“排水保土”措施在生产建设项目水土保持中的应用

程 冬 兵,郑 瑞 维,张 平 仓,蔡 道 明,熊 怡,张 晶 鑫

(长江科学院 水土保持研究所,湖北 武汉 430010)

0 引 言

根据2021年中国水土保持公报[1],全国水土流失面积267.42万km2,水土流失面积强度持续“双下降”。但中国基础设施建设依然保持较大体量,2021年全国共审批生产建设项目水土保持方案11.19万个,新增水土流失防治责任范围2.43万km2[2-6]。相比“十三五”期间[2-6],水土保持方案数量与新增水土流失防治责任范围,2021年年均增加了1.3倍和0.5倍。生产建设项目是依据国家固定资产投资管理程序,经政府批准立项的新建、改建或扩建的各类建设工程[7]。项目工程建设和生产运行过程中,需要进行开挖、填筑、弃土、排渣等活动,扰动占压土地,破坏地表土壤植被,在水力、风力等外营力作用下,易引发严重的人为水土流失,从而导致水土资源破坏,土地生产力下降,生态环境恶化,甚至引发灾害[8]。为预防和治理生产建设项目水土流失,必须采取有效的防治措施。通过多年生产建设项目水土保持探索和实践,生产建设项目水土流失防治技术和水平不断进步和成熟,目前已形成工程措施(包括表土保护措施、拦渣措施、边坡防护措施、截排水措施、降水蓄渗措施、土地整治措施、防风固沙措施等)、植物措施和临时防护措施等三大类九小类百余种单项措施组成的较为完善的措施体系,为防治人为水土流失发挥了重大作用[7-15]。未来一段时期,中国开发建设强度仍将维持在较高水平,人为水土流失防治任重道远,中办、国办印发了《关于加强新时代水土保持工作的意见》,明确了“依法严格人为水土流失监管”,同时要求“加强水土保持科技创新”。在新时代水土保持高质量发展背景和要求下,生产建设项目水土保持理论和技术仍需不断探索和完善。

“蓄水保土”一直是中国水土保持工作的主导理念,同样在生产建设项目水土保持工作中也不例外,通过各种拦挡截留为主的降水蓄渗措施,促进降水就地入渗,以此消除或降低外营力,扼制水流冲刷搬运,实现“保土”的目的。随着水土保持科技进步和工作精细化推进,基于“蓄水保土”的水土保持措施有时“保土”效果并不太理想,尤其在降水量大、土层薄、蓄水能力有限的条件下。笔者团队通过多年研究与实践[16],总结提出了“排水保土”理论,充分利用截排水沟等措施,对坡面地表径流和壤中流进行安全有效快速排导,扼制或减少水土流失发生的地表径流冲刷外动力和壤中流的潜蚀作用,从而实现保土的目的。并研发了以半透水型截水沟和抗蚀增肥技术为代表的“排水保土”关键技术,通过小流域坡耕地治理示范推广,结果显示具有显著的保土效益。“排水保土”体现了水土保持“因地制宜”的方针,中国地域辽阔,自然环境和土壤侵蚀下垫面状况差异大,势必造成水土流失发生机制和水土保持对策不同。“排水保土”是在对南方普遍土层较薄、雨量较大情况下水土流失机制新认识的基础上提出的新的水土保持策略,丰富了水土保持理论,有力推动了水土保持工作精细化管理。然而目前“排水保土”相关研究实践主要围绕生态治理项目开展,还未能对“排水保土”在生产建设项目水土流失防治中的应用进行系统总结分析。“排水保土”与传统的“蓄水保土”相同点都是以保护土壤、防止土壤流失为目标。二者的不同点在于,“蓄水保土”重点在“蓄”,主要适应于深厚或较厚的土层的水力侵蚀区域,强调具备较好的蓄水条件,保土效果更佳。“排水保土”重点在“排”,主要适用于降水量丰富、土层较薄的水力侵蚀区域,强调具备较好的快速排水条件,也适用于无蓄水需求时水土流失防治[16]。本文以现行生产建设项目水土保持相关技术规范为切入点,通过调查生产建设项目水土保持设施自主验收典型案例,系统总结“排水保土”在生产建设项目水土保持中的应用情况,剖析存在的不足,并针对性地提出相关建议,为相关从业人员和行政管理部门提供参考。

