输变电线路塔基区不同植被模式下边坡水土流失特征

Soil erosion characteristics of slopes under different vegetation patterns in tower foundation areas of power transmission and transformation lines

摘要

目的 明确山地丘陵区输变电工程塔基区水土流失特征及水沙关系，减少水土流失对地区生态环境的影响。 方法 以辽西山丘区输变电线路工程中侵蚀最为严重的塔基区为研究对象，采用模拟放水试验以裸坡（CK）为对照，分别设计流量为5，10，15，20 L/min，研究冰草、鹅绒藤、冰草+沙棘坡面（BC，ER，BG）的径流产沙特征及水沙关系。 结果 （1） 不同放水流量条件下径流率均呈先快速增大后呈稳定波动的变化趋势，其中BG坡面对于塔基区径流的阻滞效果最好。（2） 放水流量在5~15 L/min时坡面侵蚀速率相对稳定，波动变化并不明显，随放水流量增大，塔基区坡面侵蚀速率明显提高，总体呈“多峰多谷”的变化趋势，其中BC，BG对坡面的减蚀效果最显著。（3） 除CK坡面外，植被配置坡面侵蚀速率与径流率之间呈幂函数的变化关系（R²=0.60~0.84，N=76）。总体上，塔基坡面有无植被防护措施，都表现为水大沙大的变化趋势。 结论 冰草与沙棘混种（BG）能有效阻滞径流并显著减少侵蚀，且植被坡面侵蚀速率与径流率呈幂函数关系，表明植被措施能有效调控塔基区水沙关系。

Abstract

Objective This study aims to clarify the characteristics of soil erosion and the water-sediment relationship in the tower foundation areas of power transmission and transformation projects in hilly regions， and to mitigate the impact of soil erosion on the regional ecological environment. Methods The tower foundation area with the most severe erosion in the power transmission and transformation line project in the hilly region of western Liaoning was taken as the research object. Simulated runoff experiments were conducted using bare slopes （CK） as the control. Flow rates were set at 5， 10， 15 and 20 L/min to investigate the runoff-sediment yield characteristics and water-sediment relationship of slopes vegetated with Agropyron cristatum （BC）， Cynanchum chinense （ER）， and Agropyron cristatum + Hippophae rhamnoides （BG）. Results （1） Under different flow conditions， the runoff rate initially increased rapidly and then stabilized with fluctuations， with the BG slope showing the best blocking effect on runoff in the tower foundation area. （2） When the flow rate was 5~15 L/min， the slope erosion rate remained relatively stable with minor fluctuations. As the flow rate increased， the slope erosion rate in the tower foundation area significantly increased， showing an overall “multi-peak and multi-valley” trend. The BC and BG slopes demonstrated the most significant erosion reduction effects. （3） Except for the CK slope， there was a power function relationship between erosion rate and runoff rate on vegetated slopes （R² = 0.60~0.84， N = 76）. In general， irrespective of vegetation protection measures on the tower foundation slopes， an overall trend of higher runoff leading to higher sediment yield was observed. Conclusion The Agropyron cristatum + Hippophae rhamnoides （BG） can effectively block runoff and significantly reduce erosion. Furthermore， the erosion rate on vegetated slopes shows a power function relationship with runoff rate， indicating that vegetation measures can effectively regulate the water-sediment relationship in the tower foundation areas.

Graphical abstract

关键词

辽西山丘区 / 塔基边坡 / 原位放水冲刷 / 输变电线路工程

Key words

hilly region of western Liaoning / tower foundation slope / in-situ flow scouring / power transmission and transformation line project

改革开放以来，随着国民经济的发展，输变电线路工程日益增多，一方面促进了地区经济的快速发展^［1］。另一方面，输变电线路工程也造成了严峻的水土流失问题，严重影响区域环境和人民生产生活环境^［2］。在输变电线路建设过程中，不可避免地增加对地表的破坏，并对原始植被产生影响^［3-4］。有研究表明，输电线路工程产生的水土流失强度是自然侵蚀强度的49倍，尤其是在山丘区，因其特殊的地形地质条件侵蚀更为明显^［5］。

