吉音水利樞紐水土流失預(yù)測綜合分析及建議

梁 軍

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

1 工程概況及水土流失現(xiàn)狀

1.1 工程概況

新疆吉音水利樞紐工程位于和田地區(qū)于田縣境內(nèi)的克里雅河干流上，壩址位于克里雅河支流烏什開布隆達(dá)里亞河與克里雅河干流吾格也克河交匯口上游約830 m處，工程區(qū)距于田縣城約120 km，距和田市323 km，距烏魯木齊1 418 km。新疆吉音水利樞紐工程總庫容0.82億 m3，水庫正常蓄水位2 509 m，電站裝機(jī)24 MW，年發(fā)電量1.12億 kw·h，工程建成后，可控制灌溉面積70.73萬畝，將下游防洪堤防洪標(biāo)準(zhǔn)由3 a一遇提高到20 a一遇；屬Ⅱ等工程，攔河壩、表孔溢洪洞(導(dǎo)流洞改建，豎井水平渦旋流消能形式)、底孔泄洪、沖沙、放空洞、發(fā)電引水洞進(jìn)口為2級，發(fā)電引水洞、發(fā)電廠房、尾水洞為3級，臨時性建筑物為4級。

1.2 項目區(qū)水土流失現(xiàn)狀

新疆吉音水利樞紐工程位于克里雅河流域低山丘陵區(qū)，工程建設(shè)區(qū)全部位于于田縣境內(nèi)，于田縣土壤侵蝕類型中以風(fēng)力侵蝕為主，占侵蝕面積的51.2%。項目區(qū)位于于田縣風(fēng)蝕、水蝕交錯區(qū)中的南部山區(qū)，從項目區(qū)的自然環(huán)境概況、水土流失現(xiàn)狀調(diào)查及引起土壤侵蝕的外營力和侵蝕形式分析，風(fēng)蝕與水蝕交錯侵蝕是該區(qū)域的主要侵蝕方式。

于田縣水土保持工作剛剛起步，還沒形成較系統(tǒng)完整的水土保持治理體系。目前只針對平原灌區(qū)及與平原灌區(qū)相接的沙漠邊緣地區(qū)采取舊灌區(qū)改建、種植農(nóng)田防護(hù)林、利用高效節(jié)水灌溉技術(shù)在風(fēng)沙流動區(qū)域邊緣種植紅柳、大蕓等防治水土流失的工作。

2 水土流失防治分區(qū)

2.1 防治范圍

工程建設(shè)水土流失防治責(zé)任范圍包括項目建設(shè)區(qū)和直接影響區(qū)兩部分，見表1。

2.1.1 項目建設(shè)區(qū)

項目建設(shè)區(qū)包括主體工程區(qū)、料場區(qū)、棄渣場區(qū)、道路區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)、施工輸電線路區(qū)、水庫淹沒區(qū)、移民安置區(qū)，總面積438.64 hm2，全部位于于田縣。

2.1.2 直接影響區(qū)

根據(jù)水利樞紐工程建設(shè)的特點，本工程直接影響區(qū)為水庫蓄水后，因水位的變化而對周邊侵蝕量造成影響的區(qū)域，估算面積為2.85 hm2，全部位于于田縣。

表1 水土流失防治范圍及分區(qū)統(tǒng)計

2.2 項目區(qū)防治分區(qū)

根據(jù)項目區(qū)的自然環(huán)境條件，在項目建設(shè)區(qū)內(nèi)以工程區(qū)的地形地貌、水土流失類型和防治措施特點等因子為依據(jù)，結(jié)合工程施工布局的特點和本方案的編制原則，進(jìn)行水土流失防治區(qū)的劃分[1-2]。分區(qū)按照以下原則進(jìn)行：

(1)項目區(qū)內(nèi)時空分布基本集中且保證工程建設(shè)時序基本相同，與主體工程布置中的功能劃分相符合。

(2)保證同區(qū)中工程建設(shè)涉及的水土流失類型和特點基本吻合。

(3)同一分區(qū)應(yīng)該保證有相同的防治措施體系。

根據(jù)以上分區(qū)的依據(jù)和原則，將本工程項目建設(shè)的水土流失防治按地貌劃分為低山丘陵區(qū)，按工程建設(shè)劃分為八個區(qū)(見表1),即：主體工程區(qū)、料場區(qū)、棄渣場區(qū)、道路區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)、施工輸電線路區(qū)、淹沒區(qū)、移民安置區(qū)。另外，根據(jù)各防治分區(qū)占地性質(zhì)和擾動地表方式的不同，將棄渣場區(qū)進(jìn)一步劃分為永久棄渣場和利用料堆放場，將道路區(qū)進(jìn)一步劃分為永久道路區(qū)和臨時道路區(qū)。