1 生产建设项目“排水保土”相关技术规定

1.1 生产建设项目“排水保土”措施界定

根据“排水保土”内涵,“排水”为方法手段,“保土”为目的,即通过具备“排水”功能的措施实现“保土”的目的。所以,对照现行生产建设项目水土保持相关技术规范[14],“排水保土”措施主要涉及为减轻或避免因生产建设造成植被破坏和水土流失而修建的永久性水土保持工程措施,和为防治生产建设过程中水土流失而采取的非永久性临时防护措施,其中工程措施包括截排水沟、排洪渠(沟)、边沟、盲沟、涵洞、排水管、暗管等,临时防护措施包括临时截排水沟、临时覆盖等(详见表1)。

表1 生产建设项目“排水保土”措施界定Tab.1 Definition of "drainage and soil prevention" measures for production and construction projects

1.2 相关技术标准规定

GB 50433-2018《生产建设项目水土保持技术标准》中关于“排水保土”的相关规定见表2。经统计,在GB 50433-2018中,有2节、1条、9款、1项共13处涉及“排水保土”的相关技术规定,主要包括区域特殊要求、适用条件与范围以及具体布设与设计等3个方面,其中区域特殊要求强调降水量丰富的地区应注重截排水措施,适用条件与范围明确了在水蚀区开挖、填筑、堆放、排弃等情形下必须采取截排水措施,具体布设与设计主要规定了相关截排水措施设计和其他措施的协同配合。

表2 “排水保土”相关技术规定Tab.2 Relevant regulations of "drainage and soil prevention"

同时,立足于生产建设项目水土流失防治原则,“排水保土”措施通过布置截排水沟,减少降雨和径流对地表的冲刷,可以降低水土流失的发生,一定程度上“预防”“保护”了坡面土壤资源。南方多雨地区,采取“排水保土”措施,边坡防护通过快速高效排水,既可有效减少水土流失风险,也可保证主体工程安全。而在北方少雨地区,采取“蓄水保土”措施,满足植物需水,通过增渗保墒,亦可减少水土流失发生。同一项目不同部位不同时段,为实现“保土”效益最大化,科学采取“排水”“蓄水”或“排蓄结合”的方式,此为“因地制宜”。针对不同的防护对象,“排水保土”措施亦采取不同的防御标准和建设标准,实现“安全可靠、技术可行、经济合理”。

2 生产建设项目“排水保土”措施应用调查

2.1 项目概况

基于资料完整性、数据可靠性、项目类型和区域代表性等因素考虑,对近3 a水土保持设施自主验收公示项目信息进行全网采集筛选,最终共选取了18个项目(见表3)。其中,为便于开展同一区域不同项目类型之间的比较,选取了福建省11个不同类型项目,涉及城建、地铁、火电、风电、输变电、水利、采矿、管线、机场、公路、铁路,基本涵盖了目前该区域的生产建设项目类型。同时,为便于开展同一项目类型不同区域之间的比较,结合近年来国家基础设施建设总体态势,以线性工程铁路建设项目为代表,按照水土保持区划一级区各一个项目,共选取了8个项目。

表3 生产建设项目基本信息Tab.3 Basic information of production and constraction projects

根据公示的18个项目的验收鉴定书、水土保持设施验收报告、水土保持监测总结报告,分析统计项目“排水保土”措施类型、材料及投资等信息。

2.2 “排水保土”措施类型与材料

经调查,“排水保土”措施类型与1.2中界定基本一致,虽然存在有些项目中部分措施名称与相关规范不完全一致,但功能用途大体相同。

不同项目涉及“排水保土”措施类型存在一定差异,项目规模越大,涉及措施类型越多,如“新建郑州至万州铁路(重庆段)”比“福建棠园(福鼎)500 kV输变电工程”措施类型多,这是因为铁路项目建设内容和工艺相对输变电工程复杂,因地制宜采取的各项防护措施也就更多。线性工程总体较点式工程涉及措施类型多,如“永春至永定高速公路坎市互通工程”比“福州长乐国际机场滑行道及停机坪改扩建工程”措施类型多,线性工程公路的穿越扰动相对点式工程机场复杂多变,防护措施自然多样化。南方总体较北方涉及措施类型多,如北方的“新建朔州至准格尔铁路工程”“将军庙至黑山铁路专用线项目”不仅涉及的“排水保土”措施少,而且没有相关临时防护措施,这与该项目所处的区域自然条件密切相关,北方土石山区和北方风沙区主要以风蚀为主。