当前，关于输变电工程水土流失特点的研究较为充分^［67］。其中，汪黎东等^［8］指出，输变电项目建设与当地气候、土壤、植被、地形地貌等自然环境要素密切相关。其中，气候和地形地貌对输电线路水土流失影响更为显著。同时，不同侵蚀类型区输电线路工程具有不同的侵蚀区域性特征，同时，由于我国山丘区面积广阔，占到全国总面积的70%^［9］。因山丘区地形起伏较大等特殊的侵蚀特点，输变电项目施工过程中往往容易造成严重的水土流失，土壤侵蚀模数可达平原区的1.7倍之多^［10］。加之我国山地丘陵区大多生态环境脆弱，社会经济发展较为落后，修建过程中不可避免地跨越山地^［11］，在交通不便的地区坡面上修建塔基区不仅利于径流的流动，加剧了侵蚀^［12］，而且由于不断下切土壤形成宽而深的切沟，也不同程度地增加坡面不稳定事件的发生^［13］。近年来，输变电线路工程水土流失治理防护受到学术各界的广泛关注^［14］。由于山丘区输变电线路主要由塔基区和输变电线两部分组成^［15］，加之侵蚀过程与传统生产建设项目有所不同，其主要以点、线的侵蚀形式为主。此外，输变电线路往往经过我国的山地丘陵区，由于气候、土壤、地质条件对侵蚀产生极大的不稳定性^［16］，若缺乏正确的生态恢复及治理措施将对周边生态环境造成巨大影响，因此，对于输变电线路建设过程中水土流失特征的研究不仅有利于地区生态治理，而且对于输变电线路的安全运行至关重要^［17］。

综上所述，目前对于输变电线路水土流失的研究多停留在水土流失特征的分析上，并未针对不同区域范围内的水土流失特点制定相应的防治措施。并且，目前国内研究主要针对生产建设项目水土流失的研究^［17］，而对于新型输变电线路的研究明显不足，特别是针对辽西山地丘陵区的研究则更为鲜见。此外，有研究表明，植被可以改变坡面水文效应，起到改良土壤、增加土壤有机质，减少侵蚀的作用^［18］。鉴于此，本文以辽西山丘区输变电线路中侵蚀最为严重的塔基区为研究对象，采用坡面放水冲刷的方法，研究不同植被（直根系、须根系、直+须根系）边坡径流产沙过程及对水沙关系的影响，为区域输变电线路水土流失的治理以及生态恢复提供科学理论依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况及野外调查

本试验以辽西山地丘陵区为研究区域，选择辽西山丘区4条800 kV直流输电工程以及1条1 100 kV特高压直流电线路工程为研究对象。通过野外调查统计其中15条子线段中塔基的调查数据，据此设计试验小区的坡长、坡宽等试验参数，试验区平均海拔400 m以上，地貌类型以山地丘陵为主，丘陵顶部风化严重，高陡边坡为径流侵蚀与冲刷提供了天然条件。此外，该区域气候为典型半干旱大陆性气候，年降水多集中在夏季占到全年降雨量的60%，降雨量为379~500 mm，年蒸发量在1 600 mm以上，区域土壤主要以棕壤土、草甸土为主，质地黏重，透水透气性差^［19］，受特殊的气候、地形以及人为活动的影响，该区域侵蚀类型主要以水蚀为主并伴有风蚀，在春季和夏季坡面水土流失严重。

因此，通过资料收集和野外调查，综合考虑植被高度、盖度、丰富度，选择地区常见乡土植物，如冰草（Agropyron cristatum， BC）、鹅绒藤（Cynanchum chinense， ER）、冰草+沙棘（Agropyron cristatum+Hippophae rhamnoides， BG）的植被配置方式作为试验研究坡面植被物种组成，具体植物种及土壤性质见表1。