3 項目區(qū)水土流失預(yù)測

3.1 預(yù)測方法的選擇

3.1.1 即有地形地貌、已破壞土地和植物現(xiàn)狀預(yù)測法

通過查閱本工程的設(shè)計技術(shù)資料，利用設(shè)計圖紙，結(jié)合實地查勘，對項目在建設(shè)期擾動地表、占壓土地和損壞植被面積分別進(jìn)行測算[3]。

3.1.2 工程產(chǎn)生棄土、棄渣量的預(yù)測方法

對設(shè)計圖紙進(jìn)行計量操作，按圖計算工程即將產(chǎn)生的堆渣的數(shù)量，對于不清楚的地方，可結(jié)合實地勘察，實地測量等操作確定棄渣數(shù)量和位置。

3.1.3 損壞水土保持設(shè)施預(yù)測方法

依據(jù)初步設(shè)計圖紙資料統(tǒng)計施工過程中要破壞的水保設(shè)施數(shù)量，同時結(jié)合項目區(qū)土地利用資料，分類別統(tǒng)計被破壞植被、草地等固土植物面積和數(shù)量。

3.1.4 可能造成的水土流失數(shù)量預(yù)測方法

針對可能造成的水土流失量，需要綜合項目區(qū)所有相關(guān)資料，并結(jié)合前期勘測報告以掌握對項目區(qū)地表和植被的現(xiàn)狀情況。以項目區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度為基礎(chǔ)，充分調(diào)查各種棄渣的本質(zhì)組成和丟棄位置，以此可有針對性地對項目區(qū)各分區(qū)中水土流失量進(jìn)行科學(xué)預(yù)測。

3.1.5 對預(yù)測結(jié)果的綜合分析方法

項目區(qū)水土流失量預(yù)測應(yīng)注意其前提是不改變現(xiàn)狀情況，即不采取任何水保措施的情況下進(jìn)行預(yù)測[5]。對本工程的水土流失量預(yù)測首先通過調(diào)查大風(fēng)和降水對項目區(qū)棄渣造成的侵蝕量；緊接著按照當(dāng)?shù)赝恋仡愋颓闆r和以往經(jīng)驗確定該地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)；最后考慮工程施工時間周期、工區(qū)原地貌土壤侵蝕模數(shù)和勘察報告得到的工程擾動地表面積進(jìn)而計算得到工程建設(shè)過程中造成的新增土壤流失量。工程建設(shè)擾動項目區(qū)地表土壤流失量計算公式參考如下：

(1)

(2)

式中：W為土壤流失量，t；ΔW為新增土壤流失量，t；Fji為第i個預(yù)測單元的面積(擾動面積)，km2；Mji為某一時間段單位土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；ΔMji為某一時間段單位新增土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a，只計正值，負(fù)值按0計；Tji為某時段某單元的預(yù)測時間，a。i為預(yù)測單元，i=1、2、3、……、n-1、n；j為預(yù)測時段，j=1、2、3。

3.2 項目區(qū)土壤侵蝕模數(shù)的選取

工程地面原生地貌侵蝕模數(shù)的確定：(1)參考《新疆于田縣水土保持規(guī)劃報告》中本工程區(qū)土壤侵蝕模數(shù)的相關(guān)內(nèi)容，(2)通過當(dāng)?shù)厮麑＜业呐袛啵?3)考慮河流的輸沙模數(shù)，四是通過現(xiàn)場的土壤侵蝕野外實地勘測，并結(jié)合《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，得出各分區(qū)的原生侵蝕模數(shù)見表2。最終確定本項目區(qū)原生地貌土壤侵蝕模數(shù)取2 000 t/km2·a。

