輸變電工程表土剝離技術指標研究

趙曉娟,鄭樹海,姚姬璇,王昕宇,段金貴,陳 卓,田堪良,

(1.西北農林科技大學 資源環境學院,陜西 楊凌 712100; 2.國家電網有限公司 特高壓建設分公司,北京 100052;3.西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;4.中國科學院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

輸變電工程是國家電力系統的基礎工程,跨越不同的地形地貌,難免擾動地表、破壞植被,造成水土流失和生態破壞。表土的剝離、保護和利用是水土保持和生態修復的重要措施[1-2],制定科學合理的表土剝離保護指標對綠色電網建設具有重要意義。表土是指土地靠近表面的那層土壤,對于農田土壤來說,一般指的是土壤耕層,深30～50 cm;對于綠地、林地來說,一般包括枯落物層、腐殖質層和淋溶層的上部,深20～30 cm。表土是泥土中含有機質和微生物最多的地方,具有良好的肥力特性[3]。一般來說,土壤有機質含量的多少,是土壤肥力高低的一個重要指標[4-6],因此依據有機質含量來劃分土壤養分等級、確定表土剝離厚度是一種較為合理可行的方法。表土的剝離厚度決定了表土的剝離量,而表土的剝離量是水土保持措施設計中時常遇到的問題[2],所處區域不同,剝離的厚度也應不同。為了保護利用表土,許多學者對表土剝離的厚度指標進行了研究?！端帘３止こ淘O計規范》(GB 51018—2014)、《水利水電工程水土保持技術規范》(SL 575—2012)中提出表土剝離厚度參考值可取20～80 cm,且不同地區參考值范圍可有所差別;《水電工程水土保持設計規范》(NB/T 10344—2019)中規定表土剝離深度應結合現場調查和表土檢測數據進行確定,宜控制在30 cm以內,若土壤符合質量要求,則剝離深度可放寬到50～80 cm或更深。但相關規范劃分的區域范圍較為寬泛,時常會造成表土剝離厚度難以確定、缺乏依據及表土利用效率低下等問題。輸變電工程跨越不同的土壤類型區,表土的剝離厚度更應有科學合理的指標。本研究以白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸變電工程為例,對土壤養分進行分析、分級,旨在更好地保護和利用輸變電工程建設期間的表土資源,為輸變電工程表土剝離制定出科學合理的技術指標,為國家綠色生態文明建設提供科學依據和技術支撐。

1 研究材料與方法

1.1 研究材料

1.1.1 土樣采集

依托白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸變電工程開展相關研究,分別采集工程沿線四川省、重慶市、湖北省、安徽省及陜西省不同土層深度的表土(見表1),然后測定其土壤有機質含量作為實測值,并與收集的土壤有機質含量預測值(土壤有機碳分布數據集)進行對比分析。同時,將收集到的全國土壤有機碳分布數據集參照全國第二次土壤普查中土壤有機質分級標準來劃分出土壤養分等級,利用ArcGIS軟件繪制出全國范圍的土壤養分分級圖及表土剝離分級圖,最終為輸變電工程提供全國范圍內適宜的表土剝離指標。

表1 有機質采樣信息

1.1.2 數據集來源

國家地球系統科學數據中心發布的中國高分辨率國家土壤信息格網基本屬性數據集_90米土壤有機碳(2010—2018)[7],是全國范圍的土壤有機碳含量高分辨率空間分布數據集,其根據中國的土壤分布規律,選取具有代表性的5 000多個土壤剖面,采用深度函數自適應擬合、集合式機器學習等方法生成了90 m分辨率土壤有機碳分布圖,垂直方向包括6個土層深度:0～5 cm、>5～15 cm、>15～30 cm、>30～60 cm、>60～100 cm、>100～200 cm。本研究將該數據集作為有機質預測值,與實際采樣測得的有機質含量進行對比分析。根據《建設占用耕地表土剝離技術規范》(DB22/T 2278—2015)及相關研究要求,考慮土壤質量和成本兩個因素,耕作層土壤剝離厚度一般應在20～40 cm,土層較厚的區域經論證可以擴大到60 cm。故本研究將利用>30～60 cm土層的有機質數據進行劃分處理,進而確定表土剝離厚度指標。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤養分差異分析

土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法,由于該方法只能氧化90%的有機碳,因此將測得的有機碳數值乘以校正系數1.1,得到有機碳含量,再乘以平均換算系數1.724得到土壤有機質含量[4]。分層采集土樣,即對照數據集分別在0～5 cm、>5～15 cm、>15～30 cm、>30～60 cm土層深度處采樣,且每層土壤采集3個重復樣,計算其有機質含量的平均值。

對應實際采樣點的位置信息查詢數據集的有機質含量預測值,將其與實測值的差異性進行分析與評價,使用均方根誤差(RMSE)和一致性指數(d)檢驗數據集預測值的精度,以判斷其作為表土剝離劃分依據的可行性。公式為

(1)

(2)

RMSE值越小、d值越接近1,表明誤差越小,數據集的預測精度越高[8]。

1.2.2 表土剝離厚度指標劃定

根據《建設占用耕地表土剝離技術規范》(DB22/T 2278—2015)要求,土壤有機質含量≥10 g/kg時應進行表土剝離。本研究依據表土養分分級標準及表土的利用方式,確定出適宜的表土剝離厚度指標,詳見表2。

