大型水电站建设中的土壤流失动态研究

张仕艳,陈奇伯,雷俊杰,原海红,马 炜,陈 瑜

(1.西南林业大学,云南昆明 650224;2.金安桥水电站有限公司,云南丽江 674100;3.昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南昆明 650051)

大型水电站建设中的土壤流失动态研究

张仕艳1,陈奇伯1,雷俊杰2,原海红3,马 炜1,陈 瑜1

(1.西南林业大学,云南昆明 650224;2.金安桥水电站有限公司,云南丽江 674100;3.昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南昆明 650051)

开发建设项目;水电站工程;土壤流失动态

以金沙江干流金安桥水电站为例,研究了大型水电站工程建设期内不同施工部位土壤流失量的动态变化。结果表明:汛期降雨量占年降雨量的 92.9%以上,汛期是土壤流失发生的主要时段。受建设内容、施工时段、施工进度和降雨量的影响,各部位土壤流失量变化趋势不同:弃渣场松散堆积物流失量呈现“较小→增大→减小”的趋势,2005年施工开始,2006年达到峰值;施工道路土壤流失量逐年递减;料场土壤流失量年际变化呈现单峰型,2007年达到峰值;施工营地仅在前两年建设中有土壤流失,硬化、绿化后基本无土壤流失产生。河道泥沙含量具有“增大→减小→增大→减小→平衡”的趋势。金安桥水电站建设 7年,产生的土壤流失量达 67 642.4 t,其中施工道路占 50.9%、渣场占 28.7%,施工道路和渣场是水土流失敏感部位和重点部位。

进入 21世纪,国家制定了优先开发水电的能源发展战略,我国水电建设迎来了前所未有的发展机遇[1]。水电站建设及水电资源开发给人类带来了巨大的利益,对经济和社会的发展产生了深远的影响,但建设过程中大规模的土石方开挖,严重破坏了地表植被和土壤,造成地表大面积裸露,大量的弃土弃渣在降雨和大风等外营力作用下发生流失。近年来,环保、水保、土壤、生态等学科的学者对大型建设工程造成的水土流失、生态退化的研究在增多,内容主要集中在大型建设工程施工期的岩土侵蚀、水土流失防治、废弃地植被恢复与重建[2-7]等方面,而对施工期不同施工单元的土壤流失动态研究却较少。鉴于此,本研究以金沙江中游金安桥大型水电站工程建设为例,研究大型水电站工程建设期不同施工部位的土壤流失动态特征,以期为类似工程建设制定不同时段可行的水土流失综合防治措施体系提供依据。

1 金安桥水电站概况

金安桥水电站位于云南省丽江市境内的金沙江中游河段,是金沙江中游河段梯级水电站规划开发中的第五级电站,电站坝址距丽江市古城区、攀枝花市、昆明市分别为 52.5、225.5、589.5 km。电站为堤坝式开发,总投资 139亿元,坝高 160m,正常蓄水位以下库容 8.47亿 m3,装机容量 2 400MW,年发电量 110.43亿 kW◦h,施工期 8.5年,2004年开工建设,2010年底第一台机组发电,2012年工程竣工。

为保证工程施工的顺利进行,项目区共修建永久性公路10.22 km、临时公路 23.32 km,共设置 6个弃渣场,总容积 2 060万 m3,其中五郎沟渣场容积 410万 m3、美河渣场容积 1 300万m3,是金安桥水电站堆渣量最大的 2个弃渣场。

金安桥水电站项目区属中甸、大理高中山峡谷地貌单元,枢纽区河道由北向南,河谷呈V形,枯水期江面宽 20～60m,两岸地面坡度在 35°～42°之间,海拔 1 200～1 900m。项目区属亚热带季风气候,河谷“焚风效应”明显,年均降雨量 938mm。坝址处控制流域面积 23.74万 km2,年均流量 1 640m3/s,年均径流量 517亿 m3,洪水主要由暴雨形成,汛期为每年的 5—10月份。

2 研究方法

水电站压占的原地貌主要地类灌木林地和窄带梯田以及弃渣场植被恢复治理坡面的土壤流失量采用小区定位观测法,共布设 5m×10m坡面径流小区 4个,其中压占原地貌灌木林地、窄带梯田各 1个,渣场坡面植草小区共 2个;弃渣场堆积坡面土壤流失量采用侵蚀针法观测;弃渣堆积平台、运渣路面和开挖边坡土壤流失量采用细沟状面蚀及沟蚀样方调查法;河道泥沙采用项目区上、中、下游河道断面汛期定期取样,用比重法测定其泥沙含量;不同侵蚀单元面积量算采用现场地形图勾绘和GIS软件进行计算。

