標準徑流小區在抽水蓄能電站棄渣場水土保持監測中的應用

林曉渝，李 健，周永峰

(中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

水土保持監測在我國人為水土流失防治和水土保持強監管中發揮了積極作用?！渡a建設項目水土保持監測規程(試行)》規定，征占地面積在5 hm2以上或者挖填土石方總量在5萬m3以上的生產建設項目應開展水土保持監測。水利水電工程土石方量一般在千萬立方米級別，因此水土保持監測是必須開展的水土保持重點工作之一，特別是施工期的棄土棄渣場，更是水利水電工程水土保持監測的重點，應采用相對固定的觀測設施進行地面觀測。

徑流小區觀測位置固定、持續觀測周期較長，已有規程對其選址布設、規格和觀測方法都有明確的規定[1]，因此在國內常規水電工程水土保持監測中應用廣泛。比如：浙江華光潭水電站采用簡易坡面徑流小區和草皮防護坡面對比監測水土流失[2]；福建后壟溪水電站采用5 m×2 m的徑流小區對主體工程進行監測[3]；錦屏二級水電站使用標準徑流小區監測項目區土壤流失背景值[4-5]；白鶴灘、官地水電站通過布設8個以上的徑流小區獲取土壤侵蝕數據[6-7]；大崗山水電站通過改造標準徑流小區提高棄渣場水土流失監測數據代表性[8]；烏江思林水電站采用含簡易徑流小區法在內的單點多方法綜合分析獲得土壤侵蝕強度數據[9-11]；新疆鏨高水電站綜合布置風蝕和徑流小區，同時完成風蝕和水蝕量的監測[12]。但是目前有關徑流小區在抽水蓄能電站監測中的應用的文獻案例極少。廣東惠州抽水蓄能電站在2004—2007年運用徑流小區法監測土壤侵蝕量，結果表明土壤侵蝕量與雨強、地表覆蓋、坡度等有一定的相關性，說明徑流小區法在流失強度較低的平臺部位具有較好的適用性，并具有可模擬、易管理、能印證等優點[13-16]。借鑒國內常規水電工程和廣東惠州抽水蓄能電站利用徑流小區開展水土保持監測的經驗，我們以浙西南山地保土生態維護區某抽水蓄能電站棄渣場水土保持監測為例，對抽水蓄能電站水土保持監測徑流小區建設、監測實施、監測結果進行了分析。

1 項目概況

某抽水蓄能電站(以下簡稱“電站”)位于浙西南山地保土生態維護區，屬大(1)型一等工程，總裝機容量1 500 MW。電站主要包括上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房、永久道路、業主營地等永久工程，導流工程、施工支洞、施工臨時設施、棄渣場、料場和臨時道路等臨時工程。電站設棄渣場5處，其中上庫2處、上下庫公路2處、下庫1處，各棄渣場堆渣量及占地面積詳見表1。

表1 棄渣場堆渣量及占地面積

工程區屬浙江省中部低山丘陵和盆地、侵蝕-剝蝕中低山地貌類型區，屬亞熱帶季風氣候區，多年平均降水量1 591.75 mm，土壤類型主要有紅壤、黃壤、巖性土、潮土和水稻土等，森林覆蓋率77.2%。水土流失類型以水力侵蝕為主，容許土壤流失量500 t/(km2·a)，屬于浙江省括蒼山水土流失重點預防區。

2 監測設施建設

2.1 監測設施選址

經現場查勘，監測項目部于2011年2月按批復的水土保持方案報告書和水土保持監測實施方案，確定了6處地面觀測點和1處調查監測點(表2)?？紤]下庫棄渣場具有海拔低、交通便利、地質條件良好、造價相對低廉等優點，并在堆渣量和占地面積方面具有典型代表性，因此將徑流小區布設于下庫棄渣場東側的渣場內部道路旁。下庫棄渣場徑流小區位置示意見圖1。

