高原干旱荒漠区工程建设水土流失特征及防治研究——以格尔木～库尔勒电气化铁路青海段供电工程为例

李庆军，胥闻博，杨贺菲，谢 浩，李建明

(1.国网青海省电力公司，青海 西宁 810008；2.长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010；3.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

1 引言

青海省境内地下矿藏资源丰富，受地形、地貌、气候等因素限制，西北地区高速公路、铁路等交通设施仍不完善。目前新疆南疆地区铁路建设落后，交通不便，极大限制了南疆地区的经济建设和发展。格尔木～库尔勒电气化铁路的建设将有利于地区矿产资源的开发和利用，加快实施西部大开发战略，奠定青海和新疆两省矿产资源开发的友好合作关系，促进地区经济增长。同时也有利于加快形成出疆新的铁路通道，增强区域路网机动性，完善区域路网布局。格尔木～库尔勒电气化铁路(青海段)供电工程(110 kV部分)是该工程建设的重要组成部分。

输变电线路工程由于路径较长，往往跨越多个行政区，由于不同的气候、土壤、植被、水文情况各不相同，往往造成严重的水土流失问题。针对输变电工程造成的水土流失，学者们展开了大量的研究，并获得较多成果[1～3]。而青海地区由于降雨量少、蒸发量大，线路经过地区出现植被稀少甚至无法存活的现象，其水土流失往往以风力侵蚀为主，具有高原干旱荒漠特色[4～6]。针对该地区输变电线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较少。本工程以格尔木～库尔勒电气化铁路(青海段)供电工程(110 kV)部分为例，分析了项目建设造成水土流失特征，并预测可能新增的侵蚀量。根据水土流失防治措施布设的原则，针对不同防治分区设计对应的水土保持措施，并预测措施产生的效益。可为高原干旱荒漠区生产建设项目造成的水土流失防治提供借鉴。

2 项目及项目区概况

2.1 项目概况

格尔木～库尔勒电气化铁路(青海段)供电工程(110 kV部分)在青海省海西蒙古族藏族自治州格尔木市和茫崖行委境内建设。线路总长779.83 km，其中架空线路长778 km、电缆线路长1.83 km，杆塔总计2745基，其中直线塔2184基、耐张塔554基、钢管杆7基，输变电线路经过地区的海拔在2700～3300 m之间，共计包括10条线路工程。

本工程主要交叉跨越电力线路、公路、铁路、河流等，分别跨越104次、33次、12次、8次。项目组成包括：塔基施工场地2745处(每处塔基设置1处)，牵张场198处(每隔4 km设置一处)，跨越施工场地149处，施工道路588 km(利用已有550 km、新修38 km)，材料站和施工营地采用租用方式，以减少占地，避免新增水土流失。

2.2 项目区概况

本工程所经区域位于柴达木盆地，沿线地貌主要为山前倾斜冲洪积平原、河流漫滩阶地、沙丘状小丘陵地貌等，海拔在2700 m～3300 m之间。线路工程所经区域属于典型的高原温带大陆性干旱气候，具有干燥、寒冷，风沙多，霜冻多，四季不分明，冬季漫长，太阳辐射强烈等特点。其中年平均气温较低为1.5～5.3 ℃，年平均降水量较少为42.8～55.5 mm，年均蒸发量大为2504.1～2919.7 mm，年平均风速2.8～5.1 m/s，最大风速达到26.0 m/s，年主导风向W、NW，24 h最大降水量19.7～32.0 mm，最大冻土深度105～206 cm，年日照率56%～60%。本工程所在区域降水量稀少，气候干旱，地表覆盖的植被稀少，根据青海省国土资源厅发布的《青海省植被类型图》和《中国植被区划》，格尔木市和茫崖行委境内植被属荒漠植被类型区，主要有荒漠植被和草甸植被类型，林草植被覆盖率仅为3%～5%。土壤类型主要为盐土、沙土和栗钙土，沿线涉及主要河流为格尔木河、那林格勒河、乌图美仁河。输变电线路工程处于“三北戈壁沙漠及沙地风沙区”，土壤侵蚀类型属于轻度、中度风力侵蚀，土壤侵蚀模数背景值约为 500～2600 t/(km2·a)，容许土壤流失量为1000 t/(km2·a)。