3 结果与分析

3.1 降雨特征分析

降雨是引起水土流失的主要因子,降雨量的年内分布直接影响着径流的年内分配,进而导致土壤流失量的动态变化。从表 1监测期 2006—2010年降雨情况看,项目区降雨年内分配不均,绝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。由于年内降雨分配不均,汛期降雨的过分集中易形成高强度的大雨或暴雨,导致地表径流迅速汇集并冲刷地表,造成水土流失。

表1 项目区降雨量年际和年内分布 mm

表 1显示,2006—2010年降雨量差异较大,变化幅度明显:2007年降雨量为 1 087.3mm(最大),2009年降雨量为 705.1 mm(最小),但 2009年汛期降雨量所占比例最高,达 98.5%,2006年汛期降雨量所占比例最小,为 92.9%。汛期降雨量的变化趋势与年降雨量的变化趋势一致,年降雨量呈现出“降雨量较丰富、汛期雨量集中、年际变幅大”的特点,所以汛期是水土流失最易发生的时段。

3.2 原地貌坡面土壤流失特征分析

原地貌土壤流失量按压占不同类型的土地面积比例进行加权平均计算得到。从图 1土壤流失量来看,2006—2010年汛期原地貌单位面积土壤流失量的年际变化呈现出“较小→增大→减小→增大→减小”的趋势。由观测资料知,2007年原地貌汛期单位面积土壤流失量为 607.33 t/km2(最大),2010年为12.62 t/km2(最小)。由于原地貌年际间下垫面状况相同,土壤流失量的多少主要受降雨量的影响,因此 2007年降雨量最大致使该年原地貌单位面积土壤流失量最多。

图1 原地貌土壤流失量年际变化

2006—2010年原地貌平均土壤流失量为 161.48 t/(km2◦a),远低于国家规定的西南土石山区容许土壤流失量 500 t/(km2◦a)的标准。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闭度高,植被截留和地表枯落物吸持减少了雨水对土壤的击溅,而且植被覆盖下的土壤结构良好,枯枝落叶层丰富,分散了地表径流,使得汇集地表径流的过程延长,增加了地表径流的入渗率,使更多的地表径流转化为壤中流或地下水;窄带梯田田面窄、埂坎低,汇流面积小,耕作层土壤疏松、孔隙率大,故不易产生径流。由此知,金安桥水电站项目区原地貌土壤侵蚀轻微,为无明显侵蚀等级。可见,工程建设中应保护好原地貌土壤和植被不被扰动和破坏,对征地范围内不可避免扰动的区域,施工结束后应尽可能进行恢复治理。

3.3 不同施工部位土壤流失量动态分析

3.3.1 渣场土壤流失量动态分析

从图 2渣场土壤流失总量来看,2005—2010年流失量呈现“较小→增大→减小”的趋势,2006年达到峰值。出现这种现象是由于 2005年为工程建设初期,工程动工后部分工程进行开挖,开挖过程中对地表的强烈扰动和弃渣产生了大量的土壤流失。2006年工程全面动工,大规模的开挖使弃渣量增多,加上这时水土保持措施未实施,因此土壤流失量最大。随着工程的进展以及挡土墙、排水沟和覆土种草等措施的实施,水土保持效果逐渐显现,土壤流失量也逐年减少。

图2 渣场土壤流失量年际变化

3.3.2 施工道路土壤流失量动态分析

施工道路是连接各施工部位的纽带,工程施工能否顺利进行,交通顺畅是关键。在施工道路建设过程中,视地形条件对路面两侧进行削坡或填方,导致地表植被破坏、土层裸露,遇到降雨和大风等便会发生土壤流失。图 3显示,2005年和 2006年土壤流失量较大,年均达到 11 258.6 t,2007年后流失量明显减少。这主要是由于前两年道路修建过程中长距离、大面积地开挖导致地表被破坏,削坡及填方后形成不稳定的高陡边坡,特别是填方边坡线状展延,水土保持措施未全部实施到位,因此土壤流失量急剧增加;2006年底道路修建完毕后,水土保持措施得以全面实施,且边坡经过两年多的沉降逐渐趋于稳定,随着水土保持措施效果的逐渐显现,土壤流失量逐年减少。