经调查,工程措施中“排水保土”建设材料的选择一般基于永久、安全、稳固等方面考虑,主要有浆砌石(砖)、混凝土、预制件、PVC管等。临时防护措施一般是基于临时、经济、简易等方面考虑,其中“临时截排水”材料以土质为主,部分项目也有砖砌,或水泥砂浆抹面,或土质截排水沟的基础上加铺塑料膜。“临时覆盖”材料相对多样,主要有彩条布、塑料膜、土工布(膜)、密目网等。

2.3 “排水保土”措施投资分析

2.3.1总体特征分析

鉴于项目之间的建设规模和投资存在较大差异,单纯比较“排水保土”措施投资不具备可比性,因此选择其相对占比更为合理。对18个生产建设项目相关信息统计分析可知,“排水保土”措施占水土保持措施投资5%～90%,不同项目之间差异很大。其中“排水保土”工程措施占水土保持措施投资5%～90%,临时防护措施占水土保持措施投资0%～8%,工程措施投资均大于临时防护措施(见表4)。

表4 “排水保土”措施投资占比统计Tab.4 Statistics of propotion of investment in “drainage and soil prevention” measures %

“排水保土”措施占水土保持措施投资平均为24.78%,10%～35%之间较为普遍。存在明显差异的是编号为9,17,18项目,这是因为9号项目为机场,水土保持主要服务于场地排水,措施相对单一,所以水土保持措施投资主要是截排水措施,导致占比很高。17项目和18项目地处北方土石山区和北方风沙区,以风蚀为主,只有少量截排水措施,且无临时截排水需求,所以这两个项目“排水保土”措施投资占比很小。

“排水保土”工程措施分项投资占比为7%～98%,平均为33.92%;“排水保土”临时防护措施分项投资占比为0～100%,平均为44.47%。项目之间和区域之间均存在较大差异,这与项目类型和所处区域的自然条件密切相关。另外,“排水保土”的工程措施和临时防护措施相对占比总体基本相当,也就是说超1/3工程措施和临时防护措施是“排水保土”措施,说明“排水保土”措施在生产建设项目水土流失防治具有重要贡献。

经统计,“排水保土”工程措施投资是临时防护措施的近10倍,因为一般情况下,工程措施基于安全性、永久性、稳固性等考虑,材料费用高导致造价高,而临时防护措施基于经济性、临时性、简易性等考虑,材料简单、费用低。

2.3.2同一区域不同生产建设项目类型“排水保土”措施投资分析

为进一步对比分析不同生产建设项目类型“排水保土”措施投资情况,选择福建省11个不同生产建设项目类型进行剖析。图1(a)显示,“排水保土”措施投资占比前三的分别为机场项目、输变电项目、铁路项目,且主要为工程措施,其他类型项目占比相对较小且基本相当。机场项目水土保持服务功能单一,决定了措施单一;山丘区输变电项目建设内容相对简单,也决定了水土流失防治措施主要是截排水;铁路项目作为线性工程,在山丘区建设时边坡较为普遍,边坡水土流失及其稳定决定了主体工程安全,而截排水措施是其必要措施。

图1 不同生产建设项目类型“排水保土”措施投资占比Fig.1 Propotion of investment in “drainage and soil preveation” measures of production and construction projects

