高寒生态脆弱山区管道工程水土保持与生态景观设计——以西气东输二三线果子沟战略安全管道工程为例

何 婷,饶 胜

(1.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000;2.国家管网集团联合管道有限责任公司 西部分公司,新疆 乌鲁木齐 830000)

近年来,随着我国能源结构的加速调整和产业结构的快速升级,对天然气的需求量逐年增加。作为天然气输送的重要方式,管线运输具有受外界影响较小、稳定性较高、输送成本较低等优点。但是在高寒脆弱山区,地形起伏大、坡度陡、施工条件差、生态基础脆弱,生态系统一旦被破坏就很难恢复。为改善高寒脆弱山区输气管道工程水土保持和生态景观设计,本研究以西气东输二三线果子沟战略安全管道工程(以下简称“果子沟管道工程”)为例,根据“保护原生态环境、减少水土流失,以自然为本、再造柔性景观”的设计原则,通过线路综合比选、优化施工工艺,实施水土保持工程、植物措施等,最大限度地减少工程建设造成的水土流失,减轻对生态环境的破坏,实现工程建设与生态景观建设相互融合的设计目标。

1 工程概况

果子沟管道工程是西气东输二三线的控制性工程,新建管道全长32 km,沿线设置山体隧道4条(全长23.24 km)。项目建设总占地面积78.10 hm2,管道采取沟埋方式。通过综合比选,工程选线避开了农田、牧场及重要林区,但路线所经区域生态基础很脆弱,工程建设不仅会对地表、植被及生态景观造成破坏,产生较严重的水土流失,而且工程区土壤贫瘠,植被类型单一、群落简单,生态系统一旦被破坏就很难恢复[1]。

果子沟管道工程沿线区域地处我国西北内陆,海拔1 000～4 000 m,主要位于中山带(海拔1 500～2 700 m)和低山区(海拔1 200～1 500 m)。位于大陆性季风气候区,四季分明,冬季漫长(可长达7～8个月),昼夜温差较大;年均降水量218.9 mm,年均水面蒸发量1 472.1 mm,降水主要集中在6—9月,期间坡度较大、植被贫乏、保水蓄水能力差的沟道容易在短时间内形成洪水径流。土壤主要为灰褐色土、山地黑钙土、灰漠土等,土壤腐殖质层较薄、有机质含量低,适生树草种有限,生态系统抗干扰能力弱,一旦被破坏恢复困难[1]。在不同垂直带分别分布着针叶林、灌丛、荒漠、草原、草甸等植被类型,其中:中山带主要分布有雪岭云杉、野杏、天山花楸等针阔叶林,以及其下分布的白车轴草、针茅等山地草甸;低山区主要为芨芨草、对叶元胡、伊犁绢蒿等荒漠草原植物,以及在阴坡和半阴坡分布的黄果山楂、天山樱桃等小乔木或灌木。

2 水土流失特点

管线施工必定会引起对地表的扰动。果子沟管道工程为线状工程,沿途经过区域地形地貌、土壤、植被等自然条件复杂,施工引发的水土流失问题突出。比如:

1)侵蚀类型复杂多样。果子沟管道工程建设区域水土流失形式多样,以线状侵蚀为主,伴随着点状侵蚀:在管道伴行道路、施工便道施工过程中的开挖、填筑及道路表面在施工扰动和大风、降雨的影响下,原生植被和地表结皮遭到破坏,容易产生线状侵蚀;管道开挖产生的边坡以及施工期的临时堆土,在大风和降雨的作用下极易产生点状侵蚀。

2)植被恢复难度较大。高寒山区地表土层较薄、腐殖质含量低,原生植被多为旱生植被,植物种类单一,且平均气温较低,降水少,在低温和缺水的影响下植物生长周期短、生态结构简单。工程建设改变了山区原有地貌,导致地表裸露,破坏了原有稳定的生态系统。项目建设完成后,在干旱缺水、地表土疏松的条件下,施工迹地的植被恢复难度较大,恢复周期长。

3 水土保持与生态景观设计方案

针对上述水土流失特点,在管线走向设计综合比选中,主体设计与水土保持、环境影响评价等专业人员共同研究,以“保护原生态环境、减少水土流失,以自然为本、再造柔性景观”为原则,选择了一条通过山区短、失稳地带少,避开风景区和地质公园核心区的线路,同时加强水土保持与生态景观设计,通过优化施工工艺和采取水土保持工程、植物措施等,改善项目沿线水土流失。果子沟管道工程可划分为管道作业带区、站场阀室区、隧洞区、施工生产生活区、弃渣场区、道路区及输变电工程区等,根据水土流失易发地段,本次重点探讨管道作业带区、隧洞区和弃渣场区的水土保持与生态景观措施设计。

