小湾电站建设过程中水土流失动态研究

白致威 丁剑宏 李加顺 李海燕

(云南省水利水电科学研究院，云南 昆明 650028)



小湾电站建设过程中水土流失动态研究

白致威 丁剑宏 李加顺 李海燕

(云南省水利水电科学研究院，云南 昆明 650028)

通过在小湾电站布设侵蚀钉、样方定点观测等方法，对厂坝绿化区、施工场地区、存(弃)渣场区、厂内道路区、土石料场区进行水土流失动态监测，研究大型电站建设区内不同部位的水土流失的分异情况，对比分析了项目建设区原生地表、监测前、监测过程中以及水保防治措施实施后的水土流失变化。结果表明：堆渣类扰动是项目建设区各土壤扰动类型水土流失的主要破坏源，其水土流失破坏率高达48%；监测期项目建设区水土流失面积、水土流失量有逐年减小的趋势；存(弃)渣场年水土流失量最大，占年内土壤流失量的72.30%～83.30%；水土防治措施实施后，项目建设区比原生地表的年水土流失量均有不同程度的下降，各项目的土壤侵蚀已由本地的轻度为主变为微度，且各分区的土壤侵蚀强度非常接近容许值500 t/(km2·a)。

小湾电站；水土流失；水保监测；渣场；防治

水电站建设项目为经济发展注入了活力，对推动区域经济发展作出了重大贡献。同时，在建设和生产过程中对地表土壤造成破坏，废弃大量渣石，造成严重的水土流失，直接危害建设区及周边地区的生态环境，并对项目本身产生威胁[1]。大量开发建设项目的实施，造成水土保持设施的破坏，加剧水土资源流失，严重破坏了开发区的生产生活环境，造成了严重的经济损失[2]。统计结果表明，“十五”期间的开发建设项目产生歧途废渣92.10亿t，导致土壤流失9.46亿t，平均年流失量约2.00亿t，相当于抵消了等量的水土保持减沙效益[1]。

20世纪90年代初我国颁布《中华人民共和国水土保持法》以后，生产建设项目的水土流失监测工作开始得到重视[3]。近年来，我国水土保持学家及相关从业者在开发建设项目过程中的水土流失监测和治理等方面开展了很多研究，使我国开发建设项目水土保持监测成为常态化，逐渐形成一套比较完整和规范的水土保持监测理论与方法体系[4]。但现有的水土流失监测方法多针对面积较大区域或流域的农地、林地，通用性较差，且存在监测信息时效性不强等问题[5]；同时也存在合理的监测频度难于确定和水土流失动力因子监测不深入等问题[6]。水电站建设是重要的开发建设项目类型。水电站建设期相对较长，施工场地狭窄，施工开始前需要修筑进场道路，平整施工现场，对当地植被破坏严重，加之山区地质构造复杂，地质条件差，水电开发建设施工过程中对土体的破坏极易产生水土流失现象。在建设期间，由于防护措施不足而遭雨水冲刷流失的现象十分普遍，主要集中在取料场、存(弃)渣场[7-8]。建设末期对地表的挖填扰动基本结束，临时堆土、石及设备材料均已清运走，场地开始平整，该时段虽有裸露地表，但水土流失强度也会大大降低[9]。

大型电站的开发建设将破坏原地表生境，若不加以控制，将加剧水土流失的发生，从而对下游地区的水资源、水质、泥沙、水生生物、鱼类保护产生影响[10-12]。水电站建设山区生态环境脆弱，一旦遭到破坏就很难得到恢复，因此，开展山区大型水电开发建设项目过程中的水土流失监测就显得格外重要。本研究以澜沧江中游小湾大型水电站建设为例，针对水电站建设的重要时段和关键部位及其水土流失特点，开展水土保持动态监测，依据监测结果完善水土保持措施体系，为预防和治理施工建设期严重水土流失提供参考依据。