图3 施工道路土壤流失量年际变化

3.3.3 料场土壤流失量动态分析

石料是建设大坝坝体、泄洪、冲沙、厂房发电系统等分部工程的混凝土骨料,采用自上而下梯段式开采,开采过程中产生的边坡和平台在外营力作用下容易产生冲刷、崩塌等现象而发生土壤流失。图 4显示,料场土壤流失量年际变化为单峰型,2007年达到峰值,2008—2010年土壤流失量逐年递减。原因是:2005年为施工初期,工程未全面启动,石料需求量相对较少,料场开采量也较少,故土壤流失量也少;2006年后工程建设全面铺开,石料需求量逐年增多,开挖量和流失量也随之增加,2007年流失量达到最大值,这与该年降雨量最大不无关系;2008—2009年降雨量减少,对地表的冲刷能力降低,且随着工程的向前推进,被开挖的边坡进行了网格植草护坡保护,混凝土浇筑量减少,加上水土保持措施效果逐渐显现,故土壤流失量逐年递减。

图4 料场土壤流失量年际变化

3.3.4 枢纽区土壤流失量动态分析

图5显示,枢纽区土壤流失量年际间存在差异,2005—2007年流失量逐年减少,2008年增大,之后又逐年减小。其原因是:建设初期工程开挖破坏了地表植被和土壤,使土壤变得松散、抗侵蚀能力降低,而且开挖部位在河道两岸,降雨中土壤易被冲刷,且在重力作用下容易发生坍塌等;随着工程建设的向前推进,开挖量逐渐减少,流失量也随之减小;到 2008年,随着部分基础建设的完工,上游围堰进行了拆除,拆除过程中增加了土壤流失;2009年围堰全部拆除完毕,土壤流失量减少。此外,大坝左右岸边坡逐渐稳定并进行了园林绿化,到 2010年土壤流失量明显减小。

图5 枢纽区土壤流失量年际变化

3.3.5 施工营地土壤流失量动态分析

施工营地在场地平整及建筑物建设期间均会有土壤流失产生,2005年土壤流失量为 1 521.5 t,2006年为 2 186 t。完工后地表除建筑物占地外,区域内均进行了硬化或绿化,基本上再无土壤流失产生。

3.3.6 河道中水流含沙量动态分析

水电工程建设带来的地面扰动将使地表和植被受到破坏,失去其固土防冲的功能,产生严重的水土流失[8]。特别是在施工过程中产生的大量弃土堆放于河道两岸,受降雨、高陡边坡等的影响,大量泥沙进入河道,伴随着工程开挖进展及预防保护措施的落实,项目区河水含沙量年际间呈现出明显的变化过程。

由图 6和观测资料知,2005—2009年河道中水流年均含沙量分别为多年平均含沙量 0.749 kg/m3的 3.99、1.31、0.99、4.55和 1.59倍。2005年工程处于“三通一平”阶段,导流洞及大坝水上部分的开挖等对施工初期河岸扰动较大,原本稳定的河岸经开挖后土壤抗侵蚀能力下降,位于淹没区的两个弃渣场由于挡护不力,使得大量松散物质进入河道。在施工初期,河水平均含沙量为 2.99 kg/m3,是多年平均含沙量的 3.99倍。

图6 2005—2010年不同断面年均含沙量变化

2006年,上游河道受美河渣场、运渣公路及公路边坡土壤流失的影响,水流含沙量为 0.87 kg/m3,比多年平均值高出16.2%;下游河道受大坝开挖、河床截留、渣场和料场剥离料及不合理弃渣等的影响,水流含沙量高达 1.09 kg/m3,高出多年平均值 45.5%。全河段平均水流含沙量为 0.98 kg/m3,是多年平均含沙量的 1.31倍。

2007年,上游的美河渣场拦挡措施已经完善,公路边坡及处于淹没区的两个弃渣场采用了干砌石拦挡,也逐渐趋于稳定状态,上游断面含沙量为 0.65 kg/m3,比多年平均含沙量低13.2%。而下游河道因受整个项目区特别是边坡滑塌物、渣场流失等的影响,含沙量为 0.83 kg/m3,比上游断面含沙量高27.69%,全河段平均含沙量为 0.74 kg/m3,略低于多年平均值。

2008年,已实施的水土保持措施基本发挥作用,有效地减少了进入河道的泥沙。但是,随着部分基础建设的完工以及上游围堰的拆除,河道中的水流含沙量较 2007年明显增大,上游断面含沙量为 1.70 kg/m3,下游断面含沙量为 5.11 kg/m3。下游河道泥沙增加量特别明显,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,上游美河渣场实施了拦渣坝加高加固措施,主体工程施工主要是料场开挖、大坝浇筑、厂房施工,对含沙量影响小,不同断面水流含沙量均较上年明显减少,上游断面含沙量为 0.93 kg/m3,下游断面含沙量为 1.44 kg/m3,下游泥沙增加量较为明显,含沙量是上游的1.55倍。全河段水流平均含沙量为 1.19 kg/m3,是多年平均值的 1.59倍。