1.2 试验设计

本研究选择3种典型植被配置坡面以及未扰动的典型塔基区坡面作为对照。采用野外原位放水冲刷模拟试验的方法，以裸露塔基区坡面为对照，依据野外对15条子线段中塔基坡面的实地调查结果，设计放水冲刷小区坡面坡度为38°，小区坡长设计为8 m×1 m（长×宽），为避免试验过程中小区水分向外入渗影响试验结果，通过在小区四周插入钢板，钢板插入地表30 cm以下，地上出露10 cm。在试验过程中水分由坡面上方储水桶提供，利用水泵将水送至塔基坡面，并通过阀门和电磁流量计调整进入小区流量的大小，并在小区上方设置稳流槽，用来减少薄层水流的扰动，使径流在坡面呈均匀漫流状态。以减少对坡面径流产沙的影响。在坡面小区下方设置径流泥沙收集桶，具体试验装置见图1。根据辽西山地丘陵区典型气候特征，并依据当地塔基的占地面积与实测当地径流系数设计试验放水流量为5~20 L/min，冲刷时间根据当地降雨历时确定为45 min，由于试验量较大，每种植被配置坡面重复试验2次。

1.3 试验过程与数据收集

在开始试验前，先用挡雨布覆盖小区，后打开水泵并用阀门和电磁流量计来调节流量，进行率定，待试验误差<5%时，将挡雨布撤下开始试验，并用秒表计时。其间使用精度为1 mm的钢尺在各断面测量流宽和流深。并用径流收集桶对径流产沙进行收集，试验前期每1 min收集一次，试验开始6 min后，每3 min收集一次径流泥沙样。待试验结束后，将收集装置中的径流泥沙样品在105 ℃条件下烘干至恒重，并用精度为0.01 g的电子天平称重。试验共开展放水冲刷场次4（放水流量）×4（坡面类型）×2（重复），共计32场试验，若出现特殊状况或测量数据之间误差较大时，则舍弃本场试验重复一下试验，确保试验结果的可信度。

1.4 数据计算与处理

（1） 径流率（Q）：单位时间内坡面径流的流失量，由径流泥沙样的质量减去烘干后泥沙重量计算，计算公式为：

Q=\frac{\mathrm{60}(M_{\mathrm{2}}-M_{\mathrm{1}})}{\rho T}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}（1）

式中：Q为径流率（L/min）；M₂为试验收集的径流泥沙重量（g）；M₁为径流泥沙样中泥沙的重量（g）；\rho为试验用水的密度（g/cm）；T为接取样的时间（s）。

（2） 径流流速（V）：当径流在坡面漫流时，采用高锰酸钾示踪法进行坡面不同断面的流速（V_x ）测定，在此基础上乘以修正系数（\alpha）得到坡面实际径流流速^［20］。

V=V_x\cdot \alpha（2）

式中：V为径流流速（m/s）；V_x 为径流表面速度（m/s）；本试验a取值为0.75。

（3） 侵蚀速率（D_r）：坡面在单位时间内径流搬运泥沙的质量，计算公式为：

D_{\mathrm{r}}=\mathrm{60}M/T（3）

式中： D_r为坡面土壤侵蚀速率（g/min）；M为接样时间内的泥沙重量；T为接取样的时间（s）。

2 结果与分析

2.1 塔基边坡径流率变化过程

由图2可以看出，不同放水流量条件下，4种坡面径流率总体上均在产流0~10 min内呈先迅速增大后随产流历时波动变化的趋势，各坡面径流率分别在1.26~16.40，0.08~15.69，0.43~12.65，1.30~12.48 L/min波动变化。当放水流量为5 L/min时，裸地坡面径流率在0~3 min内迅速增大，随产流历时呈波动下降的变化趋势。整个产流过程中裸地坡面径流率均大于各植被坡面，BC，ER，BG坡面径流率分别为0.26，1.02，0.25 L/min，相较CK坡面分别降低90.00%，61.50%，91.00%。其中ER坡面较裸地坡面降低幅度相对较小，BG坡面对径流率的阻滞效果最好。当放水流量为20 L/min时，CK，BC，ER，BG坡面平均径流率分别为12.78，12.69，10.74，10.11 L/min，植被坡面较CK坡面降低0.70%，16.00%，21.00%，这表明随放水流量的增大各植被配置坡面与CK坡面间差异性逐渐减小。