3 水土流失特征

3.1 水土流失防治分区

根据《全国水土保持规划国家级水土流失重点治理区和重点预防区复核划分成果》(办水保[2013]188号)和《青海省水土保持规划(2016～2030年)》，格尔木市属于柴达木盆地省级水土流失重点治理区，茫崖行委属于柴达木盆地省级水土流失重点预防区。根据大型线型建设项目应按地貌类型划分一级区，结合工程布局和施工特点进行二级、三级分区。本工程按照地貌类型划分一级分区，包括砾石戈壁区、沙土区、盐渍土区3个防治分区，根据工程布局和施工特点，二级分区划分为塔基及塔基施工区、牵张场区、跨越施工场地区和施工道路区4个防治分区。

3.2 土壤侵蚀强度

通过收集青海省水土保持局提供的青海省土壤侵蚀图以及项目所经区域的水土保持规划，结合项目区的地表形态、地形等因子综合分析，参照风力侵蚀和水力侵蚀的强度分级表，并根据当地有关水土流失资料和实地调查进行推算，确定原地貌背景土壤侵蚀模数。而扰动后及自然恢复期土壤侵蚀模数根据工程施工工艺、方法等特点，选择工程类型相同和自然地貌等特征相似的已建工程进行类比分析，参考类比工程在施工建设期造成的水土流失测定分析结果，对该工程建设导致的不同防治分区可能造成的水土流失强度进行类比分析。本工程不同时期的土壤侵蚀模数如表1所示。

表1 工程不同时期土壤侵蚀模数情况

其中沙土区的土壤侵蚀背景值最大，各防治分区均达到2600 t/(km2·a)，是砾石戈壁区和盐渍土区的2.2倍和5.2倍，建设期和自然恢复期也呈现相同规律，主要是由于沙土区的土壤质地轻，土壤结构松散，遇水或者大风容易被侵蚀。而砾石戈壁区下垫面组成中受砾石压盖，使得表层可供侵蚀的细颗粒少，盐渍土中的盐土较粘重，具有较好的土壤结构，也能起到抑制侵蚀作用。各防治分区在建设期均表现为塔基区及塔基施工区的土壤侵蚀模数最大，主要是由于该区受人为扰动最强烈，且塔基安装过程需要大量的开挖土石方，形成斑点状的侵蚀斑块，尤其是山区或丘陵区，在降雨或大风条件下，裸露的地表是产生严重侵蚀的重要原因。经分析，建设期间，沙土区、砾石戈壁区、盐渍土区的塔基区及塔基施工区的侵蚀模数分别可达其他分区的1.2～1.5倍、1.1～1.2倍和1.1～1.3倍。因此，针对建设期需要加强对塔基及塔基施工区进行水土流失防治，该区也是该项目的水土流失重点区，需要加强监督管理。

3.3 破坏水土保持设施面积

本工程项目建设区的占地面积即为扰动地表的面积，经统计分析，破坏水土保持设施面积为74.99 hm2，占地类型包括其他草地、盐碱地、沙地、裸土地4种类型，其中占用裸土地面积最大为74.5%，占用其他草地最少仅为2.0%，主要是由于项目区的降水量少、海拔高，高寒干旱导致了该区域的植被稀少。根据占地性质划分，永久占地面积为29.3%，均为塔基区及塔基施工区占地，临时占地面积为70.7%，其中牵张场、跨越施工场合施工道路均为临时占地，在工程完工后根据要求完成施工迹地恢复，塔基施工区在工程完工后也恢复原状，列入临时占地。根据占地特征，砾石戈壁区占地面积为77.4%，沙土区和盐渍土区分别为9.3%、13.3%。根据行政区域划分，格尔木市和茫崖行委分别占67.3%和32.7%。本工程占地面积统计见表2。

表2 工程占地面积统计 hm2

3.4 水土流失危害

本工程建设过程中人为活动造成水土流失的原因主要是破坏地表植被、地表结皮、挖方的临时堆放，在雨天、大风天气条件下易产生水土流失。根据本工程建设区地形地貌和施工建设的特点，产生的水土流失危害主要包括以下4个方面。