1 研究区概况

小湾水电站位于云南省西部大理白族自治州的南涧县和临沧市的凤庆县交界处，地处澜沧江中游，是澜沧江中下游河段规划8个梯级中的第2级。坝址位于澜沧江干流与左岸支流黑惠江汇口以下约1.5 km处，地处东经100°05′35″、北纬24°41′52″，距凤庆县城64 km，距涧县城89 km，距省会昆明市455 km。小湾水电站为双曲拱坝，大坝最高292 m，坝顶长892.8 m，坝顶宽12 m，水库正常蓄水位1 240 m，总库容149.1×108m3，调节库容为98.95×108m3，具有多年调节性能。水电站以发电为主，兼有防洪、灌溉、旅游和库区水运等综合效益，其发电量除满足云南省不断增长的能源需求外，汛期50%、枯期30%的电量将输送到广东省，并对云南省电源结构的战略性调整起到极其重要的作用。小湾电站于2002年1月20日正式开工建设，2004年10月25日完成大江截流，2012年工程竣工。

小湾工程区地处北回归线附近，属于高海拔低纬度的暖温带及亚热带气候区，由于地形复杂，相对高差大，气候垂直变化明显，海拔1 300 m以下的干热河谷区，寒潮影响微弱，光照充足，无明显冬季，仅有干湿季之分。每年6—10月为雨季，降水量占全年的76.1%；11月至翌年5月为枯季，降水量占全年的23.9%。多年平均降水天数为146.7 d。

2 研究方法

本研究运用的水土流失监测方法包括定位监测和临时监测，其中定位监测主要通过构建简易水土流失观测场实现。简易水土流失观测场一般布设于填方边坡，布设样地规格为5.0 m×5.0 m。将直径0.6 cm、长50 cm的钢钎，在选定的坡面样方小区按照2.5 m×2.5 m的间距分纵横方向垂直打入地下9支钢钎，使钢钎钉帽与坡面的距离为10 cm，并在钉帽上涂上油漆编号。经过一段时间后，观测钉帽距地面的高度减去10 cm计算侵蚀深度，以此计算土壤侵蚀数量。根据坡面坡度和土壤容重还可估算该区域的土壤侵蚀模数，计算公式为：

A=ZS/10 000/cosφ

式中：A为土壤侵蚀数量(m3)；Z为侵蚀厚度(mm)；S为钢钎控制坡面面积(m2)。

临时监测主要通过构建简易坡面量测场实现。由于工程实际施工情况的限制，不能选定标准样方作为观测样方，选定适当长宽的坡面，测量坡面最初形成的坡度、坡长、坡面及其组成物质、容重等。记录坡面形成的时间，过一段时间后，测量侵蚀沟的体积得出沟蚀量，并通过沟蚀占总侵蚀量的比例计算样地的水土流失量。

2002年1月20日工程开工至2006年12月研究地未能开展水土保持监测工作，因此，该阶段发生的水土流失主要根据其他工程建设期的侵蚀模数按照经验值估算所得。2007—2011年，在施工区(厂坝绿化区、施工场地区、存弃渣场区、场内道路区、料厂区)共布设监测点61个，其中调查监测点41个，地面观测监测点20个。其中2007年度共布设监测点46个，其中调查监测点37个，地面观测监测点9个；2008年度新增调查监测点3个，地面观测监测点4个；2009年度新增调查监测点1个，地面观测监测点2个；2010年度新增地面观测监测点5个；2011年沿用2010年度监测点。监测频次每年至少进行4次，结合工程实际开展情况，重点区域重点监测，降雨集中时段多次监测。本研究所用的行业内部术语详解参考开发建设项目水土流失监测的相关参考教程和标准[1， 4]。

3 结果与分析

3.1 原生地表的土壤流失

调查结果表明，工程建设过程中实际扰动范围包括厂坝绿化区、施工场地区、场内道路区、存(弃)渣场区、料场区，实际扰动面积412.19 hm2，比方案原设计扰动面积(715.00 hm2)减少了302.81 hm2。监测结果表明，项目建设区原生地表土壤流失量为2 960.48 t/a。对原生地表土壤流失量贡献最大的为存(弃)渣场区，占38%；其次为场坝绿化区和厂内道路区(表1)。