本工程擾動后侵蝕模數(shù)的確定，是在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上借鑒南疆鐵路的監(jiān)測數(shù)據(jù)。施工期棄渣的流失量與棄渣場的地形、地面坡度、地表組成的因素關(guān)聯(lián)不大，主要由棄渣的組成物質(zhì)、渣體表面積和堆渣坡度及當(dāng)?shù)貧庀笠蛩卮_定。根據(jù)本工程的特點，棄渣流失主要集中在施工期[6-8]。綜上所述，修正后確定本工程渣場侵蝕模數(shù)為10 000 t/km2·a，項目區(qū)其它區(qū)域的侵蝕模數(shù)為8 000 t/km2·a。

表2 工程區(qū)原生地貌土壤侵蝕模數(shù)表

3.3 預(yù)測結(jié)果

利用前文所述公式，計算得到新增水土流失量見表3。已知即有工程建設(shè)周期內(nèi)產(chǎn)生的棄渣量多，共達(dá)195.28萬 m3，若放任不管，本項目將造成區(qū)域水土流失約為7.06萬 t，其中工程建設(shè)新增土壤流失量為5.18萬 t。分區(qū)預(yù)測結(jié)果表明，本次工程建設(shè)中，道里區(qū)和棄渣場區(qū)水土流失新增量最大，兩者水土流失量達(dá)到了新增水土流失量的70%，接著是主體工程區(qū)，造成的水土流失量占比近總量的20%?？梢姳竟こ虒嶋H新增水土流失區(qū)域主要以經(jīng)常作業(yè)區(qū)為主，對于不常進(jìn)行施工作業(yè)的移民安置區(qū)、生產(chǎn)生活區(qū)和材料堆放區(qū)，水土流失新增量并不明顯。

確定預(yù)測分區(qū)后，地表土壤擾動預(yù)測還應(yīng)確定預(yù)測階段：按照時間順序可以分為準(zhǔn)備期、施工期和恢復(fù)期。對于本工程而言，由于施工期間棄渣和開采均是分期進(jìn)行，故無法兼顧施工期時段料場區(qū)和棄渣場區(qū)的具體擾動面積，所以計算時默認(rèn)為最不利情況，即料場區(qū)和棄渣場區(qū)域占地按照全部擾動考慮。

3.3.1 準(zhǔn)備期

施工準(zhǔn)備期間是進(jìn)行場地規(guī)整、道路建設(shè)、生活區(qū)建設(shè)和輸水輸電線路建設(shè)的時間，此外，該階段還有施工隊伍進(jìn)駐、大型機(jī)械進(jìn)場等活動。根據(jù)場地圖紙資料和前期勘測報告，施工準(zhǔn)備期工程擾動面積為157.25 hm2,且施工準(zhǔn)備期預(yù)測時間段為1.5 a。

根據(jù)施工準(zhǔn)備期時段和施工擾動面積進(jìn)行預(yù)測，施工準(zhǔn)備期土壤流失總量為13 821 t。

表3 水土流失量預(yù)測成果匯總表

3.3.2 施工期

新疆吉音水利樞紐工程施工時段為2.5 a，施工期間工程占地范圍內(nèi)土地為全面擾動，是水土流失發(fā)生的主要時段。按照資料分區(qū)進(jìn)行預(yù)測，施工建設(shè)期間水土流失總量為37 769 t，是施工準(zhǔn)備期水土流失總量的3倍。

3.3.3 自然恢復(fù)期

自然恢復(fù)期水土流失預(yù)測是一個長時間的過程，恢復(fù)期間由于該地區(qū)人為干涉程度很低，植物生長迅速，水土流失呈現(xiàn)逐年減少的趨勢。對自然恢復(fù)期水土流失的調(diào)查，本項目按照專家訪談法和同類項目經(jīng)驗法進(jìn)行預(yù)測，最后整理各專家預(yù)測得到平均值即為預(yù)測結(jié)果。通過平均值計算，自然恢復(fù)期項目區(qū)水土流失量為18 976 t，相較施工期減少了18 793 t。

圖1 不同建設(shè)時段新增水土流失量分析圖

3.4 防治重點分析

新疆吉音水利樞紐工程位于克里雅河流域低山丘陵區(qū)，水土流失類型表現(xiàn)為風(fēng)蝕、水蝕，程度均為輕度侵蝕。工程建設(shè)期間，人為影響因素造成了該地區(qū)新增水土流失較為嚴(yán)重，如大型機(jī)械進(jìn)場、認(rèn)為施工占地、植被大面積損壞等。工程建設(shè)需設(shè)置一套專項整治措施，針對施工引起的新增土壤流失做好棄土棄渣的防護(hù)以及后期植被覆蓋建設(shè)等工作是防治重點內(nèi)容。