(1)本工程处于柴达木盆地，杆塔基面处开挖将形成裸露面，如不采取防护措施，长期的风力侵蚀，将有可能造成局部几面的水土流失危害，进而影响杆塔基础的稳定性，影响送电线路的安全运行。

(2)施工便道处碾压扰动形成的裸露面，如不采取防护措施，对附近的生态环境产生不利影响。

(3)破坏土地质量，工程竣工后原临时占用土地的稳定表层遭到破坏，如不及时采取措施，可能导致土地贫瘠和荒漠化。

(4)影响景观和生态环境，塔基及临时施工区、人抬道路将破坏原地表状态，形成人工廊道，施工中及完工后如不及时采取水土保持措施，既破坏了成片自然生态系统的完整性和连续性，同时对局部景观产生不利影响。

3.5 水土流失预测结果

生产建设项目水土流失预测是根据工程的总体布局、施工工艺特点，通过对工程现场全面调查，特别是对扰动地表面积、弃土弃渣场布设、土石方量等数据收集并分析基础上，对工程建设及运行期间可能产生的土壤侵蚀量进行的估算，是从水土保持立场判别主体工程可行性的重要依据，同时也是为水土保持措施布局提供科学依据[7]。确定项目分区及土壤侵蚀模数是进行生产建设项目土壤侵蚀量预测的前提条件。目前为止，不同的研究者根据研究对象、研究重点等提出了类比分析法、数学模型法、实地调查测试法、侵蚀登记划分法、专家预测法等[8，9]，各研究方法均有不同的侧重点，在应用过程中应该根据工程实际选取相适应的预测方法。也有学者针对建设项目土壤侵蚀模数预测方法进行了研究，总结分析可利用对比试验法、项目类比法、侵蚀倍率法、因子分析法、加权平均法等方法对建设过程中不同区域的土壤侵蚀模数进行预测，并为最终预测水土流失量提供基础[10]。

本工程根据项目建设区的自然概况特点，处于高原干旱荒漠区，针对该区开展的工作较少，因此，本工程采用类比分析法对工程建设期产生的水土流失量进行预测。经分析，本工程扰动和征占地面积74.99 hm2，损坏水土保持设施面积74.99 hm2，挖方总量27.96万m3，填方总量23.78万m3，余方4.18万m3全部在塔基区范围内整平。建设期及自然恢复期可能产生水土流失量6487 t，其中原地貌水土流失量2783 t，新增水土流失量3704 t。如在项目建设过程中不加强水土流失防治，及时实施水土保持措施，将加剧水土流失、破坏生态环境等危害。根据预测结果，确定本工程建设期(包括施工准备期和施工期)为水土流失重点时段，也是监测的重点时段，塔基及塔基施工区为水土流失的重点部位，为重点防治区域，也是监测的重点区域。本工程水土流失量预测见表3。

表3 工程土壤侵蚀量预测统计 t

分析可知，砾石戈壁区产生的新增水土流失量最大为2758 t，占总新增侵蚀量的74.5%，沙土区和盐渍土区分别占13.7%和11.8%。而在不同防治分区中，塔基区及塔基施工区新增水土流失量占比最大，可达57.2%～77.4%。因此，在布设措施及监测过程中，需要加强对塔基区及塔基施工区的水土保持措施布设并设为重点监测区域。

4 水土流失防治措施

4.1 防治目标

由于项目所在区域的格尔木市属于柴达木盆地省级水土流失重点治理区，茫崖行委属于柴达木盆地省级水土流失重点预防区，同时考虑到区域生态环境比较脆弱，地表扰动容易造成水土流失。因此，本工程水土流失防治标准执行一级标准，防治目标值为扰动土地整治率95%、水土流失总治理度95%、土壤流失控制比0.8、拦渣率95%。由于当地的降水量远小于300 mm，项目区气候极其干燥、风沙严重、严重缺水，只有少数极其耐旱的植物存活，根据本区域建设的同类项目的经验表明扰动、占用的地表经人工恢复植被或撒播种草，灌溉用水无法保证，植物很难成活。若采用汽车拉水运输灌溉，经济成本非常高，既不能发挥治理水土流失的作用，也与水保措施的经济性不相符。因此本工程针对少部分原有植被的区域采取以能治理和控制水土流失的平整压实块石压盖、撒卤水硬化的措施。因此，本工程实施中林草植被恢复率和林草覆盖率不做硬性指标。

