高原干旱荒漠區工程建設水土流失特征及防治研究
——以格爾木～庫爾勒電氣化鐵路青海段供電工程為例

李慶軍，胥聞博，楊賀菲，謝 浩，李建明

(1.國網青海省電力公司，青海 西寧 810008；2.長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010；3.水利部山洪地質災害防治工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

1 引言

青海省境內地下礦藏資源豐富，受地形、地貌、氣候等因素限制，西北地區高速公路、鐵路等交通設施仍不完善。目前新疆南疆地區鐵路建設落后，交通不便，極大限制了南疆地區的經濟建設和發展。格爾木～庫爾勒電氣化鐵路的建設將有利于地區礦產資源的開發和利用，加快實施西部大開發戰略，奠定青海和新疆兩省礦產資源開發的友好合作關系，促進地區經濟增長。同時也有利于加快形成出疆新的鐵路通道，增強區域路網機動性，完善區域路網布局。格爾木～庫爾勒電氣化鐵路(青海段)供電工程(110 kV部分)是該工程建設的重要組成部分。

輸變電線路工程由于路徑較長，往往跨越多個行政區，由于不同的氣候、土壤、植被、水文情況各不相同，往往造成嚴重的水土流失問題。針對輸變電工程造成的水土流失，學者們展開了大量的研究，并獲得較多成果[1～3]。而青海地區由于降雨量少、蒸發量大，線路經過地區出現植被稀少甚至無法存活的現象，其水土流失往往以風力侵蝕為主，具有高原干旱荒漠特色[4～6]。針對該地區輸變電線路工程施工中的水土流失特征及水土保持措施的研究目前較少。本工程以格爾木～庫爾勒電氣化鐵路(青海段)供電工程(110 kV)部分為例，分析了項目建設造成水土流失特征，并預測可能新增的侵蝕量。根據水土流失防治措施布設的原則，針對不同防治分區設計對應的水土保持措施，并預測措施產生的效益。可為高原干旱荒漠區生產建設項目造成的水土流失防治提供借鑒。

2 項目及項目區概況

2.1 項目概況

格爾木～庫爾勒電氣化鐵路(青海段)供電工程(110 kV部分)在青海省海西蒙古族藏族自治州格爾木市和茫崖行委境內建設。線路總長779.83 km，其中架空線路長778 km、電纜線路長1.83 km，桿塔總計2745基，其中直線塔2184基、耐張塔554基、鋼管桿7基，輸變電線路經過地區的海拔在2700～3300 m之間，共計包括10條線路工程。

本工程主要交叉跨越電力線路、公路、鐵路、河流等，分別跨越104次、33次、12次、8次。項目組成包括：塔基施工場地2745處(每處塔基設置1處)，牽張場198處(每隔4 km設置一處)，跨越施工場地149處，施工道路588 km(利用已有550 km、新修38 km)，材料站和施工營地采用租用方式，以減少占地，避免新增水土流失。

2.2 項目區概況

本工程所經區域位于柴達木盆地，沿線地貌主要為山前傾斜沖洪積平原、河流漫灘階地、沙丘狀小丘陵地貌等，海拔在2700 m～3300 m之間。線路工程所經區域屬于典型的高原溫帶大陸性干旱氣候，具有干燥、寒冷，風沙多，霜凍多，四季不分明，冬季漫長，太陽輻射強烈等特點。其中年平均氣溫較低為1.5～5.3 ℃，年平均降水量較少為42.8～55.5 mm，年均蒸發量大為2504.1～2919.7 mm，年平均風速2.8～5.1 m/s，最大風速達到26.0 m/s，年主導風向W、NW，24 h最大降水量19.7～32.0 mm，最大凍土深度105～206 cm，年日照率56%～60%。本工程所在區域降水量稀少，氣候干旱，地表覆蓋的植被稀少，根據青海省國土資源廳發布的《青海省植被類型圖》和《中國植被區劃》，格爾木市和茫崖行委境內植被屬荒漠植被類型區，主要有荒漠植被和草甸植被類型，林草植被覆蓋率僅為3%～5%。土壤類型主要為鹽土、沙土和栗鈣土，沿線涉及主要河流為格爾木河、那林格勒河、烏圖美仁河。輸變電線路工程處于“三北戈壁沙漠及沙地風沙區”，土壤侵蝕類型屬于輕度、中度風力侵蝕，土壤侵蝕模數背景值約為 500～2600 t/(km2·a)，容許土壤流失量為1000 t/(km2·a)。