表2 水土保持監測點布置

圖1 下庫棄渣場徑流小區位置示意

2.2 監測小區建設

下庫棄渣場共建設4個標準徑流小區，其中：3個坡度分別為5°、10°、15°的徑流小區，集水區填料為工程棄渣，用以監測施工期間棄渣場不同坡度產生的土壤侵蝕；還有1個為坡度5°的原狀坡面徑流小區，用以監測工程區水土流失背景值。

每個徑流小區包含集水區和蓄水池。集水區垂直投影為20 m×5 m(長×寬)，邊界由漿砌石邊墻圍成矩形，高出地面20 cm，埋入地下30 cm。集水區內填料與蓄水池內側墻高度齊平。蓄水池為漿砌石結構，尺寸為5 m×2 m×1 m(長×寬×深)，外側墻高100 cm，內側墻高80 cm。蓄水池在外側墻高于地面10 cm處水平布設2根直徑10 cm的PVC排水管，排水管在蓄水池外側墻的內側伸出5 cm，管端進口包裹土工布，在蓄水池外側墻的外側伸出10 cm，出水口用球閥控制出水。徑流小區平面示意見圖2。

圖2 徑流小區平面設計示意(單位：cm)

徑流小區土建由經驗豐富的施工隊伍施工，磚塊、砂石、水泥等建材質量符合國家標準要求，集水區整體結構穩定，蓄水池防滲閉水效果良好，閥門管道排水正常，于2011年3月施工并通過驗收，并持續使用至2017年9月。徑流小區建成后的面貌見圖3。

圖3 徑流小區建成面貌

3 監測實施

經監測，上庫棄渣場及公路棄渣場沉沙池監測的土壤侵蝕模數數據與下庫棄渣場標準徑流小區監測數據相近，故以下庫棄渣場標準徑流小區監測數據推算棄渣場料場監測區土壤侵蝕量。

為保證監測數據的準確性，按照《水土保持監測技術規程》(SL 277—2002)要求，考慮了懸移質和推移質的量測。監測人員每月定期打開蓄水池閥門，排除池內積水。排水期間，用離心管取閥門開啟后5～10 s時排出的渾濁液，計算懸移質土壤侵蝕量；用環刀取蓄水池底部淤積的泥沙，計算推移質土壤侵蝕量；將水樣和泥沙樣品帶回實驗室利用烘干法測定泥沙含量；測量放干水后蓄水池內多處淤積泥沙的厚度取平均值，并計算當月土壤侵蝕量。每月監測完畢，及時清理蓄水池內淤積的泥沙、雜物。月土壤侵蝕量計算公式為

T=[(g2-g1)÷v×(1-L)+

(G2-G1)÷V×L]×A2÷A1×S×10-6

(1)

式中：T為監測的月土壤侵蝕量，t；g2為過濾渾濁液并烘干后濾紙的質量，g；g1為烘干后濾紙的質量，g；v為取樣渾濁液的體積，mL；L為蓄水池底部淤積泥沙厚度平均值，m；G2為烘干后的環刀及泥沙的質量，g；G1為烘干后環刀的質量，g；V為環刀的容積，cm3；A2為蓄水池的面積，m2；A1為集水區的面積，m2；S為監測分區土壤侵蝕的面積，km2。

土壤侵蝕面積通過現場調查和在地形圖中量測得到。年土壤侵蝕量計算公式為

(2)

式中：T′為年土壤侵蝕量，t；Tn為月土壤侵蝕量，t。

土壤侵蝕模數計算公式為

M=T′/S

(3)

式中：M為土壤侵蝕模數，t/(km2·a)；其余符號意義同上。

4 監測結果與分析

電站土壤侵蝕量監測時段為2011年3月至2017年9月。監測期內，電站土壤侵蝕總量為27 860 t，其中樞紐工程監測區、道路工程監測區、棄渣場料場監測區、施工臨時設施監測區土壤侵蝕量分別為13 738、5 057、5 879、3 186 t。棄渣場料場監測區的土壤侵蝕量占監測期內工程土壤侵蝕總量的21%，是除樞紐工程監測區外土壤侵蝕最嚴重的監測分區。棄渣場料場監測區土壤侵蝕監測結果見表3。