4.2 措施布设及生态恢复

为有效防治输变电工程施工造成的水土流失，本工程制定了预防措施、治理措施和管理措施三大类，力求使得水土流失量达到最小。

4.2.1 预防措施

针对主体工程和新增水土流失的特点，按照“预防为主、保护优先”的基本要求，首先需优化工程布局和规模，优选建设时序，合理安排工期，强化管理、监理和监督，做好施工期水土流失的预防和控制工作。同时工程在施工中必须保证最小扰动原则，尽量减少破坏地表植被面积，维持生态的相对稳定性。

项目建设与水土流失防治并重，边建设边防治，以防治保建设，采取必要的永久及临时防护措施，因地制宜，避免“边施工边破坏”的现象发生。按照治理措施与预防监督措施相结合、永久性措施与临时性措施相结合、工程措施和植物措施相结合的原则，合理布设水土保持措施，形成有效的水土流失综合防治体系，对项目区水土流失进行综合治理。在措施制定方面，遵循“因地制宜、预防为主、防治结合”“经济合理、可操作性强”“水土保持措施与主体工程同时设计、同时施工、同时投产使用”的“三同时”等原则，从源头上减少可能造成的水土流失。具体体现在以下方面：

(1)牵张场地选在地形平坦，满足牵引机和张力机能直接运达到位、布置牵张设备和导线及施工操作等要求。

(2)线路跨越电力线路、公路、铁路等设施需要搭设跨越架，跨越架一般有毛竹或钢管式跨越架、金属格构式跨越架、杆塔三种支承体，交叉跨越角尽量接近90°，以减少临时占地的面积。

(3)施工道路。施工道路尽量利用现有公路或其他输变电工程已有的检修道路，减少新修施工道路。

(4)材料站。根据沿线的交通情况，工程租用已有库房或场地作为材料站堆放塔材、钢材、线材、水泥、金具和绝缘子，不另行建设。

(5)施工营地。由于塔基、牵张场等较分散，施工周期短，工程临时施工生活用房采用租用民房的方式解决。

4.2.2 治理措施

本工程水土保持措施布设按照预防和治理相结合的原则，坚持局部与整体防治、单项防治措施与综合防治措施相协调、兼顾生态效益与经济效益，按分区进行措施总体布置。在主体工程水土保持功能分析和水土流失预测的基础上，科学、合理地布设水土保持工程措施和临时措施。由于砾石戈壁区、沙土区和盐渍土区影响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。防治措施体系见图1。

图1 水土流失防治措施体系

4.2.2.1 砾石戈壁区

(1)塔基及塔基施工区。施工过程中塔基开挖土方集中堆放，并采取密目网苫盖措施；施工结束后扰动区进行土地整治。跨越那林格勒河施工过程中采取编织袋装土围堰拦挡，施工结束后对编织袋装土围堰进行拆除。