3 水土流失特征

3.1 水土流失防治分區

根據《全國水土保持規劃國家級水土流失重點治理區和重點預防區復核劃分成果》(辦水保[2013]188號)和《青海省水土保持規劃(2016～2030年)》，格爾木市屬于柴達木盆地省級水土流失重點治理區，茫崖行委屬于柴達木盆地省級水土流失重點預防區。根據大型線型建設項目應按地貌類型劃分一級區，結合工程布局和施工特點進行二級、三級分區。本工程按照地貌類型劃分一級分區，包括礫石戈壁區、沙土區、鹽漬土區3個防治分區，根據工程布局和施工特點，二級分區劃分為塔基及塔基施工區、牽張場區、跨越施工場地區和施工道路區4個防治分區。

3.2 土壤侵蝕強度

通過收集青海省水土保持局提供的青海省土壤侵蝕圖以及項目所經區域的水土保持規劃，結合項目區的地表形態、地形等因子綜合分析，參照風力侵蝕和水力侵蝕的強度分級表，并根據當地有關水土流失資料和實地調查進行推算，確定原地貌背景土壤侵蝕模數。而擾動后及自然恢復期土壤侵蝕模數根據工程施工工藝、方法等特點，選擇工程類型相同和自然地貌等特征相似的已建工程進行類比分析，參考類比工程在施工建設期造成的水土流失測定分析結果，對該工程建設導致的不同防治分區可能造成的水土流失強度進行類比分析。本工程不同時期的土壤侵蝕模數如表1所示。

表1 工程不同時期土壤侵蝕模數情況

其中沙土區的土壤侵蝕背景值最大，各防治分區均達到2600 t/(km2·a)，是礫石戈壁區和鹽漬土區的2.2倍和5.2倍，建設期和自然恢復期也呈現相同規律，主要是由于沙土區的土壤質地輕，土壤結構松散，遇水或者大風容易被侵蝕。而礫石戈壁區下墊面組成中受礫石壓蓋，使得表層可供侵蝕的細顆粒少，鹽漬土中的鹽土較粘重，具有較好的土壤結構，也能起到抑制侵蝕作用。各防治分區在建設期均表現為塔基區及塔基施工區的土壤侵蝕模數最大，主要是由于該區受人為擾動最強烈，且塔基安裝過程需要大量的開挖土石方，形成斑點狀的侵蝕斑塊，尤其是山區或丘陵區，在降雨或大風條件下，裸露的地表是產生嚴重侵蝕的重要原因。經分析，建設期間，沙土區、礫石戈壁區、鹽漬土區的塔基區及塔基施工區的侵蝕模數分別可達其他分區的1.2～1.5倍、1.1～1.2倍和1.1～1.3倍。因此，針對建設期需要加強對塔基及塔基施工區進行水土流失防治，該區也是該項目的水土流失重點區，需要加強監督管理。

3.3 破壞水土保持設施面積

本工程項目建設區的占地面積即為擾動地表的面積，經統計分析，破壞水土保持設施面積為74.99 hm2，占地類型包括其他草地、鹽堿地、沙地、裸土地4種類型，其中占用裸土地面積最大為74.5%，占用其他草地最少僅為2.0%，主要是由于項目區的降水量少、海拔高，高寒干旱導致了該區域的植被稀少。根據占地性質劃分，永久占地面積為29.3%，均為塔基區及塔基施工區占地，臨時占地面積為70.7%，其中牽張場、跨越施工場合施工道路均為臨時占地，在工程完工后根據要求完成施工跡地恢復，塔基施工區在工程完工后也恢復原狀，列入臨時占地。根據占地特征，礫石戈壁區占地面積為77.4%，沙土區和鹽漬土區分別為9.3%、13.3%。根據行政區域劃分，格爾木市和茫崖行委分別占67.3%和32.7%。本工程占地面積統計見表2。

表2 工程占地面積統計 hm2

3.4 水土流失危害

本工程建設過程中人為活動造成水土流失的原因主要是破壞地表植被、地表結皮、挖方的臨時堆放，在雨天、大風天氣條件下易產生水土流失。根據本工程建設區地形地貌和施工建設的特點，產生的水土流失危害主要包括以下4個方面。