2010年,由于枢纽施工交通限制未能监测到河道上游断面的水流含沙量,河道下游断面含沙量平均值为 0.17 kg/m3,低于多年平均值。2010年是施工期内下游断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,后半年降雨量虽增加,但工程已接近尾声,各项水保措施已基本完善,土壤流失量较少。

河道断面水流含沙量受工程施工时段、建设内容、施工进度和降雨量的影响较大,是一个动态变化的过程:施工初期,受大面积开挖及松散堆积弃土弃渣的影响,水土流失剧烈,对含沙量的贡献较大,当有序施工及相关防护措施落实后,水土流失得到控制,含沙量就会降低;工程中后期,伴随着对临时措施的拆除及其他开挖的进行,含沙量又呈现出增加趋势;到工程末期,拆除工程结束后,解除了外界人为干扰,含沙量又变小;预计在工程完全结束后,含沙量最终将趋于多年平均值。因此,河道中的水流含沙量具有“增大→减小→增大→减小→平衡”的变化趋势。也就是说,人为干扰是水电站工程建设过程中水流含沙量发生变化直接的也是最主要的影响因素。

3.4 水电站建设土壤流失总量变化趋势分析

水电站建设过程中产生的土壤流失量变化与施工进度和建设内容关系密切。基础开挖结束后,随着水土保持措施的实施和发挥作用,土壤流失量在逐年递减。

从图 7水电站建设期土壤流失量动态变化和实际监测看:2005年因处于工程建设初期,施工主干道、导流洞、施工支洞、施工临时桥、坝基、施工营地等基础开挖和场地平整破坏了地表植被和土体稳定,导致土壤流失量增加;2006年因场内支线公路及桥梁、导流洞、大坝左右岸开挖等全面开工,料场和渣场也进入了大规模开挖和弃渣阶段,因此该年土壤流失量达到最大值;2007年上游围堰和厂房等工程处于开工建设阶段,流失量占 55.7%的施工道路和营地已建设完毕,且水土保持措施开始实施,因此该年流失量明显减小;2008—2010年随着基础设施的相继完工,开挖量和弃渣量随之减少,且水土保持措施效果逐渐显现,故流失量逐年降低。

图7 2005—2010年水电站建设土壤流失量变化

表 2是各施工部位土壤流失量及其所占比例。由表 2知,水电站建设过程中各部位共产生土壤流失量 67 642.4 t,其中施工道路流失量占 50.9%、渣场占 28.7%,料场、枢纽和施工营地所占比例分别为 8.2%、7.4%和 4.8%,施工道路和渣场是水土流失敏感部位和关键部位。施工道路和营地在建设初期就已建成,所以初期做好汛期施工道路水土流失防治,中后期做好汛期渣场、料场、枢纽等水土流失防治,对减少水电站建设过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 结 语

(1)2006—2010年,项目区降雨量年际间分配不均,年内分配差异大,绝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。降雨呈现“降雨量较丰富、汛期雨量集中、年际变幅大”的特点,汛期是水土流失主要发生时段。

(2)2006—2010年汛期原地貌不同地类土壤流失量的年际变化呈现出“较小→增大→减小→增大→减小”的趋势,与降雨量的年际变化趋势基本一致。原地貌年均土壤流失量为161.48 t/km2,远小于国家规定的西南土石山区容许年土壤流失量 500 t/km2的标准。

(3)河道中水流含沙量变化是一个动态的过程,它随着工程施工时段、建设内容和施工进度的改变而改变,具有“增大→减小→增大→减小→平衡”的趋势。

(4)受施工时段、建设内容、施工进度和降雨量的影响,渣场、施工道路、料场、枢纽和施工营地等部位的土壤流失量年际间变化趋势不同。水电站建设过程中产生的土壤流失总量为67 642.4 t,其中施工道路流失量占 50.9%、渣场占 28.7%,其他部位共占 20.4%,施工道路和渣场是水土流失的敏感部位和重点部位。

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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

国家自然科学基金项目(31060093);西南林业大学生态学重点学科项目(XKX 200902);云南省应用基础研究计划面上项目(20070065M)

张仕艳(1983—),女,内蒙古赤峰市人,硕士研究生,主要从事水土保持生态修复方面的研究;责任作者陈奇伯(1965—),男,甘肃通渭县人,教授,博士,主要从事生态恢复与土壤侵蚀研究。

2011-01-17

(责任编辑 赵文礼)