2.2 塔基边坡侵蚀速率变化过程

图3为不同植被塔基边坡侵蚀速率随产流历时的变化过程，由图3可以看出，各植被塔基边坡在放水流量小于20 L/min时，各坡面侵蚀速率总体上呈波动变化并逐渐递减的变化趋势，其中CK坡面侵蚀速率在产流前期波动变化剧烈，而草被坡面在整个产流过程中波动变化并不明显；当流量为5 L/min时，植被坡面侵蚀速率明显小于裸坡，CK，BC，ER，BG坡面侵蚀速率分别在318.85~2 657.48，1.97~72.74，419.15~941.72，4.17~162.18 g/min，相较于CK坡面，BC，ER，BG植被配置坡面侵蚀速率分别降低97.6%，34%，92.76%。其中，冰草坡面和冰草+沙棘灌草坡面具有较好的减蚀作用。当放水流量增大至20 L/min时，各个坡面侵蚀速率均明显提高，总体上呈“多峰多谷”的变化趋势，这也表明流量的增加对塔基边坡侵蚀速率的影响较大。其中，裸坡的侵蚀速率在389.73~6 516.00 g/min变化，侵蚀速率为2 787.21 g/min，植被坡面BC， ER， BG侵蚀速率分别为160.5~1 789.25，235.27~4 947.69，507.69~3 454.49 g/min，植被坡面侵蚀速率较CK坡面分别降低71.6%，68.9%，43.8%。这与径流率的变化过程相一致。

2.3 不同植被配置条件下塔基边坡水沙关系

图4为输变电线路塔基边坡侵蚀速率与径流率的回归拟合分析，由图4可以看出，CK，BC，ER和BG坡面侵蚀速率与径流率均呈显著相关（R²=0.40~0.84，N=76），其中除CK坡面外，其余各坡面拟合结果均为幂函数关系，冰草+沙棘所组成的灌草坡面拟合效果最好（R²=0.84，p<0.01），而冰草和鹅绒藤坡面拟合关系则相对较弱。此外，无论坡面有无防护措施，随着放水流量的增大坡面径流率增大，径流率的增大也一定程度上进一步促使坡面侵蚀产沙增大。总体上，输变电线路塔基边坡水沙关系表现为水大沙大的趋势，而植被的存在一方面由于植被地上部分的存在，减少了降雨打击以及径流对塔基坡面的直接破坏作用；另一方面由于植物地下根系的存在改良了土壤性质，增加土壤毛管孔隙，有利于降雨及坡面径流入渗，进而减少侵蚀搬运的泥沙质量，起到一定减蚀作用。

3 讨 论

由于输变电线路施工具有线路长、跨区域广、扰动点分散以及项目区地形地貌和水土流失类型复杂等综合特点，其水土流失与传统侵蚀存在明显的不同^［21］。本研究通过对4种不同配置下的坡面放水冲刷试验表明，随放水流量的增大，CK坡面与BC，ER，BG坡面径流率之间的差异逐渐减小，这是因为一方面，在5 L/min时，径流在坡面上漫流冲刷后已经形成了较为明显的径流路径，随放水流量的增大，径流率波动变化幅度减弱，但总体上仍随放水流量的增大而增大；另一方面，在前期放水过程中，一部分径流逐渐入渗损失，随放水流量的增大，坡面土体水分逐渐饱和，下渗速率维持稳定，导致CK坡面径流率与有植被措施坡面径流率间差距逐渐缩小。且随流量递增，趋势越发明显。