表1 项目建设区原生地表的土壤流失Tab.1 Soil loss of primary surface of the construction area

3.2 各扰动类型的水土流失

根据工程实际施工情况，本工程地表扰动类型主要为平台类、堆渣类及开挖类。监测结果表明，项目建设区扰动地表类型平台类的水土流失量为4 603.01 t/a，开挖类的水土流失量为7 536.16 t/a，堆渣类的水土流失量为11 303.87 t/a。其中堆渣类扰动类型造成的水土流失量较大。堆渣类的流失量约占总流失量的48%，其次为开挖类占32%，平台类最少为20%(表2)。因此，工程建设过程中，存弃渣场区是水土流失防治中的重点区域。

3.3 项目建设区水土流失动态分析

小湾电站2002—2006年阶段水土流失估算结果见表3，该时段内场坝绿化区对土壤流失量的贡献最大，为42.38%；其次是存(弃)渣场区，占32.52%。

表2 项目建设区各扰动类型的水土流失Tab.2 Soil erosion of disturbance type of the construction area

续表2 项目建设区各扰动类型的水土流失

表3 2002—2006年项目建设区扰动地表的水土流失量Tab.3 Soil erosion amounts of disturbance surface of the construction area in 2002-2006

2007年工程建设扰动地表面积416.46 hm2，造成水土流失的面积为128.24 hm2，水土流失量为4 316.73 t，扰动区土壤侵蚀模数为1 154.27 t/(km2·a)，造成水土流失面积区土壤侵蚀模数为3 744.10 t/(km2·a)。与2002—2006年相比，该时段局部区域土壤侵蚀强度有所增强，其中存(弃)渣场区和料场区主要是因为工程施工可能造成水土流失区土质较疏松，植被受到破坏，其盖度较原生状态低，加之植被多以草本植物为主，水土流失防治功能降低，弃渣场区流失量占总流失量的79.96%。而厂内道路区、厂坝绿化区和施工场地区由于硬化面积增加，经过数年的绿化，其固土能力得到增强，相应的流失量比原生流失量有不同程度的减少。2008年工程建设扰动地表面积416.95 hm2，造成水土流失的面积为123.76 hm2，水土流失量为3 666.18 t，扰动区土壤侵蚀模数为879.28 t/(km2·a)，造成水土流失面积区土壤侵蚀模数为2 962.33 t/(km2·a)。该时段弃渣场区土壤侵蚀量2 651.11 t，占总侵蚀量的72.3%；其他区域为1 015.07 t，占总侵蚀量的27.7%。2008年土壤侵蚀量比2007年减少650.55 t，平均土壤侵蚀模数降至1 000.00 t/(km2·a)以下，水土流失区土壤侵蚀模数有所下降。各分区监测2008年和2007年对比结果表明，存(弃)渣场区侵蚀量减少，这可能与工程挖方减少，弃土量减少有关；而场内道路施工区、施工场地区、料场区均有不同程度增加。2009年工程建设扰动地表面积362.73 hm2，造成水土流失的面积为81.12 hm2，土壤侵蚀量为2 530.99 t，扰动区平均土壤侵蚀模数为697.76 t/(km2·a)。该时段弃渣场区土壤侵蚀量1 874.39 t，占总侵蚀量的74.1%；其他区域为656.67 t，占总侵蚀量的25.9%。2009年土壤侵蚀量比2008年减少1 135.20 t，平均土壤侵蚀模数有所下降。2010年工程建设扰动地表面积共计356.77 hm2，造成水土流失的面积为59.83 hm2，土壤侵蚀量为1 917.25 t，扰动区平均土壤侵蚀模数为537.62 t/(km2·a)。该时段弃渣场区土壤侵蚀量1 595.94 t，占总侵蚀量的83.24%；其他区域为321.31 t，占总侵蚀量的16.76%。2010年土壤侵蚀量比2009年减少613.74 t，平均土壤侵蚀模数有所下降。2011年工程建设扰动地表面积与2010年度相比无变化，共计356.77 hm2，造成水土流失的面积有所减少，为55.34 hm2，土壤侵蚀量为1 696.10 t，扰动区平均土壤侵蚀模数为475.41 t/(km2·a)。该时段弃渣场区土壤侵蚀量1 412.88 t，占总侵蚀量的83.30%；其他区域为283.22 t，占总侵蚀量的16.70%。2011年土壤侵蚀量比2010年减少221.15 t，平均土壤侵蚀模数有所下降。