(1)本工程處于柴達木盆地，桿塔基面處開挖將形成裸露面，如不采取防護措施，長期的風力侵蝕，將有可能造成局部幾面的水土流失危害，進而影響桿塔基礎的穩定性，影響送電線路的安全運行。

(2)施工便道處碾壓擾動形成的裸露面，如不采取防護措施，對附近的生態環境產生不利影響。

(3)破壞土地質量，工程竣工后原臨時占用土地的穩定表層遭到破壞，如不及時采取措施，可能導致土地貧瘠和荒漠化。

(4)影響景觀和生態環境，塔基及臨時施工區、人抬道路將破壞原地表狀態，形成人工廊道，施工中及完工后如不及時采取水土保持措施，既破壞了成片自然生態系統的完整性和連續性，同時對局部景觀產生不利影響。

3.5 水土流失預測結果

生產建設項目水土流失預測是根據工程的總體布局、施工工藝特點，通過對工程現場全面調查，特別是對擾動地表面積、棄土棄渣場布設、土石方量等數據收集并分析基礎上，對工程建設及運行期間可能產生的土壤侵蝕量進行的估算，是從水土保持立場判別主體工程可行性的重要依據，同時也是為水土保持措施布局提供科學依據[7]。確定項目分區及土壤侵蝕模數是進行生產建設項目土壤侵蝕量預測的前提條件。目前為止，不同的研究者根據研究對象、研究重點等提出了類比分析法、數學模型法、實地調查測試法、侵蝕登記劃分法、專家預測法等[8，9]，各研究方法均有不同的側重點，在應用過程中應該根據工程實際選取相適應的預測方法。也有學者針對建設項目土壤侵蝕模數預測方法進行了研究，總結分析可利用對比試驗法、項目類比法、侵蝕倍率法、因子分析法、加權平均法等方法對建設過程中不同區域的土壤侵蝕模數進行預測，并為最終預測水土流失量提供基礎[10]。

本工程根據項目建設區的自然概況特點，處于高原干旱荒漠區，針對該區開展的工作較少，因此，本工程采用類比分析法對工程建設期產生的水土流失量進行預測。經分析，本工程擾動和征占地面積74.99 hm2，損壞水土保持設施面積74.99 hm2，挖方總量27.96萬m3，填方總量23.78萬m3，余方4.18萬m3全部在塔基區范圍內整平。建設期及自然恢復期可能產生水土流失量6487 t，其中原地貌水土流失量2783 t，新增水土流失量3704 t。如在項目建設過程中不加強水土流失防治，及時實施水土保持措施，將加劇水土流失、破壞生態環境等危害。根據預測結果，確定本工程建設期(包括施工準備期和施工期)為水土流失重點時段，也是監測的重點時段，塔基及塔基施工區為水土流失的重點部位，為重點防治區域，也是監測的重點區域。本工程水土流失量預測見表3。

表3 工程土壤侵蝕量預測統計 t

分析可知，礫石戈壁區產生的新增水土流失量最大為2758 t，占總新增侵蝕量的74.5%，沙土區和鹽漬土區分別占13.7%和11.8%。而在不同防治分區中，塔基區及塔基施工區新增水土流失量占比最大，可達57.2%～77.4%。因此，在布設措施及監測過程中，需要加強對塔基區及塔基施工區的水土保持措施布設并設為重點監測區域。

4 水土流失防治措施

4.1 防治目標

由于項目所在區域的格爾木市屬于柴達木盆地省級水土流失重點治理區，茫崖行委屬于柴達木盆地省級水土流失重點預防區，同時考慮到區域生態環境比較脆弱，地表擾動容易造成水土流失。因此，本工程水土流失防治標準執行一級標準，防治目標值為擾動土地整治率95%、水土流失總治理度95%、土壤流失控制比0.8、攔渣率95%。由于當地的降水量遠小于300 mm，項目區氣候極其干燥、風沙嚴重、嚴重缺水，只有少數極其耐旱的植物存活，根據本區域建設的同類項目的經驗表明擾動、占用的地表經人工恢復植被或撒播種草，灌溉用水無法保證，植物很難成活。若采用汽車拉水運輸灌溉，經濟成本非常高，既不能發揮治理水土流失的作用，也與水保措施的經濟性不相符。因此本工程針對少部分原有植被的區域采取以能治理和控制水土流失的平整壓實塊石壓蓋、撒鹵水硬化的措施。因此，本工程實施中林草植被恢復率和林草覆蓋率不做硬性指標。