表3 棄渣場料場監測區土壤侵蝕年度監測數據

整個監測期內，土壤侵蝕量大致先增加后減少，總體變化趨勢與土壤侵蝕面積和土壤侵蝕模數變化趨勢相近。受施工擾動強度影響，棄渣場料場監測區的土壤侵蝕模數為1 495～3 989 t/(km2·a)，屬于輕度至中度侵蝕，整體大致呈現先增強后減弱趨勢，僅在施工高峰期極少數月份發生極端強降水時，才出現強烈或以上的侵蝕情況。由表3知，2012年土壤侵蝕模數為1 495 t/(km2·a)，明顯低于其他年份，這主要是因為當年無大規模集中強降水。根據監測數據，同比第三季度(雨季)，2012年降水量只有2011年的55%，現場監測未發現明顯坡面徑流，土壤侵蝕較弱。2015年土壤侵蝕模數僅為2 223 t/(km2·a)，低于2016年的土壤侵蝕模數2 984 t/(km2·a)，主要原因為在第二季度受工程棄渣影響，蓄水池局部出現破損，影響了土壤侵蝕數據的監測。此外，現場水土保持措施的不斷實施，其水土保持功能逐步發揮，也是棄渣場水土流失逐漸減少的原因之一。

通過工程建設全過程現場監測發現，建設單位在開工之初即在棄渣場落實擋渣墻、盲溝等水土保持工程措施；在施工過程中，用重型裝載貨運卡車在棄渣場道路及平臺往復運渣、不斷碾壓，渣料較為密實；堆料至設計高程后立即實施排洪渠，導流匯水。在完工階段，建設單位招標水土保持專項工程對棄渣場進行整治，修繕已實施的水土保持工程措施，并進一步強化植物措施。隨著水土保持措施不斷完善，棄渣場水土流失狀況得到有效控制，現場生態環境得到逐步改善。

5 結 語

電站所用徑流小區質量優良，從2011年3月至2017年9月持續運行78個月，為獲得棄渣場料場監測區水土保持監測數據提供了長久持續可靠的支撐，為工程最終順利自主驗收提供了有益幫助，也為后續其他近地域、同類型項目水土保持監測提供了借鑒參考的示例。

徑流小區法是《生產建設項目水土保持監測與評價標準》(GB/T 51240—2018)規定水力侵蝕區采用的監測方法之一，具有較好的準確性和時效性。在無人機、衛星遙感影像等新技術廣泛應用于水土保持監測工作的今天，徑流小區法能夠有效彌補遙感監測精度方面的缺陷，填補遙感監測可能會遇到的時間和空間覆蓋的空白。當然，在水土保持監測工作中運用徑流小區法也會遇到不少問題。一是選址問題。水土保持監測設施的布設需要建設單位的積極支持，恰當的選址是水土保持監測地面觀測開展的重要前提，是監測數據準確性和代表性的重要保障。二是布點問題。項目建設用地日趨緊張，布置標準徑流小區難度更大；1個標準徑流小區需要花費數萬元，中小型項目或合同額較低的項目可以通過調整徑流小區規格節約監測費用，但如何利用小型或微型徑流小區來獲取更精確的土壤侵蝕數據是后續需要進一步研究的課題；對于監測周期較長或地質條件不良的工程區，可以考慮采用鋼筋混凝土結構徑流小區，以提高其耐久性；徑流小區的施工質量也是影響監測數據質量的關鍵，建議在土建完工后進行閉水試驗并進行驗收，確保其使用功能正常。三是維護問題。要設置警示標志和安防措施，避免徑流小區遭人為破壞，還要定期清理集水池，避免滋生蛇蟲，帶來安全風險。