图1(b)显示,在工程措施分项投资占比中,占比超过50%的有机场项目(97.27%)、输变电项目(73.96%)、城建项目(59.91%)和风电项目(53.05%),说明“排水保土”措施在这几类项目中已然成为主体措施。城建项目与机场项目有一定的相似性,水土保持工程措施主要服务于截排水。风电项目与输变电项目也有一定相似性,山丘区建设时水土流失防治措施仍主要是截排水。地铁、公路、铁路项目,分项投资差不多居于平均水平。而火电、水利、采矿和管线项目,分项投资占比相对较低,占10%左右,最低占比仅有7.34%。因为火电项目一般选址较为平坦,截排水措施较少。水利项目因为是水库,坝体安全和边坡防护是重点,截排水措施也是必要内容,但相对工程边坡防护投资,占比弱化了。采矿项目与水库项目类似,截排水措施的绝对投资是比较高的,只是相对更高的工程边坡防护投资,占比显得较低了。管线项目因为自身建设内容和扰动特点,后期大部分需要恢复原貌,以土地整治措施为主,对截排水措施需求较少。

图1(b)显示,在临时措施分项投资占比中,占比超过50%的有4类项目,分别为火电项目(100.00%)、水利项目(90.20%)、公路项目(73.39%)、管线项目(72.14%),说明该几类项目施工扰动过程中对临时截排水的需求较大,“排水保土”措施占据了主导地位,尤其是火电项目临时措施均为截排水措施。城建、地铁、风电、采矿、机场和铁路基本居于平均水平。而输变电项目,分项投资占比相对较低,仅有2.96%,根据验收评估报告,该项目临时措施投资主要用于袋装土临时拦挡,临时截排水措施相对占比就小了。

2.3.3同一生产建设项目类型不同区域“排水保土”措施投资分析

为便于比较不同区域生产建设项目类型“排水保土”措施投资,选择水土保持区划8个一级区铁路项目进行剖析。图2(a)显示,铁路项目“排水保土”措施投资占比前三的分别为西南紫色土区(35.45%)、南方红壤区(34.52%)和青藏高原区(32.60%),占比基本在1/3左右。西南岩溶区、东北黑土区和西北黄土高原区略低,“排水保土”措施投资占比保持在20%左右。而北方土石山区和北方风沙区“排水保土”措施投资占比很小,均未超过7%。可以看出,不同区域由于自然条件差异,特别是土壤侵蚀外营力不同,对“排水保土”措施的应用程度不同,采取了不同的水土保持方针,符合因地制宜、精准施策的原则。

图2 铁路项目不同区域“排水保土”措施投资占比情况Fig.2 Propotion of investment in “drainage and soil prevention” measures in different areas of railway projects

图2(b)显示,铁路项目在工程措施分项投资占比中,平均为27.37%,占比前四的有南方红壤区(46.55%)、西南紫色土区(45.06%)、青藏高原区(37.44%)和西南岩溶区(29.91%),该4个区域均处于长江流域,降雨量相对丰富,“排水保土”措施显得尤为重要。东北黑土区和西北黄土高原区次之,工程措施分项投资占比在20%左右。而北方土石山区和北方风沙区由于以风蚀为主,“排水保土”工程措施分项投资最低、占比仅为7.29%。

图2(b)显示,在临时措施分项投资占比中,除北方土石山区和北方风沙区外,平均占比为39.09%,高于工程措施分项投资占比(虽然绝对数小于工程措施部分)。其中青藏高原区占比最高,达100%,也就是说临时措施均为“排水保土”措施。其次是南方红壤区、西北黄土高原区和东北黑土区,居于平均水平。西南紫色土区和西南岩溶区占比相对最小,主要是该区域地形更为陡峭,临时拦挡措施投资相对较高,导致“排水保土”临时措施投资相对较低。

3 结论与讨论

3.1 结 论

(1) 生产建设项目“排水保土”措施主要包括截排水沟、排洪渠(沟)、边沟、盲沟、排水管、暗管等工程措施,及临时截排水沟、临时覆盖等临时防护措施。在现行相关技术标准规定中有明确的“排水保土”相关技术规定,主要包括区域特殊要求、适用条件与范围、以及具体布设与设计等3个方面。

(2) 不同项目涉及“排水保土”措施类型存在一定差异,项目规模越大,涉及措施类型越多,线性工程总体较点式工程涉及措施类型多,南方总体较北方涉及措施类型多。建设材料比较丰富,但与生态结合的较少。

