流含沙量是上游河道的 3.01倍,是全河段多年平均值的6.82倍。

2009年,上游美河渣場實施了攔渣壩加高加固措施,主體工程施工主要是料場開挖、大壩澆筑、廠房施工,對含沙量影響小,不同斷面水流含沙量均較上年明顯減少,上游斷面含沙量為 0.93 kg/m3,下游斷面含沙量為 1.44 kg/m3,下游泥沙增加量較為明顯,含沙量是上游的1.55倍。全河段水流平均含沙量為 1.19 kg/m3,是多年平均值的 1.59倍。

2010年,由于樞紐施工交通限制未能監(jiān)測到河道上游斷面的水流含沙量,河道下游斷面含沙量平均值為 0.17 kg/m3,低于多年平均值。2010年是施工期內(nèi)下游斷面含沙量最低的一年,低的原因是 2010年前半年降雨量非常少,后半年降雨量雖增加,但工程已接近尾聲,各項水保措施已基本完善,土壤流失量較少。

河道斷面水流含沙量受工程施工時段、建設內(nèi)容、施工進度和降雨量的影響較大,是一個動態(tài)變化的過程:施工初期,受大面積開挖及松散堆積棄土棄渣的影響,水土流失劇烈,對含沙量的貢獻較大,當有序施工及相關(guān)防護措施落實后,水土流失得到控制,含沙量就會降低;工程中后期,伴隨著對臨時措施的拆除及其他開挖的進行,含沙量又呈現(xiàn)出增加趨勢;到工程末期,拆除工程結(jié)束后,解除了外界人為干擾,含沙量又變小;預計在工程完全結(jié)束后,含沙量最終將趨于多年平均值。因此,河道中的水流含沙量具有“增大→減小→增大→減小→平衡”的變化趨勢。也就是說,人為干擾是水電站工程建設過程中水流含沙量發(fā)生變化直接的也是最主要的影響因素。

3.4 水電站建設土壤流失總量變化趨勢分析

水電站建設過程中產(chǎn)生的土壤流失量變化與施工進度和建設內(nèi)容關(guān)系密切。基礎(chǔ)開挖結(jié)束后,隨著水土保持措施的實施和發(fā)揮作用,土壤流失量在逐年遞減。

從圖 7水電站建設期土壤流失量動態(tài)變化和實際監(jiān)測看:2005年因處于工程建設初期,施工主干道、導流洞、施工支洞、施工臨時橋、壩基、施工營地等基礎(chǔ)開挖和場地平整破壞了地表植被和土體穩(wěn)定,導致土壤流失量增加;2006年因場內(nèi)支線公路及橋梁、導流洞、大壩左右岸開挖等全面開工,料場和渣場也進入了大規(guī)模開挖和棄渣階段,因此該年土壤流失量達到最大值;2007年上游圍堰和廠房等工程處于開工建設階段,流失量占 55.7%的施工道路和營地已建設完畢,且水土保持措施開始實施,因此該年流失量明顯減小;2008—2010年隨著基礎(chǔ)設施的相繼完工,開挖量和棄渣量隨之減少,且水土保持措施效果逐漸顯現(xiàn),故流失量逐年降低。

圖7 2005—2010年水電站建設土壤流失量變化

表 2是各施工部位土壤流失量及其所占比例。由表 2知,水電站建設過程中各部位共產(chǎn)生土壤流失量 67 642.4 t,其中施工道路流失量占 50.9%、渣場占 28.7%,料場、樞紐和施工營地所占比例分別為 8.2%、7.4%和 4.8%,施工道路和渣場是水土流失敏感部位和關(guān)鍵部位。施工道路和營地在建設初期就已建成,所以初期做好汛期施工道路水土流失防治,中后期做好汛期渣場、料場、樞紐等水土流失防治,對減少水電站建設過程中的土壤流失作用重大。

表 2 各施工部位土壤流失量及其所占比例

4 結(jié) 語

(1)2006—2010年,項目區(qū)降雨量年際間分配不均,年內(nèi)分配差異大,絕大部分降雨集中在汛期,汛期降雨量占全年降雨量的 92.9%以上。降雨呈現(xiàn)“降雨量較豐富、汛期雨量集中、年際變幅大”的特點,汛期是水土流失主要發(fā)生時段。

(2)2006—2010年汛期原地貌不同地類土壤流失量的年際變化呈現(xiàn)出“較小→增大→減小→增大→減小”的趨勢,與降雨量的年際變化趨勢基本一致。原地貌年均土壤流失量為161.48 t/km2,遠小于國家規(guī)定的西南土石山區(qū)容許年土壤流失量 500 t/km2的標準。

(3)河道中水流含沙量變化是一個動態(tài)的過程,它隨著工程施工時段、建設內(nèi)容和施工進度的改變而改變,具有“增大→減小→增大→減小→平衡”的趨勢。

(4)受施工時段、建設內(nèi)容、施工進度和降雨量的影響,渣場、施工道路、料場、樞紐和施工營地等部位的土壤流失量年際間變化趨勢不同。水電站建設過程中產(chǎn)生的土壤流失總量為67 642.4 t,其中施工道路流失量占 50.9%、渣場占 28.7%,其他部位共占 20.4%,施工道路和渣場是水土流失的敏感部位和重點部位。

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Dynam ic Changes of Soil and Water Loss in Construction of Large-Sized Hydroelectric Plants

ZHANG Shi-yan1,CHEN Qi-bo1,LEI Jun-jie2,et al.

(1.Southwest Forestry University,Kunming,Yunnan 650224,China;2.Jin'anqiao Hyd roelectric Plant Company Ltd.,Lijiang,Yunnan 674100,China)(54)

The paper studies the dynamic changes of soiland water loss atdifferent construction locations during construction period of large-sized hydroelectric plants by taking Jin'anqiao Hydroelectric Plant situated in themain stream of the Jinsha River as an example.The outcomes show that the rainfall in flood season makes upmore than 92.9%of the annual rain fall and flood season is themain period for soil and water loss.The variation tendency of soil and water loss ateach location is different due to the effectof different items,period and schedule of construction and the rain fall:a)theamountof looseaccumulation loss of spoil grounds changes with the tendency of smaller→increasing→reducing,and the p roject started in 2005and the amountof loose accumulation loss reached to peak value in 2006;b)the amount of soil loss in roads reduced annually;c)the variation of amount of soil loss in material field between years was in single-peak shape and reached to peak value in 2007 and;d)there was almost no soil loss in construction encampment after hardening and p lanting trees and grasses,expect the first two years.The sediment concentration of channel changeswith the tendency of increasing→ reducing→ increasing→ reducing→balance.The construction period of Jin'anqiao Hydroelectric Plant is 7 years.The soil loss of the project is 67 642.4 t,ofwhich,construction road 50.9%and spoil ground 28.7%,showing the construction road and the spoil ground are the sensitive and key places for soil and water loss.

construction project;hydroelectric p lant;dynamics of soil and water loss

S157.2

A

1000-0941(2011)02-0054-04

國家自然科學基金項目(31060093);西南林業(yè)大學生態(tài)學重點學科項目(XKX 200902);云南省應用基礎(chǔ)研究計劃面上項目(20070065M)

張仕艷(1983—),女,內(nèi)蒙古赤峰市人,碩士研究生,主要從事水土保持生態(tài)修復方面的研究;責任作者陳奇伯(1965—),男,甘肅通渭縣人,教授,博士,主要從事生態(tài)恢復與土壤侵蝕研究。

2011-01-17

(責任編輯 趙文禮)