3.1 管道作业带区

在管道作业带区,重点调查隧道出入口附近的崩塌、泥石流、水毁、雪崩、断裂带及可能受施工影响形成的不稳定斜坡等。经过现场排查研判和评级分析,得到22处较高风险地质灾害点,其中崩塌5处、泥石流10处、不稳定斜坡2处、断裂带2处、水毁3处。针对各地质灾害点的特点,设计了防冲墙、侧挡墙及钢筋石笼等防护措施,以维护主体工程安全稳定。管道横坡敷设于山区坡面或者沟道时,采用“上截下拦”的径流调控模式[2],如在管道穿越处上游设置防冲墙、侧挡墙等工程措施,以免施工迹地遭受季节性洪水的强烈冲刷。管道经泥石流沟处防护措施典型设计见图1。管道作业带经过草地和耕地时,为保护表土资源,施工前应将沟槽开挖范围内及施工机械扰动区涉及的表层熟土进行剥离,集中堆存并实施防护措施。管道施工结束后对扰动区域进行土地整治。为尽快恢复原地貌,采取撒播草籽的方式恢复植被。应选择适宜当地生长、耐旱耐寒的草种,如早熟禾、黑麦草等,以实现免养护、自然生长。工程措施和植物措施相结合,能够减轻施工迹地的水土流失。

图1 管道经泥石流沟处防护措施典型设计

3.2 隧洞区

隧洞区主体工程设计中采取了洞口防护、洞口排水等措施,既能维护主体工程安全稳定,又具有水土保持功能。隧洞区洞口两侧有3处风险较高地质灾害点,主体设计在洞口附近设置三维植被网及生态袋,以防止表层垮塌及块石脱落,见图2。同时,根据《伊犁河谷生态环境保护条例》,为减轻工程建设对山体的扰动破坏和对自然景观的影响,需加强洞口区的生态修复,因此水土保持设计中采取土地整治、客土喷播护坡、撒播草籽等措施。

图2 隧洞口防护措施设计

生态袋作为一种生态护坡工具,集环境保护、生态绿化、水土保持为一体,被广泛用于矿山复绿、生态河岸护坡、道路护坡及湿地治理中。其主要特点是:生态环保,能与自然环境完美融合;同传统工程建造方法相比,无需高能耗、高污染的钢筋、水泥、石块等,无新增占地,有助于节约成本、减少污染[3];能在硬质坡体或石质边坡修复中,形成满足植物生长的土质边坡,同时有效补充土壤中缺少的营养成分;具有透水性,可有效保持土壤中的水分,在满足植被需水要求的同时排出坡体内多余水分,进一步减轻坡体内的压力,降低边坡水土流失的可能性,使边坡更稳固;施工方便、灵活,装土后成型规格可以根据实际要求设计,具有良好的匹配性和组合性,见图3。边坡绿化客土喷播适用于贫瘠土壤和风化岩地区播种,喷播浆料含有植物种子萌发、生长所必需的营养物质,由水、土、黏合剂、保水剂、草炭土、复合肥等混合而成,浆料的覆盖能够固定种子和表土,从而提高生态修复效果。近年来,大庆油田工程有限公司在中贵线、中俄原油管道、南疆天然气利民工程等项目中广泛应用边坡绿化客土喷播技术,效果良好[4]。

图3 生态袋实施效果

3.3 弃渣场区

在弃渣场区,根据项目弃渣场等级、地貌单元和弃渣特点进行水土保持措施设计。果子沟管道工程弃渣场布置在隧洞进出口附近的坡地和支沟中,考虑到弃渣的永久性和对周边生态环境的影响程度,需采用适宜当地自然条件的恢复措施,以降低弃渣对周边生态环境的影响。弃渣场主要防护措施为表土剥离及防护墙、挡渣墙、排水沟,以及在堆渣结束后进行土地整治及植被恢复等。

考虑到工程建设开挖的弃渣中含有的大量块石可作为浆砌石的原料,弃渣场挡渣墙采用浆砌石结构。在渣场坡脚外侧设置浆砌石挡墙,挡墙高3.7 m,弃渣采取自下而上的堆置方式,按1∶2坡比分级堆放,单级坡高10 m,设有马道,宽2 m。平整坡面时将块石覆盖在渣体表面可有效减少坡面水土流失。土地整治结束后对弃渣场采取撒播草籽等辅助植被恢复措施,撒播草种选择早熟禾、黑麦草等当地适生植物。

4 结束语

本研究以西气东输二三线果子沟战略安全管道工程为例,分析了高寒山区管道工程的水土流失重点区域及其水土保持、生态景观设计要点。在高寒山区进行管道工程建设容易对山区的原生态系统造成破坏,若不能及时、有效地实施治理措施,将会导致严重的水土流失,同时破坏之后的生态恢复十分困难。通过深入了解项目所在地高寒山区生态环境特点,果子沟管道工程建设借鉴前期工程先进技术和成功案例,积极采取新技术、新方法,优化水土保持和景观设计,减轻工程建设对生态环境的破坏,为高寒山区管道工程建设提供了参考样板。