4.2 措施布設及生態恢復

為有效防治輸變電工程施工造成的水土流失，本工程制定了預防措施、治理措施和管理措施三大類，力求使得水土流失量達到最小。

4.2.1 預防措施

針對主體工程和新增水土流失的特點，按照“預防為主、保護優先”的基本要求，首先需優化工程布局和規模，優選建設時序，合理安排工期，強化管理、監理和監督，做好施工期水土流失的預防和控制工作。同時工程在施工中必須保證最小擾動原則，盡量減少破壞地表植被面積，維持生態的相對穩定性。

項目建設與水土流失防治并重，邊建設邊防治，以防治保建設，采取必要的永久及臨時防護措施，因地制宜，避免“邊施工邊破壞”的現象發生。按照治理措施與預防監督措施相結合、永久性措施與臨時性措施相結合、工程措施和植物措施相結合的原則，合理布設水土保持措施，形成有效的水土流失綜合防治體系，對項目區水土流失進行綜合治理。在措施制定方面，遵循“因地制宜、預防為主、防治結合”“經濟合理、可操作性強”“水土保持措施與主體工程同時設計、同時施工、同時投產使用”的“三同時”等原則，從源頭上減少可能造成的水土流失。具體體現在以下方面：

(1)牽張場地選在地形平坦，滿足牽引機和張力機能直接運達到位、布置牽張設備和導線及施工操作等要求。

(2)線路跨越電力線路、公路、鐵路等設施需要搭設跨越架，跨越架一般有毛竹或鋼管式跨越架、金屬格構式跨越架、桿塔三種支承體，交叉跨越角盡量接近90°，以減少臨時占地的面積。

(3)施工道路。施工道路盡量利用現有公路或其他輸變電工程已有的檢修道路，減少新修施工道路。

(4)材料站。根據沿線的交通情況，工程租用已有庫房或場地作為材料站堆放塔材、鋼材、線材、水泥、金具和絕緣子，不另行建設。

(5)施工營地。由于塔基、牽張場等較分散，施工周期短，工程臨時施工生活用房采用租用民房的方式解決。

4.2.2 治理措施

本工程水土保持措施布設按照預防和治理相結合的原則，堅持局部與整體防治、單項防治措施與綜合防治措施相協調、兼顧生態效益與經濟效益，按分區進行措施總體布置。在主體工程水土保持功能分析和水土流失預測的基礎上，科學、合理地布設水土保持工程措施和臨時措施。由于礫石戈壁區、沙土區和鹽漬土區影響水土流失的因子各不相同，因此，制定了不同的水土保持防治措施。防治措施體系見圖1。

圖1 水土流失防治措施體系

4.2.2.1 礫石戈壁區

(1)塔基及塔基施工區。施工過程中塔基開挖土方集中堆放，并采取密目網苫蓋措施；施工結束后擾動區進行土地整治。跨越那林格勒河施工過程中采取編織袋裝土圍堰攔擋，施工結束后對編織袋裝土圍堰進行拆除。