(3) “排水保土”措施占水土保持措施投资平均为24.78%,10%～35%之间较为普遍。工程措施投资是临时防护措施的近10倍。“排水保土”的工程措施和临时防护措施分项投资占比总体基本相当,且平均占比超1/3,但项目之间和区域之间均存在较大差异。

(4) 同一区域不同生产建设项目类型,“排水保土”措施投资占比前三的分别为机场、输变电和铁路项目,且主要为工程措施。在工程措施分项投资占比中,占比超过50%的是机场、输变电、城建和风电项目,而火电、水利、采矿和管线项目,分项投资占比相对较低,仅占10%左右。在临时措施分项投资占比中,占比超过50%的有火电、水利、公路、管线项目,而输变电项目分项投资占比相对较低,仅有2.96%。

(5) 不同区域同一铁路项目,“排水保土”措施投资占比前三的为西南紫色土区、南方红壤区和青藏高原区,占比基本在1/3左右。西南岩溶区、东北黑土区和西北黄土高原区占比在20%左右。而北方土石山区和北方风沙区“排水保土”措施投资占比很小,均未超过7%。在工程措施分项投资占比前四的有南方红壤区、西南紫色土区、青藏高原区和西南岩溶区,而北方土石山区和北方风沙区最低,占比仅为7.29%。在临时措施分项投资占比中,青藏高原区占比最高,达100%,西南紫色土区和西南岩溶区占比相对最小。

3.2 讨 论

(1) 本文调查分析的生产建设项目案例有限,同一区域不同类型生产建设项目及不同区域同一生产建设类型项目,代表性不一定典型,相关结论还比较粗糙,还有待后期增加样本数进一步丰富验证。同时,也有待结合现场查勘,进一步细化不同重点防护对象“排水保土”措施的应用调查。

(2) 现有生产建设项目“排水保土”措施功能较为单一,“排水”和“蓄水”需求协同不足,与生态结合不足。“排水”和“蓄水”不是截然分开的,不可“一刀切”,应综合主体工程的特点和自然地理条件,针对不同的防护对象,因地制宜,科学选择“排水保土”和“蓄水保土”方案,并努力协调好“排水”和“蓄水”的双重需求,实现精准防控;其次,开展专项研究,积极研发新的“排水保土”技术措施,充分与生态相结合,如生态草沟、抗蚀增肥剂等,进一步丰富生产建设项目水土保持防治技术。

(3) 不论是现有相关技术标准,还是生产建设项目水土流失防治实践过程中,均缺乏基于排导土体(渣体)渗流的“排水保土”措施。在斜坡防护和拦渣工程中,降水在坡面形成的地表径流大部分可通过现有的截排水措施进行有效安全排导,但部分降水仍会入渗到土体(渣体)中,随着入渗量增大,土体(渣体)抗剪强度下降,土体(渣体)就可能失去稳定发生崩塌,造成严重水土流失风险。目前在边坡防护和挡土墙等措施中设计的排水洞(孔),这种设计就是类似排导渗流的“排水保土”原理,通过排除坡面土体(或渣体)中的入渗水,增强土体稳定,实现“保土”的目的,但这种设计未被列为单项措施。有学者探索[17-19]在渣场下游设置排渗棱体(块石),改善内部排水条件,降低浸润线,从而提高渣场稳定,同样是基于排导渗流的“排水保土”原理。笔者团队基于坡耕地治理研发的“半透水型截水沟”[16],既能截排地表径流,又能排导壤中流,对于生产建设项目斜坡防护和拦渣工程中具有重要参考价值。未来,在系统梳理筛选相关基于排导渗流的“排水保土”措施的同时,应开展专项研究,积极研发新的类似原理技术措施,尽快纳入到生产建设项目水土保持防治技术标准中,补齐短板。

(4) 目前“排水保土”在生产建设项目水土流失防治中专门应用研究非常缺乏,在学术界和行业内还未能形成共识,“排水保土”理论研究和技术研发期待行业主管部门的支持和更多同行关注,包括理论研究、技术研发和示范推广等,进一步丰富“排水保土”理论,完善生产建设项目“排水保土”措施技术体系。