表2 表土剝離厚度技術指標

通過對相關標準規范[9]、植物的不同生長特性及輸變電工程經濟效益進行分析,針對不同表土利用方式確定不同的表土剝離厚度:在養分較低的區域即有機質含量<10 g/kg的區域,按照最低的剝離厚度要求進行剝離保護即可;在養分含量較高的區域,剝離厚度需要適當加深,以便最大化保護表土資源。采用ArcGIS 10.8軟件的柵格計算器、重分類、編輯器等功能對收集到的有機碳數據集進行處理,最終繪制出全國土壤養分分級圖及表土剝離分級圖,并針對水土保持區劃的一級區提出剝離建議。

全國水土保持區劃的一級區分別為:Ⅰ——東北黑土區(東北山地丘陵區);Ⅱ——北方風沙區(新甘蒙高原盆地區);Ⅲ——北方土石山區(北方山地丘陵區);Ⅳ——西北黃土高原區;Ⅴ——南方紅壤區(南方山地丘陵區);Ⅵ——西南紫色土區(四川盆地及周圍山地丘陵區);Ⅶ——西南巖溶區(云貴高原區);Ⅷ——青藏高原區。

2 結果與分析

2.1 有機質含量預測值與實測值的差異性

實際采樣時記錄采樣點的位置信息,即采樣點的經緯度,并將其繪制成矢量數據,之后使用ArcGIS軟件中的信息識別功能,查到數據集對應點的有機質含量的預測值,計算分析其與實測值的差異性,結果見表3。

表3 土樣有機質含量的預測值精度分析

由表3可以發現,有機質含量的預測值都隨土層深度的增加而逐漸降低,而實測值雖有部分數據隨土層深度的增加而升高,但總體也呈降低的趨勢。土樣有機質含量實測值與預測值有所偏差,可能是工程建設擾動表土所造成的,因此對于可能發生過土層擾動、土層為回填土的區域,在進行表土剝離前,應調查其土壤背景,并采樣測定其有機質含量。

由表3還可以發現,不同土層深度處的d值都大于0.7,說明數據集的預測值精度較高,>30～60 cm深度處的RMSE值最小、d值最接近于1,表明該深度的預測值最為準確。綜上,有機質含量的預測值具有良好的可靠性,可以作為土壤養分等級及表土剝離等級劃分的依據。

2.2 表土剝離厚度指標

將數據處理后得到全國土壤養分分級圖(>30～60 cm)和全國表土剝離分級圖,結果見圖1和圖2。

圖1 全國土壤養分分級圖(>30～60 cm土層)

圖2 全國表土剝離分級圖(>30～60 cm土層)

由圖1和圖2可以看出,青藏高原東部、東北和云貴高原地區土壤養分級別較高,西北沙漠地區土壤養分級別最低,整體上由東南向西北呈遞減趨勢。在中國東部,以水田和森林為主的南部地區的土壤養分級別明顯高于以旱地為主的北部地區。當土壤有機質含量≥10 g/kg時,土壤養分級別較高,其對應的表土剝離級別也較高,表土的剝離厚度也應適當提高。為了方便輸變電工程表土剝離工作的開展,本研究針對水土保持區劃不同一級區提出剝離建議(見表4),具體的縣級行政范圍請參照水利部印發的《全國水土保持區劃(試行)》。

3 討論

考慮土壤自身存在的養分變異[10]及采樣、測定的誤差可以發現,中國高分辨率國家土壤信息格網基本屬性數據集_90米土壤有機碳(2010—2018)對有機質的預測值是較為合理、準確的,尤其是在較深的土層,故以此數據集為基礎來劃分全國的表土剝離分級指標是可行的。處理得到的數據圖表明,表土剝離不同等級的分布規律對應于水土保持區劃范圍是比較匹配的,可以方便快捷地指導輸變電工程表土剝離技術指標的確定。由于輸變電工程中表土剝離工作大部分集中在塔基建設中,可視為點狀剝離,表土的利用方式大部分為原地利用,且依照原植被類型進行恢復,因此在考慮土壤養分的同時依照表土的利用方式來確定表土剝離厚度是較為合理可行的,研究結果可為輸變電工程表土資源的保護提供科學依據。

4 結論

1)通過將白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸變電工程沿線土壤有機質含量實測值與采用ArcGIS軟件處理全國有機碳數據集得到的預測值進行對比分析,結果表明預測值具有良好的可靠性,可以作為表土剝離等級劃分的依據。

2)依據土壤有機碳分布數據集繪制得到了全國的土壤養分分級圖和表土剝離分級圖,參照表土利用方式可確定表土的剝離厚度,即:有機質含量<10 g/kg 的地區,土壤養分等級為5～6級,表土的剝離等級為2級,對應的剝離厚度為20～30 cm;而有機質含量≥10 g/kg的地區,土壤養分等級為1～4級,表土的剝離等級為1級,對應的剝離厚度根據需要加深10～20 cm。

3)針對全國水土保持區劃一級區的表土剝離分級及水土保持功能,提出了科學合理的剝離建議,可方便輸變電工程快速開展實際的表土剝離工作。