利用超聲測釬對秦嶺特高壓工程土壤流失的研究

雷 磊，吳 健，萬 昊，2，王 良，王煥郎，姚金雄，楊 威

(1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710100； 2.國網(西安)環保技術中心有限公司，陜西 西安 710100； 3.國網陜西省電力公司，陜西 西安 710100； 4.西安理工大學電氣工程學院，陜西 西安 710048)

0 引言

水土是生存和發展的基本條件，是一種不能夠被取代的基礎資源，在生產和生活上都對人類有著重要的作用。因氣象和地質災害影響，西北地區的風蝕和江南地區的水蝕現象尤為嚴重[1]。為了調節我國能源分布不均勻以及適應需求逆向的分布，特高壓輸電工程的建設現在被國網公司高度重視[2]。在這些工程的建設過程中，會不可避免地對建設地區的水土流失造成一定的影響[3-4]。秦嶺地區橫跨多個區域，不可避免地會受到這些輸電工程的影響。秦嶺地區自然地貌復雜，其土壤流失情況影響因素并不確定，雖然對于秦嶺一些地區的土壤流失情況有了一些研究，但是對于輸變電工程建設后秦嶺地區土壤流失情況的研究仍然很少，并且在工程建設后是否能得到良好的治理也并不清楚。目前，對于土壤流失情況的計算有著多種方法和手段[5-8]，但大多核心內容均依托于測釬法。因此，本文利用超聲測釬法對輸變電工程建中影響到的秦嶺部分地區的土壤流失情況進行研究。

1 土壤侵蝕模數計算

土壤流失情況主要由土壤侵蝕模型來決定，其中最常用的方法為測釬法。

1.1 測釬法計算公式

為了更直觀地表征區域的水土流失情況，本文利用土壤侵蝕量來描述水土流失的嚴重程度，以下是本文給出的幾種土壤侵蝕量計算模型。

1)考慮到特高壓輸電工程的輸電桿塔大部分布設在山坡中，因此給出坡面土壤流失量計算公式：

(1)

2)進一步細化，按照時間長度，土壤侵蝕模數可以分為日土壤侵蝕模數、月土壤侵蝕模數以及年土壤侵蝕模數，土壤侵蝕模數可以表征土壤侵蝕強度，模數越大，代表土壤侵蝕越嚴重。

日土壤侵蝕模數Di(單位：t/km2)：

(2)

式中，ρ為每個測點土壤容重(單位：kg/m3)；hi為第i個測釬的日侵蝕深度(單位：mm)。每個測點9個測釬。月土壤侵蝕模數Mk(單位：t/km2)：

(3)

式中Mk為每個月中日土壤侵蝕強度Di的和。

年土壤侵蝕模數T(單位：t/(km2·a))：

(4)

式中T為每個月土壤侵蝕強度Mk的和。

1.2 無線超聲測釬

傳統測釬法往往采用人工測量的方法[4]。在水土流失監測初期，在監測地點選定一個適當的坡面，由環水保人員將9根測釬按照3×3排列的方式，同一排和同一列的測釬相隔1 000 mm。將其垂直于坡面埋入土壤里面一部分，并記錄每一根測釬暴露在外面的高度。過一段時間后，再由環水保人員去監測點觀測并記錄測釬暴露在外面的高度。將2次記錄的高度做差就可以得到這個坡面在這段時間由于外界干擾而得到土壤流失的高度，再由這個高度，根據土壤侵蝕模型計算得出土壤侵蝕模數和土壤流失量。

傳統測釬法是通過測釬這種工具來測量土壤流失高度的最原始的方法，其有著很多的局限性：傳統測釬法需要環水保人員經常性地前往監測點進行觀察和記錄測釬高度。如果監測點處在較為偏僻的區域，對于環水保人員來說就是一件較為麻煩的事情，甚至會導致整體水保工作效率低下。傳統測釬法由于是由人工進行觀察和測量測釬高度，它的精確性就會受到人類行為的影響，會有一些測量誤差，而水土流失高度本來就是一個比較小的數值，如果再由測量誤差進行影響的話，對于土壤侵蝕模數和水土流失量的計算就可能會產生比較大的影響。

因此，本文在測釬法計算土壤侵蝕模數的過程中采用了較為先進的無線超聲測釬的方法。無線超聲測釬是在超聲測釬的基礎上改進而來，它測量水土流失厚度的方法與超聲測釬相同：即在傳統測釬的基礎上加一個超聲探頭，利用超聲探頭發出的超聲波來測量水土流失厚度。

新型超聲測釬如圖1所示。具體工作原理為：由超聲波探頭發出超聲波，超聲波會經歷2個反射面，第一個是標準反射面，第二個是被測反射面。標準反射面的距離是固定的，可根據從標準反射面收到的反射超聲波測得當前的聲速，再根據聲速和被測反射面反射回來超聲波的時間來測量被測反射面的距離。得到的距離即為水土流失的厚度，而之前的超聲測釬的供電還有數據傳送都是通過連接在超聲波探頭處的數據線將數據傳送到本地。無線測釬則不需要冗長的數據線，它直接通過4G信號就可以將測得的數據傳送到本地。

圖1 超聲測釬原理圖

利用無線超聲測釬可以準確便捷地測量出監測地點的土壤流失厚度，無線超聲測釬的安插方法和傳統測釬相同，如圖2所示。

圖2 秦嶺地區超聲測釬點位布置

2 土壤侵蝕模數因素

2.1 土壤侵蝕模數與坡度的關系

為了研究土壤侵蝕模數與坡度的關系。在秦嶺段的4個站點中取商洛市鎮安縣作為試點。分別在平地(坡度為0°)、5°、10°、15°坡面上進行實驗計算，結果如圖3所示。可以看出隨著坡度的增加，水土流失情況逐漸嚴重，平緩土地的水土流失情況最輕。

圖3 土壤侵蝕模數與坡度的關系

2.2 土壤侵蝕模數與時間的關系

對于秦嶺段4個站點中商洛市鎮安縣的土壤模數隨時間的變化情況進行計算，可以得到從2020年5—9月鎮安縣監測點的土壤侵蝕模數(單位：t/(hm2·a))分別為：580、543、517、475、460、423。可以看出，隨著時間的增加，土壤侵蝕模數逐漸減小，并且減小的速度還有著增加的趨勢。經與現場人員溝通，這種現象的出現應該是人工治理之后的結果。

2.3 土壤侵蝕模數與地理位置的關系

對于秦嶺段4個站點中的土壤模數根據地理位置的變化情況進行計算，計算結果如表1所示。可以看出，隨著地理位置越靠近南方，土壤侵蝕模數逐漸減小。就秦嶺段而言，越靠近北方，土壤流失情況越嚴重。

表1土壤侵蝕模數與地理位置的關系

單位：t/(hm2·a)

3 結語

本文定量研究了陜西輸變電工程秦嶺段水土流失情況的時空分布特征，并對不同時間度、坡度和地理位置等條件下不同土壤侵蝕強度進行了分析，研究結果補充了秦嶺段山區土壤侵蝕研究的空白。結果表明，輸變電工程秦嶺段土壤侵蝕強度受坡度和地理位置的影響；但隨著時間的增加，侵蝕強度從強烈和中度向輕度和微度轉化，說明秦嶺段水土監測的設立對秦嶺山區的水土保持發揮了良好的示范作用。