坡面侵蚀速率表现为，塔基裸露坡面侵蚀速率波动变化剧烈，这主要是由于辽西山地丘陵区地形坡度较陡修建电网塔基时，高陡边坡更容易汇集径流，促进了坡面细沟的发育。此外，侵蚀速率在5 L/min时在产流前期突增，随产流历时逐渐下降，呈明显“多峰多谷”变化。这是因为，塔基区土壤结构性差，抗蚀抗冲能力差，在坡面产流初期其表面拥有大量可蚀性颗粒，随着径流在坡面漫流，侵蚀速率在单位时间内剥蚀土壤颗粒的量显著增大，因此侵蚀速率呈突变增大。但随产流历时，坡面可蚀性颗粒被搬运完成，土体接近饱和，水分下渗基本稳定，因而侵蚀速率呈缓慢下降的趋势变化。后随放水流量的增大坡面沟道发育，在径流的侵蚀下切作用下形成较浅的沟壑，随产流历时，沟边土体逐渐崩塌，使得沟道径流暂时被阻滞，侵蚀速率有所下降，崩积物在径流剪切作用下抗剪强度逐渐降低，崩积体被冲散，径流含沙量短时间内迅速提高，侵蚀速率达到又一个峰值，在沟道形成过程中，这种现象不断循环发生，导致坡面侵蚀速率总体上呈现剧烈波动的变化过程^［22］。与此同时，植被的存在显著降低了塔基坡面径流产沙，在5 L/min条件下相较于CK坡面，BC，ER，BG平均侵蚀速率分别降低了97.60%，34.00%，92.76%（图3），其中冰草坡面（须根系）和冰草+沙棘坡面（须+直根系）减幅最大。这主要是与植被在水土流失治理中发挥的积极作用有关。一方面，水流冲刷过程中，植被可以增加地表糙率，延长径流路径，延缓水分下渗，起到改变坡面水文条件的作用。其次，植物茎秆在坡面径流流动过程中起到阻滞径流的作用，降低径流搬运泥沙的能力。另一方面，植被地下部分穿插、缠绕，固结土体增加了坡面土壤结构的稳定性，提高了土体抵抗径流分散土体的能力，并通过促进土壤水稳性团聚体的形成改善土体结构，强化水分入渗。作为水土保持三大措施中的一种，在水土流失治理过程中发挥着不可替代的作用，相较于工程措施，植物措施可以减少动土面积，最大限度地减少人为对地表的扰动^［23］。尤其在辽西山地丘陵沟壑区，生态环境脆弱，塔基区边坡治理应该首先考虑植被恢复等生物措施。其中，本研究发现须根系的冰草以及须根系和直根系混生的灌草坡面在对塔基区域侵蚀的防治过程中效果相较单一直根系更为明显。这是因为须根可以有效增加土壤阻力，以保护土壤免受径流冲刷，阻止径流下切。此外，须根系与直根系的配置则大大提高了根系与土壤的接触面积，增加了土体稳定性，一定程度上有效减少土壤剥离比。因此，在输变电线路塔基区生态修复过程中，要按照当地气候、地形地貌等条件综合考虑生态恢复配置措施，选择须根系或灌草搭配的形式进行水土流失防治。

4 结 论

塔基区边坡4种坡面径流率总体上在产流初期快速增大，后呈波动变化的趋势，BG坡面相较于各坡面对于径流的阻滞效果最好，随流量增大各坡面间径流率差异逐渐减小。塔基区坡面侵蚀速率整体上随放水流量增大波动性显著提高，当放水流量为20 L/min时侵蚀速率显著提高，呈明显“多峰多谷”的波动变化趋势。其中，BC，BG坡面减蚀作用明显，较CK分别减少了97.60%，92.76%。除CK坡面外各植被配置坡面侵蚀速率与径流率间均呈幂函数正相关关系（R²=0.40~0.84，N=76）。塔基区坡面水沙关系则总体表现为水大沙大的侵蚀特征。

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基金资助

国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院“山丘区输变电工程侵蚀环境及水土流失特征研究”(SGLNJY00SJJS2310050)