上述預(yù)測結(jié)果表明：對施工時段而言，施工期是本工程重點防治時段，恢復(fù)期和施工準(zhǔn)備期是該工程次要保護(hù)時段。對施工區(qū)域而言，項目區(qū)總體新增水土流失土壤為5.18萬 t，其中數(shù)道路區(qū)和棄渣場區(qū)水土流失程度最高，作業(yè)頻率相對較低的生活區(qū)和移民安置區(qū)相對較低(見圖1)。綜上所述，施工期的道路區(qū)、棄渣場區(qū)應(yīng)重點關(guān)注，其次是施工準(zhǔn)備期間的道路區(qū)和棄渣場區(qū)，而自然恢復(fù)期間也應(yīng)該周期性地檢查道路區(qū)和棄渣場區(qū)的恢復(fù)情況，對項目區(qū)水土流失恢復(fù)情況進(jìn)行監(jiān)測。

4 總結(jié)與建議

通過對項目區(qū)分區(qū)處理后，結(jié)合一系列科學(xué)預(yù)測方法對項目區(qū)水土流失做了預(yù)測。分析預(yù)測結(jié)果后，明確了水土流失重點分區(qū)為施工期的道路區(qū)和棄渣場區(qū)。針對防治工程、工程實施進(jìn)度和后期監(jiān)測工作，提出了以下建議：

4.1 應(yīng)采取的防治工程類型

該地區(qū)初始侵蝕為輕度風(fēng)蝕、輕度水蝕為主，工程建設(shè)影響后，土壤流失演變?yōu)橹卸蕊L(fēng)蝕為主，水蝕為輔的類型。由此可見本工程在施工期間防治措施應(yīng)該以防風(fēng)固沙為重點，主要設(shè)置臨時防風(fēng)和管理措施。

由于工程區(qū)土壤結(jié)皮較薄，下層土壤結(jié)構(gòu)較松散，表層結(jié)皮、植被被破壞后風(fēng)力>5 m就會風(fēng)氣揚(yáng)塵，生態(tài)環(huán)境惡劣。原生狀態(tài)下項目區(qū)地表植被覆蓋率平均為10%，局部區(qū)域可達(dá)60%，并且項目區(qū)周邊居民在惡劣自然環(huán)境條件下已形成了在房前屋后，沿途道路空地就植樹種草的生活習(xí)慣，此外大壩及電站廠房均有水源保證，應(yīng)此根據(jù)實際情況能采取植物措施的盡量采取植物措施。

對于棄渣場區(qū)，尤其應(yīng)注重清表棄料的臨時防護(hù)；對于道路區(qū)，尤其是施工便道等經(jīng)常使用道路應(yīng)該注意施工期補(bǔ)充礫石，且嚴(yán)格規(guī)定施工擾動區(qū)域范圍；施工生產(chǎn)生活區(qū)、移民安置區(qū)和輸電輸水區(qū)在施工期間主要應(yīng)采用臨時防護(hù)措施。以上各個區(qū)域施工期結(jié)束后應(yīng)立即加蓋植被，設(shè)置植被恢復(fù)措施。

4.2 工程實施進(jìn)度建議

工程施工期間，臨時措施是主要防治手段，這些措施需和主體工程建設(shè)同步進(jìn)行；防護(hù)強(qiáng)度周期性變化，以雨季為重點加強(qiáng)時段，其他時段主要預(yù)防大風(fēng)侵蝕，預(yù)防實施時段與施工周期相同；工程實施后期應(yīng)該加入植物防治措施，本項目的植物措施介入在工程開工后的第4～5年的春季；對于主體施工時間，應(yīng)該注重氣象預(yù)報，及時調(diào)整施工進(jìn)度，盡量減少雨季和大風(fēng)季節(jié)施工的次數(shù)。

4.3 對水土流失監(jiān)測的建議

據(jù)前文分析，監(jiān)測點按分區(qū)侵蝕程度設(shè)置，關(guān)于重點監(jiān)測點，其中風(fēng)蝕應(yīng)布置在道路兩側(cè)和棄渣場區(qū)周邊，水蝕應(yīng)布置在大壩附近為宜。