在监测时段内随着工程建设扰动地表面积的逐年减少，扰动区的土壤侵蚀模数和水土流失量，造成的水土流失面积和土壤侵蚀模数都呈降低的趋势。由此可见，水利设施建设过程中引起的土壤流失量的变化与施工进度关系密切。随着施工进度的开展，以及水土保持措施的实施和发挥作用，土壤流失量逐年减少。同时，随着工程的开展，各监测分区的水土流失面积呈逐年减少的趋势(图1)。存(弃)渣场占总水土流失面积的75.70%至80.81%，为水土流失的主要破坏区。除2009年外，场坝绿化区几乎未发生水土流失，厂内道路区和料场区的水土流失面积都有大幅的减少。2009年之前施工场地区水土流失面积未发生明显变化；2009年之后随着工程的接近竣工，水土流失面积降幅明显。

监测期间，随工程的进展，开挖过程中对地表的强烈扰动和弃渣产生大量的土壤流失，存(弃)渣场是发生水土流失的主要区域(图2)。

其中存(弃)渣场及厂内道路区水土流失量均有逐渐降低趋势。监测时段内，厂内道路已完工，2008年厂内道路区水土流失量呈现最高值，是因为该年降雨持续时间长造成的。年际分异上，2007年存(弃)渣场水土流失量占总流失量79.96%，2008年占总流失量72.30%，2009年占总流失量74.10%，2010年占总流失83.24%，2011年占总流失量83.30%。2007—2009年厂坝区绿化建设完工，没出现水土流失；2009年厂坝区绿化区改建，出现水土流失；2009—2011年，厂坝区水土保持措施的完善加强，也没出现水土流失，由此可以发现存(弃)渣场是工程建设中水土流失的重点区域，应加强保护性措施。随着工程的进展，建设了挡土墙、排水沟和覆土种草等措施，水土保持效果逐渐显现，水土流失量也逐年减少。

3.4 防治措施实施后的水土流失

根据批复的水土保持方案，项目建设区内的厂坝绿化区、施工场地区和场内外道路区的水土保持工程防治措施主要包括：在厂坝绿化区对坝肩两岸开挖边坡进行处理，采取随开挖逐层进行，用预应力锚杆、锚索固定、表面喷混凝土等方式进行护坡，在隧洞进出口处，采取清除风化层、挡护、喷混凝土和截水沟等措施进行防护；在施工场地对砂石料加工及拌和系统场地、材料加工和堆放场地、承包商营地等建筑物周边布设挡墙和排水沟等；在永久公路设计中对挖方路段及公路内侧布设排水沟、挡土墙、削坡、护坡及截水沟等措施进行防护。此外，随着工程的进展，又陆续采取了一些水土保持工程措施和生物措施。这些措施除维护工程的安全和正常运行外，还具有水土保持功能。

为了较好地反映项目区主体工程建设结束后，各项防治措施实施后项目区水土流失情况，本研究根据项目区目前布局情况及水土流失防治措施实施情况，将各监测分区占地使用情况进行划分，并根据各种用地类型特点确定土壤侵蚀模数，从而计算出各监测分区的平均土壤侵蚀模数(表4)。