(2)牽張場區。施工過程中場地鋪墊無紡布，施工結束后擾動區進行土地整治。

(3)跨越施工場地區。施工結束后擾動區進行土地整治。

(4)施工道路區。施工結束后擾動區進行土地整治。

4.2.2.2 沙土區

(1)塔基及塔基施工區。施工過程中塔基開挖土方集中堆放，并采取密目網苫蓋措施，施工結束后擾動區進行土地整治并布設塊石沙障。

(2)牽張場區。施工過程中牽張場地鋪墊無紡布，施工結束后擾動區進行土地整治并進行礫石壓蓋。

(3)跨越施工場地區。施工結束后擾動區進行土地整治并進行礫石壓蓋。

(4)施工道路區。施工結束后擾動區進行土地整治并進行礫石壓蓋。

4.2.2.3 鹽漬土區

(1)塔基及塔基施工區。施工過程中塔基開挖土方集中堆放，并采取密目網苫蓋措施；施工結束后擾動區進行土地整治、撒鹵水。

(2)牽張場區。施工過程中牽張場地鋪墊無紡布，施工結束后擾動區進行土地整治、撒鹵水。

(3)跨越施工場地區。施工結束后擾動區進行土地整治、撒鹵水。

(4)施工道路區。施工結束后擾動區進行土地整治、撒鹵水。

經統計，本工程在礫石戈壁區實施的工程措施包括土地整治57.13 hm2，臨時措施包括密目網苫蓋63500 m2、鋪設無紡布16100 m2、編織袋裝土圍堰攔擋及拆除各300 m3；沙土區工程措施包括土地整治6.87 hm2、塊石沙障5800 m3、礫石壓蓋34600 m2，臨時措施包括密目網苫蓋12200 m2、鋪設無紡布5700 m2；鹽漬土區工程措施包括土地整治9.83 hm2、撒鹵水9.83 hm2，臨時措施包括密目網苫蓋9000 m2、鋪設無紡布3600 m2。

經分析，輸變電線路經過礫石戈壁區采取的工程措施主要是土地整治，將擾動后的地表平整壓實，避免產生水土流失；而沙土區由于地表易受風的吹蝕，經土地整治后采取塊石沙障，能有效減少風力侵蝕；而在鹽漬土區，土地整治后的地表撒鹵水，可以使地表結晶鹽殼，可有效減少風蝕，對表面經過壓實后，有較好的密實結構。

4.2.3 管理措施

(1)首先要加強領導，樹立現代化企業理念。企業領導重視，樹立人與自然和諧相處的科學發展觀，保證專人負責、保證資金到位、確保水保方案落到實處，是項目工程建設與生態環境建設同步進行的重要保證。

(2)加強工程管理，按需配置臨時防護措施。施工場地必須實行封閉，禁止敞開式作業；工地進出口必須凈化，運輸車輛必須密閉，不得撒漏；易產生揚塵的物料必須覆蓋，嚴禁露天堆放；各種廢棄物必須及時運走，妥善排棄；施工廢水必須設臨時處理設施，不得隨意排放。

(3)施工時應根據各防治區域具體的工程措施合理安排施工工序，減少或避免各工序間的相互干擾，與主體工程施工一并進行。水土保持工程實施后，各項治理措施必須符合規定的質量要求，并經規定的質量測定方法確定后，才能作為治理成果進行數量統計。

(4)施工進度安排方面按照“預防為主、及時防治”的原則，根據工程進度進行安排，盡可能減少施工過程中的水土流失。

4.3 效益分析

生產建設項目建設過程中經及時布設相關的管理和水土保持措施后，能有效減少水土流失量，實現生態效益、經濟效益和社會效益。

4.3.1 生態效益

由防治效果預測可知，水土保持工程實施治理措施后，本工程擾動土地整治率可達到99.7%、水土流失總治理度可達到99.7%、土壤流失控制比可達到1.0、攔渣率可達到96.7%，防治效果達到防治目標的要求。通過落實水土保持措施，項目建設可能產生的水土流失將得到有效控制，防止了土壤被雨水、徑流沖刷，保護了水土資源，使工程占地區內的水土流失得到很好的控制。

4.3.2 經濟、社會效益

通過落實工程水土保持措施，可以減少水土流失對輸變電工程的危害，保障了變電站、輸電線路的安全運行，有利于輸變電工程經濟效益的發揮。另外，由于水土保持措施在一定程度上改善了項目區自然、交通、投資環境，對促進區域經濟的發展起到積極的作用。

5 結論

本文針對高原干旱荒漠區等特殊地貌及氣候類型的輸變電工程建設項目造成的水土流失及其防治措施進行了分析研究，得出以下結論。

(1)輸變電工程由于線路長，跨度大，需要根據地貌類型進行一級分區，隨后根據工程布局和施工特點進行二級和三級分區。

(2)本工程經過沙土區、礫石戈壁區和鹽漬土區，沙土區的土壤侵蝕背景值最大，但由于礫石戈壁區占地面積占工程總占地的77.4%，預測該區新增侵蝕量占總新增侵蝕量的74.5%。在布設工程措施時，提出在沙土區需要增加塊石沙障以減少風力侵蝕，在鹽漬土區新增撒鹵水，使地表結晶鹽殼，可有效減少風蝕。

(3)為有效減少輸變電工程施工造成的水土流失，制定了預防措施、治理措施和管理措施三大類，其中治理措施包括水土保持工程措施和臨時措施，效益分析表明布設的水土保持措施能有效減輕工程建設造成的水土流失，達到良好的生態、經濟和社會效益。