(2)牵张场区。施工过程中场地铺垫无纺布，施工结束后扰动区进行土地整治。

(3)跨越施工场地区。施工结束后扰动区进行土地整治。

(4)施工道路区。施工结束后扰动区进行土地整治。

4.2.2.2 沙土区

(1)塔基及塔基施工区。施工过程中塔基开挖土方集中堆放，并采取密目网苫盖措施，施工结束后扰动区进行土地整治并布设块石沙障。

(2)牵张场区。施工过程中牵张场地铺垫无纺布，施工结束后扰动区进行土地整治并进行砾石压盖。

(3)跨越施工场地区。施工结束后扰动区进行土地整治并进行砾石压盖。

(4)施工道路区。施工结束后扰动区进行土地整治并进行砾石压盖。

4.2.2.3 盐渍土区

(1)塔基及塔基施工区。施工过程中塔基开挖土方集中堆放，并采取密目网苫盖措施；施工结束后扰动区进行土地整治、撒卤水。

(2)牵张场区。施工过程中牵张场地铺垫无纺布，施工结束后扰动区进行土地整治、撒卤水。

(3)跨越施工场地区。施工结束后扰动区进行土地整治、撒卤水。

(4)施工道路区。施工结束后扰动区进行土地整治、撒卤水。

经统计，本工程在砾石戈壁区实施的工程措施包括土地整治57.13 hm2，临时措施包括密目网苫盖63500 m2、铺设无纺布16100 m2、编织袋装土围堰拦挡及拆除各300 m3；沙土区工程措施包括土地整治6.87 hm2、块石沙障5800 m3、砾石压盖34600 m2，临时措施包括密目网苫盖12200 m2、铺设无纺布5700 m2；盐渍土区工程措施包括土地整治9.83 hm2、撒卤水9.83 hm2，临时措施包括密目网苫盖9000 m2、铺设无纺布3600 m2。

经分析，输变电线路经过砾石戈壁区采取的工程措施主要是土地整治，将扰动后的地表平整压实，避免产生水土流失；而沙土区由于地表易受风的吹蚀，经土地整治后采取块石沙障，能有效减少风力侵蚀；而在盐渍土区，土地整治后的地表撒卤水，可以使地表结晶盐壳，可有效减少风蚀，对表面经过压实后，有较好的密实结构。

4.2.3 管理措施

(1)首先要加强领导，树立现代化企业理念。企业领导重视，树立人与自然和谐相处的科学发展观，保证专人负责、保证资金到位、确保水保方案落到实处，是项目工程建设与生态环境建设同步进行的重要保证。

(2)加强工程管理，按需配置临时防护措施。施工场地必须实行封闭，禁止敞开式作业；工地进出口必须净化，运输车辆必须密闭，不得撒漏；易产生扬尘的物料必须覆盖，严禁露天堆放；各种废弃物必须及时运走，妥善排弃；施工废水必须设临时处理设施，不得随意排放。

(3)施工时应根据各防治区域具体的工程措施合理安排施工工序，减少或避免各工序间的相互干扰，与主体工程施工一并进行。水土保持工程实施后，各项治理措施必须符合规定的质量要求，并经规定的质量测定方法确定后，才能作为治理成果进行数量统计。

(4)施工进度安排方面按照“预防为主、及时防治”的原则，根据工程进度进行安排，尽可能减少施工过程中的水土流失。

4.3 效益分析

生产建设项目建设过程中经及时布设相关的管理和水土保持措施后，能有效减少水土流失量，实现生态效益、经济效益和社会效益。

4.3.1 生态效益

由防治效果预测可知，水土保持工程实施治理措施后，本工程扰动土地整治率可达到99.7%、水土流失总治理度可达到99.7%、土壤流失控制比可达到1.0、拦渣率可达到96.7%，防治效果达到防治目标的要求。通过落实水土保持措施，项目建设可能产生的水土流失将得到有效控制，防止了土壤被雨水、径流冲刷，保护了水土资源，使工程占地区内的水土流失得到很好的控制。

4.3.2 经济、社会效益

通过落实工程水土保持措施，可以减少水土流失对输变电工程的危害，保障了变电站、输电线路的安全运行，有利于输变电工程经济效益的发挥。另外，由于水土保持措施在一定程度上改善了项目区自然、交通、投资环境，对促进区域经济的发展起到积极的作用。

5 结论

本文针对高原干旱荒漠区等特殊地貌及气候类型的输变电工程建设项目造成的水土流失及其防治措施进行了分析研究，得出以下结论。

(1)输变电工程由于线路长，跨度大，需要根据地貌类型进行一级分区，随后根据工程布局和施工特点进行二级和三级分区。

(2)本工程经过沙土区、砾石戈壁区和盐渍土区，沙土区的土壤侵蚀背景值最大，但由于砾石戈壁区占地面积占工程总占地的77.4%，预测该区新增侵蚀量占总新增侵蚀量的74.5%。在布设工程措施时，提出在沙土区需要增加块石沙障以减少风力侵蚀，在盐渍土区新增撒卤水，使地表结晶盐壳，可有效减少风蚀。

(3)为有效减少输变电工程施工造成的水土流失，制定了预防措施、治理措施和管理措施三大类，其中治理措施包括水土保持工程措施和临时措施，效益分析表明布设的水土保持措施能有效减轻工程建设造成的水土流失，达到良好的生态、经济和社会效益。