表4 项目建设区防治措施实施后的水土流失Tab.4 Soil erosion after controlling measure of the construction area

由表4可知，项目区防治措施实施后的水土流失量为1 959.58 t/a，各项目区防治措施实施后，年水土流失量相比原生地表水土流失量均有不同程度的下降，其中存(弃)渣场区水土流失量减少最多，减少了363.88 t/a。因此，实施水保措施取得了明显的效果，各项目的水土流失已由轻度侵蚀为主变为微度侵蚀为主，且各分区的土壤侵蚀强度非常接近容许值500 t/(km2·a)。

对比各阶段监测结果，水土流失情况总体趋势为施工期最大，工程建设完毕后，随着大部份面积的土壤硬化，以及水土保持防治措施的实施，年水土流失量大幅降低。但由于扰动地表类型的变化，小区域水土流失量变化有所不同。整个项目区在措施实施后，水土流失量均呈现递减趋势，随着水土保持措施的效率不断增强，各区的水土流失量将会不断减弱。

4 结论与讨论

1) 小湾电站项目建设区原生地表水土流失量为2 960.48 t/a，其中存(弃)渣场的水土流失量贡献最大(占38%)，其次为场坝绿化区和厂内道路区。

2) 项目建设区不同土壤扰动类型中堆渣类的流失量最大，约占总流失量的48%；其次为开挖类，占32%；平台类最少为20%。因此，工程建设过程中，存(弃)渣场区是水土流失防治中的重点区域。

3) 在2007—2011年间，2007年项目建设区水土流失面积、水土流失量最大，监测时段内有逐年减小的趋势；存(弃)渣场年水土流失量最大，占年内土壤流失量的72.30%～83.30%，应加强保护性措施。

4) 项目建设区水土防治措施实施后，年水土流失量相比原生地表的水土流失量均有不同程度的下降，其中存(弃)渣场区水土流失量减少最多，减少了363.88 t/a，因此实施水保措施取得了明显的效果，各项目的土壤侵蚀已由本地的轻度变为微度为主，且各分区的土壤侵蚀强度非常接近容许值500 t/(km2·a)。

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(责任编辑 韩明跃)

Dynamic Monitoring of the Soil Erosion During the Construction of Xiaowan Hydropower Stations

Bai Zhiwei, Ding Jianhong, Li Jiashun, Li Haiyan

(Yunnan Institute of Water Resources and Hydropower Research, Kunming Yunnan 650028, China)

In this paper, the soil erosion during the construction of Xiaowan hydropower was monitoring dynamically by using methods of eroding nail and fixed quadrats observation, the spatial variation of soil erosion in different area of green areas, construction areas, abandoned dreg sites, earth rockfill materials sites and roads during the construction of the hydropower station were analyzed, and the temporal different of soil erosion in the of primary surface of the construction area at three period of before the monitoring, during the monitoring and after bringing soil and water conservation measures were studied. The results showed that the abandoned dreg disturbance was the main soil disturbance types contributed for soil erosion soil loss amounts, which accounted for the 48% of the total erosion amounts. And the soil erosion load from abandoned dreg site was accounted for 72.30% to 83.30% of the year total soil loss amounts. The soil loss amounts showed a decreasing trend during the monitoring period. Compared with primary surface, a decreased trend for soil erosion amounts were observed in all monitoring areas after bringing soil and water conservation measures, the soil erosion levels in all monitoring areas decreased from slight to weak degrees, and the soil erosion modulus was close to the soil loss tolerance vale of 500 t/(km2·a).

Xiaowan hydropower stations; soil and water loss; dynamic monitoring of the soil erosion; abandoned dreg site; prevention

2015-07-20

云南省水利科技计划项目“高原红壤坡耕地容许土壤流失量计算方法的构建及应用”资助。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.011

S774

A

2095-1914(2015)05-0058-06

第1作者：白致威(1965—)，男，高级工程师。研究方向：水土保持科学。